“物聯網創新應用”教學實踐研究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674—2117（2025）20-0022-04

為培養初中生用物聯網技術解決真實問題的能力，筆者圍繞“‘回南天'里的文物保護”這一主題，構建了“情境錨定一技術解構一協同創生”的三階教學框架，通過“需求分析—方案設計—原型搭建一優化遷移”的遞進式活動設計，引導學生以“為文物穿件‘防潮衣\"”為驅動目標，在物聯網實驗設備、平臺與人工智能（AI）工具的支持下，實踐搭建智能文物監測系統。最終教學效果顯示， 88% 的學生能獨立完成基礎防潮系統的搭建與功能測試， 75% 的學生可在AI輔助下實現功能升級，學生不僅掌握了物聯網技術的應用方法，更建立了“科技賦能文化保護”的社會責任感，為后續復雜物聯系統的學習奠定了堅實基礎。

教學策略

本案例通過微項目式學習整合教學內容，以問題鏈驅動思維發展，以情境線與素養線交織深化學習體驗，既保留了人機協同的實踐特色，又強化了學生的主動探究與核心素養培育。創設了廣東“回南天”文物受潮這一本土真實情境，并以此為明線有效激活學生的問題意識，使其快速建立了“物聯網服務文物保護”的應用認知；設計了給文物穿件“防潮衣”的微項目，項目進程遵循“發現問題一分析問題—解決問題”邏輯鏈，通過“需求分析—方案設計—原型搭建—優化遷移”四個實踐環節形成素養提升的暗線。在教學過程中，依據學情為學生搭建豐富的學習支架，其中包括分析表、偽代碼、智能體等，這樣有助于突破本節課的重難點，促進學生達成學習目標。

）教學內容

本課內容出自《義務教育信息科技教學指南》八年級《物聯網實踐與探索》第五單元“物聯網應用探索”中的第21課《文物保護新手段》。在上一單元中，學生分課時掌握了一個物聯系統的功能需求分析、規劃、設計，數據傳輸、存儲、處理，基于算法的反饋與控制的方法。本單元是在上一單元的基礎上，結合簡易物聯系統設計與搭建，引導學生將物聯網技術應用于生活的不同情境中，強調利用物聯網技術解決問題的思維方法和算法設計，并在探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能的過程中，體驗物聯網、大數據及人工智能的關系。

學習目標

① 面對真實情境中的問題，通過分析、設計、實踐等過程搭建物聯系統原型，掌握利用物聯網解決問題的方法，樹立利用物聯網技術解決問題的意識，并能遷移應用于解決其他問題。

② 通過搭建智能文物監測系統原型，了解物聯網在文物保護中的應用，感受到物聯網技術對生活的影響，增強科技賦能文化遺產保護的社會責任感。

表1

表2

③ 在借助智能體完善原型搭建的過程中，提升與AI交互的能力，學會合理利用AI輔助學習。

教學過程

1.情境錨定：回南天里的“文 物呼救”

真實問題導入：教師用AI生成某陳列館館長“回南天的煩惱”：漆器發霉、陶俑長毛、字畫發皺。提問學生：回南天為什么對文物傷害這么大？引導學生結合深圳氣候特點分析原因：廣東“回南天”主要是因春季暖濕氣流迅速反攻，與殘留的冷空氣相遇，使空氣中水汽飽和度驟增，加之室內物體表面溫度低于空氣露點溫度，導致水汽在物體表面凝結形成潮濕現象。回南天濕度常達 85% 以上，遠超部分文物保存的 60% 安全值。請學生初步思考：能否利用物聯網技術解決館長“回南天的煩惱”？與傳統的環境監測工具相比，基于物聯網的文物監測系統有什么優勢？引導學生利用物聯網技術為文物穿件“防潮衣”。

驅動性問題聚焦：如何利用物聯網技術為文物穿件“防潮衣”？

需求分析

子問題1：“防潮衣”應具備哪些功能？活動1：分組討論“防潮衣”的功能，填寫表1。2.技術解構：“防潮衣”的設計搭建

在明確“防潮衣”的功能需求后，需運用系統工程思維，將抽象的功能需求進行技術解構，通過設備選擇、算法設計、原型搭建，完成從需求定義到技術實現的工程轉化，讓“防潮衣”從概念走向實體。

方案設計

子問題2：用什么設備實現“防潮衣”的功能需求？

活動2：小組討論實現“防潮衣”的功能所需要的實驗設備和平臺，填寫表2，復習上一單元反饋與控制相關知識。

子問題3：設計怎樣的算法實現“防潮衣”的功能需求？

活動3：小組討論設計“防潮衣”功能實現的算法，將左圖中的選項填入流程圖正確的位置。

原型搭建

子問題4：如何搭建實體原型實現“防潮衣”的功能？

活動4：完成“防潮衣”實體原型的硬件連接、程序編寫、功能測試。

教師引導學生分組連接硬件，將溫濕度傳感器和風扇連接在主控板的不同引腳，提前設置好Wi-Fi，為每組配置好物聯網服務平臺，并將Wi-Fi名稱和密碼，以及每組的“client_id、user、psd、topic”提前下發給學生。

