貫穿邏輯主線的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”教學
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發(fā)布 : 02-21
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本文聚焦《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，深入梳理與分析數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息安全、信息處理和人工智能六條邏輯主線，并以“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊為例，結合六條邏輯主線的要求，從教學實踐的角度提出六點建議，以期為信息科技課程標準的落地貢獻微薄力量?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的頒布標志著信息科技課程正式成為國家課程。新課標基于核心素養(yǎng)發(fā)展要求，依據(jù)學科概念的邏輯關系梳理出數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線，并按照學生的認知規(guī)律和信息科技的學科特點，統(tǒng)籌安排各學段的學習內(nèi)容。信息科技課程中的六條邏輯主線新課標圍繞六條課程邏輯主線，分階段制訂了義務教育學段的目標與內(nèi)容，加強課程內(nèi)容的螺旋式遞進，形成比較穩(wěn)定的信息科技課程體系，為學校有步驟地開展數(shù)字素養(yǎng)與技能教育提供了依據(jù)。數(shù)據(jù)（包括大數(shù)據(jù)）主線關注學生獲取數(shù)據(jù)、甄別數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并應用數(shù)據(jù)的能力，引導學生體會數(shù)據(jù)對數(shù)字社會發(fā)展的作用與價值；算法作為計算思維的核心要素之一，旨在提高學生在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動；網(wǎng)絡這條邏輯主線，旨在從狹義的信息互聯(lián)發(fā)展到實現(xiàn)萬物互聯(lián)的即時海量信息交互，理解萬物互聯(lián)的途徑、原理和意義；信息處理的對象由文字、圖片、音頻、視頻等多媒體資源延伸到互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)生成的數(shù)據(jù)，遵循從“數(shù)據(jù)點”擴散到“網(wǎng)絡面”的邏輯信息組織；信息安全從文明禮儀、行為規(guī)范、依法依規(guī)、個人隱私保護等方面入手，引導學生樹立信息安全觀，最終實現(xiàn)學生所學課程內(nèi)容向所承擔社會責任的傳導與遷移；人工智能主線幫助學生理解人工智能的特點，引導學生運用人工智能，與人工智能和諧共處。“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊中的邏輯主線呈現(xiàn)隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)突破了以“人”為中心的連接模式，推動了物理世界和數(shù)字世界更深入的融合。新課標設置了“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊，聚焦物聯(lián)網(wǎng)“感知—采集—傳輸—反饋—控制”的基本功能，延伸和拓展了“過程與控制”“互聯(lián)網(wǎng)應用與創(chuàng)新”模塊，為“人工智能與智慧社會”模塊奠定了基礎。通過本模塊的學習，有助于學生形成萬物互聯(lián)對人類社會帶來影響、機遇和挑戰(zhàn)的認知，有助于學生從物理層面理解物聯(lián)網(wǎng)作為紐帶和媒介如何連接物理世界和數(shù)字世界，有助于學生將物聯(lián)網(wǎng)的相關認知轉化為實現(xiàn)簡單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。對“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊中的六條邏輯主線的梳理如下表所示。這六條邏輯主線不是各自獨立的，其內(nèi)部存在邏輯關聯(lián)和遞進關聯(lián)。在物聯(lián)網(wǎng)中，通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)是進行算法設計的基礎，是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介，而數(shù)據(jù)和算法又是物聯(lián)網(wǎng)的基礎。綜合運用“數(shù)據(jù)”“算法”“網(wǎng)絡”三大要素是信息處理的內(nèi)核，而大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的發(fā)展也迭代更新了信息處理方式和流程，隨之而來的信息安全與倫理問題也成為解決問題中的另一個焦點?！拔锫?lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊中落實六條邏輯主線的教學建議1.