信息系統大概念下數字化實驗探究

王和鵬 鄭碧柔

信息系統是高中信息技術課程必修模塊中的大概念，涉及的定義、設備、協議較多，具有較強的系統性和抽象性。為避免學生機械記憶、學習該模塊知識，筆者基于教材整體設計信息系統教學活動，對信息系統進行系統細化和概念細化。筆者圍繞信息系統大概念設計4個數字化實驗，開展模擬的“基于物聯網的中國空間站系統”實驗案例教學，激發學生學習興趣。學生動手拼裝，自主合作編程實現遠程控制，學習物聯網的設備和通信知識，對信息系統概念有深入的了解，提高了學習效率。

一、課程及背景分析

高中信息技術學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任4個核心要素組成。該學科的性質是“課程圍繞高中信息技術學科素養，精煉學科大概念，吸納學科領域的前沿成果，建構具有時代特色的學習內容，兼重理論學習與實踐應用，通過豐富多樣的任務情境，鼓勵學生在數字化環境中學習與實踐……”。但承載素養提升功能的教材在某些內容及實施區域上難以兼顧，如在教科版必修二“信息系統與社會”第二單元中，“基于物聯網的信息系統”有兩個探究活動：“探索基于RFID的物聯網信息系統”和“探究交通中的物聯網”。雖是信息系統的主要組成部分，教材僅簡單介紹物聯網基本概念、常用的傳感器、RFID設備等，并無具體可操作的案例，學生難以理解知識并應用相關設備。

與傳統物理、化學、生物學實驗不同，通過概念的細化，筆者設計了單機系統、無線網絡、數據的接收與發送和遠程監控系統4個數字化實驗。除將設備物理連接外，筆者還通過計算機網絡測試、數據傳輸、數字化控制等內容，將知識進行聯系，構建學科大概念體系。特別是實驗三，有效地將必修一模塊中的大概念“數據與計算”知識結合，這既讓學生通過動手組網，又能通過實驗將數字化學習與創新要素跟其他要素融合，有利于學生真正投入學習，提高效率。

二、實驗設計思路

（一）厘清內容與目標

信息系統作為一個大概念，貫穿整個模塊，從基本個體的硬件、軟件到網絡再到應用系統，從小系統到大系統，從簡單系統到復雜系統，從系統搭建到系統應用，同時從具體到抽象，循序漸進（如圖1）。教師在教學過程中既要基于低層次一般概念、基礎概念的微觀小系統，又要有宏觀系統，相互交融。必修模塊“信息系統與社會”中，物聯網作為次要概念，比較具體和微觀。

（二）實驗設計及思路

筆者按照從簡單到復雜的思路，從計算機系統組成逐漸到抽象復雜的物聯網，由淺入深、層次遞進，設計實驗。筆者將第二單元的內容轉化為系統搭建的整體實驗項目。在完成系統搭建的過程中，筆者將信息意識、數字化學習與創新、計算思維和信息社會責任素養內容融合，培養學生實驗和學習的能力，為以后他們學習選擇性必修模塊知識做好準備。筆者設計的4個實驗分別是單機、無線網絡、模擬物聯網、宏觀遠程監控（見表1）。

（三）教學環境的配置

本單元的教學是對教材內容的完善和補充，因此教學前教師要做好準備。

1.基本網絡條件的準備

如何讓學生認識計算機系統？教師可以使用報廢計算機按組別需要開展計算機的組裝活動，通過一臺正常計算機為學生演示。如何組建無線局域網？教師可以在現有計算機教室的有線網絡之上，配上少量的家用路由器、無線網卡，使原有教室局域網交換機掉電，然后對路由器和無線網卡進行簡單配置實驗，即可組網。

