第10课 物联系统原型搭建 -教学设计 2023—2024学年浙教版（2023）初中信息技术七年级下册

教学设计 课程基本信息 学科 信息科技 年级 七年级 学期 春季 课题 物联系统原型搭建 教学内容与学习对象分析 学习内容分析： 本课是第二单元的第6课，本课内容是在巩固所学的“感知与识别技术”“常见传感器的原理和类型”“传感器的选择与应用”“物联网的多种通信方式和协议”等知识的基础上，将知识融汇贯通，形成知识体系，面向真实问题设计、搭建简单的物联系统原型对所学知识进行综合运用，并为第三单元的物联网系统原型的实现和运行打好基础。 本课遵循“数据”“信息处理”两条逻辑主线，响应课程标准中“物联网实践与探索”模块中内容要求3。本课主要内容包括“物联系统原型”、“物联系统原型的设计与搭建”。“物联系统原型”包含物联系统的概念，常见的物联系统和作用，以及物联系统原型的基本概念、作用与意义。“物联系统原型的设计与搭建”通过需求分析、方案设计、硬件搭建、程序编写、运行测试和原型验证等过程实现物联系统原型的设计搭建和功能原型验证。通过实践将物联系统原型的概念、作用、搭建、验证串联形成完整的知识结构。 学习对象分析： 本课的学习对象是七年级学生，已经具有一定的问题分析、解决的能力和逻辑思维能力，有较强的表现欲，喜欢具象感知的事物。学生已经具有了物联网的传感与识别、常见的传感器及应用、无线通讯技术、物联网协议等知识基础，为本课搭建物联系统原型与验证做好知识和实践的知识储备。学生在生活中已经接触过智慧车场、智能家居等物联系统应用场景，这有助于他们理解物联系统原型的概念和作用，但对原型的设计、搭建过程对学生而言还是全新的体验，因此，本课将通过提供相对应的补充视频，以小组合作的方式引导学生将问题分解成多个子问题逐步完成项目。 教学目标分析（含核心素养导向） 1. 通过搭建物联系统原型的过程，了解物联系统原型的基本概念、作用与意义。 2.通过搭建物联系统原型的过程，理解物联系统和物联系统原型的异同。 教学重点： 物联系统原型的认识和了解，物联系统原型的设计和搭建。 教学难点： 物联系统原型的设计和搭建，物联系统原型的功能验证。 教学过程 （一）感知 【活动描述】 学生观察传统校园农场的照片，师生初步探讨智慧化改造方案。 【学生活动】 1.通过大屏幕观看传统校园农场的照片，分析存在的问题。 2.四人一组讨论针对某一问题如何运用所学的物联网知识来解决，初步设计物联网应用场景解决问题，并将结果记录到导学单。 3.小组汇报员分享讨论结果。 【教师活动】 1.在学生观看大屏幕时，观察学生反应，主要是学生注意力。 2.在学生讨论时，关注每个学生的参与度，观察学生的交流与导学单记录。 3.选择4组针对不同问题进行讨论的小组汇报员交流反馈， 邀请其他学生补充或点评，并引导小组初步确定物联系统名称。 【设计意图】本环节的设计旨在启发学生思考，唤醒他们已学知识和生活中应用物联系统的经验，激发他们的学习积极性，主动思考生活和物联网技术的联系，为后续进一步理解物联系统和搭建物联系统原型做铺垫。 （二）建构 活动1：认识物联系统 【活动描述】 学生通过微课、探讨，明确物联系统的概念和作用。 【学生活动】 1.自主观看《物联系统》微课，明确信息系统的概念、常见信息系统和物联系统的概念。 2.四人一组讨论，在“门禁系统”等八个信息系统中选出物联系统，并给出佐证理由。 3.组内汇报员分享小组讨论结果。 4.说说生活中还有哪些物联系统，以及它的作用。 【教师活动】 1.在学生学习微课时，教师关注学生动态，包括学习专注度、表情变化、播放问题等，及时解答学生的疑惑。 2.在小组讨论时，关注讨论的状态和参与度，实时查看学生的讨论成果，对学习能力较弱的小组给予指导，注重问题引导；并通过拍摄学生导学单的照片方式记录讨论成果。 3.选择2-3组学习能力不同的小组由汇报员分享讨论成果，并将小组导学单照片投屏到大屏幕上以便全班同学观看；在小组汇报时，及时给予鼓励，引导其他学生补充；在小组汇报后，师生共同梳理物联系统的概念。 