聚焦核心素養案例研討專題三：體驗物聯網，強化系統觀

編者按：本欄目特邀教育部基礎教育課程教材專家工作委員會成員、普通高中信息技術課標修訂核心組成員、四川省教育科學研究所技術教育研究室主任、正高級教師、特級教師李維明主持，望大家踴躍參與研究與討論（聯系郵箱：358211798@qq.com）。

主題闡釋

在百度百科中，信息系統（Information system）是指由計算機硬件、網絡和通訊設備、計算機軟件、信息資源、信息用戶和規章制度組成的以處理信息流為目的的人機一體化系統。信息系統的五個基本功能分別為輸入、存儲、處理、輸出和控制。這里所說的信息系統，主要是指包含使用者在內的計算機和通訊網絡的系統。

我們知道，計算機的結構主要是馮·諾依曼結構和哈佛結構，也有脫離了馮·諾依曼結構的計算機，如光子計算機、量子計算機等，但這并不是信息系統的全部。在以前的教學中，不少教師把這些結構的教學理解為信息系統的教學，忽略了信息系統中人的存在，以致出現了對信息系統片面的理解。

在本模塊的教學中，教師可通過對典型的信息系統應用案例分析與實際體驗等方式，引導學生學習信息系統知識，合理使用信息系統為我們的生活、學習服務。下面列舉的“‘共享單車項目活動”案例，正是結合實際生活的信息系統應用實例，引導學生思考信息系統的組成要素，認識信息系統對人們日常生活與社會發展的重要作用；而“依托二維碼的實用物聯網系統”則利用信息技術實驗室創設真實的問題情境，通過指導學生合作或獨立完成一個信息系統的硬件搭建和軟件安裝，為學生提供從信息系統設計規劃到軟硬件操作的實踐體驗機會，提高學生對信息系統價值的認識以及利用信息系統解決問題的能力。

教學案例

案例1：“共享單車”項目活動

學業要求：了解信息技術對社會發展、科技進步以及個人生活與學習的影響，知道信息系統的組成與功能，知道信息系統與外部世界的聯接方式，了解常見的傳感與控制機制，以及接入方式、帶寬等因素對信息系統的影響。

情境設置：共享單車在大城市已經普及，摩拜、ofo、小鳴、小藍、騎唄……各大單車品牌充斥著人們的眼球，只要在手機上下載一個相應的APP，就能開鎖使用自行車，大大方便了人們的出行。當前，單車已經不僅僅是一種簡單的代步工具，而是代表著運動、健康以及生活的態度。

共享單車的主要功能有手機開鎖、定位共享單車、跟蹤記錄騎行路線及時間并以此計費（如下頁圖1～圖4），那么這些功能究竟是怎樣實現的呢？

項目主題：了解共享單車的原理，了解物聯網的概念，了解車輛電子鎖控制、GPS定位、GPRS數據傳輸的功能，用一種程序語言編程模擬費用計算過程。

項目活動：

◇活動1：了解共享單車的電子鎖。

要求：①學生2～3人一組，上網搜索共享單車的相關資料。②從硬件和軟件兩方面著手研究共享單車電子鎖實現的方法。③撰寫相應的電子鎖如何實現的報告。

◇活動2：了解共享單車的定位與記錄。

要求：①分組研究如何實現車輛定位。②研究如何記錄并在地圖上顯示出行車輛的騎行路線。③撰寫相應的研究報告。

◇活動3：了解共享單車的費用計算。

要求：①上網搜索資料，了解共享單車的計時收費。②設計算法，用VB編寫程序模擬共享單車的收費。③改進算法，優化程序。

拓展思考：打車軟件，如滴滴快車、Uber等，可以實時顯示并通知用戶周圍的出租車、快車情況；外賣軟件，如百度糯米、美團外賣等，可以顯示用戶周圍的餐飲情況。這些軟件是如何工作的？還有哪些軟件運用了這種工作模式？這種工作模式還能有其他什么應用？

