基于概念模型构建的初中物联网教学探索

摘要：概念模型是人对外部世界的内在表征。概念模型构建是学生在真实情境中建构知识体系的有效路径、在问题解决中深度学习各类概念的有力策略。本文以浙江教育出版社出版的义务教育信息科技教科书七年级下第12课《物联网数据的汇集与使用》的教学为例，根据学生认知发展逻辑探讨“物联网实践与探索”模块概念模型构建的路径——先分析物联网系统功能，提炼核心问题，促进概念的形成；再联结概念，表征朴素概念模型，规范描述概念关系；最后搭建物联系统原型，解构迷思概念，迭代概念模型。

关键词：概念模型；迷思概念；物联网教学

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）21-0023-05

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出，“信息科技课程的教学要以培养学生数字素养与技能为目标，以学生已有的知识、技能和经验为起点，遵循学生学习规律，系统设计学习活动”。本文基于浙教版七年级下册的“物联网实践与探索”模块教学，按照“单元→课时”的思路梳理知识体系，着手构建概念模型，并引导学生在技术模型中消除迷思概念，促进其认知结构化。

概念模型的构建路径

概念模型是在人的心理上对事物或事物运作模式的一种理解，即对外部世界的内在表征，包括概念关系、时序等元素。在概念模型的构建过程中，学生能够梳理新知之间的关系，在学习过程中形成清晰的知识框架，还能够在已知与新知之间建立紧密联系。

用“冰山模型”能很好地阐释“物联网实践与探索”概念模型的构建，如图1所示。技术模型仅是冰山浮出水面的部分，它是概念模型在信息现象中的具体表现，能涵盖物联网教学的多种形式，如搭建物联系统原型、设计流程图、编写程序代码等。而概念模型则隐藏在水面之下，能够映射技术模型的深层含义。概念模型的构建过程具有逐步发展的特点，通常可由多个步骤构成路径。根据学生认知发展规律探讨物联网教学，概念模型构建的路径包括：分析物联网系统功能，提炼核心问题，促进概念的形成；联结概念，表征朴素概念模型，规范描述概念关系；搭建物联系统原型，解构迷思概念，迭代概念模型。实施三步路径，旨在有效引导学生深度学习各类知识，帮助他们构建物联网教学的概念模型。

基于概念模型构建的教学实践策略

概念模型构建是学生在真实情境中建构知识体系的有效路径、在问题解决中深度学习各类概念的有力策略。本文以《物联网数据的汇集与使用》一课的教学为例，阐述基于概念模型逐步构建的教学实践策略。

1.分析物联网系统功能，提炼核心问题，促进概念的形成

模型构建的核心在于提炼出能够贯穿整个课堂教学过程的核心问题，引导学生进行持续的深度学习。物联网系统承载着物联网基本原理与功能，是信息现象在课堂中的映射，分析其功能既能紧紧扣住学生对信息社会的好奇心，又能基于信息科技课程的核心素养发展要求和学生的现有知识结构抽象出与之相适应的核心问题。

（1）以望远镜思维审视物联网系统功能，聚焦概念内容核心

在以望远镜思维审视物联网系统，探讨单元物联网系统的功能、其子系统的构成及其各自功能时，教师要宏观分析本单元在物联网教学中的地位和作用，细致梳理本单元的内容组成，并明确《物联网数据的汇集与使用》课时内容在单元教学中的定位和意义，引领学生从整体上理解单元物联网系统的运作机制，从而聚焦概念内容的核心。

“物联网数据的汇集与使用”属于“物联网创新应用”部分的教学，旨在探索物联网中数据的采集、处理、反馈控制等基本功能，体验物联网、大数据及人工智能的关系。因此，笔者结合单元内容和区域实验资源，对教学资源各课时的内容进行整合，以智慧农场作为本单元物联网系统的教学实例，它由温控系统、灌溉系统和光照系统构成。

