聚焦核心素养案例研讨专题三：体验物联网，强化系统观

编者按：本栏目特邀教育部基础教育课程教材专家工作委员会成员、普通高中信息技术课标修订核心组成员、四川省教育科学研究所技术教育研究室主任、正高级教师、特级教师李维明主持，望大家踊跃参与研究与讨论（联系邮箱：358211798@qq.com）。

主题阐释

在百度百科中，信息系统（Information system）是指由计算机硬件、网络和通讯设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。信息系统的五个基本功能分别为输入、存储、处理、输出和控制。这里所说的信息系统，主要是指包含使用者在内的计算机和通讯网络的系统。

我们知道，计算机的结构主要是冯·诺依曼结构和哈佛结构，也有脱离了冯·诺依曼结构的计算机，如光子计算机、量子计算机等，但这并不是信息系统的全部。在以前的教学中，不少教师把这些结构的教学理解为信息系统的教学，忽略了信息系统中人的存在，以致出现了对信息系统片面的理解。

在本模块的教学中，教师可通过对典型的信息系统应用案例分析与实际体验等方式，引导学生学习信息系统知识，合理使用信息系统为我们的生活、学习服务。下面列举的“‘共享单车项目活动”案例，正是结合实际生活的信息系统应用实例，引导学生思考信息系统的组成要素，认识信息系统对人们日常生活与社会发展的重要作用；而“依托二维码的实用物联网系统”则利用信息技术实验室创设真实的问题情境，通过指导学生合作或独立完成一个信息系统的硬件搭建和软件安装，为学生提供从信息系统设计规划到软硬件操作的实践体验机会，提高学生对信息系统价值的认识以及利用信息系统解决问题的能力。

教学案例

案例1：“共享单车”项目活动

学业要求：了解信息技术对社会发展、科技进步以及个人生活与学习的影响，知道信息系统的组成与功能，知道信息系统与外部世界的联接方式，了解常见的传感与控制机制，以及接入方式、带宽等因素对信息系统的影响。

情境设置：共享单车在大城市已经普及，摩拜、ofo、小鸣、小蓝、骑呗……各大单车品牌充斥着人们的眼球，只要在手机上下载一个相应的APP，就能开锁使用自行车，大大方便了人们的出行。当前，单车已经不仅仅是一种简单的代步工具，而是代表着运动、健康以及生活的态度。

共享单车的主要功能有手机开锁、定位共享单车、跟踪记录骑行路线及时间并以此计费（如下页图1～图4），那么这些功能究竟是怎样实现的呢？

项目主题：了解共享单车的原理，了解物联网的概念，了解车辆电子锁控制、GPS定位、GPRS数据传输的功能，用一种程序语言编程模拟费用计算过程。

项目活动：

◇活动1：了解共享单车的电子锁。

要求：①学生2～3人一组，上网搜索共享单车的相关资料。②从硬件和软件两方面着手研究共享单车电子锁实现的方法。③撰写相应的电子锁如何实现的报告。

◇活动2：了解共享单车的定位与记录。

要求：①分组研究如何实现车辆定位。②研究如何记录并在地图上显示出行车辆的骑行路线。③撰寫相应的研究报告。

◇活动3：了解共享单车的费用计算。

要求：①上网搜索资料，了解共享单车的计时收费。②设计算法，用VB编写程序模拟共享单车的收费。③改进算法，优化程序。

拓展思考：打车软件，如滴滴快车、Uber等，可以实时显示并通知用户周围的出租车、快车情况；外卖软件，如百度糯米、美团外卖等，可以显示用户周围的餐饮情况。这些软件是如何工作的？还有哪些软件运用了这种工作模式？这种工作模式还能有其他什么应用？

项目实施说明：共享单车的核心部件主要是车控终端，主要实现了电子锁控制、GPS定位、GPRS数据传输的功能。此项目按照这几方面分别设计了三个活动，让学生了解物联网的概念，了解云端控制的原理，并让学生自行设计算法模拟费用计算这一过程。

活动1让学生了解电子锁的实现，研究过程中会涉及物联网和云控平台，这个实例能让学生理解物联网和云端的概念。活动2是在活动1的基础上，继续研究共享单车是如何定位和跟踪定位记录的，让学生了解LBS定位服务技术。活动3是研究共享单车的计时收费，让学生设计算法编程模拟共享单车如何计算费用这一环节。

在难度的把握上，活动3可以由教师提供“数据读取”的程序模块，学生编程时直接调用即可，这就大大降低了活动的难度。设计收费算法时，可以让学有余力的学生考虑加入红包或周末免费这些条件。采用此类方法可以调节活动的难易程度，该项目适用于学科素养要求在水平1和水平2的不同教学场合。

拓展思考的设置是为了让学生思考LBS定位服务的其他应用及其意义。

案例2：依托二维码的实用物联网系统

学业要求：按照任务需求，了解二维码记载数据的方式，对常见的QR CODE编码能进行分析，能理解二维码的容错能力、译码可靠性、编码范围等基本特性，能根据二维码在物联网中的实际应用，理解二维码在主、被读类物联网应用中的优势，让学生认识到二维码在物联网信息系统中的重要性。