學生在完成硬件連接后，嘗試編寫程序，教師為學生提供半成品代碼，學生根據原型功能，完成代碼空缺部分。教師提問“不同類型文物適宜的溫度和濕度范圍一樣嗎？你們小組的作品用于保護哪類文物？”，引發學生對閾值設置的思考和實踐。學生可查找不同文物的保存環境要求，進而確定本組的環境數據閾值，然后將完整代碼刷入主控板，使用濕巾覆蓋在溫濕度傳感器上模擬潮濕環境，用開關風扇模擬開關恒濕器，測試功能。

這樣通過需求分析、方案設計、原型搭建，幫助學生形成利用物聯網技術解決問題的思維邏輯，掌握其方法。在此環節教師為學生提供了豐富的學習支架，包括所需設備和平臺的選項、算法流程圖的框架、盡量簡單易懂的半成品代碼等，有助于學生突破本節課的重難點。

3.協同創生：“防潮衣”的升級與遷移

經技術解構，學生基本能夠做出具備基礎防潮功能的“智能防潮衣”原型，有效應對文物回南天受潮難題。但科技應用需貼合實際持續迭代，此環節要引導學生依托人工智能，為“防潮衣”拓展功能模塊，實現從“基礎款防潮衣”到“定制款保護艙”的升級，探索物聯網在更多文物保護場景中的應用。

優化遷移

子問題5：文物“防潮衣”還能增加哪些物聯網功能？

活動5：與文物保護智能體一起，將“防潮衣”升級為“保護艙”。

教師提前在人工智能教育平臺創建“文物保護智能體”，預設知識庫，包含不同文物材質的保護參數、常見物聯網功能模塊的實現原理、多傳感器協同工作的代碼框架等。發布智能體訪問鏈接，提供參考提示語模板，如“如何為木質文物的保護裝置增加震動監測功能？需要哪些傳感器？”“當震動頻率異常且傾斜角度過大時，如何設計聯動控制邏輯？”“請幫我生成一段添加煙霧傳感器的代碼片段”等。

同時，引導學生發揮創意思考功能升級的方向：從“單一防潮”到“綜合保護”，如增加防蟲（溫濕度 氣體傳感器監測霉變風險）、防光（光照傳感器+自動遮光簾）、防意外觸碰（紅外傳感器+報警）等功能。學生分組討論“防潮衣”升級需求，依據文物特性選定1～2個拓展方向，填寫“功能升級設計表”（如表3），明確新增功能、適配傳感器及預期效果。

表3

最后，登錄智能體平臺獲取技術支持，輸入需求，參考推薦的傳感器與代碼示例完善設計。小組協作完成硬件拓展與代碼整合，在濕度監測基礎上拓展功能，利用智能體調試代碼。

4.總結拓展：文化保護的“科技擔當”

在作品展示評價環節，請小組代表展示作品，利用AI視頻通話功能，進行AI評價，教師和小組其他同學進行補充評價或對AI評價進行元評價。接著，教師拋出新的問題“還有哪些因素會影響文物保護？”，并引導學生延伸思考：氣體（如二氧化碳）、蟲害、振動（防盜竊）等因素也會影響文物保護，RFID技術則可實現文物定位追蹤，邊緣計算技術能提升野外文物（如古建筑）的監測效率。另外，通過呈現真實案例，如敦煌莫高窟物聯網監測系統，引導學生對比分析課堂原型與真實應用場景的差異——真實系統需應對復雜環境、海量數據處理，而課堂原型為簡化版，幫助學生理解“技術簡化與真實應用的差距”。最后布置課后任務：借助文物保護智能體，為廣東祠堂設計環境監測方案。

教學建議

第一，優先選取學生熟悉的地域化、生活化問題（如校園管理、社區服務、文化傳承等），將其轉化為“驅動性問題 + 子問題鏈”的結構。

第二，引導學生合理使用人工智能工具，提升學習效率，通過分層遞進與深度思辨的設計，強化學生計算思維與問題解決能力。

第三，依據學習目標和學生認知水平，搭建“基礎型一進階層—創生層”的階梯式支架。基礎型支架聚焦“降低操作門檻”，提供結構化工具，確保多數學生能完成核心功能；進階層支架側重“引導思維深化”，通過開放性問題鏈和工具使用模板，支持學生進行功能拓展；創生層支架著力“釋放創新空間”，僅給定遷移場景，鼓勵學有余力的學生自主設計方案。

參考文獻：

熊璋，趙健，陸海豐，等.義務教育階段信息科技課程的時代性與科學性——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》解讀[J.教師教育學報，2022，9（04）.63-69.e