中小学信息技术教育技术平台标准初步研究

傅 骞，曾子龙，李 晟

（1.北京师范大学“移动学习”教育部—中国移动联合实验室，北京 100875 ；2.北京师范大学 教育学部教育技术学院，北京 100875；3.中国移动通信集团有限公司政企客户分公司，北京 100053）

1 问题提出

随着信息技术的不断发展和人才需求的不断提升，2017年教育部发布了两个和中小学信息技术教育相关的文件，即《普通高中课程方案（2017版）：信息技术课程标准》[1]和《中小学综合实践活动课程指导纲要》[2]。新的普通高中信息技术课程标准包括必修课、选择性必修课和选修课。必修课包括数据与计算、信息系统与社会，选择性必修课包括数据与数据结构、网络基础、数据管理与分析、人工智能初步、三维设计与创意、开源硬件项目设计，选修课包括算法初步和移动应用设计。新的中小学综合实践活动课程主题包括3～6年级的趣味编程入门、三维趣味设计、程序世界中的多彩花园等和7～9年级的体验物联网、开源机器人初体验等。

从上述两个新课标发现，中小学和普通高中的信息技术教育课程单独依靠电脑是无法完成的，需要多个技术平台提供支持。深入分析这两个文件可以发现，新的信息技术教育将聚焦于五大部分：程序设计、开源硬件、三维设计、物联网和人工智能。在这五大部分中，三维设计相对独立，其对应的软件比较单一，规范也比较成熟，故不在本文探讨之列；而其他4个部分的技术平台则紧密地联系在一起，其整体架构见图1。

（1）底层芯片层。板卡执行计算的核心部分，对用户来说相对透明，无需关心。

图1 新课标下的信息技术教育技术平台架构图

（2）开源硬件板卡层。芯片加外围器件后形成的电路板，在实际应用中，一般包括3个部分：主控板、扩展板和外接模块。

（3）开源固件层。运行在主控板上的小型操作系统或程序解释器。

（4）编程工具层。能对板卡进行编程控制的工具。

（5）物联网接入平台。能够接收各类开源硬件发过来的数据并进行存储、显示、分析和控制的软件平台。

（6）人工智能接入平台。能够提供人工智能服务接口，方便用户完成人脸识别、语音识别、自然语言处理等任务，搭建简单人工智能应用的云端平台。

根据图1的平台架构，结合中国当前市场的现状，笔者发现当前面向中小学信息技术教育的技术平台存在以下几个问题。

（1）同类型的平台在市场上有众多形态各异的产品，不同产品的使用方法差异巨大，但原理相似、功能类似，这就给新课标教材的编写、学生的学习带来了极大的困惑：教材到底应该选择哪一款产品？学生学会了A平台，B平台是否又要重新学？

（2）图1中各个部分的主流平台大多是国外产品，尤其是处于基础地位的开源硬板卡和开源固件，如Arduino[3]是来自意大利的产品，最近比较流行的Micro:bit[4]是英国广播公司BBC在中国全力推广的。表面上看，这些不是大问题；长远来看，这些产品会像芯片一样，对“2025年中国制造”计划造成极大挑战。但是，中国本土的相关企业规模都较小，单靠一家很难与之抗衡。

（2）由于缺乏统一的标准，很容易使大企业的产品成为事实上的规范，从而形成“一家独大”的局面，形成垄断，不利于中小企业参与竞争。没有竞争，往往会导致产品停滞不前，无法朝更好的方向迭代。

综上所述，有必要研究制订中小学信息技术教育技术平台标准，从而较好地解决上述问题。

2 技术平台标准化的思路

标准有助于信息技术教育的实施，但并不是所有面向中小学信息技术教育的技术平台都需要制订特定的标准。一是面向中小学信息技术教育的技术平台类型有成千上万种，没有精力为每种类型的教育平台研制标准；二是并不是所有类型的技术平台都需要研制相应的标准，比如某个类型的技术平台产品比较单一，无需为之制订标准；三是某些技术平台可以直接使用其他领域的标准，也就无需额外制订标准。

从信息技术教育的需求和产业的健康发展出发，技术平台的标准需要考虑的因素见图2。只有考虑了这些因素的平台标准，才能引领机构和企业更快、更好地打磨出比国外更为优秀的、符合国人思维习惯的本土教育平台。

具体而言，只有符合以下条件的平台才需要制订相应的标准。

图2 技术平台标准需要考虑的因素

（1）技术基本成熟。该类平台的技术成熟，国内市场上产品多样，但是又缺乏统一标准。比如第一部分提到的开源硬件板卡，现在国内板卡厂商推出的Arduino板卡有成百上千种，另外还有一些Micro:bit和树莓派[5]的产品。这些板卡使用方法上存在很大差异，但是功能差不多，市场上没有相关标准，所以需要建立标准。

（2）吸引企业参与。制定标准后，该类平台可以吸引更多的机构、企业参与竞争，能够有效防止巨头企业的垄断效应，给更多优秀的国内企业提供公平竞争的机会，这类技术平台就需要研制标准，如物联网接入平台，如果没有标准，小企业很难有机会和大企业竞争。

