贯穿逻辑主线的物联网实践与探索教学与新课标背景下模块教学设计与实施.docx

贯穿逻车ft主线的物联网实践与探索教学与新课标背景下模块教学设计与实施本文聚焦义务教育信息科技课程标准（2022年版），深入梳理与分析数据、算法、网络、信息安全、信息处理和人工智能六条逻辑主线，并以“物联网实践与探索”模块为例，结合六条逻辑主线的要求，从教学实践的角度提出六点建议，以期为信息科技课程标准的落地贡献微薄力量。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，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；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“感知一采集一传输一反馈一控制的基本功能，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。物联网实践、探索敏第知遛设普佚取政携的方法.认识网络中敛据的幽及传和呈现的晚M体舲物联必牧据交汇方式.有依履用互我M数据进行ftMhUiHttm<t国考安全发“翱人区生活的重火爵响算法掌榭解决何Il的第略和方法惬站合共体阿H开发慢计算法并W厚法执行效率的府估.能设计片搭建具有数据来集,实时传，和商炉控制功使的何物物或系统河络能帙据任务用人.事物.依雄和互衣网或系&东,实现物我例的功能，理解万物互我的途出.雄理和意义.将物理电办的通过传感器堂成故字世界的数据忏通过网培遇行共享.了解物或M互联网之间的鹏系勺不同.知道E墓的物聚同吩仪侑息处用出1实.平台M发送.接收、U和使IMtflh物莪网乐统,通过Ilr能终端或编写鞭序,获取物联功能设如F的敛据.中进行也孔进行适当反情或控制,理解构案网中数据编M账式，传，方式及呈成的解理信息安全再守科技活动中的价值健念,三*W.rM.了解身边的物取设普及其履便造网络*收身份的作用,伤意UlM保护个人及他人幽私.树以维护也拉数字他算秩序的意Ob明臼主可控生态体系对国充安全的也要作用，学会对风龄透行京统.全面,2学的停估,屋可能避免，慎防.减少风险体会物融网.大敛据及人工富能之a肘关系以及发展人工日陡出i怖的伦丙道德鲤蕊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“感知一采集一传输一反馈一控制”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。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Al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。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。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，通过己有数据，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。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。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“感知一采集一传输一反馈一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。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，正在迅速发展并被应用于各个行业和领域，对社会的影响日益增大。在义务教育信息科技课程标准（2022年版）中，物联网被纳入八年级学习内容中。在初中阶段设置物联网知识模块对于开拓初中生的科技视野，培养学生对新技术的兴趣和探索精神，以及提升全民数字素养具有重要意义。物联网的概念及常见协议物联网（Internetonhings,简称IoT）是指通过互联网将各种物理设备和对象连接在一起，实现互相通信和数据交换的网络系统。物联网的核心思想是让各种物体具备感知、交互和通信的能力，实现物与物之间的智能互联。常见的物联网协议包括：MQTT、CoAP.HTTP、1.oRaWAN.Zigbee.Bluetooth等。在八年级的课程教学中，学生需要了解常见协议的功能和特点，初步理解各类协议的工作原理和应用场景，并通过搭建简单的物联网系统，使用相应的通信协议进行数据传输和交互，从而更深入地理解协议的使用和应用。