實驗內(nèi)容分析

本課內(nèi)容選自《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）第四學(xué)段（7～9年級）的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊中第二部分“物聯(lián)網(wǎng)基本原理與功能”，新課標要求學(xué)生能自覺遵守物聯(lián)網(wǎng)實驗的操作規(guī)程，會使用實驗設(shè)備搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，并能通過實驗平臺讀取、發(fā)送、接收、匯集和使用數(shù)據(jù)。通過簡易物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，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?！都译姷倪h程控制》一課從物聯(lián)網(wǎng)的感知、通信、控制與反饋三個方面探究物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和功能，在實驗的過程中重點探究物聯(lián)網(wǎng)通信知識，深入了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三層架構(gòu)及主要物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和典型應(yīng)用特點。

學(xué)習(xí)對象分析

本單元教學(xué)對象是八年級的學(xué)生，其思維正逐漸從具體形象思維向抽象邏輯思維過渡。他們在上一節(jié)課已經(jīng)了解物聯(lián)網(wǎng)的概念和三層架構(gòu)，并認識了以廣播形式如何進行物聯(lián)網(wǎng)通信。同時，他們的合作意識強，并具有一定的批判性思維，能夠?qū)π畔⑦M行分析和評價，提出新的想法和解決方案，而且，他們的自主學(xué)習(xí)能力強。

實驗教學(xué)目標

①通過家電遠程控制子系統(tǒng)的搭建，在遇到相關(guān)問題時能想到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中可能發(fā)揮的作用，接觸到相關(guān)產(chǎn)品或應(yīng)用時有主動探索背后可能存在的數(shù)據(jù)傳輸方式或基本原理的意識，體會到物聯(lián)網(wǎng)對學(xué)習(xí)、生活和工作的影響。（信息意識）

②根據(jù)實際的問題情境需求，探究家電遠程控制的實現(xiàn)過程并進行歸納、抽象，通過兩個掌控板模擬發(fā)送端和接收端，發(fā)送端將開關(guān)指令通過物聯(lián)網(wǎng)平臺將信息傳遞給接收端，在此過程中理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理，體驗數(shù)據(jù)處理、傳遞和應(yīng)用過程，能在邏輯上理解物聯(lián)網(wǎng)的運行機制，在探索數(shù)據(jù)采集、處理和反饋的過程中培養(yǎng)計算思維。（計算思維）

③通過物聯(lián)網(wǎng)原型搭建，了解適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的實驗環(huán)境，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)字資源支持學(xué)習(xí)，明確在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下如何解決實際的問題，能夠根據(jù)實際情境需求設(shè)計方案，使用相關(guān)硬件、軟件、平臺等完成系統(tǒng)搭建。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

④自覺遵守物聯(lián)網(wǎng)實驗的操作規(guī)程，在使用實驗設(shè)備搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，通過實驗平臺讀取、發(fā)送、接收和使用數(shù)據(jù)時，養(yǎng)成良好的信息工具使用習(xí)慣，在編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和控制等過程中理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的信息安全和隱私保護等問題，并理解自主可控對國家安全和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要性。（信息社會責(zé)任）

實驗重難點

重點：根據(jù)實驗操作單和微課等學(xué)習(xí)資源，會使用EasyIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)傳輸與分析、利用掌控板物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)套件搭建遠程控制家電系統(tǒng)原型，實現(xiàn)簡單數(shù)據(jù)采集、實時傳輸、控制與數(shù)據(jù)分析功能，了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層架構(gòu)及MQTT協(xié)議基本原理。

難點：理解物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議傳輸應(yīng)用中基于“發(fā)布＼訂閱”模式的遠程通信原理與方法，并能夠利用mPython進行編程實現(xiàn)其功能。

實驗整體思路

本課教學(xué)重點為家電的遠程控制模型搭建、物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議知識等，并在實驗探究中內(nèi)化物聯(lián)網(wǎng)原理。本課設(shè)計了三條教學(xué)主線，即兩條邏輯暗線：原型搭建過程中知識建構(gòu)過程、物聯(lián)網(wǎng)遠程控制過程中的數(shù)據(jù)通信；一條明線：問題與需求驅(qū)動，設(shè)置遞進式任務(wù)（如下圖）。通過幾個探究活動貫穿整個物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)，用科學(xué)原理指導(dǎo)實驗，在實驗活動中內(nèi)化物聯(lián)網(wǎng)原理，形成實踐與理論相結(jié)合的閉環(huán)。

實驗資源準備

物聯(lián)網(wǎng)實驗套裝（掌控板）、安裝mPython編程平臺的計算機、教學(xué)課件、學(xué)生自主學(xué)習(xí)包（電子實驗導(dǎo)學(xué)單、微課）。

實驗教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境問題聚焦，探究物聯(lián)網(wǎng)通信