4.请2-3位学生分享常见的物联系统，在学生分享时，邀请其他学生补充，共同探讨这些物联系统的功能和意义。在学生分享后，教师根据需要做电力物联系统、医疗物联系统等补充。 【设计意图】本环节设计旨在引导学生通过微课初步构建物联系统的概念，并通过在信息系统中挑选出物联系统，落实物联系统概念的理解；通过对生活中的物联系统的讨论，感受物联系统对社会发展的重要意义。 活动2：认识物联系统原型 【活动描述】 学生体验不同类型的物联系统原型，梳理物联系统原型的概念、作用和意义，初步明确物联系统和物联系统原型的区别。 【活动准备】 物联系统原型体验设备和使用说明，要求每四人一组都有一份体验设备，具体设备如下： 1.远程浇水设备。通过手机或计算机小程序控制浇水设备开启与关闭。 2.智能晾衣架。感应到雨滴时，晾衣杆回缩，空气湿度较低时，晾衣杆伸出。 3.智能路灯。光线不足时，灯光亮起，光线充足时，灯光熄灭。 4.光线验证。实验板屏幕显示环境亮度。 【学生活动】 1.四人一组在“远程浇水设备”、“智能晾衣架”、“智能路灯”、“光线验证”等物联系统原型中选择一种，由实践能力较强的两位同学进行体验操作，另外两位同学观察记录。 2.小组在体验后讨论以下问题，并记录在导学单： （1）体验的设备是否适合直接运用在现实场景中？ （2）和生活中的物联系统有哪些异同，为什么要搭建这样的设备？ 3.小组汇报员分享体验和讨论成果。 【教师活动】 1.在学生体验设备时，鼓励学生积极探索，关注小组成员参与度，引导组内合作；询问各小组体验是否成功，在操作方面给予指导，及时解决出现的问题。 2.在小组讨论时，关注小组各成员的参与度，实时查看学生的讨论记录；对不能准确理解物联系统原型的小组，引导小组思考体验的原型和现实生活中物联系统的不同。 3.选择2组有代表性的小组汇报员交流结果。 4.在学生交流后，师生共同梳理物联系统原型的概念和作用，明确体验设备是物联系统原型，并结合设备说明物联系统原型可以是完整的系统，也可以是子系统原型（设备1-3）或功能原型（设备4）。师生共同梳理信息系统、物联系统、物联系统原型、物联系统原型子系统、物联系统原型功能的关系，并用示意图展示。 【设计意图】本环节设计旨在引导学生通过体验不同的物联系统原型，感受物联系统原型和物联系统的不同、物联系统原型常见的类型；在体验的过程中明晰物联系统原型的结构框架，将有助于后续实现物联系统原型的设计与搭建。通过示意图理清信息系统、物联系统、物联系统原型、物联系统原型子系统、物联系统原型功能的关系，帮助学生构建完整清晰的知识系统。 （三）应用 活动3：需求分析和方案设计 【活动描述】 学生针对校园农场中的问题分析需求，确定物联系统原型子系统设计方案。 【学生活动】 1.四人一组针对校园农场中的问题，结合感知环节的初步设计，小组成员进一步根据某一问题进行需求分析，设计具体的功能原型，模仿范例的分析方法和书写句式由记录员填写表格（表1），形成物联系统原型子系统设计方案。 表1 物联系统原型设计方案 序号 物联系统子系统原型名称 需求分析 功能原型的具体描述 1 智能晾衣架 （范例） 根据天气伸缩晾衣杆：感应到雨滴时，晾衣杆缩回，空气湿度较低时，晾衣杆伸出。 ①水滴 ②空气湿度 ③伸缩晾衣杆 2     2.小组汇报员分享、汇报小组设计方案。 【教师活动】 1.在小组设计方案时，教师观察小组成员参与度，关注小组设计是否存在困难、原型的设计是否合理、是否针对校园农场设计原型，对小组做出针对性指导。 2.在小组汇报时，教师邀请其他同学点评和补充。汇报完毕后，师生共同梳理各小组的讨论成果，形成完整的物联系统原型设计方案（可运用在线编辑）。 【设计意图】本环节设计旨在引导学生只针对一个问题进行深入分析和设计，面向真实问题经历“进行需求分析、提出解决方案、设计具体功能”的高阶思维过程，在从现实感知上升到理性分析的过程中提升分析、解决问题的能力，从而突破本课难点。 