八年級(jí)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”教學(xué)指南設(shè)計(jì)思路解讀

摘要：八年級(jí)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”教學(xué)指南主要包括從感知到物聯(lián)、萬(wàn)物互聯(lián)有協(xié)議、簡(jiǎn)單物聯(lián)功能實(shí)踐、簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)實(shí)踐、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索和物聯(lián)網(wǎng)安全六個(gè)單元，圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線，構(gòu)建了螺旋上升的學(xué)習(xí)路徑。其主要特點(diǎn)包括基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、注重實(shí)踐探索、強(qiáng)化安全意識(shí)和體現(xiàn)真實(shí)情境。為了有效實(shí)施教學(xué)，建議教師根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行二次開發(fā)，合理利用配套的數(shù)字資源，并選擇合適的教學(xué)平臺(tái)和硬件。關(guān)鍵詞：信息科技；教學(xué)指南；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)計(jì)思路；數(shù)字化《義務(wù)教育信息科技課程教學(xué)指南物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索八年級(jí)全一冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱“八年級(jí)教學(xué)指南”）圍繞物聯(lián)網(wǎng)的基本思想、原理、方法與過(guò)程，概述物聯(lián)網(wǎng)的“感知—采集—傳輸—反饋—控制”流程，并以簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)為抓手，從微觀層面呈現(xiàn)大部分技術(shù)性內(nèi)容，力求通過(guò)分析真實(shí)、復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景以及動(dòng)手實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生在積極探索和理性思考中發(fā)展數(shù)字素養(yǎng)與技能。一、總體結(jié)構(gòu)和各單元主要內(nèi)容《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）中的“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊包括“從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)”“物聯(lián)網(wǎng)基本原理與功能”“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用”“物聯(lián)網(wǎng)安全”四部分內(nèi)容[1]?；谡n標(biāo)內(nèi)容要求，八年級(jí)教學(xué)指南設(shè)計(jì)了從感知到物聯(lián)、萬(wàn)物互聯(lián)有協(xié)議、簡(jiǎn)單物聯(lián)功能實(shí)踐、簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)實(shí)踐、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索和物聯(lián)網(wǎng)安全六個(gè)單元，每個(gè)單元包含五課內(nèi)容，如表1所示。第一單元主要引導(dǎo)學(xué)生從互聯(lián)網(wǎng)過(guò)渡到物聯(lián)網(wǎng)，了解物聯(lián)網(wǎng)的基本知識(shí)和重要作用，認(rèn)識(shí)傳感器這一感知層重要的設(shè)備，了解傳感器采集數(shù)據(jù)的方法。第二單元以物聯(lián)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸為線索，逐步過(guò)渡到對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)識(shí)，主要引導(dǎo)學(xué)生了解常見的近距離通信協(xié)議，了解從互聯(lián)網(wǎng)中獲取數(shù)據(jù)的方法，體驗(yàn)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)發(fā)布與訂閱。第三單元體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)“大場(chǎng)景”“小應(yīng)用”的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步過(guò)渡到應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)上。該單元還以“功能分析—硬件搭建—編程實(shí)現(xiàn)—測(cè)試驗(yàn)證”的功能實(shí)現(xiàn)流程，逐步引導(dǎo)學(xué)生形成運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問(wèn)題的路徑。第四單元以解決真實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)綜合性的主題項(xiàng)目實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生在了解物聯(lián)系統(tǒng)的工作環(huán)節(jié)和功能需求分析的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方式，借助設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)反饋與控制，最后完成簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)的搭建。