《万物互联》教学设计

《万物互联》教学设计王建华李秀梅宋巍巍曹恒来●学习内容分析万物互联（IoE）是指将人、流程、数据和事物结合在一起使得网络连接变得更加相关，更有价值，这种连接是建立在物联网技术基础上的。为此，确定本课的主要内容为物联网的体系结构，即感知层、网络层、应用层。感知层主要用于前端数据的获取，通过局域网、互联网传输到后台服务器，在应用层将感知层获取的数据进行处理并实现具体的应用。在理解物联网体系结构的基础上，运用物联网技术设计智慧大棚，让学生经历监测和调节植物生长环境的过程，体会物联网技术给生活带来的变化，以使学生对物联网有更深刻的理解，为以后设计富有创意和价值的物联网解决方案打下基础。●学习者分析●学习目标（1）理解物联网的体系结构，感知物联网从信息感知到信息传输、智能处理的基本过程。（2）能够从日常生活中发现可以借助物联网技术解决的简单问题，分析任务需求，选择合适的信息感知和传输技术，设计并制作简易的物联网系统，提高学生利用信息系统解决问题的能力。（3）能发现生活中常见的物联网应用，感受万物互联对人们工作、学习、生活的影响。●教学过程1.现场体验，感知物联网同学们，老师在家里种植了草莓盆栽，想不想看看老师家里草莓的生长情况呢？活动1：远程查看草莓盆栽，感知物联网。（1）利用手机APP异地查看草莓的实时影像。（2）我们能看到异地的草莓盆栽需要哪些硬件和软件？（3）在整个过程中，摄像头、网络、服务器、手机各起到了什么作用？分析、归纳物联网的体系结构，如图1所示。小结：摄像头用于获取真实世界的信息，属于物联网的感知层，感知层主要通过各种类型的传感器，实时辩识和采集物体的属性、环境状态、行为模式等信息;摄像头拍摄的视频通过无线局域网、有线局域网、互联网等上传至服务器，网络层主要负责传输感知层获取的信息，也称为“传输层”;手机通过APP和服务器实现视频监控，属于物联网的应用层，应用层面向各类行业的物联网管理平台和应用平台，如智能家居、智能交通、智能农业等。设计意图：借助远程查看家中草莓的真实物联网应用，激发学生的好奇心。引导学生在分析本应用中相关设备具体作用的基础上，感知物联网从信息感知到信息传输、智能处理的基本过程，并由点到面扩展至同类设备和应用，归纳出物联网的体系结构，为后面设计简单物联网系统做了较好的铺垫。2.远程监测，初设物联网系统师：今天，老师将“智慧大棚”搬到了课堂上，让我们运用物联网技术，搭建一个大棚智能控制系统，对种植草莓的环境数据进行监测和管理。活动2：设计远程监测系统，监测草莓生长环境数据。（1）哪些环境因素会影响草莓的生长？（2）分析监测系统结构，确定监测所用传感器、网络与监测平台（如图2）。①我们准备监测哪些数据？要获得这些数据，需要哪些传感器？②观察教师提供的器材，找到有“WIFI”字样的模块，你知道WIFI有什么作用吗？③這套器材如何监测获得的环境数据？（3）学生分组，4人一组，明确各人的工作职责（如表1）。（4）搭建草莓生长环境远程监测系统。①对照硬件连接接口表安装传感器（如表2）。②打开监测例程，仿照读取土壤温度脚本，添加读取湿度和光照脚本，对照硬件连接接口表设置对应的读取接口，并设置WIFI名称和密码（如图3）。③下载监测程序至主控板。（5）登录“中小学物联创新平台”，监测草莓生长环境的温度、湿度与光照，并汇报监测结果（如表3）。设计意图：通过分析影响草莓生长的环境因素，得出“智慧大棚”远程监测系统的任务需求。依据活动1中得出的物联网体系结构，通过找一找、认一认等活动确定所需的传感器以及传输信息的网络，并仿照现有例程完善读取数据的脚本，登录应用平台获取环境数据，学生在搭建简易物联网系统的过程中，能对物联网系统的基本工作原理有更为直观形象的认识。3.自动控制，完善物联网系统师：远程监测系统可以实时监测并反馈草莓的生长环境，但管理过程中仍需人工干预，如浇水等，怎样让草莓管理不依赖人工，真正实现自动化、智能化呢？让我们为监测系统增加自动控制功能。活动3：完善自动控制功能，实现草莓管理自动化。（1）阅读资料，了解适宜草莓生长的环境数据。（2）分析控制方式（如表4）。（3）连接硬件设备（如表5）。（4）仿照控制风扇工作状态的脚本，添加控制水泵工作的脚本。