支持远程协同的小学信息科技实验装备设计与教学创新

——以“智能家居探索箱”为例

[摘要]：针对现有信息科技实验教具真实性与易用性不足的问题，本文设计开发了“智能家居探索箱”，应用于六年级“反馈闭环”教学。该装置采用模块化设计理念，集成了光照传感器、人体红外传感器、智能灯控模块等硬件，可支持即插即用与快速重构。本文凝练出“五维协同”的教学模式，教学效果较传统虚拟仿真教学显著提升。装置成本可控，具备基础版、标准版、拓展版三级配置方案，具有良好的区域推广价值。

[关键词]：教育装备；实验教学；过程与控制；开源硬件；反馈闭环

《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(简称课标)将“过程与控制”列为第三学段(5～6年级)必修内容，体现了国家对青少年系统思维与工程实践能力培养的高度重视。课标明确要求学生要能分辨“过程与控制”场景中数据的类型，利用反馈实现“过程与控制”相关操作。与以往的软件编程教学不同，该模块强调通过实验教学，设计简单的闭环控制系统实验，让学生亲自动手操作，加深对反馈调节机制的理解。这意味着必须配置可支持实体操作的实验装备。需满足三方面要求：一是有利于真实物理环境的交互，能自然呈现“输入→计算→输出”的完整链条；二是具备开放性及可重构性，适用于支持学生设计不同控制方案；三是要契合小学生的认知特点，操作简单，安全可靠。

目前，小学信息科技“过程与控制”教学实验装备不足，传统装备主要包含三类：一是纯软件的虚拟仿真系统；二是通用开源硬件，如行空板、Arduino套件等；三是简易传感器模块。这三类装备均存在明显的局限性，难以充分满足该模块的教学需求：虚拟仿真系统虽操作简单，但是缺少真实的物理感受反馈，学生看不到真实的光线变化及装备运行过程，体验不到系统调试和故障诊断的过程；通用开源硬件虽具有强大的功能，但因接线多、调试慢等，会浪费许多课堂时间用于组装硬件，学生难以有机会探究其背后的控制原理；简易传感器模块虽价格便宜，但无法满足更完善、集成度更高的闭环控制系统的搭建需求，也缺乏好的视觉效果，不利于激发学生的学习兴趣。

基于以上分析，笔者所在团队设计开发了“智能家居探索箱”(图1，简称本实验装备)，既可当作硬件工具，又可当作连接抽象概念与具体操作的认知桥梁，引导学生把注意力放在控制原理的探究上，真正做到“做中学”“用中学”。

图1“智能家居探索箱”实物

第一，技术特性与学习特点相契合。“智能家居探索箱”采用模块化设计，各模块都以防呆接口相连接，教师可提前合理搭建实验环境，让学生跳过硬件组装的烦琐过程，而直接进入系统配置、数据采集、编程控制等高层次探究活动。此设计十分契合小学生的年龄特点及认知规律，技术操作的难度大大降低，使学生可以把更多的时间、精力放在控制原理的探究及创造性表达上。

第二，核心素养与关键能力共培育。一是信息意识方面，学生可通过观察装备运作(如自动调光、温控原理)，使用配套App查看传感器数据，感知信息实时采集与处理过程；二是计算思维方面，学生可经历“分解问题→抽象建模→设计算法→检验优化”过程，将如“有人且光线暗时开灯”等需求转化为条件判断语句并绘制流程图；三是数字化学习与创新方面，在真实装备平台上突破虚拟仿真限制，形成“实体操作+程序设计”的工程思维，尝试不同传感器组合创作智能作品；四是信息社会责任方面，可通过讨论智能家居数据安全、无线通信安全等问题，渗透自主可控与信息保护的伦理教育。

第三，双师课堂与协同教学同推进。“智能家居探索箱”具有远程控制、数据共享两大功能，可以为双师课堂教学模式提供技术支撑，形成“主讲演示+助教辅导”的协同教学格局，有效破解乡村学校专业师资短缺、实验装备匮乏的困境，使不同地域学生同步获得真实探究体验，为教育优质均衡发展提供可落地的技术路径与常态化实施机制。

第四，个性化学习与自主探究相促进。模块化装备能从学情差异出发，有利于实现个性化教学。例如，“反馈闭环优化控制”项目的基础任务是让学生搭建单一反馈系统，挑战任务是设计多条件反馈系统并提出优化方法，可使不同水平、不同兴趣的学生都能生成适合自己的学习方案，从而更主动、更自觉地学习。

第五，教学效率与育人质量双提升。本实验装备复杂性不高，教师可利用各种工具和手段，切实提高教学效率，提高教学质量。特别是其二代装备配套的图形化编程平台支持实时调试，程序修改后可立即生效，教师不再需要做繁琐的软件配置，也无须等待漫长的上传过程。

第六，真实情境与问题解决共培养。情境化学习理论强调知识技能应在真实情境中习得。本实验装备可支持项目式学习，可使学生通过搭建、调试、优化智能家居控制系统的真实过程，在直接体验中培养数据意识，提升工程素养，发展问题解决能力，实现从知识技能到系统思维、从技术运用到合作能力、从经验积累到批判思维的素养跃升。

“智能家居探索箱”以“真实情境、快速搭建、深度探究”为基本设计理念，完全模拟真实智能家居环境，有利于学生搭建“光线自动调节”“人体感应控制”“温湿度监控”等多种闭环控制系统。

系统的分层架构包括：一是感知层，可集成光照传感器、人体红外传感器、温湿度传感器等多种传感器；二是控制层，采用开源主控板(ESP32为核心)，可用图形化编程语言方便、自然地实现逻辑判断及数据处理；三是执行层，可使用智能灯控模块(PWM调光)、直流风扇、舵机(模拟窗帘、门禁等)等实现物理响应；四是交互层，采用App智能终端(平板电脑/手机)，既能方便、及时地显示传感器数值、系统状态及控制界面，又可支持触控操作及远程控制，极大地降低了认知难度。

“智能家居探索箱”采用标准化模块设计，各模块通过防呆接口连接，主要技术参数如表1所示。