（3）促进企业研发。制定标准后，该类平台如果能够方便机构快速进入，则需要标准。标准的制订不应该只包括规范的文本，还应该包括一个基于该标准的开源实现。如果制订标准的参与者都没有能力基于这个标准做出开源实现，那其他机构、企业也不会相信这个标准的可实现性和通用性。一旦实现了基于标准的开源实现，那其他机构、企业就能迅速在开源实现的基础上完成各自的平台产品。

（4）方便教材编写。制定标准后，如果相关的信息技术教育教材能够更好地编写，则与之对应的平台需要标准，在没有标准的情况下，教材编写人员不知道要以哪种平台为基础来编写。教师教了A教育平台后，还得教B、C教育平台；学生学了A教育平台后，依然不会使用B、C教育平台。这种重复性的工作将在研制标准后得到很好解决。

（5）降低教育成本。制定标准后，如果相关的信息技术教育能够降低成本，则与之对应的平台需要标准。比如，制定了板卡和扩展板之间接口标准后，所有的扩展板都能在各种板卡上使用，不需要再买同一家厂商配套的板卡和扩展板，这样就能够提高板卡和扩展板的复用性，从而有效地降低成本。

（6）提升本土机会。制定标准后，如果能提高本土教育企业的机会，那与之对应的平台需要标准。不可否认的是，国外教育产品在硬件、软件、课程等方面确实做得比较好，也很有超前意识，光靠本土企业的单打独斗是没有机会的。但是，在标准的帮助下，所有的企业产品、服务就可以实现一定程度上的互通，从而作为一个整体和外国企业竞争，机会就会大得多。

3 中小学信息技术教育技术平台标准的主要内容

2017年新课标下信息技术教育聚焦在程序设计、开源硬件、三维设计、物联网和人工智能领域。结合第二部分提出的技术平台标准化的思路，考虑到面向信息技术教育的技术规范和面向工业应用的技术规范有很大的不同，笔者提出新课标下5类中小学信息技术教育技术平台标准。5类教育平台标准、教育平台和教学内容的关系见图3。

3.1 面向中小学信息技术教育的开源硬件板卡连接标准

开源硬件系统在硬件组成上包括主控板、扩展板和外接模块。主控板指微处理器的控制板，扩展板指微处理器的管脚进行外界扩展的板卡，外界模块是各种类型的传感器。

为保证不同开源硬件厂商的硬件能够相互连接，降低教育成本，该标准对主控板和扩展板、扩展板和外界模块的连接进行规范，具体包括物理接口规范、管脚定义规范与电器特性规范等。物理接口规范规定管脚插口、接线方式、插槽物理尺寸等；管脚定义规范规定数字输入管脚、数字输出管脚、模拟输入管脚、模拟输出管脚分别对应的具体管脚号；电器特性规范包括使用的传感器芯片规范、连接线规范等。开源硬件板卡连接标准效果见图4。

图3 5类教育平台标准、教育平台和教育内容关系图

图4 开源硬件板卡连接标准效果图

3.2 面向中小学信息技术教育的开源硬件控制程序语法标准

目前市场上不同的主流开源硬件都有不同的程序语法标准，比如同为运行MicroPython[6]固件的Micro:bit主控板和ESP32[7]主控板，虽然程序都是Python，但是管脚控制、中断操作等并不完全相同，给学习者造成很大的困扰。为了降低学习者的学习成本，达到触类旁通的学习效果，需要对开源硬件控制程序语法标准进行规范。

开源硬件程序语法标准需要建立在某种特定的程序设计语言基础上，因为不同的程序设计语言以其特有的语法特点而无法做到统一。目前主流的开源硬件程序编程语言有Arduino的C++语言、MicroPython的 Python语 言、Espruino[8]的JavaScript语言等。2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》[9]，明确要求从2017年秋季开学开始，在中小学设置人工智能相关课程，目前人工智能的主流编程语言是Python。Python的语法简单、内置数据结构清晰强大，能够完成Web服务端、网络通信、桌面应用、大数据处理、深度学习等一系列开发。因此，基于Python语言的MicroPython固件很有可能是未来开源硬件固件层的标准。基于MicroPython语法制订开源硬件程序语法标准将是一个不错的选择。

因此，本标准需要在MicroPython的语法基础上，规范硬件控制的语法，具体包括管脚控制、中断管理、时钟管理、数模转换、模数转化、脉宽调制、网络连接、串口通信、SPI通信、I2C通信、单总线通信等语法规范。

3.3 面向中小学信息技术教育的开源硬件与计算机数据交换标准

开源硬件经常需要与计算机进行数据交换，以进行程序控制、图形绘制、数据存储、大数据分析等。常见的开源硬件与计算机通信方式有串口通讯、蓝牙通信、Wif i 通信等。基于这些通信方式，市场上有各种各样的物理通信协议开源硬件与计算机数据交换标准来实现硬件与计算机之间数据交换。例如Arduino系列板卡程序控制采用基于串口通信的STK500协议[10]和STK500 V2协议[11]等；ESP32程序控制采用基于串口通信的另外一种协议；S4A[12]是能在Scratch[13]上编写控制Arduino程序的软件，采用S4A串口通信协议来进行程序上传。另外，绘图等工具往往需要特定的数据格式。例如Mixly[14]的串口绘图工具要求开源硬件发送到计算机的数据必须是数字，且每行多个数字之间以分号分割，其他的串口绘图工具可能要求多个数字之间用制表符分割。不同的物理通信协议和不同的数据格式要求往往会给开源硬件厂商的研发、教师和学生在不同软件的使用上带来不必要的麻烦。