知識回顧：智能家居系統(tǒng)1。

背景：使用廣播通信方式實現(xiàn)當(dāng)家人入戶時紅外感應(yīng)器感應(yīng)到有人，會智能開啟對應(yīng)的家電。

師：上節(jié)課我們通過什么去感知獲取到是否有人來的信息？（師生回顧上節(jié)課數(shù)據(jù)傳遞的過程）

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)基于真實生活的問題情境，回顧廣播通信數(shù)據(jù)傳遞過程，以問題引領(lǐng)的方式師生共同梳理物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，從實際情境中抽象問題，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力。

探究活動1：多種物聯(lián)網(wǎng)通信模式。

師：天氣越來越熱了，老師想在回家之前提前打開家里的電器，老師家離學(xué)校有30多公里，我們上節(jié)課學(xué)習(xí)的無線廣播通信方式能不能實現(xiàn)遠程控制呢？

展示活動：一個學(xué)生在教室里拿著接收端，另一個學(xué)生拿著發(fā)送端，發(fā)送端的學(xué)生持續(xù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送并慢慢遠離教室，觀察接收端掌控板的燈是否一直亮？

實驗結(jié)果：當(dāng)遠離教室十幾米的時候，接收端燈就滅了。

實驗猜想：廣播通信是短距離通信方式，無法實現(xiàn)遠程通信控制。

探究內(nèi)容：以遠程控制開關(guān)燈為例，遠程控制使用何種通訊方式？

師：假如一位同學(xué)在教室里需要用手機發(fā)微信給遠在公司的媽媽，那么兩個手機如何進行通信？

生：手機需要聯(lián)網(wǎng)，Wi-Fi、4G、5G。

師（實驗小結(jié)）：類比于手機通訊聯(lián)網(wǎng)方式，發(fā)送端和接收端也需要聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的前提是物要聯(lián)網(wǎng)。接下來，我們一起探究使用Wi-Fi通訊方式實驗遠程控制。

設(shè)計意圖：抓住核心問題（物聯(lián)網(wǎng)通信），引出本節(jié)課的主題，核心問題是思維發(fā)展的基石，聚焦核心問題，引導(dǎo)學(xué)生在實驗問題解決的過程中，學(xué)會利用學(xué)科思維解決實驗問題。

2.分析問題設(shè)計方案，探究物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

探究活動2：物聯(lián)網(wǎng)平臺。

師：網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，開關(guān)指令的數(shù)據(jù)如何傳遞過去呢？請同學(xué)們提取視頻中提到的物聯(lián)網(wǎng)遠程控制的關(guān)鍵詞。（關(guān)鍵詞：公網(wǎng)、MQTT服務(wù)器、中介、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）

設(shè)計意圖：問題與需求驅(qū)動，觀看視頻引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中起到遠程通信“橋梁”作用的MQTT服務(wù)器，激發(fā)學(xué)生的探究欲。

師：物聯(lián)網(wǎng)平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，因此，我們可以把物聯(lián)網(wǎng)平臺看成是遠程通信的中介服務(wù)器，為了能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與精準轉(zhuǎn)發(fā)，需要遵守一定的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，這就是物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議MQTT。MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級、靈活、可靠的開放式消息隊列遙測傳輸協(xié)議，通常用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)備間通信，可以理解為客戶端和服務(wù)器端約定好的數(shù)據(jù)通信規(guī)則。MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，即發(fā)布者（發(fā)送端）發(fā)送一個消息到Topic，接收端訂閱這個Topic，物聯(lián)網(wǎng)平臺自動將消息轉(zhuǎn)發(fā)至訂閱了此Topic的所有接收端，從而實現(xiàn)物物相連。（師生梳理遠程控制開關(guān)燈的數(shù)據(jù)傳遞的過程）

設(shè)計意圖：通過家電遠程控制的信息傳遞過程梳理發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)通信過程，初步了解后期的任務(wù)支架。類比生活中公眾號的使用，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)平臺中MQTT協(xié)議基于發(fā)布訂閱模式的通信原理。

3.硬件搭建編寫程序，體驗物聯(lián)網(wǎng)搭建

探究活動3：終端Wi-Fi、MQTT通信實現(xiàn)（程序可參考實驗操作單）。

分組探究：兩人一組，一個發(fā)送端，一個接收端，如表1所示。

探究活動4：終端與物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)通信（程序可參考實驗操作單），如表2所示。

探究活動5：終端與終端之間數(shù)據(jù)通信。

現(xiàn)狀分析：發(fā)送端與接收端均實現(xiàn)與平臺的數(shù)據(jù)通信，請小組內(nèi)嘗試，發(fā)送端能否直接控制接收端的燈？

思考問題：每個小組發(fā)送端將消息發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺接收到消息后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給接收端，那么，平臺怎么知道這個消息要轉(zhuǎn)發(fā)到哪個接收端？也就是說，同組的發(fā)送端和接收端如何關(guān)聯(lián)起來？

