家电的远程控制实验课：探索物联网基本原理与功能，掌握数据采集与处理技巧

●实验内容分析

本课内容选自《义务教育信息技术课程标准（2022年版）》（以下简称“新课程标准”）第四期（7~9年级）“物联网实践与探索”模块第二部分《物联网的基本原理与功能》。通过设计和构建一个简单的物联网系统，探索了物联网中数据收集、处理、反馈控制等功能的基本功能。《家用电器远程控制》课程从物联网的感知、通信、控制和反馈三个方面探讨了物联网的基本原理和功能，重点探讨了实验过程中的物联网通信知识，对物联网系统的三层架构和主要的物联网协议和典型应用有深入的理解特性。

● 学习对象分析

本单元专为 8 年级学生设计，他们的思维正在逐渐从具体的比喻思维过渡到抽象的逻辑思维。在上一课中，他们已经了解了物联网的概念和三层架构，以及如何以广播的形式与物联网进行通信。同时，他们有很强的合作意识，并有一定的批判性思维，能够分析和评估信息，提出新的想法和解决方案，并且具有很强的独立学习能力。

●实验教学目标

（1）通过家电远程控制子系统的建设，在遇到相关问题时，能够想到物联网技术可能在其中发挥的作用，并有积极探索相关产品或应用背后可能的数据传输方式或基本原理的意识，体验物联网对学习的影响， 生活和工作。（信息意识）。

（2）根据实际问题情境需求，探索家用电器远程控制的实现过程并进行总结和抽象，通过两个控制板模拟发送器和接收器，发送者将通过物联网平台将开关指令传递给接收器，了解物联网技术在此过程中应用的基本流程和实现原理， 体验数据处理、传输和应用过程，逻辑理解物联网的运行机制，在探索数据收集、处理和反馈的过程中培养计算思维。（计算思维）。

（3） 通过构建物联网原型，了解适应物联网的实验环境，选择合适的数字资源来支持学习，明确如何在数字学习环境中解决实际问题，能够根据实际情况的需求设计解决方案，并使用相关硬件， 软件、平台等完成系统搭建。（数字学习与创新）。

（4）自觉遵守物联网实验的操作规程，在使用实验设备搭建物联网系统原型时养成使用信息工具的良好习惯，通过实验平台读取、发送、接收和使用数据，了解物联网技术在编程过程中带来的信息安全和隐私保护，实现数据读取和控制， 并了解自主可控对国家安全和物联网技术发展的重要性。（信息社会责任）。

●实验难点

重点：根据实验操作表、微课等学习资源，采用EasyIoT物联网平台进行数据传输和分析，利用控制板的IoT学习套件搭建远程控制家电系统的原型，从而实现简单的数据采集、实时传输、 控制和数据分析功能，并了解 IoT 系统的三层架构和 MQTT 协议的基本原理。

难点：了解物联网 MQTT 协议传输应用中基于“发布/订阅”模式的远程通信原理和方法，能够使用 mPython 编程并实现其功能。

●实验的总体思路

本课程侧重于家用电器远程控制模型的构建、物联网MQTT协议的知识等，以及物联网原理在实验探索中的内化。本课设计有三条主线，包括两条逻辑暗线和一条明线（如下图所示）。两条逻辑暗线：原型构建过程中的知识构建过程和物联网远程控制过程中的数据通信;一条明线：问题和需求驱动，设置渐进的任务。通过几次探索活动，开展了物联网的整个实验教学，用科学原理指导实验，并将物联网原理内化到实验活动中，形成实践与理论相结合的闭环。

●实验资源的准备

物联网实验套件（控制板）、具有 mPython 编程平台的计算机、教学课件、学生自学包（电子实验指南、微课）。

●实验教学过程

1. 创建场景，聚焦问题，探索 IoT 通信

知识回顾：智能家居系统 1.

背景：当家庭成员进入家中时，红外传感器感应到某人，并会智能打开相应的家用电器。

老师：在上一节课中，我们是怎么感知和获取是否有人来的信息的？（教师和学生回顾上一课中的数据传输过程）。

设计意图：创造真实问题情境，回顾广播通信数据传输过程，以问题为导向的方式共同梳理物联网的三层架构，从实际情境中抽象出问题，培养学生的计算思维能力。

探索活动 1：多种 IoT 通信模式。

老师：天气越来越热，老师想提前把家里的电器开好再回家，老师家离学校有30多公里。

演示活动：一名学生在教室里拿着接收器，另一名学生拿着发射器，发射器旁的学生继续发送数据并慢慢离开教室，观察接收器控制板上的灯是否一直亮着。

结果：当距离教室十多米时，接收灯熄灭。

实验猜想：广播通信是一种短距离通信方式，无法实现远程通信控制。

内容：以遥控灯光为例，遥控采用什么样的通讯方式？

老师：如果学生需要用手机给远在教室里的妈妈发微信，两部手机怎么通信呢？

原始：手机需要连接到互联网、Wi-Fi、4G、5G。

划分（实验总结）：类似于手机通信的联网模式，发送方和接收方也需要联网，而实现万物互联的前提是万物必须联网。接下来，我们来探讨一下使用 Wi-Fi 通信来试验远程控制。

