義教信息科技教學實施 | “物聯網實踐與探索”模塊-物聯網安全

“物聯網實踐與探索”模塊

物聯網安全

本期內容

1

課標理解

●充分利用身邊可用資源，體驗物聯網技術獨特魅力

——“物聯網實踐與探索”+人工智能應用的教學

2

教學課例+同步教學資源

●“物聯網實踐與探索”的教學實踐

——以“校園菜地智能監測澆水系統”為例

●核心素養引領下生成式人工智能項目的跨學科實踐

——以“語文古詩文網頁益智游戲設計與實現”為例

1

課標理解

充分利用身邊可用資源，

體驗物聯網技術獨特魅力

——“物聯網實踐與探索”

+人工智能應用的教學

本文聚焦“物聯網實踐與探索”的綜合應用教學，探討如何充分利用學生身邊可用的資源，特別是人工智能資源，通過綜合教學策略，讓學生親身體驗物聯網技術的獨特魅力。作者還從實例引領、實踐操作、挑戰應對及綜合教學等多個維度對本模塊的教學策略進行闡述，旨在為提升學生的信息素養與創新能力、培養適應未來社會需求的數字公民奠定堅實基礎的教學探索一條實踐可行的基本路徑。

物聯網作為互聯網技術的延伸與拓展，正逐步滲透至人們生活的方方面面。與互聯網相比，物聯網的協議、設備和終端結構更為簡單，功能單一卻直觀易懂，且支持物聯協議的設備種類繁多，易于獲取。這一特性為基于物聯網的實驗及應用場景搭建提供了極大便利，也為中小學信息科技教學帶來了新的機遇。本文旨在探討在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）指導下，如何通過綜合教學策略，充分利用學生身邊可用的設備，開展“物聯網實踐與探索”教學，讓學生親身體驗物聯網技術的獨特魅力。

本模塊教學的基本策略

在義務教育信息科技教學中，開展“物聯網實踐與探索”綜合應用教學，需立足課程標準要求，結合物聯網技術特性與學生認知規律，構建“場景感知—實踐操作—價值引領”的教學體系，從技術理解、能力培養、責任擔當等方面引導學生全面發展。

1.立足技術特性，構建具象化認知基礎

物聯網技術以其設備多樣性、協議簡易性和場景直觀性等特點成為培養學生信息素養的優質載體。在教學中，需首先幫助學生建立物聯網與互聯網的清晰認知邊界：相較于互聯網以“人”為核心的信息交互模式，物聯網通過傳感器、嵌入式設備等終端實現“物物相連”，其協議（如LoRa、NB-IoT）更側重低功耗、廣覆蓋，終端功能雖單一卻能通過數據協同實現復雜應用。教師可通過“智能家居燈光控制”“校園溫濕度監測”等貼近生活的案例，引導學生觀察設備如何通過數據采集、傳輸、處理實現聯動，直觀理解“感知—傳輸—應用”的物聯網基本架構。

2.聚焦實踐操作，培養數據應用能力

實踐是物聯網教學的核心環節，需通過“拆解—組裝—創新”的遞進式活動，讓學生掌握數據的全生命周期管理。首先，分析典型應用案例，如智能手環如何通過加速度傳感器采集運動數據，經藍牙傳輸至手機APP生成健康報告，引導學生梳理“數據來源—傳輸路徑—應用場景”的邏輯鏈條；其次，開展設備操作體驗，利用Arduino開發板、溫濕度傳感器等低成本教具，指導學生編寫簡單程序讀取傳感器數據，并通過串口或無線網絡發送至終端，理解數據格式（如JSON、CSV）與協議規范（如MQTT）；最后，搭建簡易系統，如小組合作完成“智能花盆”項目——用土壤濕度傳感器檢測水分，當數據低于閾值時觸發蜂鳴器報警并通過LED燈顯示狀態，讓學生在真實場景中體驗數據驅動決策的過程。通過這些實踐，學生不僅能掌握數據讀取、發送、接收的基本技能，更能理解技術背后“用數據說話”的核心思想。

3.直面技術挑戰，樹立數字公民意識

物聯網技術的普及帶來了新的倫理與社會問題，教學中需融入價值引領，培養學生的責任意識與創新思維。一方面，探討現實挑戰，如無人機編隊飛行的協同算法涉及多設備通信延遲與路徑規劃問題，無人駕駛車的會車規則需平衡效率與安全，引導學生認識技術應用的復雜性；另一方面，聚焦個人隱私保護，通過“智能攝像頭人臉識別”“智能音箱語音記錄”等場景模擬，讓學生思考設備如何通過數據塑造用戶畫像，討論“哪些數據屬于個人隱私”“如何設置設備權限”，養成定期檢查設備數據采集范圍的習慣。此外，鼓勵創新探索，組織“未來物聯網”頭腦風暴，引導學生將技術與社會需求結合，提出兼具可行性與創新性的方案。