數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索的核心在物聯(lián)網(wǎng)中，各種傳感器設備通過不同的物聯(lián)網(wǎng)技術和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接在一起，產(chǎn)生龐大而多樣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對八年級的學生來說并不陌生，學生在模塊六中學習了數(shù)據(jù)收集、整理和分析的方法，在模塊七中學習了互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髟怼Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)的教學活動中，教師可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特點，選擇合適的開源硬件和軟件平臺，以數(shù)據(jù)為核心組織學習內(nèi)容，設計以解決真實的問題為主線的項目活動，從學生身邊的物聯(lián)網(wǎng)案例入手，讓學生學習如何通過傳感器采集來源可靠的數(shù)據(jù)，以幫助其更好地理解物聯(lián)網(wǎng)的工作原理，促進學生理解學科本質，提升計算思維素養(yǎng)。例如，在智能家居的案例中，通過傳感器采集當前環(huán)境中的光線值、溫度值等來控制燈光、空調等設備；智能手環(huán)中的傳感器采集當前佩戴人員的溫度、心跳、血壓等數(shù)據(jù)，檢測佩戴人的健康狀況等。以生活中的實際問題為切入點，關注數(shù)據(jù)的各種表現(xiàn)形式，由表及里探索物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流程，將數(shù)據(jù)和算法解決問題的策略與方法浸潤在課堂教學中，讓學生通過思考、體驗、實踐等過程將維護個人隱私與社會數(shù)字安全的信息意識內(nèi)化于心。2.算法為物聯(lián)網(wǎng)問題解決提供有效路徑算法是為解決一類問題而采取的確定而有限的步驟，可用自然語言、流程圖、偽代碼等多種方式進行描述。對于同一個問題，解決方案不同、算法不同，其結果和效率也不同。物聯(lián)網(wǎng)中的算法主要體現(xiàn)在解決真實情境中的復雜問題中。在教學活動中，教師引導學生以真實問題為切入點，進行深度思考，分析推理，將復雜問題進行模塊化分解后再處理，從而找到解決問題的方法。物聯(lián)網(wǎng)中的算法還體現(xiàn)在實現(xiàn)“感知—采集—傳輸—反饋—控制”的過程中。在教學活動中，通過搭建簡易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采集傳感器設備的相關數(shù)據(jù)，幫助學生建立數(shù)據(jù)模型。使用編碼建立數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學生理解程序邏輯結構，從而進行具體的程序編寫。面向教育的開源硬件提供了相應的圖形化環(huán)境的編程模塊，這些編程模塊中的代碼簡單易懂。例如，在模擬智能家居中人臉識別技術的應用時，首先要采集人臉數(shù)據(jù)，通過對人臉的數(shù)據(jù)分析，建立人臉模型，這樣AI攝像頭就記住了人臉；其次是人臉的識別過程，將待識別的人臉信息輸入建立的人臉模型中，人臉模型就會根據(jù)輸入的人臉信息進行數(shù)據(jù)匹配，并返回匹配的相似度結果。3.網(wǎng)絡是搭建物聯(lián)網(wǎng)理論、技術與設備的支架①以物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關系作為切入點展開探索。教學中可以設置聯(lián)網(wǎng)實驗，將學生身邊的設備接入到局域網(wǎng)中，通過設備間傳輸文件、傳輸數(shù)據(jù)等，從體系結構、通信協(xié)議、服務本質等方面對物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進行比較，梳理出物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的異同。②以物聯(lián)網(wǎng)獨特的組成結構為突破口建立理論、技術與設備的對應關系，從認識身邊的物聯(lián)網(wǎng)開始，了解物聯(lián)網(wǎng)的應用場景及應用模式。為了幫助學生理解人、物、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡之間的聯(lián)系，教師可以引導學生分析簡易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，以及對應的每個層使用了哪些技術和設備。③借助網(wǎng)絡實現(xiàn)成果分享。項目成果展示交流是教學的重要組成部分。教師要站在“網(wǎng)絡搜索與輔助協(xié)作學習”的角度設計成果分享與交流。搭建簡單易操作的網(wǎng)絡交流平臺，形成借助網(wǎng)絡實現(xiàn)互助分享的思維習慣，使學習成果分享能真正助力學生的成長。4.信息處理基于物聯(lián)網(wǎng)生成、處理數(shù)據(jù)的流程和特點信息處理不只包括對文本、聲音、圖像等資源的簡單加工處理，還包括利用算法、編程、數(shù)據(jù)分析等進行復雜加工。物聯(lián)網(wǎng)具有數(shù)據(jù)體量龐大的特點，因此，數(shù)據(jù)分析成為物聯(lián)網(wǎng)中最核心的信息處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)分析是指運用適當?shù)慕y(tǒng)計分析方法對收集到的大量的數(shù)據(jù)加以匯總、處理、分析。數(shù)據(jù)分析的目的是把隱藏在一大批雜亂無章的數(shù)據(jù)中的信息提煉出來，找出研究對象的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高標準輸出。