讓“物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)”走進(jìn)中小學(xué)課堂 ——我和“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目的故事

謝作如

● 源起：初心總在物聯(lián)網(wǎng)

第一次看到“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”這一名詞，是在2011年，我和學(xué)生在找zigbee技術(shù)的資料時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)了它。

zigbee是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的常用協(xié)議之一。我和zigbee的緣分，可以追溯到2010年我買第一塊開源硬件（Arduino）的時(shí)候。這段故事我在很多場合反復(fù)講過：因?yàn)閷W(xué)生的項(xiàng)目涉及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，所以不僅需要無線連接，還要做到定時(shí)采集數(shù)據(jù)。Arduino、zigbee和數(shù)據(jù)采集是我進(jìn)入開源硬件領(lǐng)域的幾個(gè)重要印記。

接下來的經(jīng)歷，差不多就是中國創(chuàng)客教育發(fā)展的歷史。從2011年開始，我親歷了國內(nèi)創(chuàng)客教育、STEAM教育等跨學(xué)科學(xué)習(xí)概念從無到有的過程。所謂不忘初心，在夜深人靜獨(dú)處創(chuàng)客空間的時(shí)候，我常常會(huì)問自己：當(dāng)年是因?yàn)檠芯课锫?lián)網(wǎng)而接觸到開源硬件領(lǐng)域，從而致力于推廣創(chuàng)客教育，現(xiàn)在創(chuàng)客教育已經(jīng)寫入國家教育政策了，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呢？怎么讓更多的學(xué)生在課堂上真正學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)？如何讓跨學(xué)科學(xué)習(xí)的主題能與最新的技術(shù)相結(jié)合呢？

● 遇阻：巧婦難為無米炊

我曾經(jīng)認(rèn)真研究過江蘇省的物聯(lián)網(wǎng)課程。無錫是全國范圍內(nèi)最早把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做成課程的地級(jí)市，而后江蘇省編寫了義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要，把“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”作為一個(gè)拓展模塊。當(dāng)我通過江蘇的老師找到相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教材后，卻失望了，因?yàn)榻滩膬H僅采用科普的形式，展示物聯(lián)網(wǎng)的神奇應(yīng)用，逐一介紹各種傳感器、RFID設(shè)備等，學(xué)生并沒有機(jī)會(huì)真正使用這些設(shè)備。哪怕學(xué)習(xí)了整個(gè)課程，學(xué)生也只能了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的皮毛，根本不可能自己動(dòng)手去設(shè)計(jì)或者搭建一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2014年，我和南京師范大學(xué)研究生劉正云開發(fā)了一門“大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)”課程。因?yàn)橄Ｍ@門課程最終能夠開源推廣，所以要找到最合適的工具和平臺(tái)。但困難就在這里，既找不到適用于大班教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，又找不到能夠支持無線連接、價(jià)格低廉且編程容易的開源硬件。這個(gè)課程的設(shè)計(jì)理念再好再先進(jìn)也沒用，因?yàn)椴痪邆淇蓮?fù)制性。

當(dāng)然，國內(nèi)也有一些企業(yè)專門幫學(xué)校建設(shè)各種物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，但這些實(shí)驗(yàn)室往往造價(jià)不菲，價(jià)格從數(shù)十萬到數(shù)百萬不等。且不說價(jià)格太高無法普及，其功能也是類似于現(xiàn)在的小米智能家居，學(xué)生沒有辦法通過這些平臺(tái)真正學(xué)習(xí)到物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，更不要說通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)去采集數(shù)據(jù)、探究數(shù)據(jù)了。

造價(jià)過高的實(shí)驗(yàn)室總歸沒有推廣的價(jià)值。為什么智慧城市、智慧教育喊了這么多年，學(xué)生卻沒有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呢？很多人都關(guān)注新技術(shù)用于教育，而我總希望讓學(xué)生掌握新技術(shù)。雖然令人失望，但我并沒有放棄，而是繼續(xù)尋找，繼續(xù)等機(jī)會(huì)。

● 契機(jī)：萬事俱備喚東風(fēng)

機(jī)會(huì)終于來了。

首先是高中課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂。信息技術(shù)和數(shù)學(xué)課的課程標(biāo)準(zhǔn)中，都增加了與大數(shù)據(jù)技術(shù)密切相關(guān)的內(nèi)容。信息技術(shù)課標(biāo)中不斷強(qiáng)調(diào)“數(shù)據(jù)”一詞，突出了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等。例如，必修模塊1的名稱就是“數(shù)據(jù)與計(jì)算”，其介紹如下：

信息技術(shù)與社會(huì)的交互融合引發(fā)了數(shù)據(jù)量的迅猛增長，數(shù)據(jù)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的影響日益凸顯。本模塊針對(duì)數(shù)據(jù)（包括大數(shù)據(jù)）在信息社會(huì)中的重要價(jià)值，分析數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理的基本方法與技能，發(fā)展學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的能力。