4.整合多學科知識，促進綜合素養提升

物聯網技術的交叉性為跨學科教學提供了天然紐帶。在數學領域，可通過分析傳感器采集的溫度數據，繪制折線圖并計算平均值、方差，理解數據的統計意義；在科學領域，結合物理中的“力與運動”解釋加速度傳感器原理，結合生物中的“人體生理指標”設計健康監測應用；在藝術領域，利用LED燈帶與傳感器制作互動裝置，如“聲控色彩變化燈”，實現技術與美學的融合。教師還可組織跨學科項目式學習，引導學生在解決真實問題中培養系統思維與協作能力。

5.創新教學評價，關注過程與發展

物聯網教學評價應突破傳統紙筆測試模式，采用“過程性評價+成果展示”相結合的方式。過程性評價關注學生在設備調試、數據處理、小組合作中的表現；成果展示可通過“項目答辯會”形式，讓學生匯報系統設計理念、技術實現過程、遇到的問題及改進方案，由教師、同學共同評估其創新性、實用性與技術規范性。此外，鼓勵學生撰寫“技術日志”，記錄從“不懂設備接線”到“獨立完成系統搭建”的成長軌跡，反思技術應用中的倫理思考，實現知識、能力與價值觀的同步發展。

本模塊教學的實踐路徑

1.基于生活場景的實例探究：從“感知”到“理解”

（1）校園場景：智能班牌與環境監測系統

以“智能班牌”為切入點，引導學生觀察其顯示班級信息、課程表、通知推送等功能，分析背后的技術架構：班牌內置的Wi-Fi模塊連接校園網絡，接收服務器端發送的數據（如課程信息），通過LCD屏幕輸出；部分班牌集成溫濕度傳感器，實時采集教室內環境數據并上傳至云端，供后勤部門調控空調與通風設備。學生分組拆解功能模塊，繪制“數據流程圖”，明確“數據來源（服務器/傳感器）—傳輸方式（Wi-Fi）—終端應用（顯示/調控）”的邏輯關系。在此基礎上，對比傳統紙質班牌與智能班牌的差異，理解物聯網“數據實時交互”“遠程控制”的核心優勢。

（2）家庭場景：智能家居設備聯動體驗

選取學生熟悉的智能家居設備，開展“模擬家庭場景”實踐。首先，讓學生使用手機APP控制智能燈泡開關、調節亮度，觀察操作指令發出到設備響應的延遲，討論“指令如何從手機傳遞到燈泡”；其次，搭建“溫濕度聯動窗簾”簡易系統——將DHT11溫濕度傳感器與ESP8266開發板連接，編寫程序設定閾值，通過MQTT協議將傳感器數據發送至窗簾電機控制器，觸發執行機構動作。學生在調試過程中會發現實際問題——傳感器數據波動導致窗簾頻繁開關，需引入“數據濾波”算法（如連續3次檢測超過閾值才執行動作），從而理解“協議穩定性”“數據可靠性”對物聯網系統的重要性。

（3）社會場景：公共設施中的物聯網應用

組織學生調研社區或校園內的物聯網設備，如智能快遞柜、共享單車、環境監測站等，形成“物聯網應用調研報告”。以智能快遞柜為例，學生需分析其“掃碼開箱”流程：在用戶掃碼后，快遞柜通過4G模塊向服務器發送用戶ID，服務器驗證身份后返回“開箱指令”，控制對應柜門的電磁鎖打開。在調研中，學生可能發現“柜門未關緊導致物品丟失”“網絡延遲導致掃碼失敗”等問題，進而思考“如何通過傳感器（如紅外檢測）判斷柜門狀態”“如何優化協議（如NB-IoT低功耗廣覆蓋）減少延遲”。通過真實場景調研，學生不僅能將課堂知識與社會應用結合，更能認識到技術落地需兼顧功能性與可靠性。

2.分層次實踐活動設計：從“操作”到“創造”

（1）基礎層：設備認知與數據讀取

針對八年級學生，可開展“傳感器探秘”活動。提供Arduino開發板、光敏電阻、舵機、LED燈等基礎元件，讓學生動手動腦認識設備。通過說明書了解光敏電阻的“阻值隨光照強度變化”特性，用萬用表測量不同光照下的電阻值，繪制“光照-電阻”關系曲線。數據讀取：編寫簡單代碼（如使用AnalogRead函數）讀取光敏電阻的模擬信號，在串口監視器中觀察數據變化，理解“模擬信號數字化”的過程。簡單交互：將數據與執行器聯動，如“光照強度低于500時LED燈亮起”，通過條件判斷語句（if-else）實現邏輯控制。

