《萬物互聯(lián)》教學設(shè)計

《萬物互聯(lián)》教學設(shè)計王建華李秀梅宋巍巍曹恒來●學習內(nèi)容分析萬物互聯(lián)（IoE）是指將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更加相關(guān)，更有價值，這種連接是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的。為此，確定本課的主要內(nèi)容為物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要用于前端數(shù)據(jù)的獲取，通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，在應(yīng)用層將感知層獲取的數(shù)據(jù)進行處理并實現(xiàn)具體的應(yīng)用。在理解物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計智慧大棚，讓學生經(jīng)歷監(jiān)測和調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的過程，體會物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給生活帶來的變化，以使學生對物聯(lián)網(wǎng)有更深刻的理解，為以后設(shè)計富有創(chuàng)意和價值的物聯(lián)網(wǎng)解決方案打下基礎(chǔ)?！駥W習者分析●學習目標（1）理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，感知物聯(lián)網(wǎng)從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程。（2）能夠從日常生活中發(fā)現(xiàn)可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的簡單問題，分析任務(wù)需求，選擇合適的信息感知和傳輸技術(shù)，設(shè)計并制作簡易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高學生利用信息系統(tǒng)解決問題的能力。（3）能發(fā)現(xiàn)生活中常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，感受萬物互聯(lián)對人們工作、學習、生活的影響?！窠虒W過程1.現(xiàn)場體驗，感知物聯(lián)網(wǎng)同學們，老師在家里種植了草莓盆栽，想不想看看老師家里草莓的生長情況呢？活動1：遠程查看草莓盆栽，感知物聯(lián)網(wǎng)。（1）利用手機APP異地查看草莓的實時影像。（2）我們能看到異地的草莓盆栽需要哪些硬件和軟件？（3）在整個過程中，攝像頭、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、手機各起到了什么作用？分析、歸納物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。小結(jié)：攝像頭用于獲取真實世界的信息，屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，感知層主要通過各種類型的傳感器，實時辯識和采集物體的屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為模式等信息;攝像頭拍攝的視頻通過無線局域網(wǎng)、有線局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等上傳至服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)層主要負責傳輸感知層獲取的信息，也稱為“傳輸層”;手機通過APP和服務(wù)器實現(xiàn)視頻監(jiān)控，屬于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，應(yīng)用層面向各類行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺和應(yīng)用平臺，如智能家居、智能交通、智能農(nóng)業(yè)等。設(shè)計意圖：借助遠程查看家中草莓的真實物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，激發(fā)學生的好奇心。引導(dǎo)學生在分析本應(yīng)用中相關(guān)設(shè)備具體作用的基礎(chǔ)上，感知物聯(lián)網(wǎng)從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程，并由點到面擴展至同類設(shè)備和應(yīng)用，歸納出物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，為后面設(shè)計簡單物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)做了較好的鋪墊。2.遠程監(jiān)測，初設(shè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)師：今天，老師將“智慧大棚”搬到了課堂上，讓我們運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建一個大棚智能控制系統(tǒng)，對種植草莓的環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和管理?；顒?：設(shè)計遠程監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測草莓生長環(huán)境數(shù)據(jù)。（1）哪些環(huán)境因素會影響草莓的生長？（2）分析監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定監(jiān)測所用傳感器、網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測平臺（如圖2）。①我們準備監(jiān)測哪些數(shù)據(jù)？要獲得這些數(shù)據(jù)，需要哪些傳感器？②觀察教師提供的器材，找到有“WIFI”字樣的模塊，你知道WIFI有什么作用嗎？③這套器材如何監(jiān)測獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)？（3）學生分組，4人一組，明確各人的工作職責（如表1）。（4）搭建草莓生長環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)。①對照硬件連接接口表安裝傳感器（如表2）。②打開監(jiān)測例程，仿照讀取土壤溫度腳本，添加讀取濕度和光照腳本，對照硬件連接接口表設(shè)置對應(yīng)的讀取接口，并設(shè)置WIFI名稱和密碼（如圖3）。③下載監(jiān)測程序至主控板。（5）登錄“中小學物聯(lián)創(chuàng)新平臺”，監(jiān)測草莓生長環(huán)境的溫度、濕度與光照，并匯報監(jiān)測結(jié)果（如表3）。設(shè)計意圖：通過分析影響草莓生長的環(huán)境因素，得出“智慧大棚”遠程監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)需求。依據(jù)活動1中得出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，通過找一找、認一認等活動確定所需的傳感器以及傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)，并仿照現(xiàn)有例程完善讀取數(shù)據(jù)的腳本，登錄應(yīng)用平臺獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，學生在搭建簡易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，能對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本工作原理有更為直觀形象的認識。3.