2.物聯網環境的配置

物聯網的搭建工作是在網絡基礎上完成的，主要得益于各種傳感器和控制部件的加入，這也是新課程的亮點和重點，分兩個實驗來實施。模擬物聯網是第一個實驗，為后續宏觀遠程監控實驗作鋪墊。考慮成本和實施難易程度，模擬物聯網有兩種方案可選：方案一，探測車+主控板+網絡構建系統，探測車有聲音傳感器、超聲波傳感器;方案二，掌控板+各種傳感器+網絡構建系統，支持的傳感器較多，拓展性大，如加入圖像識別技術，能實現比較復雜的場景應用。教師幫助學生迅速開啟物聯網項目的實踐活動，并且提供各種系統搭建方案，有助于學生自主提出問題和解決問題。學生借助Easy IoT平臺（一個物聯網服務平臺），可以對聯網的傳感器和執行器數據進行實時監控和反饋，統計和分析已經接收的數據，并向傳感器和執行器發送數據，幫助實現控制效果。第二個遠程監控可以借助學校的監控平臺來實現，只要計算機教室授權接入并在教室增加演示用攝像頭即可。

三、教學案例

教材記述的計算機系統、無線網絡內容相對簡單，對涉及物聯網的數據采集器、傳感器和控制器部分給出了實驗設計。為了讓學生對物聯網的末梢（傳感器及系統）有更深入的認識，筆者設計了“中國空間站信息系統”實驗。

（一）實驗原理及目的

2021年是我國太空探測重要年份，為此筆者基于遠程控制系統模擬核心艙“天和”“夢天”“問天”“神舟”“天舟”的通信場景，物聯網控制系統實現空間站遇到太空隕石的場景，以及派出太空探索車采集外太空環境數據的場景，設計了模擬中國空間站信息系統的實驗。其中，利用傳感器組建探測小車系統實現數據采集，是實驗的基礎和重點。探測小車上裝有光敏傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器和超聲波傳感器等。傳感器具有檢測障礙物實現智能避障功能，可以采集環境的溫度、聲音和光照數據，并將數據上傳至物聯網平臺的“探測數據”，實時監測數據信息，收集數據用于科學探究。學生通過實驗，了解各種傳感器在模擬的微型系統中的作用，掌握具體概念，為構建上位的物聯網基礎概念作好知識技能鋪墊（如圖2）。

（二）實驗器材及分組

實驗在計算機網絡教室操作，筆者提供6組器材。各組器材包括探測小車（麥昆小車）、掌控板（裝載聲音傳感器、光敏傳感器）、超聲波傳感器、溫度傳感器各一塊。

（三）實驗教學過程

1.理解探測車原理和實驗任務

筆者結合國家航天部門實際開展實驗情況，提供實驗原理圖并解析，明確實驗目的和任務。

設計意圖：融合價值觀構建實驗情境，融入信息意識，激發學生學習興趣。

2.探討傳感器功能及工作原理

學生以小組為單位，研究實驗傳感器，了解其功能、工作原理及接口。以超聲波測距傳感器為例，工作原理見表2。

設計意圖：傳感器是一種檢測裝置，相當于人的感覺器官，對于信息的獲取至關重要，它能感受被測量的信息，并將其按照一定規律轉換為電信號或其他形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是人們獲取信息和轉換信息的重要手段。

本環節要求學生初步了解相對應型號的傳感器特征，了解基本概念，為構建上位概念做好準備。

3.組建探測裝置系統

（1）設備連接。學生根據實驗原理連接裝備，將掌控板與擴展板連接，將超聲波傳感器接擴展板的IO口，將溫度傳感器接IIC口（如圖3）。

（2）通過無線網絡連接物聯網平臺。掌控板有一個專門的物聯網模塊——MQTT，通過掌控板自帶的Wi-Fi模塊，可以與物聯網平臺連接，實現掌控板與計算機端甚至移動端互聯。

如何進行物聯網平臺連接與設置？學生注冊登錄進入Easy IoT物聯網平臺，在頂部菜單的“工作間”里新建自己的設備。在Easy IoT物聯網平臺上定義3個主題 （Topic）分別用于太空通信、探測數據及隕石預警的數據回傳。其中，“探測數據”用于存儲探測小車返回的檢測數據。學生編寫程序代碼（代碼可視學生情況組織編寫或教師提供），完成連接。