温控系统作为首个子系统，可进一步拆分为环境温度的获取和通风降温两个部分。学生学习使用实验板套件搭建物联系统原型，并编写mPython代码以实现通过外接温度传感器获取环境温度，利用电机和风扇执行通风降温两大功能。灌溉系统是温控系统的拓展，在搭建系统原型并实现其功能的过程中，加深学生对控制和反馈的体验和理解。光照系统将落地在《物联网数据的汇集与使用》这一课时的教学中，学生将学习无线通信技术和物联网协议在物联网通信中的应用，并进一步明晰物联网架构，实现在物联网平台实时呈现终端数据。通过制作智慧农场原型，学生深入探索物联网的架构，更深刻地掌握物联网的核心技术。

（2）以放大镜思维剖析物联网子系统功能，构架概念知识结构

在确定了光照系统在单元物联网系统中的地位和学业要求后，教师仍需要深入探讨《物联网数据的汇集与使用》课时教学包含的知识点，以及这些知识的价值和应用场景。换句话说，学生要明确学习这些概念的必要性，以及他们要如何有意义地建构这些概念。运用放大镜思维，引导学生抽象并分析物联系统原型功能，并探究数据在光照系统中的流转行程。

在教学中，教师可以引导学生在mPython中运行光照系统代码，读取实验板上呈现的光照数据值。然后思考：如何可视化上一时刻的数据？带着这一疑问，学生解构光照系统的功能：通过内置光照传感器获取连续的环境光照强度值；通过设定光照强度阈值，利用灯带执行补光功能。再分析系统功能，学生概括出该物联系统原型包含的知识点，如各类传感器、MQTT协议、Wi-Fi技术、批处理、流处理、数据的汇集及数据的使用等。另外，光照系统原型要实现“传感器采集农场环境的光照强度值”的功能，并将数据显示在实验板和物联网平台上，最后再根据连续数据，控制农场环境的光照强度。

（3）识别与界定核心问题，设计概念模型要素

核心问题的识别与界定是学生解决为植物提供合适光照强度问题的基础，它决定了学生学习的方向和有效性。上述综合运用了望远镜和放大镜两种思维，学生从“单元→课时”逐层整理概念，识别相关的关键问题。例如，围绕数据的生命周期，梳理智慧农场的功能和构成，学生识别出以下关键问题：①如何有效地采集环境中的光照数据？②数据在传输过程中如何保证准确性和实时性？③如何处理和分析采集到的大量数据？④如何区分正常与异常的光照数据？在出现异常情况时，如何采取措施，实现对植物的遮光或补光？

分析上述问题的归属点和技术需求，学生能够归纳出两个问题链：一是如何使用Wi-Fi技术连接终端设备和互联网；二是如何设置MQTT参数对话终端设备和物联网平台。通过将两个问题链具化到真实情境中，便可提炼出核心问题：如何通过物联网平台汇集并应用光照数据？此问题将贯穿在课堂学习中，成为学生构建的概念模型中心。

2.联结概念，表征朴素概念模型，规范描述概念关系

朴素概念模型用于描述和理解信息现象的基本概念及其相互关系，核心问题占据中心位置。从核心问题出发，使用符号、表格、图示等手段连接知识来表征概念。表征朴素概念模型的主要目的是对众多问题化繁为简，剔除学生已经掌握的概念，有效提炼出在物联网系统中解决核心问题所需要的概念及其相互关系，从而规范描述概念关系。

（1）梳理知识关联，表达概念关系

在分析子系统功能时，学生已经讨论生成系统原型所需要的所有知识点。教师可以找出物联系统原型所需知识点间的直接联系和间接联系，抽象出知识点间的因果关系、层级关系等，重组、融合和序列知识点，进而形成有意义的、适合学生自主理解的概念关系。例如，要实现补光功能，学生要选出灯带，灯带和补光功能之间有因果关系。通过关系紧密关联知识点，学生顺着这些关系脉络去深入探究，则能够深刻地理解和灵活地应用。

