基于概念模型構(gòu)建的初中物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)探索中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674-2117（2024）21-0023-05概念模型的構(gòu)建路徑概念模型是在人的心理上對事物或事物運作模式的一種理解，即對外部世界的內(nèi)在表征，包括概念關(guān)系、時序等元素。在概念模型的構(gòu)建過程中，學(xué)生能夠梳理新知之間的關(guān)系，在學(xué)習(xí)過程中形成清晰的知識框架，還能夠在已知與新知之間建立緊密聯(lián)系。用“冰山模型”能很好地闡釋“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”概念模型的構(gòu)建，如圖1所示。技術(shù)模型僅是冰山浮出水面的部分，它是概念模型在信息現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)，能涵蓋物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的多種形式，如搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型、設(shè)計流程圖、編寫程序代碼等。而概念模型則隱藏在水面之下，能夠映射技術(shù)模型的深層含義。概念模型的構(gòu)建過程具有逐步發(fā)展的特點，通常可由多個步驟構(gòu)成路徑。根據(jù)學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律探討物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，概念模型構(gòu)建的路徑包括：分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能，提煉核心問題，促進概念的形成；聯(lián)結(jié)概念，表征樸素概念模型，規(guī)范描述概念關(guān)系；搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，解構(gòu)迷思概念，迭代概念模型。實施三步路徑，旨在有效引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)各類知識，幫助他們構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的概念模型。基于概念模型構(gòu)建的教學(xué)實踐策略概念模型構(gòu)建是學(xué)生在真實情境中建構(gòu)知識體系的有效路徑、在問題解決中深度學(xué)習(xí)各類概念的有力策略。本文以《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與使用》一課的教學(xué)為例，闡述基于概念模型逐步構(gòu)建的教學(xué)實踐策略。1.分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能，提煉核心問題，促進概念的形成模型構(gòu)建的核心在于提煉出能夠貫穿整個課堂教學(xué)過程的核心問題，引導(dǎo)學(xué)生進行持續(xù)的深度學(xué)習(xí)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)承載著物聯(lián)網(wǎng)基本原理與功能，是信息現(xiàn)象在課堂中的映射，分析其功能既能緊緊扣住學(xué)生對信息社會的好奇心，又能基于信息科技課程的核心素養(yǎng)發(fā)展要求和學(xué)生的現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)抽象出與之相適應(yīng)的核心問題。（1）以望遠鏡思維審視物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能，聚焦概念內(nèi)容核心在以望遠鏡思維審視物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，探討單元物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能、其子系統(tǒng)的構(gòu)成及其各自功能時，教師要宏觀分析本單元在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的地位和作用，細致梳理本單元的內(nèi)容組成，并明確《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與使用》課時內(nèi)容在單元教學(xué)中的定位和意義，引領(lǐng)學(xué)生從整體上理解單元物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運作機制，從而聚焦概念內(nèi)容的核心?！