中小學信息技術教育技術平臺標準初步研究

傅 騫，曾子龍，李 晟

（1.北京師范大學“移動學習”教育部—中國移動聯合實驗室，北京 100875 ；2.北京師范大學 教育學部教育技術學院，北京 100875；3.中國移動通信集團有限公司政企客戶分公司，北京 100053）

1 問題提出

隨著信息技術的不斷發展和人才需求的不斷提升，2017年教育部發布了兩個和中小學信息技術教育相關的文件，即《普通高中課程方案（2017版）：信息技術課程標準》[1]和《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》[2]。新的普通高中信息技術課程標準包括必修課、選擇性必修課和選修課。必修課包括數據與計算、信息系統與社會，選擇性必修課包括數據與數據結構、網絡基礎、數據管理與分析、人工智能初步、三維設計與創意、開源硬件項目設計，選修課包括算法初步和移動應用設計。新的中小學綜合實踐活動課程主題包括3～6年級的趣味編程入門、三維趣味設計、程序世界中的多彩花園等和7～9年級的體驗物聯網、開源機器人初體驗等。

從上述兩個新課標發現，中小學和普通高中的信息技術教育課程單獨依靠電腦是無法完成的，需要多個技術平臺提供支持。深入分析這兩個文件可以發現，新的信息技術教育將聚焦于五大部分：程序設計、開源硬件、三維設計、物聯網和人工智能。在這五大部分中，三維設計相對獨立，其對應的軟件比較單一，規范也比較成熟，故不在本文探討之列；而其他4個部分的技術平臺則緊密地聯系在一起，其整體架構見圖1。

（1）底層芯片層。板卡執行計算的核心部分，對用戶來說相對透明，無需關心。

圖1 新課標下的信息技術教育技術平臺架構圖

（2）開源硬件板卡層。芯片加外圍器件后形成的電路板，在實際應用中，一般包括3個部分：主控板、擴展板和外接模塊。

（3）開源固件層。運行在主控板上的小型操作系統或程序解釋器。

（4）編程工具層。能對板卡進行編程控制的工具。

（5）物聯網接入平臺。能夠接收各類開源硬件發過來的數據并進行存儲、顯示、分析和控制的軟件平臺。

（6）人工智能接入平臺。能夠提供人工智能服務接口，方便用戶完成人臉識別、語音識別、自然語言處理等任務，搭建簡單人工智能應用的云端平臺。

根據圖1的平臺架構，結合中國當前市場的現狀，筆者發現當前面向中小學信息技術教育的技術平臺存在以下幾個問題。

（1）同類型的平臺在市場上有眾多形態各異的產品，不同產品的使用方法差異巨大，但原理相似、功能類似，這就給新課標教材的編寫、學生的學習帶來了極大的困惑：教材到底應該選擇哪一款產品？學生學會了A平臺，B平臺是否又要重新學？

（2）圖1中各個部分的主流平臺大多是國外產品，尤其是處于基礎地位的開源硬板卡和開源固件，如Arduino[3]是來自意大利的產品，最近比較流行的Micro:bit[4]是英國廣播公司BBC在中國全力推廣的。表面上看，這些不是大問題；長遠來看，這些產品會像芯片一樣，對“2025年中國制造”計劃造成極大挑戰。但是，中國本土的相關企業規模都較小，單靠一家很難與之抗衡。

（2）由于缺乏統一的標準，很容易使大企業的產品成為事實上的規范，從而形成“一家獨大”的局面，形成壟斷，不利于中小企業參與競爭。沒有競爭，往往會導致產品停滯不前，無法朝更好的方向迭代。

綜上所述，有必要研究制訂中小學信息技術教育技術平臺標準，從而較好地解決上述問題。

2 技術平臺標準化的思路

標準有助于信息技術教育的實施，但并不是所有面向中小學信息技術教育的技術平臺都需要制訂特定的標準。一是面向中小學信息技術教育的技術平臺類型有成千上萬種，沒有精力為每種類型的教育平臺研制標準；二是并不是所有類型的技術平臺都需要研制相應的標準，比如某個類型的技術平臺產品比較單一，無需為之制訂標準；三是某些技術平臺可以直接使用其他領域的標準，也就無需額外制訂標準。