項目實施說明：共享單車的核心部件主要是車控終端，主要實現了電子鎖控制、GPS定位、GPRS數據傳輸的功能。此項目按照這幾方面分別設計了三個活動，讓學生了解物聯網的概念，了解云端控制的原理，并讓學生自行設計算法模擬費用計算這一過程。

活動1讓學生了解電子鎖的實現，研究過程中會涉及物聯網和云控平臺，這個實例能讓學生理解物聯網和云端的概念?；顒?是在活動1的基礎上，繼續研究共享單車是如何定位和跟蹤定位記錄的，讓學生了解LBS定位服務技術?；顒?是研究共享單車的計時收費，讓學生設計算法編程模擬共享單車如何計算費用這一環節。

在難度的把握上，活動3可以由教師提供“數據讀取”的程序模塊，學生編程時直接調用即可，這就大大降低了活動的難度。設計收費算法時，可以讓學有余力的學生考慮加入紅包或周末免費這些條件。采用此類方法可以調節活動的難易程度，該項目適用于學科素養要求在水平1和水平2的不同教學場合。

拓展思考的設置是為了讓學生思考LBS定位服務的其他應用及其意義。

案例2：依托二維碼的實用物聯網系統

學業要求：按照任務需求，了解二維碼記載數據的方式，對常見的QR CODE編碼能進行分析，能理解二維碼的容錯能力、譯碼可靠性、編碼范圍等基本特性，能根據二維碼在物聯網中的實際應用，理解二維碼在主、被讀類物聯網應用中的優勢，讓學生認識到二維碼在物聯網信息系統中的重要性。

情境設置：現在的市場上，經常會有一些水果表面貼有二維碼，小張同學有一天用手機掃了掃某種西瓜的二維碼（如下頁圖5），沒想到二維碼里注明了產品種植合作社名稱、種植基地地址、種植人姓名及聯系電話，還有品種名稱和品質特點等信息；結賬時小張也使用了支付二維碼（如下頁圖6），甚覺方便。方便的二維碼應用，激發了小張強大的好奇心和興趣，為此他準備好好研究一下物聯網中的二維碼。他作了如下的研究。

（1）通過查閱資料知道，常見的二維碼均是以QR碼作為編碼的碼制，它是在一個矩形空間內，以矩陣的形式組成，在矩陣相應元素位置上用“點”表示二進制“1”，用“空”表示二進制“0”。二維碼的容錯機制（圖中的格式信息，表示糾錯級別）在即使沒有辨識到全部的條碼，或者條碼有污損時，也可以正確地還原條碼上的信息，如圖7所示。

（2）收集、分析物聯網中的二維碼，總結出二維碼在主、被讀類模式應用中的五大領域，如下表所示。

分類 領域 例子

主讀類 接入網絡 網站二維碼

數據防偽 新版火車票

溯源 西瓜二維碼標簽

被讀類 憑證類 二維碼門票

存儲名片 二維碼名片

小張同學認為：二維碼作為一種新的信息存儲、傳遞和識別技術，能迅速融入到物聯網中，賦予了物體“智能”，從而能實現人機對話、溝通，二維碼構成的信息系統能使我們的生活更加方便快捷、安全健康。

項目主題：了解二維碼在物聯網系統中的應用。

項目活動：

◇活動1：

通過理解二維碼的編碼知識，清晰認識到二維碼的優勢所在，分析其在高密度編碼、編碼范圍、容錯能力、安全性能等特性方面的知識。

◇活動2：

①收集物聯網中的二維碼應用，整理數據，感知二維碼的兩大分類模式。

②通過實踐活動、分析實踐數據，初步得出物聯網中二維碼應用的五大領域。

③形成實驗研究報告。

教學說明：

①本課例的教學，主要是讓學生了解二維碼的基本編碼原理，理解二維碼的基本特性，從二維碼的點（1）空（0）編碼方式入手，提高學生的信息思維能力。讓學生收集、分析物聯網中二維碼的實用系統，理性認識到二維碼在物聯網迅速發展中的優勢，總結形成實驗報告，提高學生的信息化應用能力與歸納概括的能力。

