小学物联网生物教学课程的设计与应用

[摘 要] 继计算机、互联网与移动通信网之后，物联网再度掀起了一次信息产业浪潮。作为互联网基础上延伸发展的物联网，实现了“物”与“物”之间的信息交换与通信。随着物联网技术在社会生活中的广泛应用，教育教学领域也掀起了新一轮的课程教学改革，尤其是在中小学。根据目前小学课程改革的教学现状，以江苏省苏州市M小学开展的基于物联网技术的生物课程“让花变色”为例，在体验式学习理论的基础上，设计课程教学模型，分析物联网课程的教学应用情况，尝试构建完整的信息化课堂教学体系，追寻智慧生态教育课程的未来发展。

[关键词] 物联网;生物课程;智慧教育

[作者简介] 姚跃跃（1995—），女，浙江余姚人，硕士，研究方向为教育传播。

[中图分类号] G622.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）29-0356-03    [收稿日期] 2019-09-28

一、引言

在教育信息化的背景下，物联网技术在中小学校园中的应用越来越广泛，物联网作为一种新型信息技术的教学手段，引领了教学改革，为现代的课堂增添了蓬勃生机，不仅优化提升了智慧校园的基础建设管理，而且创新改革了传统课堂的教学模式，营造了良好的智能学习环境，激发了学生的兴趣，对于提升中小学校的教学质量与培养创新型人才，具有重要的意义。

二、校园移动物联网设备介绍

苏州市M小学物联网基地包含“自适应大棚探究系统、多元化大自然探究系统和智慧生态创客实验室”。为植物创造“棚外”和“棚内”生长环境，实现对土壤、环境参数的感知，在“棚内”实现智能控制等功能。通过种植，观测植物的生长情况，学生可在移动学习终端或者PC端对植物生长状态以及环境状态，进行实时监测并记录历史数据，进行探究性学习。同时在智慧生态创客实验室应用微生态创客实验箱，完成相关物联网创客活动。

移动物联网技术将大数据技术、云计算和传感技术紧密结合，实现了数据自动收集，远程传输、自动分析，为对比观察研究等提供了智能的方法和手段，打破了学科的藩篱，在真实情景中，辅助学生基于问题或项目开展学习。

三、教学课程（例）设计

苏州市M小学借助移动物联网设备，与我院合作，创作探讨创客课例设计，经过多次的教学理论修改与反复实践，成功开展了一堂别开生面的物联网植物教学课程——“让花变色”。该课例教学设计依据大卫·库伯的体验式学习理论模型，按照课前导入、课中和课后三个部分，整堂课共分为五个环节，分别是“说一说”“看一看”“学一学”“做一做”和“赛一赛”。

在课前导入部分，教师播放音乐，展示校园种植基地，向学生提问并介绍移动智能物联设备特征，让学生熟悉“物联网基地”环境。随后，教师播放视频，学生观看五颜六色的花儿生长过程的延时摄影。伴随着教师的提问：花朵的颜色很美丽，但是如果这朵花的颜色你不喜欢，可以变色吗？由此引入主题——让花变色。

在课中探究环节，教师向学生展示风信子植物。随后，提出第一个问题：为什么花儿有这么多颜色？要求学生通过Pad上网查阅知识，明白是花中含有花青素、胡萝卜素、类胡萝卜素等物质。接下来，教师提出第二个问题：花青素有哪些特点？再次要求学生通过Pad端上网查阅知识，了解到花青素遇碱变蓝、遇酸变红的特点。基于网络资源的探究式学习，让学生获取了花青素的知识。

随后，教师开始讲授实验研究方法——水溶液提取法，测试花青素与酸碱反应的不同效果。每个小组桌上有烧杯、试管、滴管、pH传感器、花青素汁、白醋、肥皂水等实验工具，教师要求学生在花青素汁中分别滴入白醋和肥皂水，并用pH传感器测量，观察酸碱反应程度，得出结论：pH值<7，呈酸性;pH值>7，呈碱性;pH值=7，呈中性。pH值色度差别：pH酸性程度数值越小，酸性越强;pH碱性程度数值越大，碱性越强。

接下来的实验步骤中，教师要求学生用白醋做滴管实验，比较不同的酸性程度。比如，滴一滴白醋与滴几滴白醋的酸性程度区别，将结果记录、拍照并上传到pad端。通过这次实验，得出结论：花青素遇酸变红，酸性越强，颜色越深。在第二次实验中，教师要求学生用肥皂水做滴管实验，比较不同的碱性程度。比如，滴一滴肥皂水与滴几滴肥皂水的碱性程度区别，将结果记录、拍照并上传到pad端。通过这次实验，得出结论：肥皂水遇碱变蓝，碱性越强，颜色越蓝。

在课堂的尾声，教师总结当堂课所学知识要点，试着变魔术：喷水让纸花变色。在含有花青素汁的纸花上分别喷洒肥皂水和白醋，产生不同的红蓝两种颜色，启发学生思考。

在课后拓展环节，教师给学生布置任务：小组分工完成给风信子花喷溶液变色的实验，观察并记录结果、拍照上传至Pad端，保持后续追踪。

四、教学设计模型

（一）理论基础——体验式学习理论

体验式学习理论源自美国20世纪二三十年代的“经验学习”，其研究史可追溯至杜威、皮亚杰、勒温、詹姆斯、荣格、弗莱尔与罗杰斯等人，在国外的发展源远流长。组织心理学家大卫·库伯在继承前人的基础上，提出了著名的四阶段“体验式学习圈模型”。