拔锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與使用”屬于“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用”部分的教學(xué)，旨在探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的采集、處理、反饋控制等基本功能，體驗物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系。因此，筆者結(jié)合單元內(nèi)容和區(qū)域?qū)嶒炠Y源，對教學(xué)資源各課時的內(nèi)容進行整合，以智慧農(nóng)場作為本單元物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的教學(xué)實例，它由溫控系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和光照系統(tǒng)構(gòu)成。溫控系統(tǒng)作為首個子系統(tǒng)，可進一步拆分為環(huán)境溫度的獲取和通風(fēng)降溫兩個部分。學(xué)生學(xué)習(xí)使用實驗板套件搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，并編寫mPython代碼以實現(xiàn)通過外接溫度傳感器獲取環(huán)境溫度，利用電機和風(fēng)扇執(zhí)行通風(fēng)降溫兩大功能。灌溉系統(tǒng)是溫控系統(tǒng)的拓展，在搭建系統(tǒng)原型并實現(xiàn)其功能的過程中，加深學(xué)生對控制和反饋的體驗和理解。光照系統(tǒng)將落地在《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與使用》這一課時的教學(xué)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)通信中的應(yīng)用，并進一步明晰物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)平臺實時呈現(xiàn)終端數(shù)據(jù)。通過制作智慧農(nóng)場原型，學(xué)生深入探索物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，更深刻地掌握物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。（2）以放大鏡思維剖析物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)功能，構(gòu)架概念知識結(jié)構(gòu)在確定了光照系統(tǒng)在單元物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的地位和學(xué)業(yè)要求后，教師仍需要深入探討《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與使用》課時教學(xué)包含的知識點，以及這些知識的價值和應(yīng)用場景。換句話說，學(xué)生要明確學(xué)習(xí)這些概念的必要性，以及他們要如何有意義地建構(gòu)這些概念。運用放大鏡思維，引導(dǎo)學(xué)生抽象并分析物聯(lián)系統(tǒng)原型功能，并探究數(shù)據(jù)在光照系統(tǒng)中的流轉(zhuǎn)行程。在教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在mPython中運行光照系統(tǒng)代碼，讀取實驗板上呈現(xiàn)的光照數(shù)據(jù)值。然后思考：如何可視化上一時刻的數(shù)據(jù)？帶著這一疑問，學(xué)生解構(gòu)光照系統(tǒng)的功能：通過內(nèi)置光照傳感器獲取連續(xù)的環(huán)境光照強度值；通過設(shè)定光照強度閾值，利用燈帶執(zhí)行補光功能。再分析系統(tǒng)功能，學(xué)生概括出該物聯(lián)系統(tǒng)原型包含的知識點，如各類傳感器、MQTT協(xié)議、Wi-Fi技術(shù)、批處理、流處理、數(shù)據(jù)的匯集及數(shù)據(jù)的使用等。另外，光照系統(tǒng)原型要實現(xiàn)“傳感器采集農(nóng)場環(huán)境的光照強度值”的功能，并將數(shù)據(jù)顯示在實驗板和物聯(lián)網(wǎng)平臺上，最后再根據(jù)連續(xù)數(shù)據(jù)，控制農(nóng)場環(huán)境的光照強度。（3）識別與界定核心問題，設(shè)計概念模型要素分析上述問題的歸屬點和技術(shù)需求，學(xué)生能夠歸納出兩個問題鏈：一是如何使用Wi-Fi技術(shù)連接終端設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)；二是如何設(shè)置MQTT參數(shù)對話終端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過將兩個問題鏈具化到真實情境中，便可提煉出核心問題：如何通過物聯(lián)網(wǎng)平臺匯集并應(yīng)用光照數(shù)據(jù)？此問題將貫穿在課堂學(xué)習(xí)中，成為學(xué)生構(gòu)建的概念模型中心。