基于概念模型構建的初中物聯網教學探索

摘要：概念模型是人對外部世界的內在表征。概念模型構建是學生在真實情境中建構知識體系的有效路徑、在問題解決中深度學習各類概念的有力策略。本文以浙江教育出版社出版的義務教育信息科技教科書七年級下第12課《物聯網數據的匯集與使用》的教學為例，根據學生認知發展邏輯探討“物聯網實踐與探索”模塊概念模型構建的路徑——先分析物聯網系統功能，提煉核心問題，促進概念的形成；再聯結概念，表征樸素概念模型，規范描述概念關系；最后搭建物聯系統原型，解構迷思概念，迭代概念模型。

關鍵詞：概念模型；迷思概念；物聯網教學

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0023-05

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出，“信息科技課程的教學要以培養學生數字素養與技能為目標，以學生已有的知識、技能和經驗為起點，遵循學生學習規律，系統設計學習活動”。本文基于浙教版七年級下冊的“物聯網實踐與探索”模塊教學，按照“單元→課時”的思路梳理知識體系，著手構建概念模型，并引導學生在技術模型中消除迷思概念，促進其認知結構化。

概念模型的構建路徑

概念模型是在人的心理上對事物或事物運作模式的一種理解，即對外部世界的內在表征，包括概念關系、時序等元素。在概念模型的構建過程中，學生能夠梳理新知之間的關系，在學習過程中形成清晰的知識框架，還能夠在已知與新知之間建立緊密聯系。

用“冰山模型”能很好地闡釋“物聯網實踐與探索”概念模型的構建，如圖1所示。技術模型僅是冰山浮出水面的部分，它是概念模型在信息現象中的具體表現，能涵蓋物聯網教學的多種形式，如搭建物聯系統原型、設計流程圖、編寫程序代碼等。而概念模型則隱藏在水面之下，能夠映射技術模型的深層含義。概念模型的構建過程具有逐步發展的特點，通常可由多個步驟構成路徑。根據學生認知發展規律探討物聯網教學，概念模型構建的路徑包括：分析物聯網系統功能，提煉核心問題，促進概念的形成；聯結概念，表征樸素概念模型，規范描述概念關系；搭建物聯系統原型，解構迷思概念，迭代概念模型。實施三步路徑，旨在有效引導學生深度學習各類知識，幫助他們構建物聯網教學的概念模型。

基于概念模型構建的教學實踐策略

概念模型構建是學生在真實情境中建構知識體系的有效路徑、在問題解決中深度學習各類概念的有力策略。本文以《物聯網數據的匯集與使用》一課的教學為例，闡述基于概念模型逐步構建的教學實踐策略。

1.分析物聯網系統功能，提煉核心問題，促進概念的形成

模型構建的核心在于提煉出能夠貫穿整個課堂教學過程的核心問題，引導學生進行持續的深度學習。物聯網系統承載著物聯網基本原理與功能，是信息現象在課堂中的映射，分析其功能既能緊緊扣住學生對信息社會的好奇心，又能基于信息科技課程的核心素養發展要求和學生的現有知識結構抽象出與之相適應的核心問題。

（1）以望遠鏡思維審視物聯網系統功能，聚焦概念內容核心

在以望遠鏡思維審視物聯網系統，探討單元物聯網系統的功能、其子系統的構成及其各自功能時，教師要宏觀分析本單元在物聯網教學中的地位和作用，細致梳理本單元的內容組成，并明確《物聯網數據的匯集與使用》課時內容在單元教學中的定位和意義，引領學生從整體上理解單元物聯網系統的運作機制，從而聚焦概念內容的核心。

“物聯網數據的匯集與使用”屬于“物聯網創新應用”部分的教學，旨在探索物聯網中數據的采集、處理、反饋控制等基本功能，體驗物聯網、大數據及人工智能的關系。因此，筆者結合單元內容和區域實驗資源，對教學資源各課時的內容進行整合，以智慧農場作為本單元物聯網系統的教學實例，它由溫控系統、灌溉系統和光照系統構成。