情境设置：现在的市场上，经常会有一些水果表面贴有二维码，小张同学有一天用手机扫了扫某种西瓜的二维码（如下页图5），没想到二维码里注明了产品种植合作社名称、种植基地地址、种植人姓名及联系电话，还有品种名称和品质特点等信息；结账时小张也使用了支付二维码（如下页图6），甚觉方便。方便的二维码应用，激发了小张强大的好奇心和兴趣，为此他准备好好研究一下物联网中的二维码。他作了如下的研究。

（1）通过查阅资料知道，常见的二维码均是以QR码作为编码的码制，它是在一个矩形空间内，以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”。二维码的容错机制（图中的格式信息，表示纠错级别）在即使没有辨识到全部的条码，或者条码有污损时，也可以正确地还原条码上的信息，如图7所示。

（2）收集、分析物联网中的二维码，总结出二维码在主、被读类模式应用中的五大领域，如下表所示。

分类 领域 例子

主读类 接入网络 网站二维码

数据防伪 新版火车票

溯源 西瓜二维码标签

被读类 凭证类 二维码门票

存储名片 二维码名片

小张同学认为：二维码作为一种新的信息存储、传递和识别技术，能迅速融入到物联网中，赋予了物体“智能”，从而能实现人机对话、沟通，二维码构成的信息系统能使我们的生活更加方便快捷、安全健康。

项目主题：了解二维码在物联网系统中的应用。

项目活动：

◇活动1：

通过理解二維码的编码知识，清晰认识到二维码的优势所在，分析其在高密度编码、编码范围、容错能力、安全性能等特性方面的知识。

◇活动2：

①收集物联网中的二维码应用，整理数据，感知二维码的两大分类模式。

②通过实践活动、分析实践数据，初步得出物联网中二维码应用的五大领域。

③形成实验研究报告。

教学说明：

①本课例的教学，主要是让学生了解二维码的基本编码原理，理解二维码的基本特性，从二维码的点（1）空（0）编码方式入手，提高学生的信息思维能力。让学生收集、分析物联网中二维码的实用系统，理性认识到二维码在物联网迅速发展中的优势，总结形成实验报告，提高学生的信息化应用能力与归纳概括的能力。

②该课例以生活中常见的二维码为应用案例，让学生对物联网中的二维码产生了浓厚的探知兴趣。在活动中，让学生主动参与探索二维码的基本原理和特性，理性认识到二维码在物联网中的优势。在探究二维码应用的五大领域时，让学生通过多种途径获取二维码的实用信息，培养学生高效利用信息工具和信息资源的核心素养。

③鉴于本课需要学生的积极实践和协作、探究，所以在教学安排上建议用两节课完成：一节安排任务，明确方向，收集资料；一节相互讨论，展示归纳概括，形成有效的实验报告。至于活动地点，需要在有网络环境的技术实验室里才能完成。

④在实际教学中，用溯源类二维码应用激趣，用凭证类二维码应用引同感。这样既明确了二维码的两大分类，又给学生指引了自主探索的方向。学生在收集、整理信息时，可能在凭证类和数据防伪两大领域有交叉感，教师要适时给予指导和个别小组辅导，引导学生得出正确的结论，从而突破本课的难点。

⑤关于本课例的拓展，可以对物联网的发展趋势和人工智能的方向进行适当引导。

专家点评

案例1

本案例结合实际生活的信息系统应用实例，结合当下物联网应用中最热门的应用，通过“了解共享单车的电子锁”“了解共享单车的定位与记录”及“了解共享单车的费用计算”三个实践活动的开展，引导学生了解共享单车的原理，了解物联网的概念，了解车辆电子锁控制、GPS定位、GPRS数据传输的功能，思考信息系统的组成要素，认识信息系统对人们日常生活与社会发展的重要作用，选题新颖，突出了重点。该案例抓住共享单车实现的三个重要环节，让学生展开探究，一方面可激发学生的学习兴趣及求知欲，另一方面可让学生深入了解物联网系统的构成要素及实现方法，从而对信息系统中人、网、物几者的关系能有具体的认识。在活动3中，还特别设计了编写程序模拟共享单车收费的环节，学生既加深了对共享单车应用的理解，又巩固了算法的认识，综合应用能力得到提升。

其实，就共享单车而言，其应用模式是不一样的。如果案例中能引导学生探索一下其他品牌的共享单车的应用情况，特别是解释“成都小学生5秒解锁共享单车”的实例，也许学生会对物联网的应用及安全防护有更深刻的认识。

案例2

本案例结合实际生活中二维码在物联网信息系统中的实际应用实例，通过了解二维码的编码码制，认识二维码的应用优势，从而促使学生研究二维码与物联网应用的联系及其与使用者的关系，最终使其加深对信息系统的了解。

从本案的标题来看，“依托二维码的实用物联网系统”可以理解为已经在现实生活中付诸应用了的系统，更可以理解为组建一个“依托二维码的实用物联网系统”，即利用信息技术实验室创设真实的问题情境，通过指导学生合作或独立完成一个信息系统的硬件搭建和软件安装，为学生提供从信息系统设计规划到软硬件操作的实践体验机会，提高学生对信息系统价值的认识以及利用信息系统解决问题的能力。在这一方面，此案例尚有许多鲜活的教学内容可以发掘。例如，基于物联网的远程视频监控系统，既可以利用现成设备及软件，让学生操控，感受物联网的实际效果，也可以利用学校计算机实验室或开源平台搭建实验物联网系统，让学生从原理和实践的层面，深刻认识物联网及控制的本质，深层次地提升信息素养。