■天津市和平區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校 劉若淼

物聯(lián)網(wǎng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

■天津市和平區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校 劉若淼

1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中，首次提出“Internet of Things”（物聯(lián)網(wǎng)）概念，受限于技術(shù)發(fā)展水平，當(dāng)時(shí)并未引起業(yè)界重視。近年，隨著科技水平不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨之迅猛發(fā)展起來。實(shí)質(zhì)上，物聯(lián)網(wǎng)就是利用互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)，把傳感器、控制器、人和物等按照新的方式聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化和遠(yuǎn)程管理的網(wǎng)絡(luò)。它拉近了人與物之間的距離，可以說，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起是一次新的信息技術(shù)革命。如今，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在智能交通、公共服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測、家居生活、安全等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

一、小學(xué)階段開設(shè)相關(guān)課程的價(jià)值與意義

科學(xué)教育是全面推進(jìn)素質(zhì)教育的重要途徑，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)品質(zhì)，注重個性塑造和動手能力的培養(yǎng)。目前我國多數(shù)地區(qū)的科學(xué)教育仍然以滯后于當(dāng)前科技發(fā)展水平的陳舊教科書為主要材料，紙上談兵有余，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，與信息時(shí)代的快速發(fā)展步伐相脫節(jié)。

小學(xué)階段的學(xué)習(xí)是學(xué)生個人成長和發(fā)展的基礎(chǔ)，這一階段的科學(xué)教育更應(yīng)注重對學(xué)生興趣的激發(fā)和培養(yǎng)。培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)的能力、主動適應(yīng)社會變化的能力，鼓勵他們將科學(xué)知識與生活中遇到的問題聯(lián)系到一起，進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，讓學(xué)生從小對農(nóng)業(yè)、對種植有一定的了解，是他們成長過程中應(yīng)有的一種體驗(yàn)。和平區(qū)地處天津城市中心，土地寸土寸金，校園面積狹小。這種情況下，絕大多數(shù)學(xué)生在學(xué)校和家庭都沒有機(jī)會參與栽培、耕作活動。為彌補(bǔ)“農(nóng)業(yè)教育”這塊短板，和平區(qū)勞技中心利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把農(nóng)田由平面變成立體結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新研發(fā)了“物聯(lián)網(wǎng)種植架”，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入和平區(qū)中小學(xué)校園。

二、物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)應(yīng)用

1.結(jié)合實(shí)際，利用物聯(lián)網(wǎng)開展勞動實(shí)踐教育。

為了讓學(xué)生多親近自然，熱愛生活，提升他們的勞動能力，增進(jìn)他們對新科技知識的了解，和平區(qū)勞技中心在萬全小學(xué)、昆明路小學(xué)、岳陽道小學(xué)、新星小學(xué)開設(shè)了“物聯(lián)網(wǎng)種植”課程，并結(jié)合本區(qū)實(shí)際情況，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自主研發(fā)了“物聯(lián)網(wǎng)種植架”。這套種植架有三層，每層都分為水培和基質(zhì)培兩套種植系統(tǒng)，可以利用太陽能和電能的轉(zhuǎn)化提供運(yùn)轉(zhuǎn)動力，利用各種傳感器測得植物生長數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺控制系統(tǒng)。學(xué)生可以通過移動終端或PC機(jī)查看和遠(yuǎn)程觀測種植架上的植物實(shí)時(shí)生長情況，并在后臺管理系統(tǒng)中配置植物的養(yǎng)護(hù)指令。

2.動手實(shí)踐，強(qiáng)化學(xué)生體驗(yàn)。

把學(xué)生進(jìn)行分組，學(xué)生輪流參與種植，全體學(xué)生都可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。劃定每個參與種植的學(xué)生在“物聯(lián)網(wǎng)種植架”上的“責(zé)任田”，讓學(xué)生親自體驗(yàn)種子萌發(fā)、育苗、移栽、養(yǎng)護(hù)、收獲的全過程。

清明前后，種瓜種豆，帶學(xué)生們一起撒下橡葉生菜的種子，一周后查看出芽情況，一起計(jì)算發(fā)芽率。學(xué)生們定期觀察植物生長態(tài)勢，寫種植日記，記錄他們在種植過程中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴?！霸谖覀兊木暮亲o(hù)下，又過了兩周，生菜長出子葉，待長出兩片真葉后，幼苗就可以移栽了。”學(xué)生這樣寫道。