此階段重點培養學生的動手能力，讓其掌握“設備接線—代碼編寫—數據觀察”的基本流程，建立“輸入（傳感器）—處理（控制器）—輸出（執行器）”的系統概念。

（2）進階層：協議應用與系統搭建

在此基礎上，引入物聯網協議與網絡傳輸，開展“數據上云”實踐。以“校園氣象站”項目為例，先準備NodeMCU開發板（集成Wi-Fi）、BME280溫濕度氣壓傳感器、蜂鳴器、OLED顯示屏等硬件，之后編寫程序讀取傳感器數據，在OLED屏幕實時顯示溫度、濕度、氣壓值，并使用MQTT協議連接阿里云IoT平臺，定義Topic（如“school/weather”），將數據按JSON格式（如{"temp":25.6,"hum":60,"press":1013}）發送至云端，最后在阿里云平臺配置規則引擎，當溫度高于35℃時觸發蜂鳴器報警，并通過手機APP接收通知。

學生在實踐中需解決“Wi-Fi連接穩定性”“JSON格式錯誤導致數據上傳失敗”“平臺規則配置邏輯”等問題，通過查閱協議文檔、調試代碼、小組協作，逐步掌握MQTT協議的“發布-訂閱”模式、數據格式規范及云平臺應用方法。

（3）創新層：項目設計與問題解決

鼓勵學生基于真實需求設計物聯網項目，如“校園垃圾分類智能督導系統”。在項目設計完成后，學生主要通過以下過程進行問題解決：①需求分析。針對校園垃圾桶混投問題，設計具備“自動分類提醒”“滿溢預警”功能的系統。②方案設計。使用攝像頭（圖像識別模塊）識別垃圾種類，紅外傳感器檢測垃圾桶滿溢狀態，通過LoRa模塊將數據發送至校園監控中心，同時在垃圾桶旁安裝LED屏顯示分類指引。③技術實現。分小組負責硬件組裝（傳感器與控制器連接）、軟件編程（圖像識別算法、數據傳輸邏輯）、外觀設計（3D打印外殼）。④測試優化。在校園試點安裝，收集實際使用中的問題（如光線不足導致識別錯誤），通過調整算法參數、增加補光燈等方式迭代優化。

此類項目讓學生經歷“需求—設計—實現—優化”的完整流程，培養問題解決能力與創新思維，同時體會技術服務社會的價值。

3.跨學科融合教學案例：從“單一”到“綜合”

（1）信息科技+數學：數據統計與分析

在“智能環境監測”項目中，引導學生用數學方法處理傳感器數據。例如，連續一周采集教室溫度數據（每小時1次），用Excel繪制折線圖，計算日平均溫度、最高/最低溫度、溫度波動方差，分析“不同時間段溫度變化規律”“空調使用對溫度的影響”。通過數據可視化與統計分析，學生不僅鞏固了數學知識，更理解了“數據是決策的依據”，如根據溫度波動規律調整空調運行策略，實現節能目標。

（2）信息科技+科學：傳感器原理與物理現象

結合科學課“力與運動”單元，開展“加速度傳感器與運動監測”實驗。學生佩戴智能手環進行跑步、走路、靜坐等活動，導出加速度數據（x/y/z軸分量），分析不同運動狀態下的波形特征：跑步時加速度變化劇烈（波形幅度大），靜坐時趨于平穩（波形幅度小）。進一步探究原理：加速度傳感器通過壓電效應將物理運動轉化為電信號，經AD轉換為數字數據，從而理解“物理現象—傳感器檢測—數據輸出”的轉化過程，實現技術與科學原理的結合。

（3）信息科技+語文+藝術：項目報告與創意展示

在完成“智能花盆”項目后，要求學生撰寫《項目設計報告》，其中包含需求背景、技術方案、實現過程、遇到的問題及解決方法，鍛煉邏輯表達與書面寫作能力。同時，用圖形化編程制作“項目演示動畫”，模擬土壤濕度變化、傳感器工作、報警裝置響應的過程，在動畫中加入音效與角色對話，將技術原理用生動的藝術形式呈現。跨學科融合不僅豐富了教學形式，更讓學生在綜合應用中體會知識的關聯性。

4.技術挑戰與隱私保護：從“技術”到“責任”

（1）技術挑戰模擬：無人機編隊與路徑規劃

通過編程模擬軟件（如V-REP）搭建“無人機編隊飛行”場景，這是極具挑戰性的任務。在此過程中，學生需解決通信延遲及路徑沖突等問題。通信延遲：當多架無人機通過Wi-Fi通信時，數據傳輸存在延遲，導致動作不同步。引導學生設計“時間戳同步法”，讓每架無人機根據統一時間戳執行動作。路徑沖突：兩架無人機可能因路徑交叉發生碰撞，需編寫避障算法。通過模擬，學生認識到“技術應用需考慮多因素協同”，培養系統思維。

