讓“物聯網和大數據”走進中小學課堂 ——我和“虛谷物聯”項目的故事

謝作如

● 源起：初心總在物聯網

第一次看到“物聯網（IoT）”這一名詞，是在2011年，我和學生在找zigbee技術的資料時無意中發現了它。

zigbee是物聯網領域的常用協議之一。我和zigbee的緣分，可以追溯到2010年我買第一塊開源硬件（Arduino）的時候。這段故事我在很多場合反復講過：因為學生的項目涉及遠程實時監測水質，所以不僅需要無線連接，還要做到定時采集數據。Arduino、zigbee和數據采集是我進入開源硬件領域的幾個重要印記。

接下來的經歷，差不多就是中國創客教育發展的歷史。從2011年開始，我親歷了國內創客教育、STEAM教育等跨學科學習概念從無到有的過程。所謂不忘初心，在夜深人靜獨處創客空間的時候，我常常會問自己：當年是因為研究物聯網而接觸到開源硬件領域，從而致力于推廣創客教育，現在創客教育已經寫入國家教育政策了，但是物聯網技術呢？怎么讓更多的學生在課堂上真正學習物聯網技術？如何讓跨學科學習的主題能與最新的技術相結合呢？

● 遇阻：巧婦難為無米炊

我曾經認真研究過江蘇省的物聯網課程。無錫是全國范圍內最早把物聯網技術做成課程的地級市，而后江蘇省編寫了義務教育信息技術課程指導綱要，把“物聯網技術”作為一個拓展模塊。當我通過江蘇的老師找到相關物聯網技術教材后，卻失望了，因為教材僅僅采用科普的形式，展示物聯網的神奇應用，逐一介紹各種傳感器、RFID設備等，學生并沒有機會真正使用這些設備。哪怕學習了整個課程，學生也只能了解物聯網技術的皮毛，根本不可能自己動手去設計或者搭建一個簡單的物聯網應用。

2014年，我和南京師范大學研究生劉正云開發了一門“大數據和物聯網創意實驗”課程。因為希望這門課程最終能夠開源推廣，所以要找到最合適的工具和平臺。但困難就在這里，既找不到適用于大班教學的物聯網平臺，又找不到能夠支持無線連接、價格低廉且編程容易的開源硬件。這個課程的設計理念再好再先進也沒用，因為不具備可復制性。

當然，國內也有一些企業專門幫學校建設各種物聯網實驗室，但這些實驗室往往造價不菲，價格從數十萬到數百萬不等。且不說價格太高無法普及，其功能也是類似于現在的小米智能家居，學生沒有辦法通過這些平臺真正學習到物聯網的核心技術，更不要說通過物聯網技術去采集數據、探究數據了。

造價過高的實驗室總歸沒有推廣的價值。為什么智慧城市、智慧教育喊了這么多年，學生卻沒有機會學習物聯網技術呢？很多人都關注新技術用于教育，而我總希望讓學生掌握新技術。雖然令人失望，但我并沒有放棄，而是繼續尋找，繼續等機會。

● 契機：萬事俱備喚東風

機會終于來了。

首先是高中課程標準的修訂。信息技術和數學課的課程標準中，都增加了與大數據技術密切相關的內容。信息技術課標中不斷強調“數據”一詞，突出了數據采集、數據分析等。例如，必修模塊1的名稱就是“數據與計算”，其介紹如下：

信息技術與社會的交互融合引發了數據量的迅猛增長，數據對社會生產和人們生活的影響日益凸顯。本模塊針對數據（包括大數據）在信息社會中的重要價值，分析數據與信息的關系，強調數據處理的基本方法與技能，發展學生利用信息技術解決問題的能力。

不僅如此，在必修模塊2和選擇性必修的“網絡基礎”模塊，都明確寫上了“物聯網技術”。例如，必修模塊2中有這樣的要求：“2.3通過分析物聯網應用實例，知道信息系統與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制。”“網絡基礎”模塊則將“物聯網”作為三大內容之一。

高中數學課標中增加了兩個學科核心素養，分別為數學建模和數據分析。其中“數據分析”是這樣介紹的：

數據分析是指針對研究對象獲得相關數據，運用數學方法對數據進行整理、分析和推斷，形成關于研究對象知識的素養。數據分析過程主要包括收集數據、整理數據、提取信息、構建模型、進行推斷、獲得結論。數據分析是研究隨機現象的重要數學技術，是大數據時代數學應用的主要方法，也是“互聯網+”相關領域的主要數學方法，數據分析已經深入到科學、技術、工程和現代生活的各個方面。

其次是國產物聯網芯片的成熟。如果說課標提供了“物聯網進課堂”的理由，那么ESP系列物聯網芯片的興起則提供了條件。2016年最火的Wi-Fi模塊，無疑是ESP8266，緊接著發布的ESP32更受歡迎——雙核32位MCU、2.4GHz雙模Wi-Fi和藍牙芯片，主頻高達230MHz，一下子把可聯網的智能終端成本從百元降到了幾十元。

● 問世：從零開始建平臺

我有幸參加了浙教版全國高中《信息技術》教材編寫。編寫教材需要了解市場上各種能夠支持新課標教學的產品，由于我國一直沒有國產開源硬件，于是我和信息技術高中課標組的專家樊磊、教育部教育裝備研究與發展中心的梁森山等共同發起了一個公益的國產開源硬件項目——“虛谷計劃”。其中，使用ESP32芯片的掌控板發布后得到一線教師和社會創客的普遍認同。