设计意图：把握核心问题（物联网通信），引向本课主题，核心问题是思维发展的基石，聚焦核心问题，引导学生在解决实验问题的过程中，学会运用学科思维解决实验问题。

2. 分析问题，设计解决方案，探索物联网协议

探索活动 2：IoT 平台。

老师：网络连接成功后，switch 命令的数据怎么传输？让学生提取视频中提到的有关物联网远程控制的关键词。（关键词：公网、MQTT 服务器、中介、数据转发）

设计意图：问题驱动，需求驱动，观看视频，引导学生发现在物联网应用中扮演远程通信“桥梁”角色的 MQTT 服务器，激发学生的探索欲望。

老师：物联网平台可以接收和转发数据，所以我们可以把物联网平台看作是远程通信的中介服务器，为了接收和准确转发数据，它需要遵守一定的数据传输规则，这就是物联网传输协议MQTT。MQTT 是一种轻量级、灵活、可靠的开放消息队列遥测传输协议，常用于物联网 （IoT） 中设备到设备的通信，可以理解为客户端和服务端约定的数据通信规则。MQTT 是一种基于发布/订阅的消息收发协议，允许发布者（发送者）向主题发送消息，接收者订阅该主题，物联网平台自动将消息转发给所有订阅该主题的接收者。（师生整理遥控开关灯数据传输的过程）。

设计意图：通过家用电器远程控制的信息传输过程，梳理出发送端和接收方的数据通信过程，初步了解后期的任务支架。通过类比现实生活中公众号的使用，帮助学生理解 MQTT 协议基于 IoT 平台发布订阅模式的通信原理。

3. 硬件搭建、编写程序、体验物联网搭建

探索活动 3：终端 Wi-Fi 和 MQTT 通信实现（程序请参考实验操作表）。

群组探索：两个人一起工作，一个发送方和一个接收方，如下表所示。

活动 4：终端与 IoT 平台之间的数据通信（具体步骤请参考 实验操作表），如下表所示。

询价活动 5：端到端数据通信。

现状分析：发送方和接收方都与平台实现数据通信，请在群中尝试，发送方能否直接控制接收方的灯光？

想想这个问题：每个群发送者向 IoT 平台发送消息，IoT 平台收到消息后将数据转发给 Receiver。换句话说，同一组的发送方和接收方是如何关联的？

设计意图：通过三组渐进式探索活动，最终实现终末的数据通信。

打个比方：当广播使用同一频道传输信息时，MQTT 是如何实现 MQTT 的？细化 MQTT 协议的关键词：发布/订阅模式和主题。

实验猜想：基于发布/订阅模型，数据通信使用相同的主题。该分组的接收者修改代码，将代码中的 topic 改为同分组的 topic，以验证猜想。

实验总结：发布/订阅模式和主题。

主题：桥接并建立 Endpoint 之间的订阅关系。

设计意图：在循序渐进的猜想和验证实验过程中，体验 MQTT 协议的原理，然后用科学原理指导科学实验。

4. 评估总结，拓展前景，为物联网的应用创造思路

查询活动 6：项目开发。

（1）如果发送者不仅可以远程控制家用电器，还可以同时向我妈妈的手机发送短信，通知我 10 分钟后到家，即如何设计多接收器呢？

（2） 家里其他人也可以一键控制电器，即如何设计多发射器？

Group Exploration：一组 4 个，2 个发送者，2 个接收者，如下表所示。

小组讨论：优化远程控制系统方案，以便学生可以测试他们的猜想。

实验总结：EasyIoT 等 IoT 平台存在一定的安全风险，任何涉及非公开信息的 IoT 应用都应该构建专用的 MQTT 服务，并提供数据保护方法，自觉保护个人数据安全。

●教学反思

首先，有必要创造真正的问题情境并利用生活中的教育资源。以学生周围的项目为指导，进行实验设计，让学生在实际应用中学习物联网的知识和技能。在实验探究中内化科学原理，并使用科学原理指导科学实验。

其次，它以冲突和问题驱动为前提，并指导学生构建知识情境。以问题为基础，设计问题链，引导学生深入思考、提出猜想、开展探索活动、验证猜想、获得实验结果，利用实验资源和技术解决问题，并理解其背后的原理。

第三，关注学生最近的发展领域，注重高阶思维能力的发展。实验活动分层设计，使各级别学生能够思考，以小组合作的形式开展活动，充分利用学生现有的知识，协作完成任务，帮助学生进行比较、比较和总结，使学生在解决问题的过程中锻炼计算迁移能力，培养学生的独立学习和团队合作能力。

评论

物联网是自愿教育标准中的重要内容，也是一条重要的逻辑线索，涉及到过程与控制、算法、互联网，甚至人工智能。因此，从互联到物联网，从控制到算法，物联网是结合硬件和软件的重要数据载体。过去，教师仅限于开源硬件的本地化传感器数据收集和应用，这与“物联网网络”还相去甚远。无论大单元的整体设计优势如何，本文涉及的教学设计都值得研究和借鉴，从以实验教学的形式呈现真正的“物联网”教学方法的角度。

本文以大单元设计实验教学为基础，从核心素养出发，全面探索了物联网通信的模式、平台、过程、机理和数据，进行了六项探索活动，在灵活运用实验猜想、实验探索、类比讲解、实验总结等环节进行学习过程设计方面值得称道，探索了物联网“网络”中的“数据”传输与反馈从易到难，从原则到应用。当然，在这种情况下，在项目探索和实验学习的规范中，仍有一些地方不够清晰和混乱，这可能会影响实验教学的数据分析和实验结论。

（讨论人：山东省青州市第一中学信息技术特约教师王爱生）。