新課標中“物聯(lián)網(wǎng)技術”教學實施初探

劉宜萍

摘要：高中信息技術新課標必修和選擇性必修模塊中都涉及“物聯(lián)網(wǎng)技術”。國產(chǎn)ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片的興起和各種簡單易用的中小學物聯(lián)網(wǎng)平臺的出現(xiàn)，為“物聯(lián)網(wǎng)技術”進入中小學課堂提供了軟硬件的支持?；诖耍疚奶接懥酥行W“物聯(lián)網(wǎng)技術”教學的實施意義、條件，探索實施策略并進行案例分析。

關鍵詞：新課標?物聯(lián)網(wǎng)技術

新課改后，為培養(yǎng)適應“大數(shù)據(jù)和人工智能”時代需要的創(chuàng)新人才，“物聯(lián)網(wǎng)技術”被引入中小學課堂。本文從實施意義、條件以及實施策略和案例分析幾個方面，探討“物聯(lián)網(wǎng)技術”在中小學課堂教學中的有效實施。

一、中小學“物聯(lián)網(wǎng)技術”教學的實施意義

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，簡稱IoT）即“萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡”。隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術的成熟，我們生活中的各種物品，都可以通過傳感設備接入互聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)。

2017年《普通高中信息技術課程標準》頒布，其中必修“信息系統(tǒng)與社會”模塊和選擇性必修“網(wǎng)絡基礎”模塊，都明確寫有“物聯(lián)網(wǎng)技術”。在必修模塊2中，要求通過學習物聯(lián)網(wǎng)應用的真實案例，讓學生了解傳感和控制的相關知識，知道信息系統(tǒng)是怎樣與外部世界連接的。而在選擇性必修的“網(wǎng)絡基礎”模塊中，物聯(lián)網(wǎng)技術也是主要的學習內(nèi)容之一。

由于云計算和大數(shù)據(jù)技術的日漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)得以出現(xiàn)，并進而迎來了人工智能時代，又被人們稱為DT （Data Technology）時代。而大數(shù)據(jù)是人工智能的基石，對于人工智能和DT時代而言，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）肩負了一個至關重要的任務：數(shù)據(jù)采集。

物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)，引發(fā)了數(shù)據(jù)量的快速增長。數(shù)據(jù)對人們的生產(chǎn)和生活的影響日益凸顯，掌握數(shù)據(jù)處理的基本方法與技能，也顯得尤為必要。在新課改中，信息技術和數(shù)學學科的課程標準里都增加了與“大數(shù)據(jù)”技術息息相關的內(nèi)容。信息技術課標中反復強調(diào)“數(shù)據(jù)”一詞，突出了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等。信息技術必修模塊1“數(shù)據(jù)與計算”，尤其注重培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理的基本方法與技能。

因此，“物聯(lián)網(wǎng)技術”進入中小學課堂是大勢所趨，是培養(yǎng)適應人工智能和大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的人才的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術進入中小學課堂有著重要的意義。

二、中小學“物聯(lián)網(wǎng)技術”教學的實施條件

物聯(lián)網(wǎng)技術應用可以分為以下三大結構層次：

第一結構層次是感知層，主要在于采集和感知各物體及設備的數(shù)據(jù)信息。

第二結構層次是網(wǎng)絡層，可以看作是數(shù)據(jù)信息傳輸通道。

第三結構層次是應用層，根據(jù)不同需求進行調(diào)整及應用，如食品追溯、環(huán)境監(jiān)測、智能醫(yī)療等。

三個層次涉及了傳感、控制、網(wǎng)絡等眾多技術以及昂貴的硬件設備，這也導致物聯(lián)網(wǎng)技術很難進入中小學生課堂。

在中小學課堂教學中實施物聯(lián)網(wǎng)技術，除了新課改的政策支持外，還需要有適合中小學生使用的硬件和軟件的支持。

之前中小學課堂上用的大部分是國外的arduino開源硬件，國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)芯片技術的成熟、ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片的興起，為中小學課堂使用物聯(lián)網(wǎng)提供了條件。使用ESP32芯片的掌控板發(fā)布后受到廣大學生的歡迎：雙核32位MCU、2.4GHz雙模Wi-Fi和藍牙芯片，主頻高達230MHz，將物聯(lián)網(wǎng)的智能終端成本從百元降到了幾十元，能夠滿足中小學課堂物聯(lián)網(wǎng)教學需要。

但掌控板僅僅實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)采集終端的低成本化，使用物聯(lián)網(wǎng)技術的教學還要求進行專用的物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)。簡單易用是中小學物聯(lián)網(wǎng)教學對物聯(lián)網(wǎng)平臺的基本要求。Esay Iot、阿里云、OneNet、Blynk和SIoT等物聯(lián)網(wǎng)平臺，已經(jīng)集成到如Mind+、mPython、Mixly、App Inventor2和Python等眾多的中小學創(chuàng)客教育編程軟件中。