活动4：硬件选择与搭建 【活动描述】 学生结合原型设计方案，选择合适的传感器并连接到实验板，完成原型的硬件搭建。 【活动准备】 两人一套信息科技实验教学套件，包括信息科技实验板1块、光敏传感器1个、土壤水分传感器1个、信号线1条、USB Type-C数据线一条。 【学生活动】 1.两人小组根据设计方案中的功能原型设计，根据需采集的数据选择合适的传感器。 2.两人中的实验操作员确定所选传感器是板载或外置传感器，如是外置传感器则通过连接线将传感器与实验板连接，然后将实验板通过数据线连接到计算机中，由记录员做好记录。 表2 传感器连接与搭建 物联系统子系统原型名称 功能原型 主要传感器 连接接口 智能晾衣架（范例） 水滴 雨水传感器 P0 空气湿度 空气温湿度传感器 板载 3.展示搭建成果，并说说出现的问题及解决方法。 【教师活动】 1.在学生选择传感器时，关注学生的动态和表情变化，查看所选传感器与设计的原型是否相符合，及时解答学生的疑问。 2.在学生连接硬件时，提醒学生正确使用连接线，关注线路连接是否正确，收集存在的问题，对小组做针对性指导。 3.师生总结常见的问题，并共同探讨修正方法。 【设计意图】本环节设计旨在巩固学生对传感器的认知，是传感器的认知从识记到应用的提升。通过硬件搭建，使学生对物联系统原型在抽象概念的基础上产生具象的感受，有助于知识系统的建构。 活动5：物联系统原型搭建的功能验证 【活动描述】 学生在硬件搭建的基础上，编写程序运行并验证功能原型可行性，初步完成简易物联系统原型搭建。 【活动准备】 准备两人一套用于验证的器材，包括小手电、装有干燥土壤的容器、装有水的尖嘴喷壶。 【学生活动】 1.实验操作员根据物联系统原型功能验证微课，在信息科技实验板编程工具(Python)中，根据功能原型设计编写程序并运行。 2.实验操作员根据功能原型设计，通过开关手电筒，往土壤中加入水等方式改变环境条件，记录员配合操作员观察并记录数值变化、与现实情况是否相符以及失败的原因等（如表3所示）。 表3 验证结果 功能原型 条件 数值 采集数据与现实是否相符 失败原因分析 检测水滴 有水滴 0 否 代码中接口与实际接口不符 干燥 0 是 3.小组展示搭建完成的功能原型，分享出现的问题及解决方法。 【教师活动】 1.在学生编写程序并运行时，实时关注学生动态，解决出现的问题。 2.在学生功能验证时，关注过程中出现的问题，对小组做出针对性指导，提醒学生改变条件进行多次验证，鼓励学生创作其他物联系统原型。 3.在学生展示时，通过手机同屏展示学生实验成果，鼓励学生演示作品并讲解，分享过程中出现的问题，邀请其他学生进行点评和解答。 【设计意图】本环节设计旨在通过功能原型的验证，促进学生对物联系统原型搭建的全过程有充分的体验和认知，能明白物联系统和物联系统原型的区别，形成知识闭环。鼓励学生对不同的功能原型进行验证，甚至搭建完整的子系统原型，使学生在应用的基础上提升创新能力。并要求学生记录数据和存在的问题，提升学生发现问题、解决问题的能力，达成核心素养培养。 （四）梳理 【活动描述】 师生师生对照导学单和板书，回顾所学内容，梳理物联系统原型的概念、作用与意义。 【学生活动】 1.学生对照导学单，回顾本节课学习的主要内容。 2.学生说说还有哪些功能有待验证。 【教师活动】 1.教师结合PPT，和学生共同梳理物联系统和物联系统原型的区别，梳理物联系统原型的概念、作用与意义，回顾物联系统原型的搭建过程。 2.教师结合学生分享的待验证的功能，鼓励学生进一步学习和搭建。 【设计意图】 本环节设计旨在通过共同梳理所学内容，帮助学生完成知识建构，使知识系统化。通过分享待验证的其他功能，为下一单元学习做下铺垫。 备注：教学设计应至少含教学内容与学习对象分析、教学目标分析（含核心素养导向）、教学过程等三个部分，如有其它内容，可自行补充增加。文档字体请使用“黑色，宋体，五号”。 学科网（北京）股份有限公司 $$