但掌控板僅僅解決了物聯網采集終端的低成本化，物聯網技術的教學還需要專用的物聯網平臺的開發。恰好溫州市科技局為中小學STEAM教育項目劃撥了專項經費，于是我申報了項目，申請了一筆不多不少的資金，剛好可以用于物聯網平臺的前期開發。但這個為中小學教學定制的物聯網平臺究竟需要怎樣的功能，還需要我來進行系統規劃。

記得2018年的除夕，我坐在飯桌前寫教學系統的開發需求，寫著寫著，忽然聽到兒子喊我，抬頭一看電視屏幕，新年鐘聲要敲響了。剎那間我被自己感動了：我是如此迫切地需要這樣的教學平臺，竟然忘了那是大年三十。

在這個跨年度寫就的系統需求書中，我提出幾個關鍵需求，如跨平臺、一鍵安裝、多用戶使用但無需注冊、支持MQTT協議也支持HTTP協議、支持數據采集和導出等，都是從一線教師開展大班教學的角度提出的。因為，任何需要教師付出很多精力才能實施的課程，哪怕理念再好都是不可復制的。

經過幾次溝通，確定了系統規劃，DF的技術總監蘇宇親自上陣，兩個月后平臺的雛形順利出爐。我們給這個系統取了一個名字——SIoT，IoT是物聯網的縮寫，“S”則具有多種含義：

（1）一個目前為科學（Science）數據采集、分析、導出定制的IoT平臺，適用于中小學跨學科學習（STEAM、STEM）的IoT平臺;

（2）一個和少兒編程軟件（Scratch）互聯的IoT平臺，小型（Small）、簡單（Simple）的IoT平臺，能夠讓物聯網的學習變得跟Scratch教學一樣簡單。

● 應用：科學創客大數據

SIoT開發和掌控板結合到底能做什么？為了更好地推動物聯網技術教學，我以“虛谷計劃”組委會的名義，聯合天津師大教師教育國家級實驗教學示范中心發起了“虛谷物聯”項目。在項目的主頁，我做了這樣的介紹：

“萬物互聯”的時代正漸行漸近，物聯網技術也越來越受到創客教育、STEAM教育領域的重視。但由于缺乏簡單易用的物聯網平臺和廉價穩定的智能終端，中小學生很難有機會通過剖析物聯網產品，真正學習物聯網技術并設計相關應用。SIoT和掌控板的出現，不僅讓物聯網技術進入基礎教育成為可能，還提供了一種更加便捷的數據采集方式，幫助學生使用“數據探究”的方式去研究科學問題。

我們來想象一下教學場景吧：

教師在教學電腦上運行SIoT，學生給掌控板編程，連接MQTT服務器，測試物聯網消息的發送和訂閱的實驗。學生也可以自己運行SIoT，同桌之間相互訪問，并且通過這個MQTT服務器，設計一個網絡應用，讓彼此的電腦可以相互通訊。可穿戴設備也好，智能家居也好，在物聯網技術的支持下，學生創客作品的技術含量大大提高。

學校里做了一個小型的氣象站（環境信息采集裝置），那就可以在學校局域網內部找臺電腦運行SIoT，將所有的數據發過去。要長時間采集，采集幾年下來，再研究這些數據告訴了我們什么信息。學生們可以訂閱這個氣象站的信息，隨時了解數據情況。

SIoT可以運行于虛谷號、拿鐵熊貓、樹莓派等微型電腦，甚至可以移植到無線路由器上。借助于掌控板和繼電器插座、紅外遙控，學生們能夠改造教室和家庭的電器控制形式，這才是真正的智慧教室、智慧校園、智能家居。

……

● 評價：教育普惠終可期

2019年4月，我應聯合國教科文組織的邀請，參加2019移動學習周活動，并且進行了關于“虛谷計劃”的演講，虛谷號、掌控板以及虛谷物聯項目都得到國際友人的好評。2019年5月下旬，“虛谷物聯”項目在天津師范大學發布，天津師范大學副校長前來致辭，并給天津市的科技輔導員做培訓。隨后，福建省骨干教師培訓、廣東省創客教育教師培訓等培訓活動中，都逐步加入了“虛谷物聯”的內容。

“虛谷物聯”項目經過貓友匯、蘑菇云、創客教育能量站等微信群不斷轉發，得到很多一線創客教師的關注。因為操作簡單、功能強大，加上文檔全面，“虛谷物聯”項目一時間涌現出各種活動案例。6月，項目正式發布還不到一個月，各種好消息不斷傳來：寧波的狄勇老師帶著五年級小學生，用SIoT采集科學實驗數據，研究陽光輻射;平陽的創客教育教研員謝賢曉組建了團隊，準備開發物聯網方面的開源課程，給全國各地的老師使用;北京二中的高凱老師在人民教育出版社的全國綜合實踐活動教材中，加入了“物聯網”項目，用的技術就是SIoT加掌控板;浙江省的初中信息技術教材，也準備用類似的方式加入“物聯網”學習內容。

感謝DFRobot和盛思兩家企業的工程師，還有來自全國各個地區的創客大神，幫“虛谷物聯”項目解決了很多技術難題。

感謝我的學生們，包括來我校創客空間實習的天津師范大學、溫州大學、江南大學的研究生和本科生，還有剛剛離開溫州中學創客空間就讀大學的學生。他們積極參與這個項目，和我一起編寫并維護“虛谷物聯”的開源文檔。

這就是“虛谷物聯”的故事，一個普通的信息技術教師，因為對物聯網技術的執念，聚集了來自各個方面的力量，努力去改變信息技術教育的現狀，就是為了讓越來越多的孩子能夠學習新技術，輕松駕馭物聯網，體驗大數據。