VR/AR虚拟仿真为学生创设了沉浸式的学习情境，通过交互式体验可优化学习过程，有效提升学生的专业实践能力和创新能力
［1］。在编程技术方面，利用Scratch编程模拟物联网简易实验，可实现功效、角色、数据传输、精准控制及人机交互等方面的高度仿真。在教学内容方面，深度契合初中物联网模块的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）要求及教材内容，融合物联网知识、编程素养与跨学科知识，把抽象的理论转化为形象直观的教学案例；在教学应用方面，图形化界面与简易功能可为多样化的教学需求奠基，支持课堂演示、小组探究、项目式教学、跨学科探究等教学策略。
1 初中物联网实验教学现状及解决方案
“课标”把物联网知识规划到八年级信息科技课程，其中物联网实验教学是培养学生核心素养、创新思维及综合实践能力的核心内容。当前，教师在实验教学的过程中仍面临着诸多挑战。
（1） 学校缺少配套的实验设备或实验室。
（2） 教师虽会寻找一些平台尝试仿真实验教学，但受到平台机制的约束，很多平台只支持学生进行简易实验的搭建，不支持学生应用底层原理创新。
（3） 物联网技术涵盖了电子、通信、网络、编程等多个领域，需要教师具备集成电路、嵌入式系统、网络分析、编程技术等实践功底。
（4） 基于硬件的物联网实验涉及硬件搭建与软件编程协同。实验教学的指导过程复杂且耗时，另外还要兼顾严格的实验行为管理，致使实验预期与实效之间总会存在较大差距。
以上关于初中物联网实验教学过程中的现状仅是一些表象，其本质却折射出了当前初中物联网实验教学的结构性矛盾。笔者认为，教师只有适应当前实验教学环境，加快“课标”指导下的教学转型步伐，缓解或消除教学实施困难才是当务之急。运用Scratch自制仿真实验程序，可深度挖掘“做中学、用中学、创中学”的教学理念，引导学生模拟或创新物联网系统功能。教师自制仿真实验程序作为教学资源辅助教学或许能成为化解当前实验教学困境的方法之一。
2 仿真实验程序功能
仿真实验程序作为教学资源需兼顾双重使命，既要实现物联网系统功能模拟，更要承担教学支持服务。在功能实现层面，程序以角色为对象进行架构，其显性功能可严谨体现物联网“感知层—网络层—应用层”体系架构，如智能热水壶案例的角色设计（
图1）。在教学支持服务层面，其隐性功能则着力构建以核心素养培养为导向的物联网实验教学生态。如温度传感器角色就是从两个层面满足教学需求，不仅仿真了温度传感器的数据采集、处理与传输过程，更在构建教学生态方面，通过模块化代码架构支持教师灵活开展素养导向型教学，使技术工具真正转化为教学创新的实践载体。目前，教师普遍采用皮亚杰建构主义、布鲁姆认知分层及具身学习等教学理论指导教学设计，仿真实验程序的功能研发与代码架构也应紧密结合教师的理论应用习惯。
（1） 在建构主义视角下，教师是学生认知建构的引导者，仿真实验程序则充当辅助教师建构认知的助力者。如
图1中温度传感器的角色整合了与传感器相关的知识技能，可协助师生构建“框架—逻辑—应用”三维认知结构。程序源码采用自定义积木方式完整罗列了传感器的全部知识点，既支持教师通过任务主线引导学生逐步探究传感器底层工作原理，又促使学生在编程实践中自主构建传感器模型，从而持续提升计算思维素养。
（2） 布鲁姆认知分层理论将学习目标划分为6个层次，教师可通过层次化目标驱动学生思维进阶。如，温度传感器角色提供了“基础—高阶”双层评价：基础目标通过代码填空、修改错误等方式实现知识的记忆与理解，为学生奠定知识储备基础；高阶目标则设置为“造型变换”和“画笔绘制”等任务，借助动态温度可视化功能，实现算法分析与综合等高阶思维培养。
（3） 具身学习理论强调认知发展与身体感知、动作体验的深度融合。如，温度传感器界面（
图2）采用情境化设计，通过虚拟现实技术构建沉浸式实验场景，将热水壶内置的传感器放大成动态的温度计图形，形成实时可视的温度数据变化效果。这种具象化设计遵循“做中学”理念，使学生在虚实交融的学习过程中，通过具身感知与人机交互的实践完成知识内化。
3 研发技术策略