溫控系統作為首個子系統，可進一步拆分為環境溫度的獲取和通風降溫兩個部分。學生學習使用實驗板套件搭建物聯系統原型，并編寫mPython代碼以實現通過外接溫度傳感器獲取環境溫度，利用電機和風扇執行通風降溫兩大功能。灌溉系統是溫控系統的拓展，在搭建系統原型并實現其功能的過程中，加深學生對控制和反饋的體驗和理解。光照系統將落地在《物聯網數據的匯集與使用》這一課時的教學中，學生將學習無線通信技術和物聯網協議在物聯網通信中的應用，并進一步明晰物聯網架構，實現在物聯網平臺實時呈現終端數據。通過制作智慧農場原型，學生深入探索物聯網的架構，更深刻地掌握物聯網的核心技術。

（2）以放大鏡思維剖析物聯網子系統功能，構架概念知識結構

在確定了光照系統在單元物聯網系統中的地位和學業要求后，教師仍需要深入探討《物聯網數據的匯集與使用》課時教學包含的知識點，以及這些知識的價值和應用場景。換句話說，學生要明確學習這些概念的必要性，以及他們要如何有意義地建構這些概念。運用放大鏡思維，引導學生抽象并分析物聯系統原型功能，并探究數據在光照系統中的流轉行程。

在教學中，教師可以引導學生在mPython中運行光照系統代碼，讀取實驗板上呈現的光照數據值。然后思考：如何可視化上一時刻的數據？帶著這一疑問，學生解構光照系統的功能：通過內置光照傳感器獲取連續的環境光照強度值；通過設定光照強度閾值，利用燈帶執行補光功能。再分析系統功能，學生概括出該物聯系統原型包含的知識點，如各類傳感器、MQTT協議、Wi-Fi技術、批處理、流處理、數據的匯集及數據的使用等。另外，光照系統原型要實現“傳感器采集農場環境的光照強度值”的功能，并將數據顯示在實驗板和物聯網平臺上，最后再根據連續數據，控制農場環境的光照強度。

（3）識別與界定核心問題，設計概念模型要素

核心問題的識別與界定是學生解決為植物提供合適光照強度問題的基礎，它決定了學生學習的方向和有效性。上述綜合運用了望遠鏡和放大鏡兩種思維，學生從“單元→課時”逐層整理概念，識別相關的關鍵問題。例如，圍繞數據的生命周期，梳理智慧農場的功能和構成，學生識別出以下關鍵問題：①如何有效地采集環境中的光照數據？②數據在傳輸過程中如何保證準確性和實時性？③如何處理和分析采集到的大量數據？④如何區分正常與異常的光照數據？在出現異常情況時，如何采取措施，實現對植物的遮光或補光？

分析上述問題的歸屬點和技術需求，學生能夠歸納出兩個問題鏈：一是如何使用Wi-Fi技術連接終端設備和互聯網；二是如何設置MQTT參數對話終端設備和物聯網平臺。通過將兩個問題鏈具化到真實情境中，便可提煉出核心問題：如何通過物聯網平臺匯集并應用光照數據？此問題將貫穿在課堂學習中，成為學生構建的概念模型中心。

2.聯結概念，表征樸素概念模型，規范描述概念關系

樸素概念模型用于描述和理解信息現象的基本概念及其相互關系，核心問題占據中心位置。從核心問題出發，使用符號、表格、圖示等手段連接知識來表征概念。表征樸素概念模型的主要目的是對眾多問題化繁為簡，剔除學生已經掌握的概念，有效提煉出在物聯網系統中解決核心問題所需要的概念及其相互關系，從而規范描述概念關系。

（1）梳理知識關聯，表達概念關系

在分析子系統功能時，學生已經討論生成系統原型所需要的所有知識點。教師可以找出物聯系統原型所需知識點間的直接聯系和間接聯系，抽象出知識點間的因果關系、層級關系等，重組、融合和序列知識點，進而形成有意義的、適合學生自主理解的概念關系。例如，要實現補光功能，學生要選出燈帶，燈帶和補光功能之間有因果關系。通過關系緊密關聯知識點，學生順著這些關系脈絡去深入探究，則能夠深刻地理解和靈活地應用。

