物聯(lián)網(wǎng)編程和問題鏈教學法在“智能澆花系統(tǒng)”教學中的應用

〔摘" "要〕" 本文探討了在小學信息科技課程中應用問題鏈教學法和物聯(lián)網(wǎng)編程教育的實踐與思考。通過“智能澆花系統(tǒng)”設計案例，分析了物聯(lián)網(wǎng)編程在教育中的應用，以及問題鏈教學法在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力中的作用。文章還討論了跨學科整合在學科育人中的重要性，并對教學效果進行了評估與反思。

〔關鍵詞〕" 信息科技；“智能澆花系統(tǒng)”；物聯(lián)網(wǎng)編程教育；問題鏈教學法；跨學科整合

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）" 05" " 037-039

在當今數(shù)字化時代，信息科技教育對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力至關重要。物聯(lián)網(wǎng)（Internet"of"Things，"IoT）技術作為連接物理世界與數(shù)字世界的重要橋梁，為教育領域帶來了新的機遇。

本文旨在探討如何通過物聯(lián)網(wǎng)編程和問題鏈教學法，提升小學信息科技課程的教學效果。通過“智能澆花系統(tǒng)”設計案例，本文將展示如何將理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學生的綜合能力。

一、理論基礎與教學設計

（一）過程與控制中物聯(lián)網(wǎng)編程教育的理論基礎

物聯(lián)網(wǎng)技術以其獨特的方式將物理世界與數(shù)字世界緊密相連。通過整合傳感器、設備和軟件，物聯(lián)網(wǎng)不僅改變了我們的生活方式，也為教育領域帶來了新的機遇。在小學信息科技課程中，物聯(lián)網(wǎng)編程教育正逐漸成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力的重要途徑。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，負責收集和傳輸各種環(huán)境數(shù)據(jù)。通過學習傳感器的工作原理及其在不同場景中的應用，學生能夠深入理解數(shù)據(jù)采集和處理的重要性。嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)設備的核心，通常由微控制器、存儲器和輸入/輸出設備組成。學習嵌入式系統(tǒng)不僅能讓學生掌握硬件與軟件的結(jié)合，還能幫助他們理解設備的控制邏輯。

（二）問題鏈教學法在信息科技教學中的應用

問題鏈教學法是一種創(chuàng)新的教學策略，它以問題為核心，通過一系列有序且邏輯性強的問題，引導學生進行深入的思考和探索。這種方法特別注重將問題與學生的日常生活緊密聯(lián)系起來，從而激發(fā)他們的學習興趣和求知欲。

在問題鏈教學法中，教師首先會提出一個引人入勝的問題，這個問題通常是與學生的生活經(jīng)驗或興趣相關的。然后，教師會逐步引導學生通過一系列相關問題，深入探討問題的各個方面。這種邏輯性和連貫性的問題設置，能夠幫助學生逐步深入思考，從而培養(yǎng)他們的批判性思維。

在信息科技教學中，問題鏈教學法可以通過課程導入、知識探究、實踐操作和反思總結(jié)等階段，逐步引導學生深入理解信息科技的概念和技能。例如，在設計智能家居系統(tǒng)時，教師可以提出與學生日常生活相關的問題，如“如何設計一個能夠自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能家居系統(tǒng)”，然后通過一系列相關問題，如“傳感器是如何檢測溫度變化的”“控制邏輯如何實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)”等，引導學生深入探究傳感器和控制邏輯的工作原理，并在實踐操作中發(fā)現(xiàn)新問題，如“如何確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性？”“如何優(yōu)化用戶界面”等，最終通過反思總結(jié)，學生不僅能夠鞏固所學知識，還能培養(yǎng)批判性思維和解決問題的能力。

（三）教學設計原則

在設計小學信息科技課程時，"教學目標的設定必須具體而明確，為教學活動的設計和實施提供清晰的指導。目標應明確指出學生在課程結(jié)束時應達到的知識水平和技能掌握程度，例如從基礎的計算機操作到更高級的編程和數(shù)據(jù)分析技能。

教學內(nèi)容的選擇應與教學目標緊密相連，既要深入探討關鍵概念，也要廣泛覆蓋相關領域。教學內(nèi)容不僅應包括計算機硬件和軟件的基礎知識，還應涉及網(wǎng)絡安全、數(shù)字素養(yǎng)和信息倫理等現(xiàn)代信息技術領域。

