新課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”教學(xué)實(shí)施初探

劉宜萍

摘要：高中信息技術(shù)新課標(biāo)必修和選擇性必修模塊中都涉及“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。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(xué)物聯(lián)網(wǎng)平臺的出現(xiàn)，為“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”進(jìn)入中小學(xué)課堂提供了軟硬件的支持?；诖?，本文探討了中小學(xué)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”教學(xué)的實(shí)施意義、條件，探索實(shí)施策略并進(jìn)行案例分析。

關(guān)鍵詞：新課標(biāo)?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

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

一、中小學(xué)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”教學(xué)的實(shí)施意義

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

2017年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》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(luò)基礎(chǔ)”模塊，都明確寫有“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。在必修模塊2中，要求通過學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的真實(shí)案例，讓學(xué)生了解傳感和控制的相關(guān)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(luò)基礎(chǔ)”模塊中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。

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

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)里都增加了與“大數(shù)據(jù)”技術(shù)息息相關(guān)的內(nèi)容。信息技術(shù)課標(biāo)中反復(fù)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。信息技術(shù)必修模塊1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”，尤其注重培養(yǎng)學(xué)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(shù)”進(jìn)入中小學(xué)課堂是大勢所趨，是培養(yǎng)適應(yīng)人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的人才的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入中小學(xué)課堂有著重要的意義。

二、中小學(xué)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”教學(xué)的實(shí)施條件

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用可以分為以下三大結(jié)構(gòu)層次：

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

第二結(jié)構(gòu)層次是網(wǎng)絡(luò)層，可以看作是數(shù)據(jù)信息傳輸通道。

第三結(jié)構(gòu)層次是應(yīng)用層，根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整及應(yīng)用，如食品追溯、環(huán)境監(jiān)測、智能醫(yī)療等。

三個(gè)層次涉及了傳感、控制、網(wǎng)絡(luò)等眾多技術(shù)以及昂貴的硬件設(shè)備，這也導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很難進(jìn)入中小學(xué)生課堂。

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

之前中小學(xué)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(shù)的成熟、ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片的興起，為中小學(xué)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(xué)生的歡迎：雙核32位MCU、2.4GHz雙模Wi-Fi和藍(lán)牙芯片，主頻高達(dá)230MHz，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(xué)課堂物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)需要。

但掌控板僅僅實(shí)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(shù)的教學(xué)還要求進(jìn)行專用的物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)。簡單易用是中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)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(xué)創(chuàng)客教育編程軟件中。

適合中小學(xué)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(shù)進(jìn)入中小學(xué)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(xué)生通過“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學(xué)問題。

三、中小學(xué)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”教學(xué)的實(shí)施策略和案例分析

中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目根據(jù)要解決的問題和研究對象，主要分為創(chuàng)意設(shè)計(jì)和考察探究兩大類。

第一類：創(chuàng)意設(shè)計(jì)類項(xiàng)目。就現(xiàn)實(shí)世界中存在的一些問題，提出創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案，并制作出相關(guān)作品。例如智能家居模型、中小學(xué)運(yùn)動姿態(tài)遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng)等。

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

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

下面以“中小學(xué)運(yùn)動姿態(tài)遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng)”物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目為例，按PBL學(xué)習(xí)方式的六個(gè)階段，探究項(xiàng)目的實(shí)施。

1.選定項(xiàng)目

根據(jù)身邊的問題，選定項(xiàng)目。如：中小學(xué)生久坐學(xué)習(xí)，坐姿是否端正？每天的運(yùn)動量夠不夠？怎樣預(yù)防運(yùn)動中昏厥或猝死情況的出現(xiàn)。因此，需要一個(gè)能監(jiān)測中小學(xué)生運(yùn)動量、坐姿、心率，并且能將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給家長或醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，讓家長和醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)能分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行更科學(xué)的健康監(jiān)控。

2.制訂計(jì)劃

監(jiān)測坐姿和心率、計(jì)算運(yùn)動量，并實(shí)時(shí)傳送到家長或老師的電腦和手機(jī)上。制訂項(xiàng)目計(jì)劃，擬訂解決方案。項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

3.活動探究

首先根據(jù)計(jì)劃方案，各組分別探究：（1）如何實(shí)現(xiàn)坐姿監(jiān)測;（2）如何監(jiān)測運(yùn)動步數(shù)和心率;（3）如何進(jìn)行坐姿錯(cuò)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(jìn)一步確定、細(xì)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(shí)監(jiān)測坐姿。（2）用徽章中三軸加速度傳感器計(jì)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(shí)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(dāng)需要監(jiān)測坐姿時(shí)，以“徽章”的形態(tài)工作;當(dāng)需要監(jiān)測心率時(shí)，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(shí)，用MQTT協(xié)議發(fā)送消息到坐墊中震動馬達(dá)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(gòu)建系統(tǒng)

中小學(xué)運(yùn)動姿態(tài)遠(yuǎn)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(gòu)建系統(tǒng)，實(shí)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(wù)機(jī)構(gòu)通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的健康監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)平臺和相關(guān)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(xué)習(xí)平臺上，詳細(xì)了解各組設(shè)計(jì)方案的技術(shù)資料。

6.活動評價(jià)

在了解各組方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(biāo)。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(shù)”進(jìn)入中小學(xué)課堂提供了軟硬件的支持?；凇绊?xiàng)目式學(xué)習(xí)”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)實(shí)施策略，讓中小學(xué)生能利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)解決真實(shí)世界問題，或開展基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究活動。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（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(jìn)中小學(xué)課堂—— 我和“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目的故事[J]. 中國信息技術(shù)教育，2019（19）.