初學(xué)移栽，教師示范后要求學(xué)生獨(dú)立完成全過程，包括移栽前的準(zhǔn)備工作和移栽后植株的養(yǎng)護(hù)等，從而培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范操作的習(xí)慣，鍛煉他們獨(dú)立完成任務(wù)的能力。將同一批植株移栽至種植架上水培和基質(zhì)培兩種不同的生長環(huán)境中，對比觀察植株在不同環(huán)境下的生長狀態(tài)和生長過程，并記錄下來。

學(xué)生還可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)對植株進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測，或者通過后臺管理讓物聯(lián)網(wǎng)智能運(yùn)行。一株株植物茁壯成長起來后，學(xué)生們動手采摘自己的勞動果實(shí)。此時(shí)，他們會更加懂得呵護(hù)生命、熱愛生活。

種植活動強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手實(shí)踐，提倡主動參與，追求活動體驗(yàn)，力求以“物聯(lián)網(wǎng)種植架”為載體，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生健康、快樂地成長。

3.剖析原理，解析各種事例。

教師演示“神奇”的智能家居。手機(jī)可以通過攝像頭打開和關(guān)閉家里的電視機(jī)，這讓學(xué)生們驚嘆不已。通過放視頻，讓學(xué)生了解ETC（不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)）專用車道、安全保護(hù)裝置、智能穿戴等各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，增長學(xué)生的見識，讓他們看到物聯(lián)網(wǎng)已給現(xiàn)代生活帶來的便利。那么，這其中的原理是什么呢？

傳感器化作一個個小的芯片植入物體中，測得目標(biāo)數(shù)據(jù)。比如“物聯(lián)網(wǎng)種植架”中的土壤濕度傳感器，是用來測定土壤中水分含量的，如果土壤水分低于設(shè)定值的下限，控制器就判斷需要給植物澆水，從而發(fā)出澆水的命令。再如，煙敏傳感器測到空氣中煙霧濃度增加到設(shè)定的閾值，則自動打開指示燈提示環(huán)境質(zhì)量，等等。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，也是課堂教學(xué)中的一個難點(diǎn)。傳感器的概念對于小學(xué)生來說是完全陌生的，將傳感器與人體感覺器官進(jìn)行類比，從而變抽象為形象，幫助學(xué)生形象地理解傳感器的作用，為后面物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)作鋪墊。

4.內(nèi)容拔高，鼓勵創(chuàng)新式學(xué)習(xí)。

把Arduino和Ardublock引入課堂。Arduino是一種單片機(jī)，也就是前文提到的控制器。Ardublock是一種適合于電路零基礎(chǔ)的人群（如學(xué)生）學(xué)習(xí)的編程軟件。兩者結(jié)合使用，所有編程步驟都可以通過搭積木的方式，把高級的計(jì)算機(jī)語言和專業(yè)的語法，簡化為一個個模塊，堆砌在一起。學(xué)生通過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，能夠按照自己的意圖進(jìn)行簡單的編程，創(chuàng)意設(shè)計(jì)出個性化和有特色的作品。

要求學(xué)生利用Arduino和各種傳感器自主創(chuàng)作一個小作品，如一個自動澆花裝置。學(xué)生按照意圖利用Ardublock可視化編程，將程序?qū)階rduino，搭接濕敏傳感器和繼電器，從而實(shí)現(xiàn)自動澆花功能。

5.及時(shí)總結(jié)，注重問題反饋。

物聯(lián)網(wǎng)的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用是課程的難點(diǎn)，學(xué)生的種植體驗(yàn)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是課程的重點(diǎn)。教師應(yīng)隨時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識和種植經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，通過總結(jié)歸納的方式，把學(xué)習(xí)中的所得轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，在實(shí)踐類教學(xué)中，教師應(yīng)該及時(shí)對學(xué)生提出的問題給予反饋。引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)等方法解決自己提出的問題，教給學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的方法，培養(yǎng)學(xué)生提出問題—創(chuàng)新解決的思維模式。

三、結(jié)語

小學(xué)科學(xué)教育是激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要途徑，這一階段的學(xué)習(xí)對其終身發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，值得重視。如今，物聯(lián)網(wǎng)革命已經(jīng)悄然開始，讓學(xué)生接觸并理解物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用，對于學(xué)生的全面發(fā)展和我國的科技進(jìn)步具有戰(zhàn)略性意義。

（責(zé)任編輯 鄧 蕙）