在教學方法上，教師應采用多樣化的策略，結(jié)合講授、討論、實驗、游戲等多種方式，提高學生的學習積極性和參與度。例如，通過編程項目培養(yǎng)學生解決問題的實踐能力，或者通過模擬網(wǎng)絡安全事件來提高學生的防范意識。

教學評價應科學公正，能夠全面反映學生的學習效果。評價方法應多樣化，應包括形成性評價和總結(jié)性評價。具體形式可以是項目作品展示、在線測試以及同伴之間的互評等。教學評價能夠幫助教師及時了解學生的學習進度，促進學生不斷進步和提高。

二、“智能澆花系統(tǒng)”設計案例

（一）實驗背景與需求分析

“智能澆花系統(tǒng)”的設計案例提供了一個實際應用場景，讓學生在解決實際問題的過程中學習物聯(lián)網(wǎng)編程和控制系統(tǒng)的原理。暑假期間學生離校，教室內(nèi)的植物需要定時澆水以保持生長。傳統(tǒng)的澆水方式不僅效率低下，還可能因管理不善導致水資源浪費。因此，設計一個自動化的“智能澆花系統(tǒng)”就顯得尤為重要。

“智能澆花系統(tǒng)”應能夠自動檢測土壤濕度，并根據(jù)植物的生長需求適時澆水。這不僅能夠保證植物的健康生長，還能避免因人為疏忽造成的植物缺水或過水。

在設計“智能澆花系統(tǒng)”時，節(jié)能和節(jié)水是兩個重要的考慮因素。系統(tǒng)應通過智能算法優(yōu)化水資源的使用，避免浪費。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)天氣預報和植物的生長周期調(diào)整澆水的頻率和量。

考慮到主要用戶群體是學生，系統(tǒng)設計應簡潔明了，易于理解和操作。同時，系統(tǒng)的維護也應盡量簡化，讓學生能夠輕松地進行日常維護和故障排查。

系統(tǒng)設計應具有一定的擴展性，能夠根據(jù)不同植物的生長特性和環(huán)境條件進行定制。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)不同植物對水分和光照的需求，調(diào)整澆水和光照策略。

（二）問題鏈的構(gòu)建與實施

問題鏈教學法在本案例中的應用，是通過一系列問題引導學生思考和探索“智能澆花系統(tǒng)”的設計來實現(xiàn)的。問題鏈的構(gòu)建如下。

問題一：為什么需要設計“智能澆花系統(tǒng)”？

引導學生思考“智能澆花系統(tǒng)”的必要性，討論其在日常生活中的應用，如假期期間無人照料的植物，或是干旱地區(qū)的植物養(yǎng)護。讓學生理解智能系統(tǒng)在節(jié)約水資源、提高植物生長效率等方面的作用。

問題二：“智能澆花系統(tǒng)”需要哪些組件？

討論系統(tǒng)的基本組成部分，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器（如水泵）、電源和通信模塊。讓學生通過研究和討論，了解各組件的功能和它們在系統(tǒng)中的作用。

問題三：如何使用傳感器檢測土壤濕度？

深入探討土壤濕度傳感器的工作原理，如電容式或電阻式傳感器。引導學生學習如何選擇合適的傳感器，并討論傳感器的安裝和校準方法。

問題四：如何將傳感器數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)？

討論傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸方式，如無線通信（WiFi、藍牙）或有線連接。引導學生理解數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹砗涂赡苡龅降募夹g挑戰(zhàn)。

問題五：控制系統(tǒng)如何根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)做出決策？

討論控制系統(tǒng)的決策邏輯，如基于閾值的控制或更復雜的算法。引導學生學習如何編寫控制算法，并討論不同算法的優(yōu)缺點。

問題六：如何編程實現(xiàn)自動澆水功能？

引導學生學習編程語言和開發(fā)環(huán)境，編寫控制邏輯和用戶界面。討論編程過程中可能遇到的問題，如錯誤處理和調(diào)試技巧。

問題七：如何測試和優(yōu)化“智能澆花系統(tǒng)”？

討論系統(tǒng)測試的重要性，包括功能測試、性能測試和穩(wěn)定性測試。引導學生學習如何設計測試用例、收集測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)。