設(shè)計意圖：通過三組遞進的探究活動，最終實現(xiàn)端與端之間的數(shù)據(jù)通信。

類比講解：廣播利用同一個頻道傳遞信息，MQTT如何實現(xiàn)？提煉MQTT協(xié)議的關(guān)鍵詞：發(fā)布/訂閱模式、Topic。

實驗猜想：基于發(fā)布/訂閱模式，使用同一個主題，進行數(shù)據(jù)通信。小組接收端進行代碼修改，將代碼中的Topic修改成同組的Topic，驗證猜想。

實驗小結(jié)：發(fā)布/訂閱模式、Topic。

Topic：橋梁、建立端與端之間的訂閱關(guān)系。

設(shè)計意圖：在步步猜想與驗證實驗過程中，體會MQTT協(xié)議的原理，在用科學(xué)原理指導(dǎo)科學(xué)實驗。

4.評價總結(jié)拓展展望，創(chuàng)思物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

探究活動6：項目拓展。

①如果發(fā)送端不僅能夠遠程控制家電，同時發(fā)送一條短信到媽媽手機上告知我有10分鐘后到家，即多接收端如何設(shè)計？②家里其他人也可以一鍵控制電器，即多發(fā)送端如何設(shè)計？

小組探究：4人一組，兩發(fā)送端、兩接收端，如表3所示。

小組討論：優(yōu)化遠程控制系統(tǒng)方案，學(xué)有余力的學(xué)生可以驗證猜想。

實驗小結(jié)：EasyIoT等物聯(lián)網(wǎng)平臺具有一定的安全隱患，任何涉及非公開信息的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都應(yīng)該搭建專用的MQTT服務(wù)并提供數(shù)據(jù)保護方法，有意識地保護個人數(shù)據(jù)安全。

教學(xué)反思

第一，要創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，挖掘生活中的教育資源。以學(xué)生身邊的項目為導(dǎo)向，進行實驗設(shè)計，讓學(xué)生在實際應(yīng)用中學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的知識和技能。在實驗探究中內(nèi)化科學(xué)原理，用科學(xué)原理指導(dǎo)科學(xué)實驗。

第二，預(yù)設(shè)沖突與問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生架構(gòu)知識脈絡(luò)。以問題為基礎(chǔ)，設(shè)計問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、提出猜想、開展探究活動、驗證猜想、獲得實驗結(jié)果，利用實驗資源和技術(shù)解決問題，理解背后的原理。

第三，關(guān)注學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，著眼高階思維能力發(fā)展。分層設(shè)計實驗活動，使每個層次的學(xué)生都能有所思考，以小組合作的形式開展活動，充分利用學(xué)生已有知識，協(xié)作完成任務(wù)，幫助學(xué)生比較、對照、歸納總結(jié)，讓學(xué)生在問題解決的過程中練就計算遷移能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和團隊合作能力。

點 評

物聯(lián)網(wǎng)在義教課標中是一個重要的內(nèi)容，也是一條重要的邏輯主線，它涉及過程與控制，也涉及算法，更涉及互聯(lián)網(wǎng)，甚至接駁人工智能。所以說，從互聯(lián)到物聯(lián)，從控制到算法，物聯(lián)網(wǎng)是一種重要的硬件與軟件相結(jié)合的數(shù)據(jù)承載。以前的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，教師局限于開源硬件的本地化傳感數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用的居多，這離“物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)”還是有差距的。本文涉及的教學(xué)設(shè)計，先不論基于大單元的整體設(shè)計的優(yōu)點，單從以實驗教學(xué)的方式呈現(xiàn)出一個真正的“物聯(lián)網(wǎng)”的教學(xué)方式，就值得好好研究與借鑒。本文基于大單元設(shè)計實驗教學(xué)，從核心素養(yǎng)出發(fā)，針對六個探究活動，從物聯(lián)通信的模式、平臺、過程、機制及數(shù)據(jù)進行了全面的探索，難能可貴的是靈活利用實驗猜想、實驗探究、類比講解、實驗小結(jié)等環(huán)節(jié)進行學(xué)程設(shè)計，對物聯(lián)網(wǎng)之“網(wǎng)”中的“數(shù)據(jù)”傳輸與反饋等進行從易到難、從原理到應(yīng)用的多角度探究。當(dāng)然，本案例在項目探究與實驗學(xué)習(xí)的規(guī)范上還有些地方不夠明晰，存在一定混淆，由此可能會影響實驗教學(xué)的數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)論等，各位老師可以結(jié)合自我情況對實驗的流程進行酌情迭代優(yōu)化。

（點評人：山東省青州一中信息技術(shù)特級教師 王愛勝）