（2）基于知識應用，表征概念關系

聚焦知識點應用，將知識框架和物聯系統原型相結合，是實現應用知識來表征概念關系的過程。這是學生后期使用實驗套件搭建系統原型不可或缺的前提條件，也是學生揭示豐富信息現象的有效途徑。為使學生進一步明確概念之間的關系，教師提供了如圖2所示的半成品。學生思考并拖動右側的知識點到圖中合適位置，再在設備之間添加指示箭頭，展示數據的流轉周期。教師再結合子系統功能的討論、關鍵問題的概括和概念關系的建立等過程，以書面形式呈現學生探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能的過程，進而表征概念間的關系。

（3）構建可視化樸素概念模型，提高概念理解

在圖2中，學生完成的成果就是樸素概念模型，它是學生設計、搭建及編程實現簡易物聯系統的藍圖，同時也是創新物聯系統的起點，更是規范描述概念關系的基石。學生要把知識點置入整體框架之中，形成概念關系，并通過數據流轉周期來完成構建。例如，在實驗終端和物聯網平臺間設置Wi-Fi和MQTT傳輸相應主題的數據，這是生成概念的顯性路徑；也可以從物聯網三層架構視角來完成，如在感知層，使用實驗板、拓展板、內置光線傳感器和光帶感知光照強度，實現數據采集，此為生成概念的隱性路徑。此構建過程既培養學生系統開發和問題解決的技術能力，又將知識點可視化成概念模型。該模型超越了設計草圖的層次，采用多種形式來可視化學生的構思、設計和創意。之所以稱之樸素，是因為它不僅反映了學生對新知識的初步思考，而mTpLljQIDI7hLnu/2Fg3BoPRGu7Hko8y9g6Mt7+bkEE=且還要學生通過實踐體驗進一步完善和豐富。

3.搭建物聯系統原型，解構迷思概念，迭代概念模型

學生要建立準確的概念模型，需要解構迷思概念。迷思概念，就其本質而言，是指學生基于個人經驗形成的、自我認為合理的認知構造。這些認知往往與科學界所接受的專業概念相左或相沖突。在課堂學習過程中，當學生嘗試將這些源自日常經驗的迷思概念映射到新的學習內容上時，可能會對準確理解和掌握科學概念構成障礙。筆者認為，將概念模型置于公眾領域，學生與他人交流、搭建技術模型等形式是解構迷思概念的有效策略。

（1）使用實驗套件制作物聯系統原型

依據樸素概念原型，學生分活動逐步實現物聯信息系統原型功能。

學生活動1：物聯網準備。

學生小組在獲取連接Wi-Fi信息和連接物聯網平臺信息后，在評價網站反饋完成情況。教師根據反饋情況，檢查學生的聯網準備工作。

學生活動2：物聯數據采集。

①完善光照系統程序，實現網絡的連接以及在物聯網平臺上的數據呈現。核心技術如圖3所示。②連接Wi-Fi模塊，輸入Wi-Fi名稱及密碼。③連接物聯網平臺模塊，填寫物聯網平臺相關信息。④拖拽程序，調整順序，并刷入掌控板，實現物聯網平臺數據可視化。⑤教師巡視指導學生的程序編寫情況，同時反饋掌控平臺中各小組數據的呈現情況。

小組在搭建并調試好物聯系統原型后，可從以下方面分析數據：①當前環境光照均值是多少？②是否出現異常數據？產生異常數據的原因是什么？③當前光照強度是否為植物生長的最佳光照強度？接著，由學生的觀察和思考，引出問題：如何通過物聯網平臺遠程控制光照系統中的燈帶？

學生活動3：物聯數據應用。

要求：修改光照系統程序，實現通過物聯網平臺手動（通過控制燈帶）或自動（通過控制閾值）控制設備。打開“物聯網平臺控制設備.mxml”，修改物聯網發送的指令。通過物聯網平臺發送指令，控制設備實現物聯網平臺數據的使用。

小組在修改程序后，在教師機上演示成果，再查看程序效果。最后，完成光照系統第二次評價：學生在評價網站中記錄某個時間段的數據值，組間橫向對比數據，體會物聯網系統中關鍵數據的特征，進一步發展概念模型。

（2）迷思概念的辨識與剖析

物聯系統原型的運行狀況、學生在課堂上的反應，以及評價網站反饋的數據，都能提示學生存在的迷思概念。例如，在制作物聯系統原型時，學生在編程實現數據采集的活動中出現以下兩個迷思概念。

