《碳中和：物聯(lián)網(wǎng)的新機(jī)遇》教學(xué)案例

耿秋萍

● 學(xué)科核心素養(yǎng)

信息意識：主動關(guān)注信息技術(shù)工具發(fā)展中的新動向和新趨勢，有意識地使用新技術(shù)處理信息。

計算思維：針對給定的任務(wù)進(jìn)行需求分析，明確需要解決的關(guān)鍵問題。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的復(fù)雜程度和個體學(xué)習(xí)需求的特點(diǎn)，合理運(yùn)用數(shù)字化環(huán)境，主動參與協(xié)作學(xué)習(xí)與協(xié)同創(chuàng)作。

信息社會責(zé)任：認(rèn)識信息技術(shù)發(fā)展對社會進(jìn)步和人們生活帶來的影響。

● 課程標(biāo)準(zhǔn)要求與學(xué)業(yè)要求

課程標(biāo)準(zhǔn)要求：通過分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機(jī)制。

學(xué)業(yè)要求：了解信息技術(shù)對社會發(fā)展、科技進(jìn)步以及個人生活與學(xué)習(xí)的影響;了解常見的傳感與控制機(jī)制，以及接入方式、寬帶等因素對信息系統(tǒng)的影響;能構(gòu)建簡單的信息系統(tǒng)，積極利用各種信息系統(tǒng)促進(jìn)學(xué)習(xí)與發(fā)展;認(rèn)識信息系統(tǒng)在社會應(yīng)用中的優(yōu)勢及局限。

● 教學(xué)內(nèi)容分析

本課來自高中信息技術(shù)必修2《信息系統(tǒng)與社會》（教育科學(xué)出版社）的第2單元第3節(jié)，教學(xué)內(nèi)容通過圍繞物聯(lián)網(wǎng)對促進(jìn)碳中和的實(shí)際意義，借助“數(shù)字植物園”系統(tǒng)的體驗(yàn)與改造，引導(dǎo)學(xué)生探尋物聯(lián)網(wǎng)的基本原理，理解傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用。

● 學(xué)情分析

高一學(xué)生有一定的信息系統(tǒng)知識基礎(chǔ)，且對生活中的常見傳感器都有所見聞，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是滲透到了學(xué)生生活的方方面面，所以學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的知識接納和吸收并不困難，但是學(xué)生對“碳中和”一詞不甚了解，它與物聯(lián)網(wǎng)之間能產(chǎn)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)是最容易激發(fā)學(xué)生求知欲的關(guān)鍵點(diǎn)。

● 教學(xué)目標(biāo)

①體驗(yàn)帶有傳感器的信息系統(tǒng)，了解常見的傳感器與控制機(jī)制;

②理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，感知物聯(lián)網(wǎng)從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程;

③能夠借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決簡單問題，分析任務(wù)需求，選擇合適的信息感知和傳輸技術(shù)，設(shè)計并制作簡易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);

④感受物聯(lián)網(wǎng)在信息社會中的重要作用。

● 教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：了解傳感器，理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。

難點(diǎn)：利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)嘗試解決生活中的實(shí)際問題。

● 教學(xué)過程

1.“碳中和”話題導(dǎo)入，建構(gòu)主題情境

教師首先播放視頻，引導(dǎo)學(xué)生了解什么是碳中和以及促進(jìn)碳中和的兩種主要途徑。

學(xué)生回答什么是碳中和、促進(jìn)碳中和的兩種主要方式是什么。

師：中國敢于立下2倍速的flag（在2060年達(dá)到碳中和）的底氣之一是什么？

生：植樹造林方面的專業(yè)和能力。（視頻中有相應(yīng)提示）

教師介紹我國在植樹造林方面的技術(shù)優(yōu)勢，如螞蟻森林是一種碳補(bǔ)償機(jī)制，計算碳消耗，換取相應(yīng)的樹種。

設(shè)計意圖：碳中和、螞蟻森林話題的引入，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)建構(gòu)了一個主題情境，讓學(xué)生感受國人植樹造林的能力和專業(yè)，并且建立信息技術(shù)與碳中和之間的聯(lián)系，引發(fā)學(xué)生的思考，激發(fā)他們繼續(xù)探索的興趣，助力其后續(xù)學(xué)習(xí)。

2.體驗(yàn)數(shù)字植物園，引出物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系

（1）環(huán)節(jié)一

教師連線數(shù)字植物園馬老師，由她對數(shù)字植物園的情況進(jìn)行簡單介紹，同時引導(dǎo)學(xué)生查看“感知生長”網(wǎng)站的實(shí)時數(shù)據(jù)，并讓學(xué)生嘗試遠(yuǎn)程控制澆灌、風(fēng)機(jī)和生長燈的開關(guān)。學(xué)生也可以通過視頻連線，向馬老師提問，形成校內(nèi)校外雙師課堂的形式。

學(xué)生討論并回答數(shù)字植物園與普通植物園的區(qū)別。

教師再根據(jù)學(xué)生回答，整理關(guān)鍵詞——傳感器、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用控制，由此引出物聯(lián)網(wǎng)的概念及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