②該課例以生活中常見的二維碼為應用案例，讓學生對物聯網中的二維碼產生了濃厚的探知興趣。在活動中，讓學生主動參與探索二維碼的基本原理和特性，理性認識到二維碼在物聯網中的優勢。在探究二維碼應用的五大領域時，讓學生通過多種途徑獲取二維碼的實用信息，培養學生高效利用信息工具和信息資源的核心素養。

③鑒于本課需要學生的積極實踐和協作、探究，所以在教學安排上建議用兩節課完成：一節安排任務，明確方向，收集資料；一節相互討論，展示歸納概括，形成有效的實驗報告。至于活動地點，需要在有網絡環境的技術實驗室里才能完成。

④在實際教學中，用溯源類二維碼應用激趣，用憑證類二維碼應用引同感。這樣既明確了二維碼的兩大分類，又給學生指引了自主探索的方向。學生在收集、整理信息時，可能在憑證類和數據防偽兩大領域有交叉感，教師要適時給予指導和個別小組輔導，引導學生得出正確的結論，從而突破本課的難點。

⑤關于本課例的拓展，可以對物聯網的發展趨勢和人工智能的方向進行適當引導。

專家點評

案例1

本案例結合實際生活的信息系統應用實例，結合當下物聯網應用中最熱門的應用，通過“了解共享單車的電子鎖”“了解共享單車的定位與記錄”及“了解共享單車的費用計算”三個實踐活動的開展，引導學生了解共享單車的原理，了解物聯網的概念，了解車輛電子鎖控制、GPS定位、GPRS數據傳輸的功能，思考信息系統的組成要素，認識信息系統對人們日常生活與社會發展的重要作用，選題新穎，突出了重點。該案例抓住共享單車實現的三個重要環節，讓學生展開探究，一方面可激發學生的學習興趣及求知欲，另一方面可讓學生深入了解物聯網系統的構成要素及實現方法，從而對信息系統中人、網、物幾者的關系能有具體的認識。在活動3中，還特別設計了編寫程序模擬共享單車收費的環節，學生既加深了對共享單車應用的理解，又鞏固了算法的認識，綜合應用能力得到提升。

其實，就共享單車而言，其應用模式是不一樣的。如果案例中能引導學生探索一下其他品牌的共享單車的應用情況，特別是解釋“成都小學生5秒解鎖共享單車”的實例，也許學生會對物聯網的應用及安全防護有更深刻的認識。

案例2

本案例結合實際生活中二維碼在物聯網信息系統中的實際應用實例，通過了解二維碼的編碼碼制，認識二維碼的應用優勢，從而促使學生研究二維碼與物聯網應用的聯系及其與使用者的關系，最終使其加深對信息系統的了解。

從本案的標題來看，“依托二維碼的實用物聯網系統”可以理解為已經在現實生活中付諸應用了的系統，更可以理解為組建一個“依托二維碼的實用物聯網系統”，即利用信息技術實驗室創設真實的問題情境，通過指導學生合作或獨立完成一個信息系統的硬件搭建和軟件安裝，為學生提供從信息系統設計規劃到軟硬件操作的實踐體驗機會，提高學生對信息系統價值的認識以及利用信息系統解決問題的能力。在這一方面，此案例尚有許多鮮活的教學內容可以發掘。例如，基于物聯網的遠程視頻監控系統，既可以利用現成設備及軟件，讓學生操控，感受物聯網的實際效果，也可以利用學校計算機實驗室或開源平臺搭建實驗物聯網系統，讓學生從原理和實踐的層面，深刻認識物聯網及控制的本質，深層次地提升信息素養。