《家电的远程控制》教学案例
2024-08-29葛倩
实验内容分析
本课内容选自《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)第四学段(7~9年级)的“物联网实践与探索”模块中第二部分“物联网基本原理与功能”,新课标要求学生能自觉遵守物联网实验的操作规程,会使用实验设备搭建物联系统原型,并能通过实验平台读取、发送、接收、汇集和使用数据。通过简易物联系统的设计与搭建,探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能。《家电的远程控制》一课从物联网的感知、通信、控制与反馈三个方面探究物联网的基本原理和功能,在实验的过程中重点探究物联网通信知识,深入了解物联网系统三层架构及主要物联网协议和典型应用特点。
学习对象分析
本单元教学对象是八年级的学生,其思维正逐渐从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡。他们在上一节课已经了解物联网的概念和三层架构,并认识了以广播形式如何进行物联网通信。同时,他们的合作意识强,并具有一定的批判性思维,能够对信息进行分析和评价,提出新的想法和解决方案,而且,他们的自主学习能力强。
实验教学目标
①通过家电远程控制子系统的搭建,在遇到相关问题时能想到物联网技术在其中可能发挥的作用,接触到相关产品或应用时有主动探索背后可能存在的数据传输方式或基本原理的意识,体会到物联网对学习、生活和工作的影响。(信息意识)
②根据实际的问题情境需求,探究家电远程控制的实现过程并进行归纳、抽象,通过两个掌控板模拟发送端和接收端,发送端将开关指令通过物联网平台将信息传递给接收端,在此过程中理解物联网技术应用的基本过程和实现原理,体验数据处理、传递和应用过程,能在逻辑上理解物联网的运行机制,在探索数据采集、处理和反馈的过程中培养计算思维。(计算思维)
③通过物联网原型搭建,了解适应物联网的实验环境,选择适当的数字资源支持学习,明确在数字化学习环境下如何解决实际的问题,能够根据实际情境需求设计方案,使用相关硬件、软件、平台等完成系统搭建。(数字化学习与创新)
④自觉遵守物联网实验的操作规程,在使用实验设备搭建物联系统原型,通过实验平台读取、发送、接收和使用数据时,养成良好的信息工具使用习惯,在编程实现数据的读取和控制等过程中理解物联网技术带来的信息安全和隐私保护等问题,并理解自主可控对国家安全和物联网技术发展的重要性。(信息社会责任)
实验重难点
重点:根据实验操作单和微课等学习资源,会使用EasyIoT物联网平台进行数据传输与分析、利用掌控板物联网学习套件搭建远程控制家电系统原型,实现简单数据采集、实时传输、控制与数据分析功能,了解物联网系统的三层架构及MQTT协议基本原理。
难点:理解物联网MQTT协议传输应用中基于“发布\订阅”模式的远程通信原理与方法,并能够利用mPython进行编程实现其功能。
实验整体思路
本课教学重点为家电的远程控制模型搭建、物联网MQTT协议知识等,并在实验探究中内化物联网原理。本课设计了三条教学主线,即两条逻辑暗线:原型搭建过程中知识建构过程、物联网远程控制过程中的数据通信;一条明线:问题与需求驱动,设置递进式任务(如下图)。通过几个探究活动贯穿整个物联网实验教学,用科学原理指导实验,在实验活动中内化物联网原理,形成实践与理论相结合的闭环。
实验资源准备
物联网实验套装(掌控板)、安装mPython编程平台的计算机、教学课件、学生自主学习包(电子实验导学单、微课)。
实验教学过程
1.创设情境问题聚焦,探究物联网通信
知识回顾:智能家居系统1。
背景:使用广播通信方式实现当家人入户时红外感应器感应到有人,会智能开启对应的家电。
师:上节课我们通过什么去感知获取到是否有人来的信息?(师生回顾上节课数据传递的过程)
设计意图:创设基于真实生活的问题情境,回顾广播通信数据传递过程,以问题引领的方式师生共同梳理物联网三层架构,从实际情境中抽象问题,培养学生计算思维能力。
探究活动1:多种物联网通信模式。
师:天气越来越热了,老师想在回家之前提前打开家里的电器,老师家离学校有30多公里,我们上节课学习的无线广播通信方式能不能实现远程控制呢?
展示活动:一个学生在教室里拿着接收端,另一个学生拿着发送端,发送端的学生持续进行数据发送并慢慢远离教室,观察接收端掌控板的灯是否一直亮?
实验结果:当远离教室十几米的时候,接收端灯就灭了。
实验猜想:广播通信是短距离通信方式,无法实现远程通信控制。
探究内容:以远程控制开关灯为例,远程控制使用何种通讯方式?
师:假如一位同学在教室里需要用手机发微信给远在公司的妈妈,那么两个手机如何进行通信?