因此，本标准将对开源硬件与计算机的数据交换进行规范，具体包括物理通信协议规范、数据格式规范等。借助于该规范，不同的应用软件（如串口可视化工具、大数据分析工具等）只需要读取交换的数据中对应字段数据，就可以将其导入软件进行进一步操作了。

3.4 面向中小学信息技术教育的物联网接入平台接口标准

物联网接入平台的使用是物联网教育的基础，它负责物联网数据的接入、存储、管理和反向控制。开源硬件上传感器采集的数据可以通过Wif i发送到物联网平台进行进一步处理，其传输协议可以是HTTP、MQTT等。不同的物联网接入平台往往有自己的一套接口规范，有些平台接口粒度较粗，有些平台接口较细，接口名和参数格式往往不同。使用者如果想将数据发送到不同的物联网接入平台，需要查看不同平台的接口使用文档，才能知道如何发送。这个过程给使用者带来了反复查看不同平台接口使用文档的不必要麻烦。

该标准将对物联网接入的接口进行规范，包括物联网设备管理接口规范、物联网数据管理接口规范、物联网数据流管理接口规范和物联网反向控制触发器管理接口规范等。这几个接口都通过HTTP、MQTT等协议进行操作。

（1）每一个物联网平台在接收新数据时都需要提前创建一个新设备，物联网设备管理接口规范是将不同物联网平台接入新设备的接口格式及设备信息进行规范化。

（2）物联网平台最重要功能之一是数据管理接口，它能接收不同设备传送过来的大量数据，并对其进行存储和可视化，物联网数据管理接口规范是将不同平台接收数据的接口格式及参数格式进行规范化。

（3）物联网数据流管理能提供某个设备在某段时间内数据流的查询功能，物联网数据流管理接口规范需要将不同平台的接口格式、查询的设备信息、数据采集时间等参数进行规范化。

（4）物联网反向控制触发器检测到发送的数据中包含某个数据值时，就会触发提前设置好的行为。物联网反向控制触发器管理接口规范需要对接口格式、触发条件和触发后的行为规范化。

3.5 面向中小学信息技术教育的人工智能服务平台接口标准

大部分中小学信息技术教师和学生都是第一次接触人工智能，他们都认为人工智能是一个极其复杂、玄妙神奇的学科。因此，人工智能服务平台接口标准的统一将极大地简化他们学习人工智能的成本，降低他们的认知负荷，帮助他们更好、更快地体验人工智能算法，如语言识别应用、自然语言处理应用、图像识别应用等。

中小学信息技术的新课标要求学生了解人工智能算法，并利用开源工具，搭建简单人工智能应用等。因此，本标准将包括人工智能Web服务接口规范、训练数据格式规范、模型文件规范、模型评估规范、人工智能程序编程语法规范。

（1）人工智能服务Web接口规范需要统一不同人工智能服务平台的RESTful API接口，包括URI路径和对应的参数格式。

（2）训练数据格式规范需要统一不同平台的训练数据格式，如TensorFlow[15]和PaddlePaddle[16]平台对于同一模型的训练数据格式就有一些差别。

（3）模型文件规范需要统一不同平台保存模型的格式，现在几乎所有人工智能平台训练完成后保存的模型文件格式都不一样，用A平台训练的模型，很有可能无法在B、C平台上使用，除非B、C平台对A平台的模型做了特殊兼容处理。

（4）模型评估规范需要规范模型训练完成后的评估指标。例如，是显示每轮迭代后的评估指标，还是只显示最终的评估指标？最终的评估指标需要显示哪些常用的参数，如AUC等？

（5）人工智能程序编程语法规范需要针对中小学信息技术新课标需求，统一人工智能程序的上层语法标准。不同人工智能平台由于初衷不同，即使编写功能相同的程序（都用Python语言编写），往往也有很大出入。但是，新课标下学生对人工智能掌握程度要求较低，完全有可能对不同平台的语法做上层的封装，统一上层语法标准，让学生感知不到不同平台带来的差异。

4 结 语

在新的信息技术课程标准下，中小学信息技术课程的开展需要多个技术平台为之服务，这些技术平台如果没有统一标准的指导，那么会给教材的编写、学生的学习带来极大困难，也会使本土企业在和外国产品的竞争中处于劣势。因此，笔者为了实现吸引企业参与、促进企业研发、方便教材编写、降低教育成本、提升本土机会的目标，提出了制定中小学信息技术教育技术平台标准的需求和具体实现的思路。笔者相信，只要制订出得到国内大多数企业认同的技术标准，中小学信息技术教育的实施将会变得简单和有效，也会使更多企业参与竞争，提升国家在此领域的核心竞争力。