從信息技術教育的需求和產業的健康發展出發，技術平臺的標準需要考慮的因素見圖2。只有考慮了這些因素的平臺標準，才能引領機構和企業更快、更好地打磨出比國外更為優秀的、符合國人思維習慣的本土教育平臺。

具體而言，只有符合以下條件的平臺才需要制訂相應的標準。

圖2 技術平臺標準需要考慮的因素

（1）技術基本成熟。該類平臺的技術成熟，國內市場上產品多樣，但是又缺乏統一標準。比如第一部分提到的開源硬件板卡，現在國內板卡廠商推出的Arduino板卡有成百上千種，另外還有一些Micro:bit和樹莓派[5]的產品。這些板卡使用方法上存在很大差異，但是功能差不多，市場上沒有相關標準，所以需要建立標準。

（2）吸引企業參與。制定標準后，該類平臺可以吸引更多的機構、企業參與競爭，能夠有效防止巨頭企業的壟斷效應，給更多優秀的國內企業提供公平競爭的機會，這類技術平臺就需要研制標準，如物聯網接入平臺，如果沒有標準，小企業很難有機會和大企業競爭。

（3）促進企業研發。制定標準后，該類平臺如果能夠方便機構快速進入，則需要標準。標準的制訂不應該只包括規范的文本，還應該包括一個基于該標準的開源實現。如果制訂標準的參與者都沒有能力基于這個標準做出開源實現，那其他機構、企業也不會相信這個標準的可實現性和通用性。一旦實現了基于標準的開源實現，那其他機構、企業就能迅速在開源實現的基礎上完成各自的平臺產品。

（4）方便教材編寫。制定標準后，如果相關的信息技術教育教材能夠更好地編寫，則與之對應的平臺需要標準，在沒有標準的情況下，教材編寫人員不知道要以哪種平臺為基礎來編寫。教師教了A教育平臺后，還得教B、C教育平臺；學生學了A教育平臺后，依然不會使用B、C教育平臺。這種重復性的工作將在研制標準后得到很好解決。

（5）降低教育成本。制定標準后，如果相關的信息技術教育能夠降低成本，則與之對應的平臺需要標準。比如，制定了板卡和擴展板之間接口標準后，所有的擴展板都能在各種板卡上使用，不需要再買同一家廠商配套的板卡和擴展板，這樣就能夠提高板卡和擴展板的復用性，從而有效地降低成本。

（6）提升本土機會。制定標準后，如果能提高本土教育企業的機會，那與之對應的平臺需要標準。不可否認的是，國外教育產品在硬件、軟件、課程等方面確實做得比較好，也很有超前意識，光靠本土企業的單打獨斗是沒有機會的。但是，在標準的幫助下，所有的企業產品、服務就可以實現一定程度上的互通，從而作為一個整體和外國企業競爭，機會就會大得多。

3 中小學信息技術教育技術平臺標準的主要內容

2017年新課標下信息技術教育聚焦在程序設計、開源硬件、三維設計、物聯網和人工智能領域。結合第二部分提出的技術平臺標準化的思路，考慮到面向信息技術教育的技術規范和面向工業應用的技術規范有很大的不同，筆者提出新課標下5類中小學信息技術教育技術平臺標準。5類教育平臺標準、教育平臺和教學內容的關系見圖3。

3.1 面向中小學信息技術教育的開源硬件板卡連接標準

開源硬件系統在硬件組成上包括主控板、擴展板和外接模塊。主控板指微處理器的控制板，擴展板指微處理器的管腳進行外界擴展的板卡，外界模塊是各種類型的傳感器。

為保證不同開源硬件廠商的硬件能夠相互連接，降低教育成本，該標準對主控板和擴展板、擴展板和外界模塊的連接進行規范，具體包括物理接口規范、管腳定義規范與電器特性規范等。物理接口規范規定管腳插口、接線方式、插槽物理尺寸等；管腳定義規范規定數字輸入管腳、數字輸出管腳、模擬輸入管腳、模擬輸出管腳分別對應的具體管腳號；電器特性規范包括使用的傳感器芯片規范、連接線規范等。開源硬件板卡連接標準效果見圖4。