迷思概念一：Wi-Fi參數的設置。學生困惑于實驗板連接Wi-Fi與計算機連接Wi-Fi之間的差異。教師采用“對象識別法”直觀定位Wi-Fi設置區域，揭開學生迷惑之處。因為編程環境是實驗板連接Wi-Fi的載體，故而實驗板連接Wi-Fi通常需要在特定的編程環境（如mPython）中輸入Wi-Fi名稱和密碼。而要使自己的計算機能聯網，需要在Windows桌面右下角“網絡和Internet”處連接Wi-Fi。

迷思概念二：理解MQTT四個關鍵參數，即client_id、user、password及topic的含義。教師采用“內容定制法”形象解釋發布者、中介平臺和接收者之間的互動關系。以植物愛好者與抖音平臺的消息互動為例，用戶（植物愛好者）預先向抖音平臺訂閱特定主題（如某位植物學家關于蘭花的養護內容）；當植物學家發布了與所訂閱主題相關的內容時，中介平臺（抖音）便會將該消息傳遞給該植物愛好者。通過類比，學生能夠深入理解主題名稱（topic），辨識消息發布者或訂閱者的唯一標識符（client_id），以及用戶身份驗證所需要的名稱和密碼（user和password）。學生逐一解構迷思概念，逐步拆解并清除原有的誤區概念，并通過反復迭代和調整自身的概念模型，最終構建起與科學理論相符的認知結構。

結語

在信息科技教學中，教師可以通過構建概念模型，實現認知結構化，并通過搭建技術模型來解決主要問題，引領學生有意識地建構知識，從而推動高階思維的發展，提升信息科技課程的核心素養。

蒼山點題

義教信息科技課程在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的指引下得到了整體化設計，這給課程發展帶來了宏觀的認知，也給一線教學指出了遠大的目標，即每一個學段的知識應是密切關聯、相互促進、共同發展的。本期解碼，選擇了一線教師最易迷惑的兩部分教學內容：以前曾以“開源硬件設計”為基礎的科創教育內容，現在的信息科技課程應以哪些內容、何種形式來實施呢？同樣是基于硬件學習的內容，如“過程與控制”中的“系統內部的過程與控制”與“物聯網實踐與探索”中的“系統及系統間的數據與通訊”如何去對照研究？又如何實踐探索呢？

第一篇文章，作者細致地描述了四個版本的信息科技課程資源，分析了不同區域的課程資源對“過程與控制”不同內容與目標的分析，并對具體案例設計的特點與優勢進行了對照。例如，有的資源強調對基礎的要求，顧及一線不同情況的基準性設計；有的資源與“身邊的算法”交錯進行，發揮算法對過程與控制的系統設計中的技術支持與原理優化；有的強化原理認知與流程的概念理解；有的側重應用實踐的生活體驗等。當然，幾乎所有的資源都基于信息科技課程標準，以素養為導向，強化科與技的融合，并發揮一定基礎水平與經濟實力的優勢等，都值得學習與借鑒。我們以此去優化、創新更切合當地實際的教學實踐，當會促進水平教學的不斷進步；以整體觀來相互參照，會實現更符合小學生思維特點的原理認知、應用體驗與實驗探索的教學實施。

第二篇文章，作者全面地構建了基于“物聯網實踐與探索”的教學實施概念模型與技術模型，并從概念模型出發構建深度學習的課堂教學規劃設計與內容案例。例如，先分析物聯網系統功能，提煉核心問題，促進概念的形成，再聯結概念，表征樸素概念模型，規范描述概念關系，最后搭建物聯系統原型，解構迷思概念，迭代概念模型，以此形成循序漸進、層層遞進的問題鏈以構架起結構化知識，然后通過不斷解決問題來解構原理概念，配合實踐與創新來實現重構，破解迷思概念，即以概念指導實踐，再以實踐驗證校準概念，形成適合中學生的更具高階思維的深度學習的教學路線。

面對新課標、新課程、新資源，教師如何學習、如何應用，會關系到學生如何學習、如何實踐。如果說新課程是一個概念，那么教師在學習時既需要基于良好的概念模型來實施，也需要不斷解決問題來破解迷思去優化概念模型，只有這樣方能以理論指導實踐并以實踐促進理論的發展。