不僅如此，在必修模塊2和選擇性必修的“網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”模塊，都明確寫上了“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。例如，必修模塊2中有這樣的要求：“2.3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?！薄熬W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”模塊則將“物聯(lián)網(wǎng)”作為三大內(nèi)容之一。

高中數(shù)學(xué)課標(biāo)中增加了兩個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)，分別為數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析。其中“數(shù)據(jù)分析”是這樣介紹的：

數(shù)據(jù)分析是指針對(duì)研究對(duì)象獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和推斷，形成關(guān)于研究對(duì)象知識(shí)的素養(yǎng)。數(shù)據(jù)分析過程主要包括收集數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、提取信息、構(gòu)建模型、進(jìn)行推斷、獲得結(jié)論。數(shù)據(jù)分析是研究隨機(jī)現(xiàn)象的重要數(shù)學(xué)技術(shù)，是大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)學(xué)應(yīng)用的主要方法，也是“互聯(lián)網(wǎng)+”相關(guān)領(lǐng)域的主要數(shù)學(xué)方法，數(shù)據(jù)分析已經(jīng)深入到科學(xué)、技術(shù)、工程和現(xiàn)代生活的各個(gè)方面。

其次是國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)芯片的成熟。如果說課標(biāo)提供了“物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)課堂”的理由，那么ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片的興起則提供了條件。2016年最火的Wi-Fi模塊，無疑是ESP8266，緊接著發(fā)布的ESP32更受歡迎——雙核32位MCU、2.4GHz雙模Wi-Fi和藍(lán)牙芯片，主頻高達(dá)230MHz，一下子把可聯(lián)網(wǎng)的智能終端成本從百元降到了幾十元。

● 問世：從零開始建平臺(tái)

我有幸參加了浙教版全國高中《信息技術(shù)》教材編寫。編寫教材需要了解市場上各種能夠支持新課標(biāo)教學(xué)的產(chǎn)品，由于我國一直沒有國產(chǎn)開源硬件，于是我和信息技術(shù)高中課標(biāo)組的專家樊磊、教育部教育裝備研究與發(fā)展中心的梁森山等共同發(fā)起了一個(gè)公益的國產(chǎn)開源硬件項(xiàng)目——“虛谷計(jì)劃”。其中，使用ESP32芯片的掌控板發(fā)布后得到一線教師和社會(huì)創(chuàng)客的普遍認(rèn)同。

但掌控板僅僅解決了物聯(lián)網(wǎng)采集終端的低成本化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)還需要專用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的開發(fā)。恰好溫州市科技局為中小學(xué)STEAM教育項(xiàng)目劃撥了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，于是我申報(bào)了項(xiàng)目，申請(qǐng)了一筆不多不少的資金，剛好可以用于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前期開發(fā)。但這個(gè)為中小學(xué)教學(xué)定制的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)究竟需要怎樣的功能，還需要我來進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃。

記得2018年的除夕，我坐在飯桌前寫教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)需求，寫著寫著，忽然聽到兒子喊我，抬頭一看電視屏幕，新年鐘聲要敲響了。剎那間我被自己感動(dòng)了：我是如此迫切地需要這樣的教學(xué)平臺(tái)，竟然忘了那是大年三十。

在這個(gè)跨年度寫就的系統(tǒng)需求書中，我提出幾個(gè)關(guān)鍵需求，如跨平臺(tái)、一鍵安裝、多用戶使用但無需注冊(cè)、支持MQTT協(xié)議也支持HTTP協(xié)議、支持?jǐn)?shù)據(jù)采集和導(dǎo)出等，都是從一線教師開展大班教學(xué)的角度提出的。因?yàn)?，任何需要教師付出很多精力才能?shí)施的課程，哪怕理念再好都是不可復(fù)制的。

經(jīng)過幾次溝通，確定了系統(tǒng)規(guī)劃，DF的技術(shù)總監(jiān)蘇宇親自上陣，兩個(gè)月后平臺(tái)的雛形順利出爐。我們給這個(gè)系統(tǒng)取了一個(gè)名字——SIoT，IoT是物聯(lián)網(wǎng)的縮寫，“S”則具有多種含義：

（1）一個(gè)目前為科學(xué)（Science）數(shù)據(jù)采集、分析、導(dǎo)出定制的IoT平臺(tái)，適用于中小學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM、STEM）的IoT平臺(tái);

（2）一個(gè)和少兒編程軟件（Scratch）互聯(lián)的IoT平臺(tái)，小型（Small）、簡單（Simple）的IoT平臺(tái)，能夠讓物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)變得跟Scratch教學(xué)一樣簡單。

● 應(yīng)用：科學(xué)創(chuàng)客大數(shù)據(jù)

SIoT開發(fā)和掌控板結(jié)合到底能做什么？為了更好地推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)，我以“虛谷計(jì)劃”組委會(huì)的名義，聯(lián)合天津師大教師教育國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心發(fā)起了“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目。在項(xiàng)目的主頁，我做了這樣的介紹：