2.聯(lián)結(jié)概念，表征樸素概念模型，規(guī)范描述概念關(guān)系樸素概念模型用于描述和理解信息現(xiàn)象的基本概念及其相互關(guān)系，核心問題占據(jù)中心位置。從核心問題出發(fā)，使用符號、表格、圖示等手段連接知識來表征概念。表征樸素概念模型的主要目的是對眾多問題化繁為簡，剔除學(xué)生已經(jīng)掌握的概念，有效提煉出在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中解決核心問題所需要的概念及其相互關(guān)系，從而規(guī)范描述概念關(guān)系。（1）梳理知識關(guān)聯(lián)，表達概念關(guān)系在分析子系統(tǒng)功能時，學(xué)生已經(jīng)討論生成系統(tǒng)原型所需要的所有知識點。教師可以找出物聯(lián)系統(tǒng)原型所需知識點間的直接聯(lián)系和間接聯(lián)系，抽象出知識點間的因果關(guān)系、層級關(guān)系等，重組、融合和序列知識點，進而形成有意義的、適合學(xué)生自主理解的概念關(guān)系。例如，要實現(xiàn)補光功能，學(xué)生要選出燈帶，燈帶和補光功能之間有因果關(guān)系。通過關(guān)系緊密關(guān)聯(lián)知識點，學(xué)生順著這些關(guān)系脈絡(luò)去深入探究，則能夠深刻地理解和靈活地應(yīng)用。（2）基于知識應(yīng)用，表征概念關(guān)系（3）構(gòu)建可視化樸素概念模型，提高概念理解3.搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，解構(gòu)迷思概念，迭代概念模型學(xué)生要建立準確的概念模型，需要解構(gòu)迷思概念。迷思概念，就其本質(zhì)而言，是指學(xué)生基于個人經(jīng)驗形成的、自我認為合理的認知構(gòu)造。這些認知往往與科學(xué)界所接受的專業(yè)概念相左或相沖突。在課堂學(xué)習(xí)過程中，當(dāng)學(xué)生嘗試將這些源自日常經(jīng)驗的迷思概念映射到新的學(xué)習(xí)內(nèi)容上時，可能會對準確理解和掌握科學(xué)概念構(gòu)成障礙。筆者認為，將概念模型置于公眾領(lǐng)域，學(xué)生與他人交流、搭建技術(shù)模型等形式是解構(gòu)迷思概念的有效策略。（1）使用實驗套件制作物聯(lián)系統(tǒng)原型依據(jù)樸素概念原型，學(xué)生分活動逐步實現(xiàn)物聯(lián)信息系統(tǒng)原型功能。學(xué)生活動1：物聯(lián)網(wǎng)準備。學(xué)生小組在獲取連接Wi-Fi信息和連接物聯(lián)網(wǎng)平臺信息后，在評價網(wǎng)站反饋完成情況。教師根據(jù)反饋情況，檢查學(xué)生的聯(lián)網(wǎng)準備工作。學(xué)生活動2：物聯(lián)數(shù)據(jù)采集。①完善光照系統(tǒng)程序，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接以及在物聯(lián)網(wǎng)平臺上的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。核心技術(shù)如圖3所示。②連接Wi-Fi模塊，輸入Wi-Fi名稱及密碼。③連接物聯(lián)網(wǎng)平臺模塊，填寫物聯(lián)網(wǎng)平臺相關(guān)信息。④拖拽程序，調(diào)整順序，并刷入掌控板，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)可視化。⑤教師巡視指導(dǎo)學(xué)生的程序編寫情況，同時反饋掌控平臺中各小組數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)情況。小組在搭建并調(diào)試好物聯(lián)系統(tǒng)原型后，可從以下方面分析數(shù)據(jù)：①當(dāng)前環(huán)境光照均值是多少？②是否出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)？產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)的原因是什么？③當(dāng)前光照強度是否為植物生長的最佳光照強度？接著，由學(xué)生的觀察和思考，引出問題：如何通過物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程控制光照系統(tǒng)中的燈帶？學(xué)生活動3：物聯(lián)數(shù)據(jù)應(yīng)用。要求：修改光照系統(tǒng)程序，實現(xiàn)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺手動（通過控制燈帶）或自動（通過控制閾值）控制設(shè)備。打開“物聯(lián)網(wǎng)平臺控制設(shè)備.mxml”，修改物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的指令。