摘要：本文結(jié)合《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，設(shè)計(jì)了初中信息科技學(xué)科大概念下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)基本框架，并以“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題，提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)科大概念；初中信息科技；智能養(yǎng)花系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）14-0090-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出，要從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，提升學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的理解，從而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。因此，信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)為新課標(biāo)下的信息科技課程實(shí)施提供了有效方法。同時(shí)，學(xué)科大概念能夠幫助教師建構(gòu)學(xué)科教學(xué)的知識(shí)框架，而且能夠幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的記憶和遷移，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。所以，筆者認(rèn)為促進(jìn)大概念理解的信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容最有價(jià)值。

大概念下初中信息科技學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)基本框架

“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)所屬單元選自新課標(biāo)中的“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊，單元教學(xué)要求是：會(huì)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建簡易應(yīng)用或系統(tǒng)原型，并通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讀取、發(fā)送、接收、匯集和使用數(shù)據(jù)；探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能。實(shí)驗(yàn)根據(jù)目的和方式不同可以有不同的分類，魏雄鷹老師提出的實(shí)驗(yàn)的基本類型主要有驗(yàn)證類、探究類、創(chuàng)新應(yīng)用類以及虛擬仿真類，“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)屬于利用概念和原理解決問題的創(chuàng)新應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)。因此，筆者基于六大學(xué)科邏輯主線，梳理了本單元的大概念（如下表）并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的基本框架（如下頁圖）。

“智能養(yǎng)花系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)案例設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)目標(biāo)

①具有用物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)解決問題的意識(shí)，理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的獲取方式和數(shù)據(jù)的匯集與使用方法；體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制與反饋，體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)中控制與反饋的價(jià)值和意義，體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的方法與過程。（信息意識(shí)、計(jì)算思維）

②能從需求出發(fā)，設(shè)計(jì)和搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型并運(yùn)行、調(diào)試和發(fā)布，掌握物聯(lián)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)的一般過程和基本方法，提高利用數(shù)字設(shè)備與平臺(tái)開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的能力。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

③在物聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用中，能夠?qū)⒅悄茉O(shè)計(jì)應(yīng)用于國家造林活動(dòng)，提高環(huán)保意識(shí)，培養(yǎng)綠色生活方式。（信息社會(huì)責(zé)任）

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

課時(shí)1：智能養(yǎng)花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①情境導(dǎo)入，問題拋出。

教師提出問題：放假期間班級(jí)盆栽無人照料影響生長，請(qǐng)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制作智能養(yǎng)花系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全方位照料盆栽。

設(shè)計(jì)意圖：通過情境問題，引導(dǎo)學(xué)生使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問題，提高學(xué)生的信息意識(shí)。

②需求分析，功能設(shè)計(jì)。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考影響植物生長的因素有哪些，在上網(wǎng)查詢后，小組合作填寫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單中的“影響盆栽生長的因素表”（如光照、水分、空氣溫濕度等）。接著，根據(jù)影響植物生長的因素，小組合作設(shè)計(jì)功能需求（自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)通風(fēng)等），并填寫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單中的“需求分析表”。

設(shè)計(jì)意圖：采用小組合作的方式，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用網(wǎng)絡(luò)資源獲取資料，在實(shí)踐中探索、獲取真知，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

③功能分解，設(shè)計(jì)搭建。

學(xué)生根據(jù)需求分析表，分解系統(tǒng)功能，小組合作設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同功能所需的硬件設(shè)備及平臺(tái)，填寫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單中的“系統(tǒng)設(shè)計(jì)表”。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，將以往所學(xué)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)遷移應(yīng)用到本環(huán)節(jié)中，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。

④交流展示，總結(jié)分享。

各小組展示本節(jié)課實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單，并總結(jié)本課所學(xué)。教師啟發(fā)學(xué)生思考如何實(shí)現(xiàn)功能，為下一節(jié)課做準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：在交流展示中鞏固新知，強(qiáng)化設(shè)計(jì)思想。

課時(shí)2：智能養(yǎng)花系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

①復(fù)習(xí)舊知，導(dǎo)入新課。

教師先提問上節(jié)課所學(xué)知識(shí)。小組匯報(bào)系統(tǒng)不同功能及所學(xué)元件。接著，四人一組，各小組成員根據(jù)特長選擇角色。（項(xiàng)目管理師：統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，并做好實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)記錄；硬件設(shè)計(jì)師：負(fù)責(zé)指導(dǎo)其他小組成員進(jìn)行硬件搭建；軟件設(shè)計(jì)師：進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和編寫，其他成員進(jìn)行調(diào)試與完善；數(shù)據(jù)記錄師：做好實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)記錄）

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)舊知；小組合理分工，合作學(xué)習(xí)。

②功能實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)澆水。

硬件設(shè)計(jì)師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)表進(jìn)行硬件搭建。軟件設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)程序，思考通過監(jiān)測三天盆栽土壤濕度數(shù)據(jù)獲取盆栽缺水時(shí)的濕度閾值。同時(shí)，教師提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，通過土壤濕度傳感器監(jiān)測植物是否缺水，通過轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)觸發(fā)澆水裝置，當(dāng)土壤濕度較小時(shí)，舵機(jī)搖臂向下，使水壺向下澆水，當(dāng)土壤濕度正常時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到其他角度，其他成員指導(dǎo)調(diào)試運(yùn)行。屏幕顯示土壤濕度值，當(dāng)土壤濕度較小時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。（教師提供功能代碼文件供參考）