“萬物互聯(lián)”的時(shí)代正漸行漸近，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也越來越受到創(chuàng)客教育、STEAM教育領(lǐng)域的重視。但由于缺乏簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和廉價(jià)穩(wěn)定的智能終端，中小學(xué)生很難有機(jī)會(huì)通過剖析物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，真正學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用。SIoT和掌控板的出現(xiàn)，不僅讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入基礎(chǔ)教育成為可能，還提供了一種更加便捷的數(shù)據(jù)采集方式，幫助學(xué)生使用“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學(xué)問題。

我們來想象一下教學(xué)場景吧：

教師在教學(xué)電腦上運(yùn)行SIoT，學(xué)生給掌控板編程，連接MQTT服務(wù)器，測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)消息的發(fā)送和訂閱的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生也可以自己運(yùn)行SIoT，同桌之間相互訪問，并且通過這個(gè)MQTT服務(wù)器，設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，讓彼此的電腦可以相互通訊。可穿戴設(shè)備也好，智能家居也好，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，學(xué)生創(chuàng)客作品的技術(shù)含量大大提高。

學(xué)校里做了一個(gè)小型的氣象站（環(huán)境信息采集裝置），那就可以在學(xué)校局域網(wǎng)內(nèi)部找臺(tái)電腦運(yùn)行SIoT，將所有的數(shù)據(jù)發(fā)過去。要長時(shí)間采集，采集幾年下來，再研究這些數(shù)據(jù)告訴了我們什么信息。學(xué)生們可以訂閱這個(gè)氣象站的信息，隨時(shí)了解數(shù)據(jù)情況。

SIoT可以運(yùn)行于虛谷號(hào)、拿鐵熊貓、樹莓派等微型電腦，甚至可以移植到無線路由器上。借助于掌控板和繼電器插座、紅外遙控，學(xué)生們能夠改造教室和家庭的電器控制形式，這才是真正的智慧教室、智慧校園、智能家居。

……

● 評(píng)價(jià)：教育普惠終可期

2019年4月，我應(yīng)聯(lián)合國教科文組織的邀請(qǐng)，參加2019移動(dòng)學(xué)習(xí)周活動(dòng)，并且進(jìn)行了關(guān)于“虛谷計(jì)劃”的演講，虛谷號(hào)、掌控板以及虛谷物聯(lián)項(xiàng)目都得到國際友人的好評(píng)。2019年5月下旬，“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目在天津師范大學(xué)發(fā)布，天津師范大學(xué)副校長前來致辭，并給天津市的科技輔導(dǎo)員做培訓(xùn)。隨后，福建省骨干教師培訓(xùn)、廣東省創(chuàng)客教育教師培訓(xùn)等培訓(xùn)活動(dòng)中，都逐步加入了“虛谷物聯(lián)”的內(nèi)容。

“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目經(jīng)過貓友匯、蘑菇云、創(chuàng)客教育能量站等微信群不斷轉(zhuǎn)發(fā)，得到很多一線創(chuàng)客教師的關(guān)注。因?yàn)椴僮骱唵?、功能?qiáng)大，加上文檔全面，“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目一時(shí)間涌現(xiàn)出各種活動(dòng)案例。6月，項(xiàng)目正式發(fā)布還不到一個(gè)月，各種好消息不斷傳來：寧波的狄勇老師帶著五年級(jí)小學(xué)生，用SIoT采集科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究陽光輻射;平陽的創(chuàng)客教育教研員謝賢曉組建了團(tuán)隊(duì)，準(zhǔn)備開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)方面的開源課程，給全國各地的老師使用;北京二中的高凱老師在人民教育出版社的全國綜合實(shí)踐活動(dòng)教材中，加入了“物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，用的技術(shù)就是SIoT加掌控板;浙江省的初中信息技術(shù)教材，也準(zhǔn)備用類似的方式加入“物聯(lián)網(wǎng)”學(xué)習(xí)內(nèi)容。

感謝DFRobot和盛思兩家企業(yè)的工程師，還有來自全國各個(gè)地區(qū)的創(chuàng)客大神，幫“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目解決了很多技術(shù)難題。

感謝我的學(xué)生們，包括來我校創(chuàng)客空間實(shí)習(xí)的天津師范大學(xué)、溫州大學(xué)、江南大學(xué)的研究生和本科生，還有剛剛離開溫州中學(xué)創(chuàng)客空間就讀大學(xué)的學(xué)生。他們積極參與這個(gè)項(xiàng)目，和我一起編寫并維護(hù)“虛谷物聯(lián)”的開源文檔。

這就是“虛谷物聯(lián)”的故事，一個(gè)普通的信息技術(shù)教師，因?yàn)閷?duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的執(zhí)念，聚集了來自各個(gè)方面的力量，努力去改變信息技術(shù)教育的現(xiàn)狀，就是為了讓越來越多的孩子能夠?qū)W習(xí)新技術(shù)，輕松駕馭物聯(lián)網(wǎng)，體驗(yàn)大數(shù)據(jù)。