以搭建“班級智能養(yǎng)花系統(tǒng)”為例，可以從物聯(lián)網(wǎng)平臺收集許多盆栽的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)能夠對盆栽的生長環(huán)境做出判斷，通過已有數(shù)據(jù)，對盆栽可能發(fā)生的情況做出預測。在物聯(lián)網(wǎng)中建立數(shù)據(jù)與編碼的內(nèi)在聯(lián)系也是信息處理的內(nèi)容。在教學過程中，可以列舉物聯(lián)網(wǎng)中標識與定位技術，理解數(shù)據(jù)與編碼的內(nèi)在聯(lián)系。例如，條形碼識別技術解決了數(shù)據(jù)錄入的問題，在醫(yī)療中通過條形碼手環(huán)識別患者身份信息，通過條形碼進行醫(yī)療廢物追蹤管理防止病毒感染擴散；射頻識別電子車牌克服了現(xiàn)有交通信息收集技術的瓶頸，可以用來對車輛交通信息進行分類和準確收集。5.信息安全融入到教學各環(huán)節(jié)隨著物聯(lián)網(wǎng)主要研究領域和技術應用的發(fā)展，能夠有效互聯(lián)的設備數(shù)據(jù)正在急劇增加，面臨的風險也在不斷加大。物聯(lián)網(wǎng)安全不僅包括物理安全、信息安全、數(shù)據(jù)安全，還包括安全意識、隱私和數(shù)據(jù)保護等。教師可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本框架中的三個層次結構引導學生探討存在的安全問題及預防措施。例如，物聯(lián)網(wǎng)的感知層設備易產(chǎn)生高危系統(tǒng)漏洞而感染病毒，感知層采集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡層傳輸時存在被截獲、竊取、破譯機密信息的風險，應用層的主要安全問題為虛假終端帶來的威脅。教師可以引導學生關注并保護物聯(lián)網(wǎng)中用戶數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)中用戶的數(shù)字身份應用于各個領域，用戶的個人基本信息、位置信息、設備使用的數(shù)據(jù)信息（如購物記錄）等都有可能被竊取。教師可以引導學生分析物聯(lián)網(wǎng)中用戶可能遇到的隱私安全隱患，并討論隱私信息保護的策略。教師可以從技術可控性的角度強調信息安全問題，引導學生交流討論“我國在物聯(lián)網(wǎng)領域里實現(xiàn)了哪些關鍵技術的自主可控”以及“我國物聯(lián)發(fā)展的優(yōu)勢”。信息安全在信息科技課程中占有重要地位，然而信息安全的主線并不是完全獨立的存在，它往往與其他幾條邏輯主線交織在一起，相互滲透。因此，在教學中教師可以將信息安全及自主可控滲透到每個應用場景及項目活動中，在適當?shù)捻椖繉嵤┕?jié)點強調潛在的安全風險、防護措施和技術手段等，引導學生提升安全意識，完善安全策略，樹立安全觀。6.人工智能與物聯(lián)網(wǎng)應用的新發(fā)展人工智能是研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術學科，始于數(shù)據(jù)，依賴云計算提供的計算能力，并通過機器學習做出判斷。人工智能與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)密切相關。通過物聯(lián)網(wǎng)可以從現(xiàn)實場景中采集大量的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端，這些數(shù)據(jù)既可用于訓練人工智能模型，使其更加智能，也可通過人工智能分析后，反饋給機器，輔助機器做出正確的判斷。在教學的過程中，可以引導學生分析具體的案例，體會三者之間的密切聯(lián)系。例如，物聯(lián)網(wǎng)通過工廠的傳感器、工人佩戴的設備、運輸工具等收集數(shù)據(jù)，并利用人工智能對這些數(shù)據(jù)進行分析（分辨出潛在的風險），以及時提醒管理人員維護設備，杜絕隱患，防止事故發(fā)生。人工智能技術的發(fā)展拓展了物聯(lián)網(wǎng)的應用范疇，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)與設備運行模式。例如，借助傳感器和云端系統(tǒng)，實時對車輛周圍的交通運行、停車情況等信息進行識別與分析，幫助人們及時了解交通狀況，有效解決交通方面的問題。結束語新課標四個核心素養(yǎng)和六條課程邏輯主線為義務教育學段開展信息科技課程教學指明了目標和方向。六條邏輯主線交織在一起為“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊提供了內(nèi)容結構支架，其以互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)為切入點，以探究物聯(lián)網(wǎng)“感知—采集—傳輸—反饋—控制”基本功能為著力點，聚焦物聯(lián)網(wǎng)的基本思想、原理、方法與過程，引導學生建構知識體系，發(fā)展計算思維，提高數(shù)字化合作與探究能力。本文作者：秦春娟寧夏銀川市金鳳區(qū)良田中學趙永濤寧夏教育廳教學研究室文章刊登于《中國信息技術教育》2023年第24期引用請注明參考文獻：秦春娟，趙永濤.貫穿邏輯主線的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”教學.[J].中國信息技術教育，2023（24）：20-23.（點擊跳轉至此文章）貫穿邏輯主線的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”教學對分課堂教學模式在信息科技學科中的應用研究——以《智慧教室中的開關量》一課為例歡迎訂閱點擊圖片即可訂閱