（2）基于知识应用，表征概念关系

聚焦知识点应用，将知识框架和物联系统原型相结合，是实现应用知识来表征概念关系的过程。这是学生后期使用实验套件搭建系统原型不可或缺的前提条件，也是学生揭示丰富信息现象的有效途径。为使学生进一步明确概念之间的关系，教师提供了如图2所示的半成品。学生思考并拖动右侧的知识点到图中合适位置，再在设备之间添加指示箭头，展示数据的流转周期。教师再结合子系统功能的讨论、关键问题的概括和概念关系的建立等过程，以书面形式呈现学生探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能的过程，进而表征概念间的关系。

（3）构建可视化朴素概念模型，提高概念理解

在图2中，学生完成的成果就是朴素概念模型，它是学生设计、搭建及编程实现简易物联系统的蓝图，同时也是创新物联系统的起点，更是规范描述概念关系的基石。学生要把知识点置入整体框架之中，形成概念关系，并通过数据流转周期来完成构建。例如，在实验终端和物联网平台间设置Wi-Fi和MQTT传输相应主题的数据，这是生成概念的显性路径；也可以从物联网三层架构视角来完成，如在感知层，使用实验板、拓展板、内置光线传感器和光带感知光照强度，实现数据采集，此为生成概念的隐性路径。此构建过程既培养学生系统开发和问题解决的技术能力，又将知识点可视化成概念模型。该模型超越了设计草图的层次，采用多种形式来可视化学生的构思、设计和创意。之所以称之朴素，是因为它不仅反映了学生对新知识的初步思考，而mTpLljQIDI7hLnu/2Fg3BoPRGu7Hko8y9g6Mt7+bkEE=且还要学生通过实践体验进一步完善和丰富。

3.搭建物联系统原型，解构迷思概念，迭代概念模型

学生要建立准确的概念模型，需要解构迷思概念。迷思概念，就其本质而言，是指学生基于个人经验形成的、自我认为合理的认知构造。这些认知往往与科学界所接受的专业概念相左或相冲突。在课堂学习过程中，当学生尝试将这些源自日常经验的迷思概念映射到新的学习内容上时，可能会对准确理解和掌握科学概念构成障碍。笔者认为，将概念模型置于公众领域，学生与他人交流、搭建技术模型等形式是解构迷思概念的有效策略。

（1）使用实验套件制作物联系统原型

依据朴素概念原型，学生分活动逐步实现物联信息系统原型功能。

学生活动1：物联网准备。

学生小组在获取连接Wi-Fi信息和连接物联网平台信息后，在评价网站反馈完成情况。教师根据反馈情况，检查学生的联网准备工作。

学生活动2：物联数据采集。

①完善光照系统程序，实现网络的连接以及在物联网平台上的数据呈现。核心技术如图3所示。②连接Wi-Fi模块，输入Wi-Fi名称及密码。③连接物联网平台模块，填写物联网平台相关信息。④拖拽程序，调整顺序，并刷入掌控板，实现物联网平台数据可视化。⑤教师巡视指导学生的程序编写情况，同时反馈掌控平台中各小组数据的呈现情况。

小组在搭建并调试好物联系统原型后，可从以下方面分析数据：①当前环境光照均值是多少？②是否出现异常数据？产生异常数据的原因是什么？③当前光照强度是否为植物生长的最佳光照强度？接着，由学生的观察和思考，引出问题：如何通过物联网平台远程控制光照系统中的灯带？

学生活动3：物联数据应用。

要求：修改光照系统程序，实现通过物联网平台手动（通过控制灯带）或自动（通过控制阈值）控制设备。打开“物联网平台控制设备.mxml”，修改物联网发送的指令。通过物联网平台发送指令，控制设备实现物联网平台数据的使用。

小组在修改程序后，在教师机上演示成果，再查看程序效果。最后，完成光照系统第二次评价：学生在评价网站中记录某个时间段的数据值，组间横向对比数据，体会物联网系统中关键数据的特征，进一步发展概念模型。

（2）迷思概念的辨识与剖析

物联系统原型的运行状况、学生在课堂上的反应，以及评价网站反馈的数据，都能提示学生存在的迷思概念。例如，在制作物联系统原型时，学生在编程实现数据采集的活动中出现以下两个迷思概念。