第五單元旨在引導(dǎo)學(xué)生綜合利用前四個(gè)單元所學(xué)的知識(shí)與方法，按照“發(fā)現(xiàn)真實(shí)問(wèn)題—剖析問(wèn)題成因—提出解決方案—開展實(shí)踐驗(yàn)證”的流程開展項(xiàng)目實(shí)踐，在此過(guò)程中進(jìn)一步探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能，學(xué)會(huì)選擇合適的數(shù)字設(shè)備開展實(shí)踐創(chuàng)新探究。第六單元從大安全觀的視角闡述，從探討物聯(lián)網(wǎng)虛擬身份出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)安全現(xiàn)狀、安全防范策略及外部依賴風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)個(gè)人信息保護(hù)意識(shí)，深刻認(rèn)識(shí)自主可控對(duì)國(guó)家安全的重要意義。二、六條邏輯主線的體現(xiàn)及遞進(jìn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線在八年級(jí)教學(xué)指南中都有充分的體現(xiàn)。八年級(jí)教學(xué)指南還構(gòu)建了螺旋上升的學(xué)習(xí)路徑，引導(dǎo)學(xué)生在不同單元和課時(shí)內(nèi)容中逐步深化理解，并將其應(yīng)用于實(shí)踐。（一）關(guān)于數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)最大的不同在于，物聯(lián)網(wǎng)增加了自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的能力。可以說(shuō)，數(shù)據(jù)是物聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)具有重要意義。因此，數(shù)據(jù)的教學(xué)貫穿八年級(jí)教學(xué)指南的始終。第一單元講述了數(shù)據(jù)是怎么來(lái)的，即如何通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)；第二單元講述了數(shù)據(jù)是怎么傳輸?shù)?，即如何通過(guò)常見的物聯(lián)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；第三單元講述了數(shù)據(jù)怎么用，即如何利用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的功能；第四單元講述了如何從數(shù)據(jù)的角度對(duì)物聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分，以及如何分析處理數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，即如何更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值；第五單元講述了數(shù)據(jù)在不同領(lǐng)域中的作用，即如何用數(shù)據(jù)解決問(wèn)題；第六單元探討了與數(shù)據(jù)相關(guān)的安全事件和安全風(fēng)險(xiǎn)，即如何提升數(shù)據(jù)的安全性。（二）關(guān)于算法在物聯(lián)系統(tǒng)中，反饋與控制是基于算法實(shí)現(xiàn)的。考慮到學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，八年級(jí)教學(xué)指南主要圍繞順序、分支和循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法，旨在讓學(xué)生掌握解決問(wèn)題的策略或方法。例如，在第一單元使用循環(huán)與順序相結(jié)合的簡(jiǎn)單代碼獲取環(huán)境聲音數(shù)據(jù)，主要闡述利用物聯(lián)實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲取聲音數(shù)據(jù)的方法；第二單元進(jìn)一步提高了算法的復(fù)雜度，學(xué)生需要使用循環(huán)與分支嵌套的方式，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙翻頁(yè)筆功能；第四單元第20課“反饋控制有算法”中涉及更為復(fù)雜的循環(huán)與分支嵌套的算法。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的不斷深入，算法逐漸變得復(fù)雜，所使用的傳感器和執(zhí)行器也從板載逐步過(guò)渡到外接。以這樣的方式引入算法，能夠逐步發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。（三）關(guān)于網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)本身就是一種“網(wǎng)絡(luò)”，萬(wàn)物互聯(lián)有多種途徑，既有近距離通信，也有遠(yuǎn)距離通信。八年級(jí)教學(xué)指南從身邊聯(lián)網(wǎng)的物品出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析物聯(lián)網(wǎng)中多樣的數(shù)據(jù)傳輸方式（協(xié)議），并通過(guò)實(shí)踐進(jìn)一步理解這些協(xié)議的通信機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生會(huì)理解萬(wàn)物互聯(lián)的原理和意義，并根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的通信方式。（四）關(guān)于信息處理八年級(jí)教學(xué)指南著重探討基于物聯(lián)網(wǎng)生成、處理數(shù)據(jù)的流程和特點(diǎn)。它一方面循序漸進(jìn)地體現(xiàn)了讀取、發(fā)送、接收、匯集和使用數(shù)據(jù)的過(guò)程和方法；另一方面，結(jié)合項(xiàng)目活動(dòng)，利用算法實(shí)現(xiàn)反饋與控制，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值。