仿真实验程序研发的定位是教学资源。仿真实验程序要突出以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式
［2］。仿真实验程序的研发技术策略采用以“课标”为意、以教材为纲、以目标为骨、以技术路线为脉、以沉浸式学习为场的框架，建构一个多维多元教学生态的资源基础。
3.1 以“课标”为意
作为物联网教学资源，需要帮助教师在运用其教学时，能把核心素养内涵依附于物联网知识技能的教学之中，达成提升学生信息意识强度、计算思维高度、数字化学习能力、创新思维力度和信息社会责任深度的教学意图。以“课标”为意策略的关键是研发者能深度理解“课标”思想，并具备分类量化核心素养指标的能力。在实践中，笔者团队把信息科技学科核心素养的4个维度量化成了110个三级指标，以此标准化的方式精准表述“课标”之意。例如，温度计造型动态显示子任务的立意是：提升学生计算思维→模式识别思维→分类与聚类能力→算法设计能力→思维可视化能力；温度计按钮的交互与约束机制子任务的立意是：强化学生信息意识→创新应用意识→技术创新意识→数字化学习能力→创新思维→数字化解决方案能力等。
3.2 以教材为纲
基于教材大单元教学理念和仿真实验程序教学意图的侧重性，构建了知识—技能—学科核心素养—跨学科素养的四维目标体系，结合情境创设、项目式教学、跨学科融合、多元评价、应试教学及编程教学6条教学策略，探索基于Scratch的仿真实验程序设计路径。通过系统化知识图谱与教学主线目标的复合型整合，规划符合多维多元自适应教学生态的仿真实验程序教学资源。仿真实验项目的多维复合特性则是技术研发的核心挑战，其关键在于实现教学目标、技术路径与教学策略的有机整合。研发过程遵循“知识图谱建构—目标主线聚合—技术融合开发”3个步骤：首先基于四维体系构建层级化的核心素养目标，通过核定关键节点并建立权重关系；继而运用教学策略及主线逻辑，将知识图谱中的二级目标聚类为6条教学主线，每条主线被分解为若干课时教学子任务集的策略组合；最终通过Scratch编程技术实现教学子任务的功能化映射，运用事件驱动架构、角色变量交互等技术手段，完成知识图谱二级目标点交叉渗透与功能实效整合。例如，以智能热水壶项目研发规划为例阐明四维目标与6条教学策略实现的逻辑关系。在情境创设策略主线中，设计“智能热水壶系统设计”教学主题，通过仿真情境引导学生利用物联网体系构架、物联网系统工作原理及传感器工作过程等知识，创作一份智能热水壶系统设计的文档方案，培养学生的系统思维与自主可控意识等核心素养；在跨学科融合策略主线中，设计“精准数据与自动控制的关系”教学主题，运用Scratch编程对变量值进行判断，编写分类控制的程序代码，实现物联网系统中云平台根据实时温度远程控制热水壶功能的仿真效果，培养学生数字化意识、数据建模与流程控制等思维能力。
另外，知识图谱还是帮助教师快速梳理教学重难点，或协助教师按需重构教学目标的参考资料。例如，如果重难点目标是传感器工作原理，可以通过智能热水壶案例，温度传感器角色的相关代码和功能实效，解释传感器工作的5个过程，从而降低学习难度，助力重难点突破。
3.3 以目标为骨
实验教学需要有明确的实验目标，教学资源对教师教学目标设计的支持度是评价实验教学资源价值的重要依据之一。仿真实验程序的研发基于四层教学目标框架，第一层（最高层）素养目标，第二层跨学科目标，第三层技能（或应用）目标，第四层（最底层）知识目标。知识图谱为每层教学目标都提供了丰富的备选目标点，这些目标点在仿真实验程序中都提供了碎片式的代码范例，教师可按个性化的教学方案直接应用于教学。例如，在八年级上册第一单元第2课“探索智慧温室大棚”一课中，教材重点是传感器的概念、传感器的功能及特点，参考智能热水壶案例知识图谱可设计
表1的教学目标。
3.4 以技术路线为脉
仿真实验程序的技术路线是根据物联网体系构架理论，采用模块化设计思想，模拟物联网系统从硬件虚拟到软件编程，从底层功能到顶层智控的全过程。程序研发运用的知识与技能，限制在初中生编程技能与物联网理论认知范畴内，可满足多种场景或需求的教学活动，助力教师灵活实施个性化教学方案或自主探索与实践创新。据此，设计智能热水壶的技术路线（
图3）。
3.5 以沉浸式学习为场