自動控制，完善物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)師：遠程監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測并反饋草莓的生長環(huán)境，但管理過程中仍需人工干預(yù)，如澆水等，怎樣讓草莓管理不依賴人工，真正實現(xiàn)自動化、智能化呢？讓我們?yōu)楸O(jiān)測系統(tǒng)增加自動控制功能。活動3：完善自動控制功能，實現(xiàn)草莓管理自動化。（1）閱讀資料，了解適宜草莓生長的環(huán)境數(shù)據(jù)。（2）分析控制方式（如表4）。（3）連接硬件設(shè)備（如表5）。（4）仿照控制風扇工作狀態(tài)的腳本，添加控制水泵工作的腳本。在“中小學物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新平臺”根據(jù)監(jiān)測得到的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用開關(guān)按鈕控制生長燈、風扇、水泵工作（如下頁圖4）。（5）根據(jù)草莓生長環(huán)境要求和確定的控制方法，修改草莓環(huán)境管理程序，實現(xiàn)自動控制功能。①下頁圖5所示例程是自動調(diào)節(jié)程序，你能分別說出圖中方框處程序的作用嗎？②根據(jù)資料中的草莓生長環(huán)境對溫、濕度及光照要求，修改程序中的參數(shù)值。（6）對系統(tǒng)自動控制功能進行測試。小結(jié)：物聯(lián)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)從感知層，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示;在應(yīng)用層，可以和感知層內(nèi)的物進行交互;也可以通過感知層內(nèi)的物與物相聯(lián)，實現(xiàn)環(huán)境的自動控制。設(shè)計意圖：監(jiān)測僅僅是物聯(lián)網(wǎng)的一項功能，能根據(jù)植物生長習性進行自動調(diào)節(jié)才是物聯(lián)網(wǎng)智能化的體現(xiàn)。在本活動中，引導(dǎo)學生閱讀草莓生長環(huán)境資料，在表格支架的幫助下，理清控制邏輯。遠程平臺上的手動調(diào)節(jié)實現(xiàn)了信息從應(yīng)用層向感知層的回饋，但仍然不能實現(xiàn)智能化。再給出優(yōu)化后的半成品程序支架，引導(dǎo)學生理解并完善程序，實現(xiàn)物物相聯(lián)的自動調(diào)節(jié)。4.拓展思維，暢想萬物互聯(lián)活動4：觀看視頻《萬物互聯(lián)改變生活》。（1）物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于生活中的哪些方面？給生活帶來了怎樣的變化？（2）從連接對象上看，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有何區(qū)別？小結(jié)：物聯(lián)網(wǎng)將信息網(wǎng)絡(luò)連接和服務(wù)的對象從人擴展到物，以實現(xiàn)萬物互聯(lián)。未來的社會必定是一個物與物相聯(lián)、人與物相通、萬物互聯(lián)的時代。設(shè)計意圖：通過觀看視頻的活動，讓學生說說視頻中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給生活帶來的變化，在拓寬學生視野的同時，使其體會物聯(lián)網(wǎng)給工作、學習和生活帶來的影響。引導(dǎo)學生從連接對象的角度比較互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)，使學生對物聯(lián)網(wǎng)有更深刻的認識?！窠虒W反思本課選取物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計簡單物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為“萬物互聯(lián)”這一主題的切入點，由具體的學習內(nèi)容向各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用輻射，點明“萬物互聯(lián)”的主題。在明確了學習內(nèi)容之后，本課采用基于項目的學習方式，選取設(shè)計“智慧大棚”這一現(xiàn)實生活中的問題作為項目，該項目涉及信息技術(shù)、生物、物理等學科的知識，復(fù)雜程度較高，因此將其分解為遠程監(jiān)測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)兩個遞進式的活動任務(wù)。每個活動按照項目學習的基本流程，從需求分析、確定方案、活動探究到成果交流逐步展開，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，逐層設(shè)計問題，引導(dǎo)學生尋找解決問題的方案，如觀察標有“WIFI”字樣的器材，旨在引導(dǎo)學生根據(jù)現(xiàn)有條件確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。在完成活動任?wù)的過程中，搭建了表格支架，引導(dǎo)學生明確組員間的分工;通過半成品程序支架，避免學生把過多的精力放在具體的腳本編寫與控件設(shè)置上，降低學生的探究難度。成果交流是項目學習不可缺少的環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)，學生分組匯報各自的監(jiān)測結(jié)果，并模擬環(huán)境的變化測試自動控制系統(tǒng)的工作狀況，在檢查調(diào)試的過程中讓產(chǎn)品不斷趨于完善。最后，“智慧大棚”只是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一種應(yīng)用，通過視頻暢談物聯(lián)網(wǎng)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，直觀感受其給生活帶來的變化。在教學實施過程中，受課時長度的限制，無論是硬件的連接，還是腳本的編制，留給學生自主支配的時間均較少，對目標的達成造成了一定的影響。在日常教學中，如果能夠采用兩節(jié)連排的形式安排內(nèi)容，則能增強學習活動的持續(xù)性和完整性，有利于提高學習的品質(zhì)。如果只是采用講授法進行教學，或者僅是利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行體驗和實踐，學生難以真正理解萬物互聯(lián)背后的基本思想。為此，教師通過活動1幫助學生建構(gòu)起物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的知識之后，設(shè)計了兩個技術(shù)試驗活動，學生在分析智慧大棚功能需求的基礎(chǔ)上，選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式，連接設(shè)備，調(diào)試腳本和參數(shù)，搭建了可以實際運行的大棚，較好地理解了從物聯(lián)設(shè)備中讀取、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的基本途徑，以及使用數(shù)據(jù)進行控制的基本方式。這種綜合運用所學知識進行的探索性的實踐活動，為信息技術(shù)課程帶來一種不同于慣常機房授課的教學方式，有利于提高信息技術(shù)學習的效率。兩個技術(shù)試驗活動的具體實施過程則采用項目學習的方式進行。例如，活動3的情境為設(shè)計草莓管理的自動控制系統(tǒng)，學生在閱讀適宜草莓生長的環(huán)境數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，確定了各個環(huán)境數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)條件和對應(yīng)的控制方法。在學習的過程中，學生面對的是現(xiàn)實生活中的真實問題，需要運用物理、生物等學科的知識來理解和分析，真實而復(fù)雜的情境大大提高了學習的挑戰(zhàn)性，有助于激活學生的學習動機。而且，這種有挑戰(zhàn)性的學習任務(wù)需要小組成