圖3 5類教育平臺標準、教育平臺和教育內容關系圖

圖4 開源硬件板卡連接標準效果圖

3.2 面向中小學信息技術教育的開源硬件控制程序語法標準

目前市場上不同的主流開源硬件都有不同的程序語法標準，比如同為運行MicroPython[6]固件的Micro:bit主控板和ESP32[7]主控板，雖然程序都是Python，但是管腳控制、中斷操作等并不完全相同，給學習者造成很大的困擾。為了降低學習者的學習成本，達到觸類旁通的學習效果，需要對開源硬件控制程序語法標準進行規范。

開源硬件程序語法標準需要建立在某種特定的程序設計語言基礎上，因為不同的程序設計語言以其特有的語法特點而無法做到統一。目前主流的開源硬件程序編程語言有Arduino的C++語言、MicroPython的 Python語 言、Espruino[8]的JavaScript語言等。2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》[9]，明確要求從2017年秋季開學開始，在中小學設置人工智能相關課程，目前人工智能的主流編程語言是Python。Python的語法簡單、內置數據結構清晰強大，能夠完成Web服務端、網絡通信、桌面應用、大數據處理、深度學習等一系列開發。因此，基于Python語言的MicroPython固件很有可能是未來開源硬件固件層的標準。基于MicroPython語法制訂開源硬件程序語法標準將是一個不錯的選擇。

因此，本標準需要在MicroPython的語法基礎上，規范硬件控制的語法，具體包括管腳控制、中斷管理、時鐘管理、數模轉換、模數轉化、脈寬調制、網絡連接、串口通信、SPI通信、I2C通信、單總線通信等語法規范。

3.3 面向中小學信息技術教育的開源硬件與計算機數據交換標準

開源硬件經常需要與計算機進行數據交換，以進行程序控制、圖形繪制、數據存儲、大數據分析等。常見的開源硬件與計算機通信方式有串口通訊、藍牙通信、Wif i 通信等。基于這些通信方式，市場上有各種各樣的物理通信協議開源硬件與計算機數據交換標準來實現硬件與計算機之間數據交換。例如Arduino系列板卡程序控制采用基于串口通信的STK500協議[10]和STK500 V2協議[11]等；ESP32程序控制采用基于串口通信的另外一種協議；S4A[12]是能在Scratch[13]上編寫控制Arduino程序的軟件，采用S4A串口通信協議來進行程序上傳。另外，繪圖等工具往往需要特定的數據格式。例如Mixly[14]的串口繪圖工具要求開源硬件發送到計算機的數據必須是數字，且每行多個數字之間以分號分割，其他的串口繪圖工具可能要求多個數字之間用制表符分割。不同的物理通信協議和不同的數據格式要求往往會給開源硬件廠商的研發、教師和學生在不同軟件的使用上帶來不必要的麻煩。

因此，本標準將對開源硬件與計算機的數據交換進行規范，具體包括物理通信協議規范、數據格式規范等。借助于該規范，不同的應用軟件（如串口可視化工具、大數據分析工具等）只需要讀取交換的數據中對應字段數據，就可以將其導入軟件進行進一步操作了。

3.4 面向中小學信息技術教育的物聯網接入平臺接口標準

物聯網接入平臺的使用是物聯網教育的基礎，它負責物聯網數據的接入、存儲、管理和反向控制。開源硬件上傳感器采集的數據可以通過Wif i發送到物聯網平臺進行進一步處理，其傳輸協議可以是HTTP、MQTT等。不同的物聯網接入平臺往往有自己的一套接口規范，有些平臺接口粒度較粗，有些平臺接口較細，接口名和參數格式往往不同。使用者如果想將數據發送到不同的物聯網接入平臺，需要查看不同平臺的接口使用文檔，才能知道如何發送。這個過程給使用者帶來了反復查看不同平臺接口使用文檔的不必要麻煩。