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送指令，控制設(shè)備實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)的使用。小組在修改程序后，在教師機上演示成果，再查看程序效果。最后，完成光照系統(tǒng)第二次評價：學(xué)生在評價網(wǎng)站中記錄某個時間段的數(shù)據(jù)值，組間橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)，體會物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的特征，進一步發(fā)展概念模型。（2）迷思概念的辨識與剖析物聯(lián)系統(tǒng)原型的運行狀況、學(xué)生在課堂上的反應(yīng)，以及評價網(wǎng)站反饋的數(shù)據(jù)，都能提示學(xué)生存在的迷思概念。例如，在制作物聯(lián)系統(tǒng)原型時，學(xué)生在編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的活動中出現(xiàn)以下兩個迷思概念。迷思概念一：Wi-Fi參數(shù)的設(shè)置。學(xué)生困惑于實驗板連接Wi-Fi與計算機連接Wi-Fi之間的差異。教師采用“對象識別法”直觀定位Wi-Fi設(shè)置區(qū)域，揭開學(xué)生迷惑之處。因為編程環(huán)境是實驗板連接Wi-Fi的載體，故而實驗板連接Wi-Fi通常需要在特定的編程環(huán)境（如mPython）中輸入Wi-Fi名稱和密碼。而要使自己的計算機能聯(lián)網(wǎng)，需要在Windows桌面右下角“網(wǎng)絡(luò)和Internet”處連接Wi-Fi。迷思概念二：理解MQTT四個關(guān)鍵參數(shù)，即client_id、user、password及topic的含義。教師采用“內(nèi)容定制法”形象解釋發(fā)布者、中介平臺和接收者之間的互動關(guān)系。以植物愛好者與抖音平臺的消息互動為例，用戶（植物愛好者）預(yù)先向抖音平臺訂閱特定主題（如某位植物學(xué)家關(guān)于蘭花的養(yǎng)護內(nèi)容）；當(dāng)植物學(xué)家發(fā)布了與所訂閱主題相關(guān)的內(nèi)容時，中介平臺（抖音）便會將該消息傳遞給該植物愛好者。通過類比，學(xué)生能夠深入理解主題名稱（topic），辨識消息發(fā)布者或訂閱者的唯一標識符（client_id），以及用戶身份驗證所需要的名稱和密碼（user和password）。學(xué)生逐一解構(gòu)迷思概念，逐步拆解并清除原有的誤區(qū)概念，并通過反復(fù)迭代和調(diào)整自身的概念模型，最終構(gòu)建起與科學(xué)理論相符的認知結(jié)構(gòu)。在信息科技教學(xué)中，教師可以通過構(gòu)建概念模型，實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)化，并通過搭建技術(shù)模型來解決主要問題，引領(lǐng)學(xué)生有意識地建構(gòu)知識，從而推動高階思維的發(fā)展，提升信息科技課程的核心素養(yǎng)。第一篇文章，作者細致地描述了四個版本的信息科技課程資源，分析了不同區(qū)域的課程資源對“過程與控制”不同內(nèi)容與目標的分析，并對具體案例設(shè)計的特點與優(yōu)勢進行了對照。例如，有的資源強調(diào)對基礎(chǔ)的要求，顧及一線不同情況的基準性設(shè)計；有的資源與“身邊的算法”交錯進行，發(fā)揮算法對過程與控制的系統(tǒng)設(shè)計中的技術(shù)支持與原理優(yōu)化；有的強化原理認知與流程的概念理解；有的側(cè)重應(yīng)用實踐的生活體驗等。當(dāng)然，幾乎所有的資源都基于信息科技課程標準，以素養(yǎng)為導(dǎo)向，強化科與技的融合，并發(fā)揮一定基礎(chǔ)水平與經(jīng)濟實力的優(yōu)勢等，都值得學(xué)習(xí)與借鑒。我們以此去優(yōu)化、創(chuàng)新更切合當(dāng)?shù)貙嶋H的教學(xué)實踐，當(dāng)會促進水平教學(xué)的不斷進步；以整體觀來相互參照，會實現(xiàn)更符合小學(xué)生思維特點的原理認知、應(yīng)用體驗與實驗探索的教學(xué)實施。第二篇文章，作者全面地構(gòu)建了基于“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”的教學(xué)實施概念模型與技術(shù)模型，并從概念模型出發(fā)構(gòu)建深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)規(guī)劃設(shè)計與內(nèi)容案例。例如，先分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能，提煉核心問題，促進概念的形成，再聯(lián)結(jié)概念，表征樸素概念模型，規(guī)范描述概念關(guān)系，最后搭建物聯(lián)系統(tǒng)原型，解構(gòu)迷思概念，迭代概念模型，