大卫·库伯认为，学习不是内容的获得与传递，而是通过经验的转换从而创造知识的过程。根据其“体验式学习圈模型”，学习过程划分成相互独立却联系密切的四个环节，即具体的體验是学习者在真实情景中活动，获得各种知识，产生相应感悟的过程，观察反思是学习者回顾自己的经历，并对其进行分析和反思的过程，形成抽象的概念是学习者从感性上升到理性的认识过程，意义建构概念和理论的过程，在新情景中去测试是学生在新的学习情境中对自己假设进行积极实验和验证的过程。同时，库伯也认为学习过程并非要从具体的感知开始，甚至可以从四个阶段的任意环节开始，并通过循环往复螺旋上升的方式进行。该“体验式学习圈模型”弥补了传统课堂中知识、经验、情境、应用之间相互割裂的状态，对于教育教学改革具有重要的实践指导意义。

（二）“让花变色”课程教学设计模型分析

1.教学设计分析。在设计课程开始前，首先要明确教学目标本位思想。根据布鲁姆认知层次教学目标分类，在认知领域可分为知道、理解、应用、分析、综合与评价六个层次。在本课程教学案例中，教学目标如下表所示。

同时，基于大卫·库伯的四阶段“体验式学习圈模型”，设计了本课程的第一堂课例“让花变色”，共分成五个教学环节——“说一说”“看一看”“学一学”“做一做”和“赛一赛”。课前导入部分的“说一说”环节，体现了“体验式学习圈模型”第一阶段“具体体验”含义，即创设情境，连接新旧知识的桥梁。教师在此环节中首先提问：校园的物联网基地有什么特征？展示并介绍校园物联网设备操作。随后教师再次提问：为什么花儿可以在这里盛开呢？再次强调现代化物联网基地的教学作用与意义。

在“看一看”环节中，教师请学生观看五颜六色的花儿生长过程的视频，并提问：花朵的颜色很美丽，但是如果这朵花的颜色你不喜欢，可以变色吗？通过问题引入法，让学生在真实的情境中寻找疑惑，进入本堂课主题。此环节对应了“体验式学习圈模型”的第二阶段“观察反思”。

在第三步“学一学”环节中，教师先让学生学习花青素的知识，分别提出两个疑问：为什么花儿有这么多颜色？以及花青素有哪些特点？随后，教师介绍花青素的提取实验方法。此环节对应了“体验式学习圈模型”的第三阶段的“抽象概念”，通过上一步的观察反思，学生意识到自己缺乏解决这个情境问题的知识，在教师为主导，学生为主题的双主式教学下，激发学生的学习动机。

在学生充分理解上述知识后，“做一做”环节则体现了布鲁姆“应用”的教学层次目标，教师要求学生小组分工合作，分别用白醋和肥皂水，测试花青素汁遇到酸和碱的不同程度效果，然后进行拍照、记录并上传至Pad客户端。学生通过动手探索试验，尝试自己去解释、评价、归纳、总结。此外，该环节也可使用量杯等实验器材，测试不同的浓度、不同的量或者不同的配比，对花青素汁变色实验的影响，这就使得课堂的实验结果丰富多样化，而不是所有小组做出来的实验结果都是单一的情况。此环节对应了“体验式学习圈模型”的第四阶段——积极试验。

最后“赛一赛”环节，属于课后拓展部分，布置风信子花喷溶液变色的实验任务，目的是展示学生的创作成果。既然花青素汁遇到酸碱会变成不同的颜色，那么，是否可以在鲜活的植物上实现变色？启发学生课后思考，利用物联网套件设备，开展后续的探索实验。此处，充分体现了信息技术与课程的深度融合。

2.设备应用分析。该校配置的三套智慧物联设备，在教学实践中体现的最大特点优势就是真实。比如，摄像头的观察记录，体现了真实的植物/动物的生长状态;平台上呈现的图表形式，反映了真实的植物/动物生长影响因素的数据。总而言之，智慧物联设备创造了真实情境的观察教学，多样化的探究实验以及自主设计、验证性的创新实验。那么在课程的后续进行中，可以继续发挥物联网设备的优势，开展线上与线下的混合式探究。线上可以进行周期性的观察记录，线下展示观察结果报告。

五、结语

苏州市M小学基于本校的移动智慧物联设备套件，基于体验式学习理论，创设开展物联网生物教学的课例设计“让花变色”，注重课堂学习的情境性、反思性与学生的自主性，既反映了信息技术教学手段与课程的深度融合，也体现了生物、数学、语文、信息技术等跨学科的多元结合，激发了学生的学习兴趣，丰富了课堂教学体验，培养了学生思考与动手实践的能力。实践证明，“让花变色”课程教学模型能够有效地指导课程教学的开展，初步建构一个完整系统的信息化教学体系，为中小学物联网课程提供教学参考。

参考文献

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