（2）隱私保護實踐：設備數據權限管理

開展“智能設備隱私檢查”活動：學生分組檢查家中智能設備的隱私政策，記錄“數據采集類型（位置、語音、圖像）”“數據存儲地點”“第三方共享情況”，并討論“兒童手表的定位數據是否應實時上傳？家長如何設置權限？”“智能音箱的語音記錄是否會被用于廣告推薦？如何關閉錄音功能？”。最后，制訂《家庭物聯網設備隱私保護指南》，其中包含“定期刪除設備緩存”“關閉非必要數據采集”等具體措施，讓隱私保護意識轉化為實際行動。

（3）未來創新展望：技術與社會需求的結合

組織“物聯網+”創新研討會，學生結合社會問題提出技術解決方案。例如，助老場景：設計“智能拐杖”，集成GPS定位、摔倒檢測傳感器，當檢測到老人摔倒時自動向子女發送位置信息并觸發報警；環保場景：利用物聯網技術監測工廠廢水排放，實時上傳pH值數據，超標時自動關閉閥門并通知環保部門；教育場景：開發“智能課桌”，通過壓力傳感器檢測學生坐姿，通過距離傳感器監測用眼距離，異常時通過震動提醒，保護學生健康。如此等等，通過這些場景，學生將技術創新與社會責任結合，樹立“用技術解決問題”的價值觀。

5.教學資源與工具支持：從“抽象”到“具象”

（1）低成本教具開發

針對農村或資源有限地區，利用廢舊材料制作簡易物聯網教具。低成本教具降低了實踐門檻，讓每個學生都能參與動手操作。

（2）虛擬仿真平臺應用

推薦使用Wokwi、Tinkercad等在線仿真平臺，學生可在虛擬環境中搭建電路、編寫代碼、調試系統，無需購買實體設備即可體驗物聯網開發。虛擬仿真平臺突破了時空限制，支持反復試錯，提高了教學效率。

（3）校企合作資源引入

聯系本地科技企業或高校實驗室，組織學生參觀物聯網展廳、體驗最新設備，邀請工程師進校園開展“物聯網技術講座”，介紹行業應用案例與職業發展路徑。校企合作能讓學生接觸前沿技術，拓寬視野，激發學習興趣。

總之，在“物聯網實踐與探索”+人工智能應用教學中，通過生活場景感知、分層次實踐操作、跨學科知識融合、倫理挑戰探討，讓學生在“做中學”“用中學”“創中學”中理解技術原理、掌握實踐技能、樹立責任意識。教師需充分挖掘身邊資源，創新教學方式，將抽象的技術知識轉化為具象的實踐活動，引導學生經歷從“認識物聯網”到“人工智能應用物聯網”再到“創新物聯網”的過程，最終實現信息素養與綜合能力的全面提升，為數字社會培養既懂技術又有擔當的創新型人才。

本文作者：

李維明

四川省教育科學研究院

文章刊登于《中國信息技術教育》

2025年第24期

引用請注明參考文獻：

李維明.充分利用身邊可用資源，體驗物聯網技術獨特魅力——“物聯網實踐與探索”+人工智能應用的教學[J].中國信息技術教育，2025（24）：16-19，20.

2

教學課例+同步教學資源

“物聯網實踐與探索”

的教學實踐

——以“校園菜地智能監測

澆水系統”為例

作者：朱成茜 四川省成都市石室聯合弘文學校

資源：

（1）教學論文： “物聯網實踐與探索”的教學實踐——以“校園菜地智能監測澆水系統”為例點擊閱讀

（2）教學設計及課件：智能監測澆水系統教學設計及課件點擊下載

課例介紹 ： 以校園“創生園”中植物照料的真實問題為驅動，引導學生經歷從需求分析、硬件搭建、編程控制到物聯網平臺部署的完整項目過程。

提示：在線兌換完雜志后自動解鎖本期目錄、原貌預覽、教學資源（可下載使用）。

核心素養引領下

生成式人工智能項目

的跨學科實踐

——以“語文古詩文網頁益智游戲

設計與實現”為例

作者：舒華 楊玉婷 四川省成都市第七中學

資源：

（1）教學論文：核心素養引領下生成式人工智能項目的跨學科實踐——以“語文古詩文網頁益智游戲設計與實現”為例點擊閱讀

（2）教學設計及課件：核心素養引領下生成式AI項目的跨學科實踐教學設計及課件點擊下載

課例介紹： 以學生古詩文背誦中的實際困難為切入點，引導學生運用生成式AI工具“豆包”，通過設計提示詞、生成互動游戲、評價優化作品等一系列環節，完成一個可交互的古詩文網頁游戲設計與實現。

提示：在線兌換完雜志后自動解鎖本期目錄、原貌預覽、教學資源（可下載使用）。

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