（2）環(huán)節(jié)二

教師展示數(shù)字植物園模型，邀請學(xué)生體驗(yàn)其功能，辨識數(shù)字植物園各個部分的功能并完成右表。

師：控制條件這一項(xiàng)填寫的結(jié)果不統(tǒng)一，原因是什么？

生：對控制條件的填寫都是依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，原因是該系統(tǒng)的控制是手動的，所以控制條件都是人為的估算，不準(zhǔn)確，也不及時，從而發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)存在的瑕疵。

師：如果我們能讓該系統(tǒng)變成自動的，在溫度達(dá)到一定值的時候，便自動開啟風(fēng)扇通風(fēng)降溫，這樣，控制條件統(tǒng)一后，系統(tǒng)反應(yīng)也會變得及時。那么，如何把手動變?yōu)樽詣幽?？（以生長燈為例做示范，引導(dǎo)學(xué)生嘗試修改灌溉和風(fēng)機(jī)的自動控制，如圖1所示，邀請完成得比較好的學(xué)生分享操作過程和自己的思考過程）

師：在數(shù)字植物園采用了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后，相比于同等情況下的人力資源管理植物園其碳排放量每天可減少1.1kg，每年可減少400kg左右的碳排放。這么簡單又實(shí)用的系統(tǒng)可以幫助碳中和的植樹造林管理，那能否應(yīng)用到節(jié)能減排中去呢？

3.延伸物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，建立教室節(jié)能系統(tǒng)

師：這個系統(tǒng)可以控制生長燈和風(fēng)扇，那么它是不是也可以拿來控制我們教室的燈和風(fēng)扇呢？這個系統(tǒng)能不能直接用來控制教室的設(shè)備呢？如果不行，需要修改哪些地方呢？

學(xué)生修改數(shù)字植物園的系統(tǒng)流程圖，使之成為教室節(jié)能減排的控制系統(tǒng)。教師邀請2～3位學(xué)生陳述想法，并在教師的指導(dǎo)下演示修改程序。

師：我們教室的設(shè)備還有很多，如希沃、電子班牌、空調(diào)等，接下來，大家可以嘗試把教室節(jié)能減排控制系統(tǒng)修改得更完善一些，讓它成為一個更接近真實(shí)教室環(huán)境的系統(tǒng)。

學(xué)生修改系統(tǒng)流程圖，并呈現(xiàn)2～3個典型的學(xué)生案例和個人解說。

設(shè)計意圖：用設(shè)備的關(guān)聯(lián)建立系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性，讓學(xué)生把物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從數(shù)字植物園的思維空間里移到教室的節(jié)能減排的思考中去。引導(dǎo)學(xué)生對比教室和植物園對系統(tǒng)需求的異同，展開對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)遷移和改造的思考。這既是對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)知識的鞏固，也是強(qiáng)化學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用能力，更是希望學(xué)生能形成一定的“學(xué)以致用”的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4.總結(jié)

師：大家對傳感器、網(wǎng)絡(luò)和控制條件的修改使得這個系統(tǒng)更加完善，也更符合我們的實(shí)際需求。這個系統(tǒng)除了應(yīng)用于植物園和教室，還有其他的用途嗎？

學(xué)生圍繞問題暢所欲言，并根據(jù)教師的引導(dǎo)，從系統(tǒng)適用的空間廣度和行業(yè)跨度去發(fā)揮想象。

教師回顧本節(jié)課的活動流程和知識重點(diǎn)（如圖2），并提出進(jìn)一步的學(xué)習(xí)要求。

設(shè)計意圖：用數(shù)據(jù)肯定學(xué)生所學(xué)知識的社會價值，讓學(xué)生看到本節(jié)課的努力在實(shí)際應(yīng)用中對減少碳排放是可觀的?；仡櫛竟?jié)課的流程，再次強(qiáng)化重要知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并推動學(xué)生的思維往更高更廣的方向延展，也為下節(jié)課遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的組建埋下伏筆。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課產(chǎn)生的社會原因是當(dāng)前我國對碳中和勢在必行的嚴(yán)肅態(tài)度，由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對促進(jìn)碳中和有著不可小覷的作用，所以教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)都緊扣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對植樹造林和節(jié)能減排的實(shí)際效用展開。瀏覽數(shù)字植物園系統(tǒng)平臺和遠(yuǎn)程連線雙師對話，讓學(xué)生了解數(shù)字植物園的主要組成部分，進(jìn)而了解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。通過對已有的數(shù)字植物園系統(tǒng)的修改和創(chuàng)新，使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本體系和關(guān)鍵技術(shù)，并能適當(dāng)?shù)剡w移應(yīng)用，控制教室的節(jié)能減排。同時，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，搭建兩者的融合橋梁，關(guān)注節(jié)能，關(guān)注碳排放，建立環(huán)保的學(xué)習(xí)生活理念，以及躬身力行、致力環(huán)保的意識。