基于真實(shí)性情境的物聯(lián)網(wǎng)大單元教學(xué)實(shí)踐

【摘 要】本文以“智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目為例，基于真實(shí)性情境，從構(gòu)建單元主題、制訂項(xiàng)目目標(biāo)、細(xì)化活動(dòng)設(shè)計(jì)、實(shí)施持續(xù)性評(píng)價(jià)四個(gè)方面，開(kāi)展項(xiàng)目式大單元教學(xué)探索與實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)和技能的提升。

【關(guān)鍵詞】真實(shí)性情境；大單元教學(xué)；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；物聯(lián)網(wǎng)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）04-054-02

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》聚焦真實(shí)情境問(wèn)題解決，由關(guān)注技術(shù)技能教學(xué)轉(zhuǎn)向注重培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力。項(xiàng)目式大單元教學(xué)以真實(shí)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)項(xiàng)目作品引導(dǎo)學(xué)生更好地理解單元知識(shí)內(nèi)容，并將其轉(zhuǎn)化為問(wèn)題解決方案。本文以“智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目為例，分析第四學(xué)段初中7至9年級(jí)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊里的“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用”大單元教學(xué)的探索實(shí)踐。

巧設(shè)項(xiàng)目情境，構(gòu)建單元主題

大單元教學(xué)活動(dòng)要將信息科技課程真實(shí)性學(xué)習(xí)的魅力展現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)以學(xué)生認(rèn)知為基礎(chǔ)，巧妙設(shè)計(jì)真實(shí)的項(xiàng)目情境。隨著科技的不斷發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，傳統(tǒng)的溫室農(nóng)場(chǎng)大棚運(yùn)作方式相對(duì)簡(jiǎn)單，主要依靠人工判斷實(shí)施調(diào)溫、澆水、通風(fēng)、收蓋大棚簾子等各項(xiàng)工作。傳統(tǒng)的溫室農(nóng)場(chǎng)運(yùn)作方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。本文把“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用”單元設(shè)計(jì)為“智能溫室農(nóng)場(chǎng)”的探究情境，通過(guò)集成應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)場(chǎng)運(yùn)作的自動(dòng)化，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)集科學(xué)、技術(shù)、工程于一體的綜合性項(xiàng)目，本文以構(gòu)建“智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目為大單元主題，通過(guò)真實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)，將工程活動(dòng)融入實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，制訂項(xiàng)目目標(biāo)

項(xiàng)目式大單元教學(xué)緊緊圍繞項(xiàng)目主題，從單元整體把握課程內(nèi)容，項(xiàng)目目標(biāo)貼近真實(shí)生活，符合學(xué)生認(rèn)知，顯著提高學(xué)生參與度。新課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用”部分學(xué)業(yè)要求為：①根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的需要和可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡(jiǎn)單控制功能的簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)；②能通過(guò)智能終端編寫(xiě)程序，讀取并處理含有物聯(lián)功能設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)反饋或控制。

筆者以學(xué)業(yè)要求為基準(zhǔn)，確立了“智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目的預(yù)期成果目標(biāo)：設(shè)計(jì)并搭建一個(gè)由六個(gè)子系統(tǒng)組成的智能溫室農(nóng)場(chǎng)簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)，包括智能溫度控制系統(tǒng)、智能土壤濕度控制系統(tǒng)、智能光照控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、光熱模塊系統(tǒng)。智能溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的氣溫變化，通過(guò)精確的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫室自動(dòng)化升溫降溫，確保作物處于適宜的溫度環(huán)境。智能土壤濕度控制系統(tǒng)對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)土壤濕度的及時(shí)掌握，按需進(jìn)行噴灌澆水，確保植物得到充足且適量的水分供應(yīng)，提高植物的生長(zhǎng)質(zhì)量和產(chǎn)量。智能光照控制系統(tǒng)根據(jù)溫室農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的光照情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，通過(guò)適宜的光照管理，促進(jìn)植物的光合作用，提高植物的生長(zhǎng)速度和品質(zhì)。通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)溫室農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的溫度和濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)通風(fēng)量，保證農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的空氣流通，保持最佳的溫、濕度，有效防止病蟲(chóng)害的發(fā)生。噴灌系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度檢測(cè)的反饋，進(jìn)行灌溉澆水作業(yè)，通過(guò)精準(zhǔn)的噴灌控制，節(jié)約水資源，提高灌溉效率，同時(shí)避免過(guò)度澆水對(duì)植物造成不良影響。光熱模塊系統(tǒng)根據(jù)溫度和光強(qiáng)的變化，按控制系統(tǒng)指令打開(kāi)燈帶發(fā)光發(fā)熱進(jìn)行升溫或調(diào)節(jié)光照，調(diào)整遮陽(yáng)簾的開(kāi)合程度，該系統(tǒng)采用無(wú)色透明亞克力板搭建智能溫室農(nóng)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)程序自動(dòng)控制溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、風(fēng)扇、水泵、燈帶、遮陽(yáng)簾等組件運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)運(yùn)作的智能化。

著眼核心素養(yǎng)，細(xì)化活動(dòng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目式大單元教學(xué)將單元整體目標(biāo)與單元學(xué)習(xí)活動(dòng)相結(jié)合，建立起知識(shí)技能之間的邏輯關(guān)聯(lián)。課標(biāo)中物聯(lián)網(wǎng)部分學(xué)段目標(biāo)描述為：①信息意識(shí)，感受物聯(lián)網(wǎng)給人們的學(xué)習(xí)、生活和工作方式帶來(lái)的改變；②計(jì)算思維，根據(jù)需求設(shè)計(jì)、搭建簡(jiǎn)易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型，體驗(yàn)其中的方法與過(guò)程；③數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)字設(shè)備支持學(xué)習(xí)，具備利用信息科技進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的能力；④信息社會(huì)責(zé)任，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中了解自主可控對(duì)國(guó)家安全以及物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的重要意義。基于核心素養(yǎng)目標(biāo)，筆者將“智能溫室農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目分解為如下單元學(xué)習(xí)活動(dòng)。