迷思概念一：Wi-Fi参数的设置。学生困惑于实验板连接Wi-Fi与计算机连接Wi-Fi之间的差异。教师采用“对象识别法”直观定位Wi-Fi设置区域，揭开学生迷惑之处。因为编程环境是实验板连接Wi-Fi的载体，故而实验板连接Wi-Fi通常需要在特定的编程环境（如mPython）中输入Wi-Fi名称和密码。而要使自己的计算机能联网，需要在Windows桌面右下角“网络和Internet”处连接Wi-Fi。

迷思概念二：理解MQTT四个关键参数，即client_id、user、password及topic的含义。教师采用“内容定制法”形象解释发布者、中介平台和接收者之间的互动关系。以植物爱好者与抖音平台的消息互动为例，用户（植物爱好者）预先向抖音平台订阅特定主题（如某位植物学家关于兰花的养护内容）；当植物学家发布了与所订阅主题相关的内容时，中介平台（抖音）便会将该消息传递给该植物爱好者。通过类比，学生能够深入理解主题名称（topic），辨识消息发布者或订阅者的唯一标识符（client_id），以及用户身份验证所需要的名称和密码（user和password）。学生逐一解构迷思概念，逐步拆解并清除原有的误区概念，并通过反复迭代和调整自身的概念模型，最终构建起与科学理论相符的认知结构。

结语

在信息科技教学中，教师可以通过构建概念模型，实现认知结构化，并通过搭建技术模型来解决主要问题，引领学生有意识地建构知识，从而推动高阶思维的发展，提升信息科技课程的核心素养。

苍山点题

义教信息科技课程在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的指引下得到了整体化设计，这给课程发展带来了宏观的认知，也给一线教学指出了远大的目标，即每一个学段的知识应是密切关联、相互促进、共同发展的。本期解码，选择了一线教师最易迷惑的两部分教学内容：以前曾以“开源硬件设计”为基础的科创教育内容，现在的信息科技课程应以哪些内容、何种形式来实施呢？同样是基于硬件学习的内容，如“过程与控制”中的“系统内部的过程与控制”与“物联网实践与探索”中的“系统及系统间的数据与通讯”如何去对照研究？又如何实践探索呢？

第一篇文章，作者细致地描述了四个版本的信息科技课程资源，分析了不同区域的课程资源对“过程与控制”不同内容与目标的分析，并对具体案例设计的特点与优势进行了对照。例如，有的资源强调对基础的要求，顾及一线不同情况的基准性设计；有的资源与“身边的算法”交错进行，发挥算法对过程与控制的系统设计中的技术支持与原理优化；有的强化原理认知与流程的概念理解；有的侧重应用实践的生活体验等。当然，几乎所有的资源都基于信息科技课程标准，以素养为导向，强化科与技的融合，并发挥一定基础水平与经济实力的优势等，都值得学习与借鉴。我们以此去优化、创新更切合当地实际的教学实践，当会促进水平教学的不断进步；以整体观来相互参照，会实现更符合小学生思维特点的原理认知、应用体验与实验探索的教学实施。

第二篇文章，作者全面地构建了基于“物联网实践与探索”的教学实施概念模型与技术模型，并从概念模型出发构建深度学习的课堂教学规划设计与内容案例。例如，先分析物联网系统功能，提炼核心问题，促进概念的形成，再联结概念，表征朴素概念模型，规范描述概念关系，最后搭建物联系统原型，解构迷思概念，迭代概念模型，以此形成循序渐进、层层递进的问题链以构架起结构化知识，然后通过不断解决问题来解构原理概念，配合实践与创新来实现重构，破解迷思概念，即以概念指导实践，再以实践验证校准概念，形成适合中学生的更具高阶思维的深度学习的教学路线。

面对新课标、新课程、新资源，教师如何学习、如何应用，会关系到学生如何学习、如何实践。如果说新课程是一个概念，那么教师在学习时既需要基于良好的概念模型来实施，也需要不断解决问题来破解迷思去优化概念模型，只有这样方能以理论指导实践并以实践促进理论的发展。