設計意圖：組建系統，提高學生動手能力，通過使用協議連接傳感器和網絡，促進數字化學習能力與創新能力的提升，激發學生學習探究的興趣。

4.物聯網平臺與探測小車進行數據傳輸

學生編寫程序（視情況編寫或提供），讓小車利用傳感器進行環境檢測，并將檢測到的數據回傳至物聯網平臺。學生模擬探測小車出艙采集太空數據，支持宇航員實時監測外界信息，收集數據進行科學探究。

設計意圖：教師組織實驗引導學生獲得“太空”數據，融合信息化社會責任，培養探索精神。

5.填寫實驗數據

學生將采集的數據從物聯網平臺中導出，記錄傳感器實驗數據，完成數據整理、分析與可視化工作。

筆者指導學生用實驗數據進行可視化分析。

設計意圖：增強學生科學實驗意識。

四、反思與體會

（一）創建數字化學習環境，理論兼顧實踐

筆者的信息系統實驗設計，相對于教材，增加了內容，從計算機單機到無線網絡，由微觀“探測小車”的搭建到宏觀的遠程監控，設計了一個層次遞進的逐漸深入學習過程，減少了理論部分，強化了學生操作，有利于學生理解抽象的物聯網這個大概念及其各種下位概念，有效構建起“系統”這個上位概念。學生只有夯實了這部分的知識，才能為后續學習選擇性必修和選修內容打下基礎。

（二）問題即知識，素養融入情境

基于問題情境創設及問題解決是核心素養培養的有效途徑。筆者將問題貫穿課程實踐活動來滲透對學生科學思維的培養。學生需要不斷思考：① 物聯網使用的是什么樣的終端設備？②物聯網設備是如何通信的？③物聯網是如何感知外部世界的各種信息，又是如何控制這些設備的？④搭建一個物聯網應用場景，有哪些快速入門的服務平臺可以選擇？問題即知識。筆者通過規劃、設計、組建、體驗基于物聯網的信息系統，滲入信息意識、計算思維、數字化學習及信息責任等素養內容，既讓學生掌握了基本的概念，又提升了學生思維能力和動手能力。

（三）關注社會生活，開辟課程教學新路徑

2021年，中國空間站建設取得階段性重大勝利，“天和”“神舟”“天舟”成功入軌組成中國的太空家園。為讓學生了解我國航天取得的偉大成就，激發太空探索激情和我國航天精神，筆者模擬了空間站在遇到太空隕石時發出預警，以及派出太空探索車采集外太空環境數據的場景。筆者緊密結合當前航天時事，從“遙不可及”的航天科技，到動手實現的模擬太空，較好地融入價值觀的教育，也開辟了課程教學新路徑。

信息技術教師應利用信息技術實驗室創設真實問題情境，為學生提供從信息系統設計規劃到軟硬件操作的實踐機會，提高學生對信息系統價值的認識及利用信息系統解決問題的能力。筆者設計的課程內容緊密聯系當下蓬勃發展的物聯網產業，融入立德樹人的價值觀，能滿足學生個性化發展需要。對于教師而言，教材（知識內容）發生了較大變化，教學要求提高，還需要不斷探索學習，依托教材開發出更多適合于教學的資源。

參考文獻

[1] 張敬云，劉正云.基于項目式學習的初中物聯網課程設計[J].中國信息技術教育，2021，（15）：12-14.

[2] 謝作如.與時俱進，用更合適的方式學習物聯網技術[J].中國信息技術教育，2021（15）：15-17.

[3] 王和鵬，嚴紅蓮.小身材，大作用——高中信息技術學科利用家用路由器進行實驗教學一例[J].教育與裝備研究， 2018（9）：53-56.

（作者王和鵬系海南省國興中學高級教師，省級學科帶頭人;鄭碧柔系海南省定安中學二級教師）

責任編輯：祝元志