通過這些問題，學生將逐步了解“智能澆花系統(tǒng)”的工作原理，學習物聯(lián)網(wǎng)編程，并培養(yǎng)解決問題的能力。

（三）跨學科整合下的學科育人內(nèi)容

“智能澆花系統(tǒng)”設計案例是一個典型的跨學科項目，涉及科學、技術、工程和數(shù)學等多個學科領域。通過這一案例，教師有機會引導學生深入理解植物生長所需的水分和土壤濕度，同時掌握傳感器和控制系統(tǒng)的基本原理。在設計和優(yōu)化“智能澆花系統(tǒng)”的過程中，學生不僅可以學習理論知識，還能通過實踐應用數(shù)學知識，進行數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化。

通過“智能澆花系統(tǒng)”的設計及其實現(xiàn)，學生能夠接觸到植物學、環(huán)境科學等科學領域的知識，培養(yǎng)科學探究和實證分析的能力。物聯(lián)網(wǎng)編程和硬件操作的學習，不僅提升了學生的技術應用能力，也激發(fā)了他們的創(chuàng)新設計思維。

（四）教學過程的實施

本案例中使用的實驗器材包括Arduino主板及擴展板、土壤濕度傳感器、水泵等，選擇的編程平臺是Mind+，支持圖形化編程，提供豐富的庫并且易于集成，適合小學生學習和使用。

在教學實施的過程中，筆者采用了循序漸進的方法。首先通過討論植物養(yǎng)護的基本需求，筆者引入“智能澆花系統(tǒng)”的概念，激發(fā)學生的好奇心和探究欲。接著，學生分組進行問題鏈討論，共同探索解決方案。在硬件組裝環(huán)節(jié)，學生在教師的指導下動手操作，直觀理解硬件工作原理。隨后，學生利用Mind+平臺進行編程實踐，通過圖形化編程掌握程序邏輯和流程。在功能測試與優(yōu)化環(huán)節(jié)中，學生測試系統(tǒng)功能并根據(jù)結(jié)果進行優(yōu)化。

三、教學效果分析與反思

（一）學生學習效果的評估

在“智能澆花系統(tǒng)”設計案例的教學過程中，筆者通過多種方式對學生的學習效果進行了評估。

通過測試和作業(yè)，筆者評估了學生對物聯(lián)網(wǎng)編程和控制系統(tǒng)原理的理解。評估結(jié)果顯示，大多數(shù)學生能夠準確理解并應用這些原理，但也有部分學生在理論知識與實際操作之間存在一定的脫節(jié)，需要進一步強化實踐環(huán)節(jié)。

通過觀察學生在實驗過程中的操作，筆者評估了他們應用編程和硬件技能的能力。學生在組裝硬件和編寫程序的過程中，展現(xiàn)出了較高的動手能力和創(chuàng)新思維。

（二）教學反思與改進建議

通過觀察學生在課堂上的反應和作業(yè)完成情況，筆者發(fā)現(xiàn)一些內(nèi)容可能過于復雜或抽象，導致部分學生難以理解和掌握。在后續(xù)教學中，可以適當調(diào)整難度或深度，確保教學內(nèi)容既具有挑戰(zhàn)性，又不至于讓學生感到沮喪。

通過分析學生在問題鏈討論和跨學科項目中的表現(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)這些教學方法能夠有效激發(fā)學生的探究興趣和創(chuàng)新思維，然而也存在一些不足之處，如互動環(huán)節(jié)不夠充分、實踐機會有限。在后續(xù)教學中，可以引入更多的互動和實踐環(huán)節(jié)，如增加小組討論、角色扮演、現(xiàn)場演示等，提高學生的參與度和學習效果。

通過“智能澆花系統(tǒng)”設計案例的教學實踐，筆者發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)編程教育和問題鏈教學法能夠有效提升學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。跨學科整合的教學方法不僅豐富了學生的知識體系，也促進了他們綜合素質(zhì)的提升。然而，教學過程中也存在一些挑戰(zhàn)，如理論與實踐的脫節(jié)、學生參與不均衡等。未來，筆者將繼續(xù)優(yōu)化教學設計，加強實踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學生的探究興趣和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)他們成為適應未來社會的高素質(zhì)人才。

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