在“中小学物联网创新平台”根据监测得到的环境数据，使用开关按钮控制生长灯、风扇、水泵工作（如下页图4）。（5）根据草莓生长环境要求和确定的控制方法，修改草莓环境管理程序，实现自动控制功能。①下页图5所示例程是自动调节程序，你能分别说出图中方框处程序的作用吗？②根据资料中的草莓生长环境对温、湿度及光照要求，修改程序中的参数值。（6）对系统自动控制功能进行测试。小结：物联网将采集到的数据从感知层，经网络层传输到应用层，实现数据的显示;在应用层，可以和感知层内的物进行交互;也可以通过感知层内的物与物相联，实现环境的自动控制。设计意图：监测仅仅是物联网的一项功能，能根据植物生长习性进行自动调节才是物联网智能化的体现。在本活动中，引导学生阅读草莓生长环境资料，在表格支架的帮助下，理清控制逻辑。远程平台上的手动调节实现了信息从应用层向感知层的回馈，但仍然不能实现智能化。再给出优化后的半成品程序支架，引导学生理解并完善程序，实现物物相联的自动调节。4.拓展思维，畅想万物互联活动4：观看视频《万物互联改变生活》。（1）物联网已广泛应用于生活中的哪些方面？给生活带来了怎样的变化？（2）从连接对象上看，物联网与互联网有何区别？小结：物联网将信息网络连接和服务的对象从人扩展到物，以实现万物互联。未来的社会必定是一个物与物相联、人与物相通、万物互联的时代。设计意图：通过观看视频的活动，让学生说说视频中的物联网应用给生活带来的变化，在拓宽学生视野的同时，使其体会物联网给工作、学习和生活带来的影响。引导学生从连接对象的角度比较互联网与物联网，使学生对物联网有更深刻的认识。●教学反思本课选取物联网体系结构和设计简单物联网系统作为“万物互联”这一主题的切入点，由具体的学习内容向各种物联网应用辐射，点明“万物互联”的主题。在明确了学习内容之后，本课采用基于项目的学习方式，选取设计“智慧大棚”这一现实生活中的问题作为项目，该项目涉及信息技术、生物、物理等学科的知识，复杂程度较高，因此将其分解为远程监测系统、自动控制系统两个递进式的活动任务。每个活动按照项目学习的基本流程，从需求分析、确定方案、活动探究到成果交流逐步展开，并根据物联网的结构，逐层设计问题，引导学生寻找解决问题的方案，如观察标有“WIFI”字样的器材，旨在引导学生根据现有条件确定数据传输的途径。在完成活动任务的过程中，搭建了表格支架，引导学生明确组员间的分工;通过半成品程序支架，避免学生把过多的精力放在具体的脚本编写与控件设置上，降低学生的探究难度。成果交流是项目学习不可缺少的环节，在此环节，学生分组汇报各自的监测结果，并模拟环境的变化测试自动控制系统的工作状况，在检查调试的过程中让产品不断趋于完善。最后，“智慧大棚”只是物联网系统的一种应用，通过视频畅谈物联网在更多领域的应用，直观感受其给生活带来的变化。在教学实施过程中，受课时长度的限制，无论是硬件的连接，还是脚本的编制，留给学生自主支配的时间均较少，对目标的达成造成了一定的影响。在日常教学中，如果能够采用两节连排的形式安排内容，则能增强学习活动的持续性和完整性，有利于提高学习的品质。如果只是采用讲授法进行教学，或者仅是利用现有的物联网系统进行体验和实践，学生难以真正理解万物互联背后的基本思想。为此，教师通过活动1帮助学生建构起物联网体系结构的知识之后，设计了两个技术试验活动，学生在分析智慧大棚功能需求的基础上，选择合适的传感器和数据传输方式，连接设备，调试脚本和参数，搭建了可以实际运行的大棚，较好地理解了从物联设备中读取、发送、接收数据的基本途径，以及使用数据进行控制的基本方式。这种综合运用所学知识进行的探索性的实践活动，为信息技术课程带来一种不同于惯常机房授课的教学方式，有利于提高信息技术学习的效率。两个技术试验活动的具体实施过程则采用项目学习的方式进行。例如，活动3的情境为设计草莓管理的自动控制系统，学生在阅读适宜草莓生长的环境数据资料的基础上，确定了各个环境数据的调节条件和对应的控制方法。在学习的过程中，学生面对的是现实生活中的真实问题，需要运用物理、生物等学科的知识来理解和分析，真实而复杂的情境大大提高了学习的挑战性，有助于激活学生的学习动机。而且，这种有挑战性的学习任务需要小组成