贯穿逻辑主线的“物联网实践与探索”教学

秦春娟 宁夏银川市金凤区良田中学

赵永涛 宁夏教育厅教学研究室

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的颁布标志着信息科技课程正式成为国家课程。新课标基于核心素养发展要求，依据学科概念的逻辑关系梳理出数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六条逻辑主线[1]，并按照学生的认知规律和信息科技的学科特点，统筹安排各学段的学习内容。

●信息科技课程中的六条逻辑主线

新课标围绕六条课程逻辑主线，分阶段制订了义务教育学段的目标与内容，加强课程内容的螺旋式递进，形成比较稳定的信息科技课程体系，为学校有步骤地开展数字素养与技能教育提供了依据。

数据（包括大数据）主线关注学生获取数据、甄别数据、分析数据并应用数据的能力，引导学生体会数据对数字社会发展的作用与价值；算法作为计算思维的核心要素之一，旨在提高学生在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动；网络这条逻辑主线，旨在从狭义的信息互联发展到实现万物互联的即时海量信息交互，理解万物互联的途径、原理和意义；信息处理的对象由文字、图片、音频、视频等多媒体资源延伸到互联网、物联网生成的数据，遵循从“数据点”扩散到“网络面”的逻辑信息组织[2]；信息安全从文明礼仪、行为规范、依法依规、个人隐私保护等方面入手，引导学生树立信息安全观，最终实现学生所学课程内容向所承担社会责任的传导与迁移；人工智能主线帮助学生理解人工智能的特点，引导学生运用人工智能，与人工智能和谐共处。

●“物联网实践与探索”模块中的逻辑主线呈现

随着互联网、大数据、人工智能的快速发展，物联网突破了以“人”为中心的连接模式，推动了物理世界和数字世界更深入的融合。新课标设置了“物联网实践与探索”模块，聚焦物联网“感知—采集—传输—反馈—控制”的基本功能[3]，延伸和拓展了“过程与控制”“互联网应用与创新”模块，为“人工智能与智慧社会”模块奠定了基础。通过本模块的学习，有助于学生形成万物互联对人类社会带来影响、机遇和挑战的认知，有助于学生从物理层面理解物联网作为纽带和媒介如何连接物理世界和数字世界，有助于学生将物联网的相关认知转化为实现简单物联功能的数字系统。对“物联网实践与探索”模块中的六条逻辑主线的梳理如下表所示。

这六条逻辑主线不是各自独立的，其内部存在逻辑关联和递进关联。在物联网中，通过传感器获得的数据是进行算法设计的基础，是连接物理世界与数字世界的纽带和媒介，而数据和算法又是物联网的基础。综合运用“数据”“算法”“网络”三大要素是信息处理的内核，而大数据、人工智能等新技术的发展也迭代更新了信息处理方式和流程，随之而来的信息安全与伦理问题也成为解决问题中的另一个焦点。

●“物联网实践与探索”模块中落实六条逻辑主线的教学建议

1.数据是物联网实践与探索的核心

在物联网中，各种传感器设备通过不同的物联网技术和物联网协议连接在一起，产生庞大而多样的数据。数据对八年级的学生来说并不陌生，学生在模块六中学习了数据收集、整理和分析的方法，在模块七中学习了互联网中数据传输的工作原理。在物联网的教学活动中，教师可以根据物联网的特点，选择合适的开源硬件和软件平台，以数据为核心组织学习内容，设计以解决真实的问题为主线的项目活动，从学生身边的物联网案例入手，让学生学习如何通过传感器采集来源可靠的数据，以帮助其更好地理解物联网的工作原理，促进学生理解学科本质，提升计算思维素养。例如，在智能家居的案例中，通过传感器采集当前环境中的光线值、温度值等来控制灯光、空调等设备；智能手环中的传感器采集当前佩戴人员的温度、心跳、血压等数据，检测佩戴人的健康状况等。以生活中的实际问题为切入点，关注数据的各种表现形式，由表及里探索物联网中的数据流程，将数据和算法解决问题的策略与方法浸润在课堂教学中，让学生通过思考、体验、实践等过程将维护个人隐私与社会数字安全的信息意识内化于心。

2.算法为物联网问题解决提供有效路径

算法是为解决一类问题而采取的确定而有限的步骤，可用自然语言、流程图、伪代码等多种方式进行描述。对于同一个问题，解决方案不同、算法不同，其结果和效率也不同。

物联网中的算法主要体现在解决真实情境中的复杂问题中。在教学活动中，教师引导学生以真实问题为切入点，进行深度思考，分析推理，将复杂问题进行模块化分解后再处理，从而找到解决问题的方法。

物联网中的算法还体现在实现“感知—采集—传输—反馈—控制”的过程中。在教学活动中，通过搭建简易的物联网系统，采集传感器设备的相关数据，帮助学生建立数据模型。使用编码建立数据间的内在联系，帮助学生理解程序逻辑结构，从而进行具体的程序编写。[4]面向教育的开源硬件提供了相应的图形化环境的编程模块，这些编程模块中的代码简单易懂。例如，在模拟智能家居中人脸识别技术的应用时，首先要采集人脸数据，通过对人脸的数据分析，建立人脸模型，这样AI摄像头就记住了人脸；其次是人脸的识别过程，将待识别的人脸信息输入建立的人脸模型中，人脸模型就会根据输入的人脸信息进行数据匹配，并返回匹配的相似度结果。

