中小学物联网课程设计的两种思路

谢贤晓 浙江省温州市平阳教师发展中心 

王国芳 浙江省温州市艺术学校

“万物互联”的时代正渐行渐近，物联网技术也越来越受到创客教育、STEAM教育领域的重视。但因为缺乏简单易用的物联网平台和廉价稳定的智能终端，中小学生很难有机会理解物联网原理，真正学习物联网技术并开发各种创意应用。在这样的背景下，“虚谷物联”项目诞生了。

“虚谷物联”项目的核心是开发的开源MQTT服务器程序—— SIoT，它为中小学STEAM教育提供了教学专用物联网平台，而2018 年发布的开源硬件掌控板，则让物联网终端实现了低成本。两者的结合降低了中小学的物联网实验室建设成本以及技术门槛，让学生不仅能够真正学习到物联网的核心技术，还能通过物联网技术采集数据、分析数据，进而探究科学问题。

物联网技术的教学一直是S T EA M教育和创客教育的热点。为帮助一线教师掌握物联网技术，“虚谷物联”项目组为SIoT软件编写了详细而具体的文档（文档阅读地址：ht tps://s iot. readthedocs.io/）。SIoT文档中提供了各种客户端连接服务器的范例，其中包括专用客户端，Mind+、mPython、App Inventor2和Python等常见编程语言，以及Arduino、micro:bit、掌控板等开源硬件，文档还介绍了Node-RED、Proc essing、PowerPoint等不太常见的工具。除此之外，文档中还收集了一系列典型应用案例，如热辐射实验探究、智能家居模型、互动媒体“划龙舟” 和互动游戏“足球对战”等。

要普及物联网教育，仅仅为教师们提供理论和技术培训是不够的，最好能够提供简单易用的课程，作为他们实施教学的“脚手架”。我们团队在“虚谷物联”项目组的支持下，根据物联网技术的两大亮点——远程控制和数据采集，结合《中小学综合实践活动课程指导纲要》中提出的活动方式，对物联网课程进行了开发，并初步形成了两种设计思路，具体如下：

（1） 设计制作类。设计制作指学生运用各种工具、工艺(包括信息技术)进行设计，并动手操作，将自己的创意、方案付诸现实，转化为物品或作品的过程。教师可以指导学生学习物联网技术，并利用这方面的技术设计能够解决真实世界问题的应用，制作出相关作品。

（2）考察探究类。考察探究是学生基于自身兴趣，在教师的指导下，从自然、社会和自身生活中选择和确定研究主题，开展研究性学习，在观察、记录和思考中，主动获取知识，分析并解决问题的过程。在考察探究的活动中，学生以物联网技术为工具，利用实时、无线的方式采集数据，进行基于数据的科学探究活动。

我们将设计制作类的课程命名为“趣味物联网作品设计”，带领学生学习物联网技术并设计相关应用，涉及到的软硬件分别是“Mind+”（一款拥有自主知识产权的国产青少年图形化编程软件）、掌控板（包含其他传感器、执行器的学习套件），以项目式学习为主要学习方式，开发各种创意应用。

熟悉开源硬件掌控板的编程， 理解物联网的运行原理，能够利用物联网技术设计各种与智能家居、互动媒体相关的创客作品，培养STEAM素养。

执教对象为非零起点学生，具有一定的Scratch编程基础；课程内容的设计上偏向于网络互动与实际应用，以项目化的方式进行呈现；实例的选择从易到难，遵循循序渐进原则，最终完成一个完整的物联网作品并进行展示。

本课程在实施过程中，除了需要掌控板外，还需要一些输入硬件设备（DHT11温湿度传感器、3D手势、电导、鳄鱼夹）和输出硬件设备（继电器、舵机、电风扇），连接掌控板和输入、输出设备的拓展板。在课程开设前，需要将教师机设置为数据采集服务器，定时采集各种数据，供学生连接使用。

“趣味物联网作品设计”的核心内容是了解、体验、剖析和设计物联网作品，涵盖了传感器、开源硬件、编程和网络等技术。我们将课程分为掌控板编程基础、简易气象台、电子沙盘设计和简易智能家居四个单元，每个主题的学习从创设情境开始，通过“我要学”→“我要做”→“我要想”→“我要练”→“我要读”展开。

课程具体内容如表1所示。

物联网是互联网的延伸，涉及的知识点较多，如网络基础知识、MQTT协议、订阅消息、发送消息等，所以“趣味物联网作品设计” 在课程设计上涉及网络通信、自动控制、硬件编程等多方面问题，“软硬兼施”，是一门跨学科学习的课程。通过系列专题学习，引导学生开展深入探究与实践，从而发现问题、思考问题，并且能运用物联网技术解决实际问题，培养学生处理问题的能力和综合素养。在教学过程中教师不要过分强调知识的深度，而要强调知识的广度，让学生通过网络多了解物联网作品，并尝试“仿造”，然后“改良”，最终实现“创新”。

数据分析已经深入到科学、技术、工程和现代生活的各个方面， 科学数据分析的一般流程为：收集数据—整理数据—提取数据—构建模型—推断并获取结论。SIoT服务器能够收集并导出物联网数据，因此学生通过SIoT能获得大量的科学实验数据，并利用这些数据进行研究和分析。考察探究类的课程，我们命名为“基于物联网技术的科学探究”，顾名思义，就是利用物联网技术进行科学探究。

借助开源硬件和物联网技术， 通过数据采集、分析的方式探究科学实验中的各种变量，亲历基于数据的科学探究过程，培养数据统计、数学建模、编程和科学探究能力。

执教对象可以是编程零起点学生，不关注编程；教师可以是非信息技术专业的教师，如科学教师、综合实践活动教师。

本课程除了需要掌控板和拓展板外，还需要实验过程中采集数据所需的输入硬件设备，如DHT11 传感器、土壤湿度传感器、超声波传感器、PM2.5传感器、可燃气体、浑浊传感器、液位传感器、紫外线传感器、防水温度传感器、模拟气体传感器（MQ9）和LM35温度传感器等。

“基于物联网技术的科学探究”课程的核心内容是收集、提取数据，进行科学探究。课程分为两个单元：第一单元主要是读取数据，呈现数据，熟悉网络平台；第二单元采用项目化学习方式，一个实验就是一个项目，每个项目由2～3课时完成（如表2）。

表2

科学探究是人们在研究各类科学特别是自然科学问题时所采取的方法，包括四个步骤：①提出问题；②猜想假设；③接受检验；④不断完善。步骤③就是通过实验的办法来验证假设和猜想，收集并整理通过实验得出的实验现象、实验数据，以及其他与猜想假设有关的所有资料、信息等，为验证猜想与假设做好充分准备。

物联网课程的设计除了上面介绍的两种，还可以做互动媒体、交互游戏等。开发物联网课程，真正将物联网技术引入中小学课堂，是我们正在努力的工作。希望有更多的学生因为这类课程的实施，轻松掌握物联网技术，体验大数据，设计出各种创新应用。

本文为2018年度温州市中小学校科技创新项目“《物联网与科学探究创意实验》课程的开发”的阶段性成果，项目 编号：2018ZXX01。