新课标中“物联网技术”教学实施初探

    刘宜萍

    

    

    

    摘要：高中信息技术新课标必修和选择性必修模块中都涉及“物联网技术”。国产ESP系列物联网芯片的兴起和各种简单易用的中小学物联网平台的出现，为“物联网技术”进入中小学课堂提供了软硬件的支持。基于此，本文探讨了中小学“物联网技术”教学的实施意义、条件，探索实施策略并进行案例分析。

    关键词：新课标?物联网技术

    新课改后，为培养适应“大数据和人工智能”时代需要的创新人才，“物联网技术”被引入中小学课堂。本文从实施意义、条件以及实施策略和案例分析几个方面，探讨“物联网技术”在中小学课堂教学中的有效实施。

    一、中小学“物联网技术”教学的实施意义

    物联网（Internet of things，简称IoT）即“万物互联的网络”。随着互联网和人工智能技术的成熟，我们生活中的各种物品，都可以通过传感设备接入互联网中，实现人、机、物的互联。

    2017年《普通高中信息技术课程标准》颁布，其中必修“信息系统与社会”模块和选择性必修“网络基础”模块，都明确写有“物联网技术”。在必修模块2中，要求通过学习物联网应用的真实案例，让学生了解传感和控制的相关知识，知道信息系统是怎样与外部世界连接的。而在选择性必修的“网络基础”模块中，物联网技术也是主要的学习内容之一。

    由于云计算和大数据技术的日渐成熟，物联网得以出现，并进而迎来了人工智能时代，又被人们称为DT （Data Technology）时代。而大数据是人工智能的基石，对于人工智能和DT时代而言，物联网（IoT）肩负了一个至关重要的任务：数据采集。

    物联网技术的出现，引发了数据量的快速增长。数据对人们的生产和生活的影响日益凸显，掌握数据处理的基本方法与技能，也显得尤为必要。在新课改中，信息技术和数学学科的课程标准里都增加了与“大数据”技术息息相关的内容。信息技术课标中反复强调“数据”一词，突出了数据采集、数据分析等。信息技术必修模块1“数据与计算”，尤其注重培养学生的数据处理的基本方法与技能。

    因此，“物联网技术”进入中小学课堂是大势所趋，是培养适应人工智能和大数据时代发展的人才的需要。物联网技术进入中小学课堂有着重要的意义。

    二、中小学“物联网技术”教学的实施条件

    物联网技术应用可以分为以下三大结构层次：

    第一结构层次是感知层，主要在于采集和感知各物体及设备的数据信息。

    第二结构层次是网络层，可以看作是数据信息传输通道。

    第三结构层次是应用层，根据不同需求进行调整及应用，如食品追溯、环境监测、智能医疗等。

    三个层次涉及了传感、控制、网络等众多技术以及昂贵的硬件设备，这也导致物联网技术很难进入中小学生课堂。

    在中小学课堂教学中实施物联网技术，除了新课改的政策支持外，还需要有适合中小学生使用的硬件和软件的支持。

    之前中小学课堂上用的大部分是国外的arduino开源硬件，国产物联网芯片技术的成熟、ESP系列物联网芯片的兴起，为中小学课堂使用物联网提供了条件。使用ESP32芯片的掌控板发布后受到广大学生的欢迎：双核32位MCU、2.4GHz双模Wi-Fi和蓝牙芯片，主频高达230MHz，将物联网的智能终端成本从百元降到了几十元，能够满足中小学课堂物联网教学需要。

    但掌控板仅仅实现了物联网采集终端的低成本化，使用物联网技术的教学还要求进行专用的物联网平台的开发。简单易用是中小学物联网教学对物联网平台的基本要求。Esay Iot、阿里云、OneNet、Blynk和SIoT等物联网平台，已经集成到如Mind+、mPython、Mixly、App Inventor2和Python等众多的中小学创客教育编程软件中。