3.网络是搭建物联网理论、技术与设备的支架

①以物联网与互联网的关系作为切入点展开探索。教学中可以设置联网实验，将学生身边的设备接入到局域网中，通过设备间传输文件、传输数据等，从体系结构、通信协议、服务本质等方面对物联网、互联网进行比较，梳理出物联网与互联网的异同。

②以物联网独特的组成结构为突破口建立理论、技术与设备的对应关系，从认识身边的物联网开始，了解物联网的应用场景及应用模式。为了帮助学生理解人、物、数据和网络之间的联系，教师可以引导学生分析简易的物联网系统模型，以及对应的每个层使用了哪些技术和设备。

③借助网络实现成果分享。项目成果展示交流是教学的重要组成部分。教师要站在“网络搜索与辅助协作学习”的角度设计成果分享与交流。搭建简单易操作的网络交流平台，形成借助网络实现互助分享的思维习惯，使学习成果分享能真正助力学生的成长。

4.信息处理基于物联网生成、处理数据的流程和特点

信息处理不只包括对文本、声音、图像等资源的简单加工处理，还包括利用算法、编程、数据分析等进行复杂加工。

物联网具有数据体量庞大的特点，因此，数据分析成为物联网中最核心的信息处理环节。数据分析是指运用适当的统计分析方法对收集到的大量的数据加以汇总、处理、分析。数据分析的目的是把隐藏在一大批杂乱无章的数据中的信息提炼出来，找出研究对象的内在规律，实现数据的高标准输出。以搭建“班级智能养花系统”为例，可以从物联网平台收集许多盆栽的实验数据，根据实验数据能够对盆栽的生长环境做出判断，通过已有数据，对盆栽可能发生的情况做出预测。

在物联网中建立数据与编码的内在联系也是信息处理的内容。在教学过程中，可以列举物联网中标识与定位技术，理解数据与编码的内在联系。例如，条形码识别技术解决了数据录入的问题，在医疗中通过条形码手环识别患者身份信息，通过条形码进行医疗废物追踪管理防止病毒感染扩散；射频识别电子车牌克服了现有交通信息收集技术的瓶颈，可以用来对车辆交通信息进行分类和准确收集。

5.信息安全融入到教学各环节

随着物联网主要研究领域和技术应用的发展，能够有效互联的设备数据正在急剧增加，面临的风险也在不断加大。物联网安全不仅包括物理安全、信息安全、数据安全，还包括安全意识、隐私和数据保护等。

教师可以根据物联网基本框架中的三个层次结构引导学生探讨存在的安全问题及预防措施。例如，物联网的感知层设备易产生高危系统漏洞而感染病毒，感知层采集的数据在网络层传输时存在被截获、窃取、破译机密信息的风险，应用层的主要安全问题为虚假终端带来的威胁。

教师可以引导学生关注并保护物联网中用户数据。物联网中用户的数字身份应用于各个领域，用户的个人基本信息、位置信息、设备使用的数据信息（如购物记录）等都有可能被窃取。教师可以引导学生分析物联网中用户可能遇到的隐私安全隐患，并讨论隐私信息保护的策略。

教师可以从技术可控性的角度强调信息安全问题，引导学生交流讨论“我国在物联网领域里实现了哪些关键技术的自主可控”以及“我国物联发展的优势”。信息安全在信息科技课程中占有重要地位，然而信息安全的主线并不是完全独立的存在，它往往与其他几条逻辑主线交织在一起，相互渗透。因此，在教学中教师可以将信息安全及自主可控渗透到每个应用场景及项目活动中，在适当的项目实施节点强调潜在的安全风险、防护措施和技术手段等，引导学生提升安全意识，完善安全策略，树立安全观。

6.人工智能与物联网应用的新发展

人工智能是研究和开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术学科，始于数据，依赖云计算提供的计算能力，并通过机器学习做出判断。[5]

人工智能与大数据、物联网密切相关。通过物联网可以从现实场景中采集大量的数据，并将采集的数据上传至云端，这些数据既可用于训练人工智能模型，使其更加智能，也可通过人工智能分析后，反馈给机器，辅助机器做出正确的判断。在教学的过程中，可以引导学生分析具体的案例，体会三者之间的密切联系。例如，物联网通过工厂的传感器、工人佩戴的设备、运输工具等收集数据，并利用人工智能对这些数据进行分析（分辨出潜在的风险），以及时提醒管理人员维护设备，杜绝隐患，防止事故发生。

人工智能技术的发展拓展了物联网的应用范畴，改变了传统的生产与设备运行模式。例如，借助传感器和云端系统，实时对车辆周围的交通运行、停车情况等信息进行识别与分析，帮助人们及时了解交通状况，有效解决交通方面的问题。

●结束语

新课标四个核心素养和六条课程逻辑主线为义务教育学段开展信息科技课程教学指明了目标和方向。六条逻辑主线交织在一起为“物联网实践与探索”模块提供了内容结构支架，其以互联网及物联网为切入点，以探究物联网“感知—采集—传输—反馈—控制”基本功能为着力点，聚焦物联网的基本思想、原理、方法与过程，引导学生建构知识体系，发展计算思维，提高数字化合作与探究能力。