項(xiàng)目管理師做好實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)記錄。

③功能實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)補(bǔ)光。

硬件設(shè)計(jì)師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)表進(jìn)行硬件搭建。軟件設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)程序，思考通過掌控板自帶的環(huán)境光傳感器監(jiān)測三天內(nèi)光照強(qiáng)度。同時(shí)，教師提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，確定盆栽適宜的光照強(qiáng)度最小值，當(dāng)光線較弱時(shí)，點(diǎn)亮RGB燈帶進(jìn)行補(bǔ)光，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，熄滅燈帶，其他成員指導(dǎo)調(diào)試運(yùn)行。

運(yùn)行結(jié)果：屏幕顯示實(shí)測光線強(qiáng)度值，當(dāng)光線較弱時(shí)，點(diǎn)亮RGB燈帶。（教師提供功能代碼文件供參考）

項(xiàng)目管理師做好實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)記錄。

④功能實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)通風(fēng)。

硬件設(shè)計(jì)師指導(dǎo)其他小組成員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)表進(jìn)行硬件搭建。

軟件設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)程序，通過溫濕度傳感器監(jiān)測三天內(nèi)空氣溫濕度范圍，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)盆栽，由數(shù)據(jù)記錄師在實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)師使用圖形化編程軟件Mind+編寫程序，確定盆栽適宜的空氣溫濕度最大值，當(dāng)溫度或濕度較高時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，來降溫或降濕。其他成員指導(dǎo)調(diào)試運(yùn)行。

運(yùn)行結(jié)果：屏幕顯示實(shí)測空氣溫濕度，當(dāng)溫度或濕度較高時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)。（教師提供功能代碼文件供參考）

項(xiàng)目管理師做好實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)記錄。

設(shè)計(jì)意圖：通過功能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)的一般過程和方法；學(xué)習(xí)通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決問題的一般過程和方法，讓學(xué)生在做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。

⑤功能實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測。

教師提出問題：放假期間不在學(xué)校，如何遠(yuǎn)程查看植物各項(xiàng)數(shù)據(jù)？（學(xué)生提出使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Easy IoT實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)的猜想）

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：小組討論思考如何使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測。（在Easy IoT中定義4個(gè)Topic，分別向Topic發(fā)送水分、光照、溫度、濕度的數(shù)據(jù)，這樣，在每個(gè)Topic中可以對(duì)應(yīng)查看各個(gè)數(shù)據(jù)的折線圖和數(shù)值）

程序設(shè)計(jì)師在以上程序的基礎(chǔ)上，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)（設(shè)置每隔3秒向Easy IoT平臺(tái)發(fā)送一次各類數(shù)據(jù)），自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)通風(fēng)、屏幕顯示函數(shù)不變，其他成員調(diào)試運(yùn)行。

運(yùn)行結(jié)果：除了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、補(bǔ)光、通風(fēng)以外，在Easy IoT中可以遠(yuǎn)程查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)。（教師提供功能代碼文件供參考）

最后，項(xiàng)目管理師做好實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)記錄。

設(shè)計(jì)意圖：通過系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層的作用，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳輸?shù)囊话氵^程，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的正確性。

⑥交流展示，總結(jié)評(píng)價(jià)。

各小組展示作品，并匯報(bào)評(píng)價(jià)結(jié)果。

教師啟發(fā)學(xué)生在課下進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，使用外觀材料如空飲料瓶、廢紙盒、雪糕棒、吸管、彩紙，使用工具如熱熔膠、裁紙刀進(jìn)行外觀制作。

教師提出問題：能否將智能養(yǎng)花系統(tǒng)應(yīng)用于大棚種植？以此提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，倡導(dǎo)綠色生活方式。

設(shè)計(jì)意圖：將課堂所學(xué)知識(shí)用到生活中，課堂學(xué)習(xí)來源于生活，最終又回到現(xiàn)實(shí)生活，形成學(xué)習(xí)的閉環(huán)。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新點(diǎn)

借助數(shù)字化工具和開源硬件等資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，組織學(xué)生開展了大量的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。通過動(dòng)手實(shí)踐，體驗(yàn)感悟并總結(jié)歸納，編程實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐探究相結(jié)合，取得了良好的效果。

結(jié)語

通過以上基于學(xué)科大概念在信息科技教學(xué)中融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嘗試，筆者收獲了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)：一是實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備工作很重要，教師要提前準(zhǔn)備好所需實(shí)驗(yàn)器材，深度挖掘物聯(lián)網(wǎng)基本概念、科學(xué)原理和架構(gòu)搭建，將其更好地融入到教學(xué)設(shè)計(jì)中；二是實(shí)驗(yàn)操作要嚴(yán)謹(jǐn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，做好小組成員分工，記錄數(shù)據(jù)、整理器材，以便后續(xù)及時(shí)綜合和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；三是注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)，找出實(shí)驗(yàn)可能存在的問題，提出改進(jìn)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]魏雄鷹.加強(qiáng)信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué) 發(fā)揮信息科技育人價(jià)值[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/2023/2023_zl24/202311/t20231123_1091836.html.

[3]鄭潔.基于大概念的信息科技實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)實(shí)施路徑[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2023（11）：52-54.

[4]俞含盛，徐光濤.信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)：價(jià)值定位、教學(xué)模式與實(shí)施策略[J].中國信息技術(shù)教育，2024（05）：5-8.

[5]應(yīng)筱艷.《物聯(lián)網(wǎng)基本原理演示》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中國信息技術(shù)教育，2024（05）：17-20.

[6]葛焱，朱君輝.基于學(xué)科大概念的初中信息科技大單元教學(xué)實(shí)踐——以“人工智能”大單元教學(xué)為例[J]中國信息技術(shù)教育，2024（06）：37-40.