1.溫室農(nóng)場(chǎng)溫度智能控制

主控板編程設(shè)定溫度閾值，對(duì)溫室氣溫進(jìn)行精確而高效的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)溫度智能控制。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度值高于閾值時(shí)，表明溫室內(nèi)氣溫過(guò)高，自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)，打開(kāi)風(fēng)扇進(jìn)行排氣通風(fēng)，降低溫室內(nèi)的氣溫。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度值低于閾值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)光熱模塊系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)光發(fā)熱的方式實(shí)現(xiàn)升溫。學(xué)生編寫(xiě)程序根據(jù)設(shè)定的溫度閾值自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)和光熱模塊系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保溫室內(nèi)的氣溫始終處于適宜的范圍內(nèi)。還可以根據(jù)不同的植物需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，對(duì)于某些溫度要求較高的植物，設(shè)定較高的溫度閾值實(shí)現(xiàn)更少的通風(fēng)和升溫操作；對(duì)于一些溫度要求較低的植物，設(shè)定較低的溫度閾值實(shí)現(xiàn)較頻繁的通風(fēng)進(jìn)行降溫。

2.溫室農(nóng)場(chǎng)土壤濕度智能控制

土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況，將數(shù)據(jù)傳輸給主控板，根據(jù)設(shè)定的土壤濕度閾值，學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)智能控制噴灌作業(yè)。當(dāng)土壤濕度值低于濕度閾值時(shí)，判斷土壤干燥，噴灌系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵，對(duì)溫室植物進(jìn)行灌溉澆水。隨著灌溉的進(jìn)行，土壤濕度逐漸增加，當(dāng)土壤濕度傳感器再次檢測(cè)到土壤濕度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)停止噴灌系統(tǒng)的運(yùn)作，避免過(guò)度灌溉，節(jié)約水資源，保護(hù)溫室植物的生長(zhǎng)環(huán)境。

3.溫室農(nóng)場(chǎng)光照強(qiáng)度智能控制

對(duì)溫室內(nèi)作物的光照智能控制通過(guò)主控板學(xué)生的編程設(shè)定光強(qiáng)閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)光強(qiáng)傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)低于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)打開(kāi)燈帶，為植物提供充足的光照。當(dāng)光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)遮陽(yáng)簾，減少陽(yáng)光直射對(duì)作物的傷害。還可以根據(jù)光照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)調(diào)整遮陽(yáng)簾的開(kāi)合程度，保持適宜的光照環(huán)境。智能光照控制系統(tǒng)針對(duì)不同作物特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定光強(qiáng)閾值，結(jié)合燈帶和遮陽(yáng)簾等組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)內(nèi)作物的自動(dòng)化光照調(diào)節(jié)，促進(jìn)作物的健康生長(zhǎng)。

注重過(guò)程表現(xiàn)，實(shí)施持續(xù)性評(píng)價(jià)

項(xiàng)目式大單元教學(xué)使學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程，并對(duì)學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)施持續(xù)性評(píng)價(jià)，以考察單元學(xué)習(xí)活動(dòng)目標(biāo)是否按要求實(shí)現(xiàn)。為更好地對(duì)目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行反饋，筆者設(shè)計(jì)活動(dòng)評(píng)價(jià)量表，評(píng)估任務(wù)目標(biāo)達(dá)成情況，以“優(yōu)秀、良好、合格、不合格”四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)自評(píng)、互評(píng)、師評(píng)對(duì)作品成果評(píng)分，進(jìn)行綜合型評(píng)價(jià)。活動(dòng)評(píng)價(jià)量表內(nèi)容要點(diǎn)：①合理安排溫度傳感器、風(fēng)扇、燈帶等組件的布局，各組件與主控板能正確連線(xiàn)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)主控板對(duì)溫室內(nèi)氣溫的智能控制，能按設(shè)定值完成升溫與降溫操作；②合理安排土壤濕度傳感器、水泵、水管、水池等組件的布局，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)主控板對(duì)土壤濕度的智能控制，能根據(jù)土壤濕度值進(jìn)行灌溉作業(yè)；③合理安排光強(qiáng)傳感器、遮陽(yáng)簾、燈帶等組件的布局，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)主控板對(duì)光照的智能控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。

結(jié)" 語(yǔ)

項(xiàng)目式大單元教學(xué)是一種整體化的教學(xué)策略，以項(xiàng)目作品的實(shí)現(xiàn)為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以項(xiàng)目情境下的學(xué)習(xí)活動(dòng)為載體，將學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程置于真實(shí)項(xiàng)目情境中。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，項(xiàng)目式大單元教學(xué)立足單元目標(biāo)，學(xué)習(xí)過(guò)程伴隨項(xiàng)目推進(jìn)建立知識(shí)技能之間的邏輯關(guān)聯(lián)，學(xué)生參與到具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，不再被動(dòng)地接受某一概念或技能，而是通過(guò)探索有意義的主題和解決實(shí)際問(wèn)題，體驗(yàn)到參與探索創(chuàng)新活動(dòng)的樂(lè)趣和成就感，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)動(dòng)力的調(diào)動(dòng)。學(xué)生解決項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題，完成項(xiàng)目主題任務(wù)，鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)了解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新思維，促進(jìn)了數(shù)字素養(yǎng)和技能的提升。

參考文獻(xiàn)

中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]. 北京： 北京師范大學(xué)出版社，2022.

編" "輯：馮安華