（五）關(guān)于信息安全大安全觀的培育貫穿八年級(jí)教學(xué)指南。例如，第1課以問(wèn)題“如果你家的洗衣機(jī)和冰箱的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上人人可見，可能會(huì)帶來(lái)哪些安全隱患”，滲透身邊的信息安全；第4課則講述了數(shù)據(jù)安全的風(fēng)險(xiǎn)；第6課提及了我國(guó)自主創(chuàng)新的近場(chǎng)通信安全技術(shù)；第六單元?jiǎng)t從整體上系統(tǒng)闡述了安全防范措施，并強(qiáng)化自主可控意識(shí)的培養(yǎng)。（六）關(guān)于人工智能人工智能在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了智能決策和自動(dòng)控制的能力。八年級(jí)教學(xué)指南選取部分內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹了人工智能在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。例如，第一單元介紹了人工智能與物聯(lián)網(wǎng)加速融合，第三單元設(shè)置了人臉識(shí)別的實(shí)踐活動(dòng)，第六單元滲透了人臉識(shí)別存在的安全挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)措施。三、八年級(jí)教學(xué)指南的主要特點(diǎn)（一）基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，搭建學(xué)習(xí)支架八年級(jí)教學(xué)指南以課標(biāo)要求的“設(shè)計(jì)和搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡(jiǎn)單控制功能的簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)”為目標(biāo)設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)任務(wù)，項(xiàng)目由簡(jiǎn)單功能逐步到綜合應(yīng)用。第一單元設(shè)置了傳感器應(yīng)用實(shí)踐的微項(xiàng)目體驗(yàn)，主要包括“給出檢測(cè)環(huán)境中聲音的具體問(wèn)題—了解實(shí)現(xiàn)算法—開展測(cè)試驗(yàn)證—遷移應(yīng)用檢測(cè)光照強(qiáng)度”等實(shí)施環(huán)節(jié)，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。第二單元引導(dǎo)學(xué)生分析給定的共享單車物聯(lián)系統(tǒng)的情境，幫助他們確定并分解問(wèn)題——物聯(lián)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸使用多種協(xié)議，進(jìn)而再通過(guò)幾個(gè)微項(xiàng)目解決問(wèn)題。第三單元以物聯(lián)門鎖為主題開展一個(gè)較為完整的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生把項(xiàng)目分解為四個(gè)微項(xiàng)目。第四單元綜合前三個(gè)單元的教學(xué)內(nèi)容，以物聯(lián)花盆系統(tǒng)為例，介紹了簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)的搭建和實(shí)踐。第五單元?jiǎng)t引導(dǎo)學(xué)生以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開展物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用。這種分層次、逐步深入的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)編排，有助于學(xué)生逐步構(gòu)建起利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程和方法，同時(shí)激發(fā)他們的興趣。（二）注重實(shí)踐探索，強(qiáng)調(diào)綜合應(yīng)用實(shí)踐性是信息科技課程屬性之一。實(shí)踐探索是本課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的主要特點(diǎn)，也是“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的具體體現(xiàn)。八年級(jí)教學(xué)指南的六個(gè)單元中有三個(gè)單元名稱都顯性包含實(shí)踐或探索，并把實(shí)踐探索作為線索之一在每個(gè)單元中呈現(xiàn)。在實(shí)踐探索方面，第一單元主要是利用傳感器（特別是板載傳感器）和傳感器產(chǎn)品開展實(shí)踐，第二單元主要是使用常見的物聯(lián)協(xié)議開展實(shí)踐，第三單元在利用傳感器、物聯(lián)協(xié)議的基礎(chǔ)上使用了執(zhí)行器，第四至第六單元?jiǎng)t綜合使用傳感器、物聯(lián)協(xié)議和執(zhí)行器開展實(shí)踐。可以看出，實(shí)踐探索的難度是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的，使用的實(shí)驗(yàn)硬件也是由單個(gè)到綜合的，八年級(jí)教學(xué)指南試圖通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)逐步強(qiáng)化學(xué)生解決問(wèn)題的能力。（三）強(qiáng)化安全意識(shí)，突出自主可控物聯(lián)網(wǎng)安全是課標(biāo)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的四部分內(nèi)容之一。八年級(jí)教學(xué)指南從總體國(guó)家安全觀的視角，按照滲透與集中體現(xiàn)的方式講述安全內(nèi)容。