該標準將對物聯網接入的接口進行規范，包括物聯網設備管理接口規范、物聯網數據管理接口規范、物聯網數據流管理接口規范和物聯網反向控制觸發器管理接口規范等。這幾個接口都通過HTTP、MQTT等協議進行操作。

（1）每一個物聯網平臺在接收新數據時都需要提前創建一個新設備，物聯網設備管理接口規范是將不同物聯網平臺接入新設備的接口格式及設備信息進行規范化。

（2）物聯網平臺最重要功能之一是數據管理接口，它能接收不同設備傳送過來的大量數據，并對其進行存儲和可視化，物聯網數據管理接口規范是將不同平臺接收數據的接口格式及參數格式進行規范化。

（3）物聯網數據流管理能提供某個設備在某段時間內數據流的查詢功能，物聯網數據流管理接口規范需要將不同平臺的接口格式、查詢的設備信息、數據采集時間等參數進行規范化。

（4）物聯網反向控制觸發器檢測到發送的數據中包含某個數據值時，就會觸發提前設置好的行為。物聯網反向控制觸發器管理接口規范需要對接口格式、觸發條件和觸發后的行為規范化。

3.5 面向中小學信息技術教育的人工智能服務平臺接口標準

大部分中小學信息技術教師和學生都是第一次接觸人工智能，他們都認為人工智能是一個極其復雜、玄妙神奇的學科。因此，人工智能服務平臺接口標準的統一將極大地簡化他們學習人工智能的成本，降低他們的認知負荷，幫助他們更好、更快地體驗人工智能算法，如語言識別應用、自然語言處理應用、圖像識別應用等。

中小學信息技術的新課標要求學生了解人工智能算法，并利用開源工具，搭建簡單人工智能應用等。因此，本標準將包括人工智能Web服務接口規范、訓練數據格式規范、模型文件規范、模型評估規范、人工智能程序編程語法規范。

（1）人工智能服務Web接口規范需要統一不同人工智能服務平臺的RESTful API接口，包括URI路徑和對應的參數格式。

（2）訓練數據格式規范需要統一不同平臺的訓練數據格式，如TensorFlow[15]和PaddlePaddle[16]平臺對于同一模型的訓練數據格式就有一些差別。

（3）模型文件規范需要統一不同平臺保存模型的格式，現在幾乎所有人工智能平臺訓練完成后保存的模型文件格式都不一樣，用A平臺訓練的模型，很有可能無法在B、C平臺上使用，除非B、C平臺對A平臺的模型做了特殊兼容處理。

（4）模型評估規范需要規范模型訓練完成后的評估指標。例如，是顯示每輪迭代后的評估指標，還是只顯示最終的評估指標？最終的評估指標需要顯示哪些常用的參數，如AUC等？

（5）人工智能程序編程語法規范需要針對中小學信息技術新課標需求，統一人工智能程序的上層語法標準。不同人工智能平臺由于初衷不同，即使編寫功能相同的程序（都用Python語言編寫），往往也有很大出入。但是，新課標下學生對人工智能掌握程度要求較低，完全有可能對不同平臺的語法做上層的封裝，統一上層語法標準，讓學生感知不到不同平臺帶來的差異。

4 結 語

在新的信息技術課程標準下，中小學信息技術課程的開展需要多個技術平臺為之服務，這些技術平臺如果沒有統一標準的指導，那么會給教材的編寫、學生的學習帶來極大困難，也會使本土企業在和外國產品的競爭中處于劣勢。因此，筆者為了實現吸引企業參與、促進企業研發、方便教材編寫、降低教育成本、提升本土機會的目標，提出了制定中小學信息技術教育技術平臺標準的需求和具體實現的思路。筆者相信，只要制訂出得到國內大多數企業認同的技術標準，中小學信息技術教育的實施將會變得簡單和有效，也會使更多企業參與競爭，提升國家在此領域的核心競爭力。