    适合中小学使用的物联网平台和智能终端的出现，不仅让物联网技术进入中小学课堂成为可能，还提供了一种更加便捷的数据采集方式，帮助学生通过“数据探究”的方式去研究科学问题。

    三、中小学“物联网技术”教学的实施策略和案例分析

    中小学物联网项目根据要解决的问题和研究对象，主要分为创意设计和考察探究两大类。

    第一类：创意设计类项目。就现实世界中存在的一些问题，提出创意设计方案，并制作出相关作品。例如智能家居模型、中小学运动姿态远程健康监控系统等。

    第二类：考察探究类项目。在基于数据的科学探究活动中，发挥物联网优势，用实时、无线的方式，快捷方便地采集数据。例如热辐射实验探究、甲醛实验探究等。

    基于项目式学习（PBL）开展中小学物联网教学。根据新课标的理念，将知识积累、技能培养与思维发展融入运用物联网技术解决问题和完成项目的过程中。

    下面以“中小学运动姿态远程健康监控系统”物联网项目为例，按PBL学习方式的六个阶段，探究项目的实施。

    1.选定项目

    根据身边的问题，选定项目。如：中小学生久坐学习，坐姿是否端正？每天的运动量够不够？怎样预防运动中昏厥或猝死情况的出现。因此，需要一个能监测中小学生运动量、坐姿、心率，并且能将这些数据实时传送给家长或医疗服务机构的物联网平台，让家长和医疗服务机构能分析数据，进行更科学的健康监控。

    2.制订计划

    监测坐姿和心率、计算运动量，并实时传送到家长或老师的电脑和手机上。制订项目计划，拟订解决方案。项目整体设计如图1和图2所示。

    3.活动探究

    首先根据计划方案，各组分别探究：（1）如何实现坐姿监测;（2）如何监测运动步数和心率;（3）如何进行坐姿错误提醒;（4）如何将采集的数据上传至物联网平台。

    其次进一步确定、细化解决方案：（1）用安装在坐垫中的压力传感器和安装在徽章中的三轴加速度传感器同时监测坐姿。（2）用徽章中三轴加速度传感器计步。用心率血氧传感器监测心率，该传感器也集成安装在徽章中。由于检测心率时需要将心率传感器贴近手腕皮肤，因此可采取“一物两用”方式：当需要监测坐姿时，以“徽章”的形态工作;当需要监测心率时，将徽章中的主控等拿出，放置于腕带盘中，以“腕带”的形态工作。（3）徽章中的三轴加速度传感器监测到坐姿不正確时，用MQTT协议发送消息到坐垫中震动马达以提醒。（4）利用终端采集数据，通过MQTT协议传输至物联网平台。如图3所示。

    4.构建系统

    中小学运动姿态远程健康监控系统，主要由座椅垫和徽章（腕带）两部分组成。利用有ESP32物联网功能的掌控板以及各种传感器构建系统，实现主要功能;用物联网平台传输数据，使家长或医疗服务机构通过分析数据进行科学有效的健康监控。物联网平台和相关消息监控如图4、图5和图6所示。

    5.成果交流

    小组展示介绍自己的解决方案，演示最终效果。另外，在数字化学习平台上，详细了解各组设计方案的技术资料。

    6.活动评价

    在了解各组方案的基础上，进行自评和互评，为各组方案的完善及修改提出建议。

    新课程改革正式将物联网划入新课标。国产ESP系列物联网芯片的兴起，以及各种简单易用的物联网平台的出现，为“物联网技术”进入中小学课堂提供了软硬件的支持。基于“项目式学习”的物联网技术教学实施策略，让中小学生能利用物联网技术设计解决真实世界问题，或开展基于数据的科学探究活动。

    参考文献：

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

    [2]谢作如.让“物联网和大数据”走进中小学课堂—— 我和“虚谷物联”项目的故事[J]. 中国信息技术教育，2019（19）.