從第一單元至第五單元，在案例中滲透體現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、密碼安全、國(guó)家安全等方面內(nèi)容；第六單元講述了物聯(lián)網(wǎng)安全，包括虛擬身份及其應(yīng)用中的安全、常見的物聯(lián)網(wǎng)安全事件、物聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)、三層安全策略，并設(shè)置了多個(gè)與安全相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)。自主可控作為物聯(lián)網(wǎng)安全的基礎(chǔ)，八年級(jí)教學(xué)指南除了在第一、二單元中滲透體現(xiàn)自主可控外，第29課還專門分析了外部依賴的風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)介紹了自主可控包含自主技術(shù)、安全可控和國(guó)產(chǎn)化供應(yīng)鏈等內(nèi)涵，最后從國(guó)家、行業(yè)和個(gè)人層面，對(duì)提升自主可控能力進(jìn)行了闡述。這樣的設(shè)計(jì)目的在于讓學(xué)生從大安全觀角度了解物聯(lián)網(wǎng)安全，初步樹立總體國(guó)家安全觀。（四）體現(xiàn)真實(shí)情境，融入跨學(xué)科主題《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》要求加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)生活的聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)科內(nèi)知識(shí)整合，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)[2]。八年級(jí)教學(xué)指南主要以解決真實(shí)問(wèn)題和利用信息科技手段解決其他學(xué)科問(wèn)題體現(xiàn)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。在解決真實(shí)問(wèn)題方面，物聯(lián)網(wǎng)的案例都是面向真實(shí)問(wèn)題的，這在八年級(jí)教學(xué)指南的諸多案例中均有體現(xiàn)。例如，第一單元介紹了傳感器協(xié)同測(cè)量河道水質(zhì)和氣象數(shù)據(jù)相關(guān)案例，涉及科學(xué)學(xué)科；第四單元的物聯(lián)花盆系統(tǒng)和第五單元的奶牛產(chǎn)奶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及生物學(xué)學(xué)科。課標(biāo)對(duì)“能在信息科技與其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中，有效利用基本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與平臺(tái)”提出了要求，第25課“學(xué)習(xí)探究新工具”對(duì)此有所體現(xiàn)，安排了一個(gè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展探究熱水降溫規(guī)律的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。四、教學(xué)實(shí)施建議（一）結(jié)合學(xué)情做好二次開發(fā)八年級(jí)教學(xué)指南雖然按課編排，但教師可以圍繞數(shù)字素養(yǎng)與技能培養(yǎng)的要求及單元學(xué)習(xí)目標(biāo)，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行符合學(xué)情的整合、重組，以期取得更好的教學(xué)效果。例如，第12課是第7課的進(jìn)階，都用了RFID相關(guān)知識(shí)；第13課是第10課的進(jìn)階，都用了MQTT相關(guān)知識(shí)；第15課、第26課和第30課都有刷臉開鎖的相關(guān)內(nèi)容；等等。此外，主題案例也可以因地制宜更換，教師可選擇更適合本地學(xué)情的案例。例如，第4課的案例以氣象數(shù)據(jù)為背景，也可以圍繞光照強(qiáng)度展開；第8課的案例藍(lán)牙翻頁(yè)筆，也可以替換為藍(lán)牙控制的其他內(nèi)容；第四單元的搭建物聯(lián)花盆系統(tǒng)，也可以換成其他主題。（二）合理使用教學(xué)指南配套數(shù)字資源與八年級(jí)教學(xué)指南配套的數(shù)字資源主要包括程序代碼和虛擬仿真工具兩方面。程序代碼包含八年級(jí)教學(xué)指南所有案例的完整程序及注釋，并有代碼說(shuō)明，以幫助教師進(jìn)一步理解教學(xué)指南的內(nèi)容。虛擬仿真工具則呈現(xiàn)了八年級(jí)教學(xué)指南的大部分實(shí)踐探索內(nèi)容，旨在為不具備硬件實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)校提供演示參考。此外，八年級(jí)教學(xué)指南中的編程語(yǔ)言僅供教師參考，教師可根據(jù)本地實(shí)際情況選擇圖形化編程語(yǔ)言。編程語(yǔ)言的采用，服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。因此，教師講解時(shí)應(yīng)避免將重點(diǎn)放在編程語(yǔ)言上。（三）選擇恰當(dāng)平臺(tái)、硬件開展數(shù)字化教學(xué)在課標(biāo)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的教學(xué)提示中，明確提出“根據(jù)需要，指導(dǎo)學(xué)生充分利用身邊可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)搭建簡(jiǎn)易應(yīng)用或原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)感知、交互及控制等有物聯(lián)特色的功能”。要實(shí)現(xiàn)上述功能，教師需要在教學(xué)中選擇恰當(dāng)?shù)能浖脚_(tái)和實(shí)驗(yàn)硬件，并有一定的延續(xù)性。在軟件平臺(tái)方面，教師需要選擇恰當(dāng)?shù)木幊舔?yàn)證平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，如物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)應(yīng)從在線或者本地的MQTT服務(wù)器中提前做好選擇，實(shí)踐中不宜頻繁更換。