生:手机需要联网,Wi-Fi、4G、5G。
师(实验小结):类比于手机通讯联网方式,发送端和接收端也需要联网,实现万物互联的前提是物要联网。接下来,我们一起探究使用Wi-Fi通讯方式实验远程控制。
设计意图:抓住核心问题(物联网通信),引出本节课的主题,核心问题是思维发展的基石,聚焦核心问题,引导学生在实验问题解决的过程中,学会利用学科思维解决实验问题。
2.分析问题设计方案,探究物联网协议
探究活动2:物联网平台。
师:网络连接成功之后,开关指令的数据如何传递过去呢?请同学们提取视频中提到的物联网远程控制的关键词。(关键词:公网、MQTT服务器、中介、数据转发)
设计意图:问题与需求驱动,观看视频引导学生发现物联网应用中起到远程通信“桥梁”作用的MQTT服务器,激发学生的探究欲。
师:物联网平台可以实现数据的接收与转发,因此,我们可以把物联网平台看成是远程通信的中介服务器,为了能实现数据的接收与精准转发,需要遵守一定的数据传输规则,这就是物联网传输协议MQTT。MQTT协议(Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级、灵活、可靠的开放式消息队列遥测传输协议,通常用于物联网领域的设备间通信,可以理解为客户端和服务器端约定好的数据通信规则。MQTT协议是一种基于发布/订阅模式的消息传输协议,即发布者(发送端)发送一个消息到Topic,接收端订阅这个Topic,物联网平台自动将消息转发至订阅了此Topic的所有接收端,从而实现物物相连。(师生梳理远程控制开关灯的数据传递的过程)
设计意图:通过家电远程控制的信息传递过程梳理发送端和接收端数据通信过程,初步了解后期的任务支架。类比生活中公众号的使用,帮助学生理解物联网平台中MQTT协议基于发布订阅模式的通信原理。
3.硬件搭建编写程序,体验物联网搭建
探究活动3:终端Wi-Fi、MQTT通信实现(程序可参考实验操作单)。
分组探究:两人一组,一个发送端,一个接收端,如表1所示。
探究活动4:终端与物联网平台数据通信(程序可参考实验操作单),如表2所示。
探究活动5:终端与终端之间数据通信。
现状分析:发送端与接收端均实现与平台的数据通信,请小组内尝试,发送端能否直接控制接收端的灯?
思考问题:每个小组发送端将消息发送到物联网平台,物联网平台接收到消息后把数据转发给接收端,那么,平台怎么知道这个消息要转发到哪个接收端?也就是说,同组的发送端和接收端如何关联起来?
设计意图:通过三组递进的探究活动,最终实现端与端之间的数据通信。
类比讲解:广播利用同一个频道传递信息,MQTT如何实现?提炼MQTT协议的关键词:发布/订阅模式、Topic。
实验猜想:基于发布/订阅模式,使用同一个主题,进行数据通信。小组接收端进行代码修改,将代码中的Topic修改成同组的Topic,验证猜想。
实验小结:发布/订阅模式、Topic。
Topic:桥梁、建立端与端之间的订阅关系。
设计意图:在步步猜想与验证实验过程中,体会MQTT协议的原理,在用科学原理指导科学实验。
4.评价总结拓展展望,创思物联网应用
探究活动6:项目拓展。
①如果发送端不仅能够远程控制家电,同时发送一条短信到妈妈手机上告知我有10分钟后到家,即多接收端如何设计?②家里其他人也可以一键控制电器,即多发送端如何设计?
小组探究:4人一组,两发送端、两接收端,如表3所示。
小组讨论:优化远程控制系统方案,学有余力的学生可以验证猜想。
实验小结:EasyIoT等物联网平台具有一定的安全隐患,任何涉及非公开信息的物联网应用,都应该搭建专用的MQTT服务并提供数据保护方法,有意识地保护个人数据安全。
教学反思
第一,要创设真实的问题情境,挖掘生活中的教育资源。以学生身边的项目为导向,进行实验设计,让学生在实际应用中学习物联网的知识和技能。在实验探究中内化科学原理,用科学原理指导科学实验。
第二,预设冲突与问题驱动,引导学生架构知识脉络。以问题为基础,设计问题链,引导学生深入思考、提出猜想、开展探究活动、验证猜想、获得实验结果,利用实验资源和技术解决问题,理解背后的原理。
第三,关注学生的最近发展区,着眼高阶思维能力发展。分层设计实验活动,使每个层次的学生都能有所思考,以小组合作的形式开展活动,充分利用学生已有知识,协作完成任务,帮助学生比较、对照、归纳总结,让学生在问题解决的过程中练就计算迁移能力,同时培养学生的自主学习和团队合作能力。
点 评
物联网在义教课标中是一个重要的内容,也是一条重要的逻辑主线,它涉及过程与控制,也涉及算法,更涉及互联网,甚至接驳人工智能。所以说,从互联到物联,从控制到算法,物联网是一种重要的硬件与软件相结合的数据承载。以前的物联网教学,教师局限于开源硬件的本地化传感数据采集与应用的居多,这离“物联网的网”还是有差距的。本文涉及的教学设计,先不论基于大单元的整体设计的优点,单从以实验教学的方式呈现出一个真正的“物联网”的教学方式,就值得好好研究与借鉴。本文基于大单元设计实验教学,从核心素养出发,针对六个探究活动,从物联通信的模式、平台、过程、机制及数据进行了全面的探索,难能可贵的是灵活利用实验猜想、实验探究、类比讲解、实验小结等环节进行学程设计,对物联网之“网”中的“数据”传输与反馈等进行从易到难、从原理到应用的多角度探究。当然,本案例在项目探究与实验学习的规范上还有些地方不够明晰,存在一定混淆,由此可能会影响实验教学的数据分析、实验结论等,各位老师可以结合自我情况对实验的流程进行酌情迭代优化。
(点评人:山东省青州一中信息技术特级教师 王爱胜)