新課標理念下的物聯網模塊教學實踐與探索

摘要：本文聚焦《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中的課程理念和教學建議，結合“物聯網實踐與探索”模塊的相關要求，歸納出指向核心素養的初中信息科技物聯網模塊五大常用教學策略，并以“IoT室內環境監測儀”項目為例進行詳細闡釋。

關鍵詞：新課標；物聯網；計算思維

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）16-0063-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中的“物聯網實踐與探索”模塊的內容面向7～9年級學生，旨在培養學生的科學精神和科技倫理，提升學生的數字素養與技能。為幫助學生了解“萬物互聯”給信息社會帶來的巨大影響，理解簡易物聯網系統的典型特點，筆者與學科團隊一起，以行空板設備為實驗器材，開發了“智能物聯”系列物聯網課程（如圖1）。下面，以“IoT室內環境監測儀”項目為例，談談具體的實踐和思考。

著眼課標，確定核心素養目標

物聯網是推動大數據和人工智能等信息科技發展與普及不可或缺的重要組成部分，新課標對該模塊的整體要求是“了解物聯網與互聯網的異同和主要物聯網協議，能夠有效利用物聯網設備與平臺設計并實現簡單物聯網系統，體會物聯網是連接物理世界和數字世界的紐帶”。因此，教師應以信息科技課程核心素養為根本目標，堅持立德樹人根本任務，基于對學生認知基礎、學習心理、思維特點等學情的分析，聯系前后學段知識點對教材內容進行挖掘，提煉、剖析學習主題承載的核心素養，探索項目學習主題映射的高階思維和核心價值觀，挖掘項目隱含的信息，滲透思維品質培養。

依據新課標中的“物聯網實踐與探索”模塊在數字素養與技能各個方面的素養要求，筆者制訂了“IoT室內環境監測儀”項目的核心素養目標：①通過體驗由傳感器獲取環境信息并通過網絡傳輸給SIoT平臺的過程，感受物聯網給人們的生活帶來的改變，從而增強主動學習物聯網知識的意識；通過搭建物聯系統原型，了解萬物互聯對信息社會發展的作用，并具有自主解決問題的意識。（信息意識）②了解MQTT協議及SIoT平臺的功能及應用，知道設備獲取數據的方法，能夠根據需求選擇開源軟硬件，設計和搭建簡單的物聯系統原型，結合項目活動采集、分析和呈現數據，解決實際問題，發展計算思維。（計算思維）③能根據學習需要，通過實驗方法，學會選擇恰當的數字設備和資源平臺，搭建系統原型，探究信息科技支持數字化學習的新方法、新模式，主動利用數字設備開展實踐創新活動。（數字化學習與創新）④在系統設計和應用過程中，了解網絡空間公共MQTT中介服務潛在的安全風險，知道數據安全防護的意義，懂得保護個人隱私，尊重他人隱私，了解自主可控技術對國家安全和物聯網未來發展的意義。（信息社會責任）

對接生活，創設真實學習情境

新課標倡導“真實性學習”，要求“在真實生活或者貼近學生認知能力的模擬情境中，引導學生發現并解決問題”。[1]可見，真實、有價值的問題情境是學生核心素養形成和發展的重要載體。在信息科技教學中，主題的確定需 結合教學內容、學生已有的知識經驗，創設真實的情境，以提高學生的學習參與度和沉浸度。

例如，在“IoT室內環境監測儀”項目中，教師指出，隨著生活水平提高，人們對室內生活環境要求越來越高，并出示不適宜的室內環境可能會影響人們的身體、情緒和思維，接著提出問題：如何獲取室內的溫濕度信息？在學生提出可借助溫度計、濕度計等設備后，教師又提出問題：能不能用行空板來測量并顯示室內溫度、濕度，以及環境噪音、光線強度、二氧化碳含量等數據？通過真實問題情境激發學生好奇心并引發學生思考，為接下來的學習做好鋪墊。

立足實踐，體現科技并重理念

新課標要求“從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現‘科’與‘技’并重”。[1]“物聯網實踐與探索”模塊給出了實踐與原理并重的內容要求，但未細化“科”與“技”的具體內容。這就需要教師以新課標為基本依據，對教學內容進行理解和細化。[2]教師需要引導學生關注其中蘊含的科學原理、問題解決的思維方法和處理過程，注重培養學生的科學精神和技術倫理。