沉浸式学习作为一种基于情境认知和具身学习理论的教学范式，通过多模态情境创设构建了认知发展的立体空间，促进认知建构与教学生态的协同进化，其核心价值在于实现学习者情感参与和认知发展的有机统一。仿真实验程序通过仿真的具身化体验激发元认知觉醒，促进学习内驱力的内生性增长；借助任务链驱动实现知识体系的自主建构，形成深度学习的认知脚手架；教学指向核心素养的培养，潜移默化间让学生完成从学习者到创新者的身份转换。仿真实验程序是物联网实验教学生态的土壤，遵循“资源赋能而非主导”的研发理念。①构建动态数据展示效果，通过图形化交互界面实现抽象知识的可视化建模；②搭建实验型学习场域，利用仿真实验特有的容错机制涵养批判性思维；③支持个性化教学路径，有效突破了师生教与学的思维局限，提升教学质量。例如，以智能热水壶仿真程序为基础，通过Scratch（或Mind+等）拓展功能的API接口，导入基于硬件的物联网实验设备，把仿真程序与硬件的温度传感器、LED灯、主控板等连接起来，结合教材中的实验项目，引导学生深度参与并具身感知，提升实验过程的趣味性、挑战性和系统性等。
4 教学应用策略
教学有法，教无定法，贵在得法，将教育游戏引入实验课堂，能够提高学生参与课堂的兴趣，在一定程度上提升教学效果。仿真实验程序作为教学资源可广泛支持教师主流教学策略的应用。例如，运用智能热水壶案例进行项目式教学，可设计如
表2所示的任务驱动主线。
项目过程以递进式的任务主线为牵引，以小组合作研究为方法，让学生经历从局部研究，到全局控制，再到局部创新的实践过程，最后形成学习成果。以任务一中“传感器工作原理”这一教学难点的突破为例，其教学过程设计成五个步骤。
第一步：游戏导入，分组感知。将学生按2人分组，开展“双人拍手背”互动游戏，借助肢体接触形成具身认知体验。第二步：认知聚焦，过程拆解。引导学生在游戏中着重体会三个关键环节：触觉感知（专注感受手掌接触面细微变化）、信号预判（分析对手翻掌拍击动作征兆）、应激反应（大脑控制手掌完成快速撤回动作）。第三步：类比迁移，概念转化。组织小组讨论将人体感知机制类比温度传感器工作流程：持续监测环境温度实时感知，实时处理温度变化形成决策，精准执行温度计造型变换或向云控器发送广播的行为。第四步：绘流程图，思维可视。指导各小组将类比分析结果转化为传感器工作原理流程图，突出“感知（采集）—处理—传输”的核心逻辑。第五步：实践应用，编程实现。基于流程图设计，引导学生使用Scratch编写自定义积木“温度处理过程”的代码，完善温度传感器的功能。
在教学过程中，教师把握组织、引导、激励、总结及评价等环节，运用“做中学、用中学、创中学”的理念进行开放式教学，基于学生认知发展规律实施动态指导，可有效达成实验教学目标并推动教学质效稳步提升。
5 结语
在运用仿真实验程序教学的过程中也存在一些不足。例如，程序代码还不够完善；部分学生Scratch编程能力偏弱，难以深度理解代码含义与物联网知识之间的逻辑关系；因不具备课外实验环境，导致无法按时完成主线任务等。从教学实践的整体实效而言，如以编程技术工具化的理念为前提，运用仿真实验程序教学，则能较好地提升学生编程素养，调动学生学习兴趣，激发学生创新欲望，发挥小组合作优势，平衡学生个体实践能力不一致等。综上所述，基于Scratch的仿真实验程序作为一种教学资源，可有效应对初中物联网实验教学的诸多困难，可作为物联网实验教学探索的新路径。仿真实验程序研发技术策略结合教学应用策略，为深化跨学科融合教学的设计与实践，提升初中物联网实验教学质量，帮助学生培养关键能力、必备品格及正确价值观提供了一种新的思路。
2024年湖南省一般课题“中小学计算机编程素养提升策略研究”(HNETR24065)
2024年度长沙市实验教学与装备管理应用研究微课题“初中物联网实验教学中虚拟仿真程序技术研发策略研究”(SYGL24023)
长沙市教育科学“十四五”规划2024年度课题“初中信息科技实验教学策略研究”(CJK2024041)
京公网安备11010202008535号
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