探寻学科大观念

大观念的理解与运用体现核心素养的本质要求，有助于落实核心素养，对学习具有重大促进作用。大观念是具有一般概念所具有的概括性、抽象性、普遍性、永恒性，集中体现课程特质的概念或观念、思想或看法。新课标之前，物联网在旧版信息技术教材中仅以知识链接出现。本文选取新课标第四学段物联网实践与探索模块中的物联网基本原理与功能和物联网创新应用两部分内容，以物联网中数据的产生、采集、传递、呈现、处理方式等逻辑主线，开展大单元教学设计，如表1所示。

表1物联网实践探索中的学科大观念设置及其在知识点中的体现

创建学习真情境

水下机器人能够在复杂水环境中代替人类探索神秘的水下世界，具有独特的趣味性和挑战性。将物联网与水下机器人相结合，一方面使水下机器人的功能更强大，实现自主控制、智能传感与标识、无线传输、分布式协调、智能交互等。另一方面也扩展了互联网的应用，学生可以根据实际需求，利用水下机器人搭载主控制器、传感器等，搭建自己的机器人和物联网实验场景，构建分布式控制与协同试验平台，读取、发送、接收、汇集和使用数据，体验物联网中数据采集、处理、反馈控制的一般过程，从而更好地理解物联网的原理、功能及应用。

设计学习大任务

大任务是指在教学之初，设计一个统领性的大任务、大问题引领学生探究，实现系统化的知识建构。将大任务分解为不同的子任务，承担不同的学习内容，最终串联起整体单元学习，有利于实现知识的有序推进，促进知识迁移应用和创新能力培养。本文单元学习主题为‘物联网’+‘水下机器人’助力河长制，大任务为：依据需求，利用水下机器人等智能感知设备搭建小型物联网系统，通过处理、管理物联网中生产、采集、传输的数据，完成水资源勘测工作（图1）。

图1 大任务分解与其蕴含的知识与技能、核心素养

单元整体设计

1单元学习主题分析

（1）主题概述

石景山区莲石湖是北京母亲河——永定河城市段最大的湖，随着自然界不断的水文循环，与初建成相比已发生较大改变。区水务部门缺少当前莲石湖水体总量数据。本单元以物联网+水下机器人助力河长制为主题，借助物联网技术、水下机器人等开展项目式学习。教学内容是物联网基本原理与功能和物联网创新应用。计划18课时，每课时前后衔接，层层递进。教学过程以培养学科核心素养为目标，关注学生的思维过程以及知识建构过程。教学形式兼具校内讲授和校外实践，关注学生知识的迁移以及解决实际问题的过程。

新课标建议教学实施将学生数字生活经验与社会信息科技应用场景关联，体现科学原理与实践应用的统一。本单元以科技助力河长制为切入点，将物联网实践与探索和水资源勘测保护场景相关联，构建场景分析（水资源勘测）—原理认知（物联网基本原理与功能）—应用迁移（应用物联网勘测水资源）的教学模式。教师通过大任务统领让学生体验自主学习、合作探究、科学实践的全过程，掌握利用物联网解决实际问题的基本思想、方法及一般过程。

（2）学情分析

教师使用问卷星分别从物联网知识基础、水下机器人搭建基础、传感器使用基础、学习兴趣、学习意愿、学习倾向性等6个方面对学生进行调查，结合观察分析如下：学生有关物联网的学习经验较少，但是比较熟悉GPS定位、温度传感器、测高仪、深度传感器的使用，具有一定的硬件连接、数据提取、处理能力，比较容易对物联网学习进行知识迁移；学生前期利用水下机器人在莲石湖完成微生物观察、湖底垃圾打捞等任务，形成了较好的学习体验，对莲石湖水资源勘测保护有浓厚的兴趣和使命感；在生活中接触过智能交通、智能家居等设备，对无线通信、传感器等有感知体验，但对于如何实现和功能原理不甚了解。

（3）开放性学习环境

校内教学环境是多媒体计算机教室和创客教室。校外教学场地是莲石湖主库区，由区水务局提供摆渡车、实验船等物资保障。中国航天科工三院提供科研力量支持，派遣专家参与课内外教学。

2单元学习目标

本单元学习目标是学习物联网的基本原理与功能，学生通过设计、搭建、应用物联网系统完成水资源勘测任务；熟悉实验传感器的功能及数据采集的方法，了解体验MATLAB软件处理、应用数据的方法及一般过程。