以“IoT室內環境監測儀”項目為例，教師首先請學生用自然語言描述室內環境監測的工作過程，對項目進行初步分析。接著，以兩個問題驅動學生思考：“該系統中傳感器有哪些？”“傳感器采集到的數據有什么意義？”師生一起用圖示的方法梳理環境監測的控制過程（如圖2），并根據圖示交流可能用到的硬件設備，使學生對該系統中的感應器、控制器、執行器有了深入理解。在此基礎上，教師出示半成品流程圖，如下頁圖3所示。學生將思路理清后進行小組合作，在微視頻指導下完成硬件搭建。在學習過程中，讓學生明確各傳感器、模塊與控制器的連接方式，既為硬件搭建、連接提供理論支撐，也為抽象建模做鋪墊，內化了學科解決問題的思維方式和實現路徑。

環環相扣，建立邏輯關聯架構

新課標的課程內容組織要求體現循序漸進和螺旋上升式發展，這不僅體現在全學段課程內容的組織及每個模塊的內容組織上，更體現在一節課的內容安排上，而對于物聯網的算法主要體現在解決真實情境中的復雜問題中。教師在課堂教學中可以按照學生對知識的理解和實操的難易程度將系統進行拆分，即通過創設具有連貫性的學習情境，將復雜問題進行模塊化分解，將各知識點巧妙地串聯起來，從而推動教學目標的完成。學生在一個個問題的解決過程中主動、愉快地探求知識，實現學習能力的提升與核心素養的發展，達成思維的進階。

在“IoT室內環境監測儀”項目中，筆者引導學生根據流程圖對項目目標進行分階段實現，并通過實踐操作解決問題，具體分為三個環節：采集環境數據（光線、溫濕度、聲音、CO2濃度）并呈現—分析數據并控制執行器—物聯網平臺數據傳輸。環節1：教師設置問題情境—“在居家生活中，你比較關注哪些室內環境情況？我們如何采集信息并直觀呈現？”在此環節中，教師根據學生認知基礎，從板載麥克風和光線傳感器到連接外部傳感器，由已知遷移探索未知，由淺入深，由易到難，實現了光線、聲音、溫度、濕度、CO2濃度等數據的采集并通過行空板進行顯示。環節2：教師設置問題情境—“當溫度、CO2濃度偏高，超出適宜的數據范圍時，應該怎么辦？”學生通過自主合作探究，使用條件判斷和傳感器數字引腳的讀取值完成風扇的開關功能，隨著風扇的工作加強空氣對流，實現溫度和CO2濃度調節，最終實現了智能控制。環節3：教師進行引導—“如果能將傳感器采集的數據傳輸到物聯網平臺，則便于實時監控，那么，怎樣實現設備聯網？數據如何傳輸？”這部分內容是本節課的重點也是難點，學生借助教師提供的微課資源進行學習，開啟行空板SIoT服務，通過Wi-Fi將行空板加入互聯網，通過使用MQTT協議將數據傳輸到物聯網平臺，通過mind+軟件制作可視化面板，并以折線圖的形式進行實時分析和處理。在這個過程中，學生體驗了收集、整理、分析、呈現等數據處理的一般過程，認識到了算法是物聯網問題解決的有效路徑。

拓展應用，促進科學思維內化

“物聯網實踐與探索”模塊要求聚焦物聯網基本功能，讓學生了解物聯網與互聯網的異同、物聯網安全等問題。筆者認為上述內容的滲透可以在課中或課末進行，在適當的項目實施節點進行強調，激發學生思考，將思考延伸到課外，達成對學科思維的深層次培養和內化。

結束語

“物聯網實踐與探索”模塊作為信息科技課程中的九大內容模塊之一，對開拓初中生的科技視野，使其體會物聯網“感知—采集—傳輸—反饋—控制”的基本功能，培養他們對新興科學技術領域的學習興趣和探索精神具有重要意義。教師要深研新課標，基于學生生活經驗創設真實情境，遵循學生認知規律設計環環相扣的教學內容，引導學生在項目推進的過程中建構知識體系，發展計算思維，提高數字化合作與探究能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]胡秋萍，仇森，姚俊.勝任力視角下提升信息科技教師教學能力的實踐探究[J].中小學信息技術教育，2024（04）：14-16.