適合中小學使用的物聯(lián)網(wǎng)平臺和智能終端的出現(xiàn)，不僅讓物聯(lián)網(wǎng)技術進入中小學課堂成為可能，還提供了一種更加便捷的數(shù)據(jù)采集方式，幫助學生通過“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學問題。

三、中小學“物聯(lián)網(wǎng)技術”教學的實施策略和案例分析

中小學物聯(lián)網(wǎng)項目根據(jù)要解決的問題和研究對象，主要分為創(chuàng)意設計和考察探究兩大類。

第一類：創(chuàng)意設計類項目。就現(xiàn)實世界中存在的一些問題，提出創(chuàng)意設計方案，并制作出相關作品。例如智能家居模型、中小學運動姿態(tài)遠程健康監(jiān)控系統(tǒng)等。

第二類：考察探究類項目。在基于數(shù)據(jù)的科學探究活動中，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，用實時、無線的方式，快捷方便地采集數(shù)據(jù)。例如熱輻射實驗探究、甲醛實驗探究等。

基于項目式學習（PBL）開展中小學物聯(lián)網(wǎng)教學。根據(jù)新課標的理念，將知識積累、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用物聯(lián)網(wǎng)技術解決問題和完成項目的過程中。

下面以“中小學運動姿態(tài)遠程健康監(jiān)控系統(tǒng)”物聯(lián)網(wǎng)項目為例，按PBL學習方式的六個階段，探究項目的實施。

1.選定項目

根據(jù)身邊的問題，選定項目。如：中小學生久坐學習，坐姿是否端正？每天的運動量夠不夠？怎樣預防運動中昏厥或猝死情況的出現(xiàn)。因此，需要一個能監(jiān)測中小學生運動量、坐姿、心率，并且能將這些數(shù)據(jù)實時傳送給家長或醫(yī)療服務機構的物聯(lián)網(wǎng)平臺，讓家長和醫(yī)療服務機構能分析數(shù)據(jù)，進行更科學的健康監(jiān)控。

2.制訂計劃

監(jiān)測坐姿和心率、計算運動量，并實時傳送到家長或老師的電腦和手機上。制訂項目計劃，擬訂解決方案。項目整體設計如圖1和圖2所示。

3.活動探究

首先根據(jù)計劃方案，各組分別探究：（1）如何實現(xiàn)坐姿監(jiān)測;（2）如何監(jiān)測運動步數(shù)和心率;（3）如何進行坐姿錯誤提醒;（4）如何將采集的數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺。

其次進一步確定、細化解決方案：（1）用安裝在坐墊中的壓力傳感器和安裝在徽章中的三軸加速度傳感器同時監(jiān)測坐姿。（2）用徽章中三軸加速度傳感器計步。用心率血氧傳感器監(jiān)測心率，該傳感器也集成安裝在徽章中。由于檢測心率時需要將心率傳感器貼近手腕皮膚，因此可采取“一物兩用”方式：當需要監(jiān)測坐姿時，以“徽章”的形態(tài)工作;當需要監(jiān)測心率時，將徽章中的主控等拿出，放置于腕帶盤中，以“腕帶”的形態(tài)工作。（3）徽章中的三軸加速度傳感器監(jiān)測到坐姿不正確時，用MQTT協(xié)議發(fā)送消息到坐墊中震動馬達以提醒。（4）利用終端采集數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺。如圖3所示。

4.構建系統(tǒng)

中小學運動姿態(tài)遠程健康監(jiān)控系統(tǒng)，主要由座椅墊和徽章（腕帶）兩部分組成。利用有ESP32物聯(lián)網(wǎng)功能的掌控板以及各種傳感器構建系統(tǒng)，實現(xiàn)主要功能;用物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸數(shù)據(jù)，使家長或醫(yī)療服務機構通過分析數(shù)據(jù)進行科學有效的健康監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)平臺和相關消息監(jiān)控如圖4、圖5和圖6所示。

5.成果交流

小組展示介紹自己的解決方案，演示最終效果。另外，在數(shù)字化學習平臺上，詳細了解各組設計方案的技術資料。

6.活動評價

在了解各組方案的基礎上，進行自評和互評，為各組方案的完善及修改提出建議。

新課程改革正式將物聯(lián)網(wǎng)劃入新課標。國產(chǎn)ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片的興起，以及各種簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)平臺的出現(xiàn)，為“物聯(lián)網(wǎng)技術”進入中小學課堂提供了軟硬件的支持。基于“項目式學習”的物聯(lián)網(wǎng)技術教學實施策略，讓中小學生能利用物聯(lián)網(wǎng)技術設計解決真實世界問題，或開展基于數(shù)據(jù)的科學探究活動。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]謝作如.讓“物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)”走進中小學課堂—— 我和“虛谷物聯(lián)”項目的故事[J]. 中國信息技術教育，2019（19）.