信息意识：熟悉物联网的基本原理和功能，感受物联网对人们学习、生活和工作带来的改变。计算思维、数字化学习与创新：能够根据需求，设计并搭建物联系统，能够通过软硬件结合方式采集、分析数据，获取有效信息；能够运用MATLAB软件处理数据，形成支持决策和行为的应用。计算思维、数字化学习与创新：熟悉卫星定位系统、温度传感器、PH传感器、深度传感器、高度传感器的功能，能根据需求选用恰当的传感器采集数据，体验收集、整理、分析、呈现等数据处理的一般过程。数字化学习与创新、信息社会责任：体验利用物联网技术解决社会现实问题的全过程，在完成水资源勘测的过程中，提高数据处理与应用能力。通过校外实践获得成就感，激发应用信息技术手段解决社会实际问题的兴趣和动机。

3单元教学过程

第1课时是初识物联网，通过物联网应用案例，认识物联网的基本概念，通过本阶段的学习，学生了解物联网技术将物理世界数字化的一般方法和过程。

第2-3课时是分小组制定基于物联网技术的莲石湖水资源勘测方案，专家进课堂展示国家相关领域成就，帮助学生调整、修改方案，调动学习积极性。

第4-6课时是设计搭建基于水资源勘测的物联网系统，选择恰当的传感器等物联设备以及物联网信号通信方式，体验数据的读取、发送、接收、汇集的一般方式。通过本阶段的学习，学生了解建物联系统搭建的一般方法和过程。

第7-9课时是搭建水环境实验平台模拟水资源勘测过程，通过传感器采集数据，利用以太网、WiFi、蓝牙等形式传输、收集数据。通过本阶段的学习，学生体验传感器数据采集、整理、分析、应用的过程，学会综合应用物联网技术高效采集目标数据，为决策和行为获取有效信息。

第10-11课时是学习使用MATLAB科学计算软件处理物联网中的数据，撰写数据分析报告。通过本阶段的学习，学生体会物联网数据处理的一般方法和过程。

第12-18课时是校外实践，利用物联网技术勘测莲石湖水资源。通过本阶段的学习，学生完整体验场景分析（水资源勘测）—原理认知（物联网基本原理与功能）—应用迁移（应用物联网勘测水资源）的教学全过程，完整体验物联网数据采集、分析、处理、可视化呈现、生成决策的全过程；感受物联网技术推动社会发展、促进生态保护的作用。在用科技助力河长制中，学生了解区域生态文明建设规划，理解国家战略意义，形成有理想、有本领、有担当的理想抱负。

4单元教学评价

运用自评、互评等方式，注重过程性评价，调动全体学生参与。教师采用过程性评价和总结性评价结合的方式，对学生个人、小组的课堂表现、校外实践表现以及个人、小组作品成果等进行综合、全面的评价。

5单元教学反思

（1）主要经验

一是大任务统领，子任务落实。各课时教学内容前后衔接，层层递进，形成一个有机整体，处处体现了物联网技术在水资源勘测领域的积极作用。真实的学习情境促进学生主动学习、乐于学习，能够成功将知识迁移到实际生活中。

二是围绕学科核心素养精心设计教学内容。学生在小组合作学习的过程中充分思考讨论，形成问题解决方案，形成合理、负责地使用信息技术解决实际生活问题的意识等，有效地促进学科核心素养的培养。

三是教学运用了水下机器人、传感器等设备，为学生搭建了一个充满挑战与趣味的学习情境，学生在动手设计水下机器人、搭建物联网系统、完成水资源勘测任务的过程中，感受成功的快乐，获得愉悦的学习体验。

四是教学整合社会各部门优质资源，齐力创新校地共育模式，联手打造了高质量、贴近技术前沿、具有社会价值的信息科技课堂。学生不仅收获了知识与技能，更树立了科技报国的理想与信念。

（2）教学遇到的问题

在校外实践中问题较多，如面对水流风速、水藻植被等干扰因素；机器人的照明亮度不够，摄像头清晰度不足，电线、螺旋桨、机械手臂容易被水藻缠绕，导致焊接线路断裂等。这体现了课堂知识与实际运用仍有很大差距，切忌盲目自大，大自然的环境是复杂的，任务的完成都要经过千锤百炼，学生不仅要更加努力学习科学技术，培养更加严谨的科学态度，还要具备百折不挠、永不言败的坚强意志和品质。科技的进步往往历经无数次失败，前人的科学成果需要我们加倍珍惜，国家发展不易，国家富强不易，吾辈当更加努力。

（3）教学改进建议

课时包含了较长时间的校外实践，又在实践中遇到了很多始料未及的困难，造成整体教学进度把握不够精准，后期当更加细致地设计教学环节，有侧重点地实施，校外实践考虑借助课后服务，确保充足的校外实践时间。

作者单位 | 北京教育学院石景山分院

内容来源 |《中小学信息技术教育》2023年第2-3期