新课标中物联网模块的地位与整体要求在义务教育新课标九个年级的内容安排中，物联网模块具有举足轻重的地位。首先，该模块是“数据与编码”“身边的算法”“过程与控制”等模块的深化，是互联网应用与创新的重要补充，与九年级的人工智能同等重要。其次，物联网涉及信息科技课程的六条逻辑主线中的数据、算法、网络等方面，开展物联网教学可以为学生提供了解和掌握这一前沿技术的机会。最后，学生可以在设计、搭建和实现物联系统的过程中，运用信息技术工具和平台进行数据的读取、传输、处理和分析应用，了解数据的价值和应用，提高数字化学习和创新的能力。可以说，物联网是未来十年科技创新领域最大的机遇。“物联网实践与探索”模块要求学生了解物联网的含义、原理和应用，初步体会物联网与大数据、人工智能之间的关系，并利用相关知识解决一些跨学科的实际问题，认识物联网中自主可控技术的重要作用，培养学生的信息社会责任意识和安全意识。这一模块的设置和教学目标旨在培养学生的科学与工程素养,让学生在实践中体验和理解物联网的核心概念和基本原理，发展学生的探索能力和实践能力。教师只有充分理解学业要求，才能明确学习目标，设计有效的教学活动和评估方式。物联网课程的设计与实践1 .指向核心素养的课程体系在八年级的课程学习中，学生从互联网过渡到物联网，这既是对七年级互联网知识的回顾,也是互联网知识的延伸,尤其是互联网中数据的传输过程与物联网有许多异曲同工之处。在内容安排上，既要体现课程的基础性、生活性，也要强调学生知识迁移应用能力的培养。在八年级上学期，教师从物联网的概念、特征入手，引导学生分析身边物联网的应用案例，在形成初步感知的基础上，进一步学习物联网的基本原理与功能，深入探索数据“感知一采集一传输一汇总一处理一反馈”的全过程，做到知其然、知其所以然，从而实现“科”与“技”并重的目的。教师可以将知识点以微项目的形式推开，具体课程内容设计如表1所示。表1八年级（上）物联网课程内容设计项目主H主要内容谭时安排从互联网到物联网物联网的概念、物联网的特征.物联网的柒构、身边的物联网4物联网基本原理与功能物联网的感知、物联网的通信、物联网控制与反馈、用物联网技术解决问题9物联网安全面临的挑战、法规与应用规范、安全防范能力2在八年级下学期，教师采用项目式学习的模式，引导学生观察生活，创设指向核心素养的主题，让学生运用所学知识解决真实问题，逐步走向深度学习，从而推动学习真正发生。教师以落实学科核心素养为导向，围绕信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个维度创设一个基于学生真实生活的项目，具体课程内容设计如表2所示。表2八年级（下）物联网课程内容设计2 .指向素养目标的评价设计课程内容是促进学生形成核心素养的载体，主要是解决学什么的问题；教学评价是依据课程和教学的要求判断教学效果达成度的过程，主要是解决学习效果的问题。新课标坚持基本知识考核与实践应用考核相结合，综合运用纸笔测试、上机实践、作品创作等方法，全面考查学生的学习状况。教师要坚持自评和他评相结合，增强学生自主学习能力。（1）课程评价的目标与原则课程评价的主要目标有两个,一是引导教学落实立德树人根本任务,落实好培养什么人、怎样培养人、为谁培养人的根本任务；二是引导教学从培养知识技能向培养学生核心素养的方向转变。而课程评价的原则要以课程目标、促进学生的学习和改进教师的教学为主要方向O依据“物联网实践与探索”模块中关于学生核心素养的要求，评价的设计从物联网的概念、物联网的基本原理与功能、物联网安全等对学生进行四个维度的评价，具体评价维度与指标如下。信息意识维度的评价指标是了解万物互联和智能感知对信息社会发展的作用，感受物联网给人们学习、生活和工作等方面带来的改变；增强掌握核心技术意识，加强虚拟身份识别和数据安全意识，做好安全防护。计算思维维度的评价指标是理解传感器获取数据的方法，网络中数据编码、传输和呈现的原理，能根据真实需求设计和搭建简单的物联系统原型。数字化学习与创新维度的评价指标是能选择合适的数字设备和数字平台，搭建系统原型，能够主动利用数字设备开展实践和创新活动，并在创新活动中认识到原始创新对可持续发展的重要性。信息社会责任维度的评价指标是了解网络空间中物品标识和虚拟身份的意义,具备基本安全防护能力。（2）基于“学习积分”的评价过程基于以上评价目标与原则，在实际的评价当中，教师应全方位收集学生的学习数据，以数据作为考核的主要依据。笔者主要借助UMU平台，通过创建学习项目，以“学习积分”为主要载体，推动过程性评价和终结性评价的实施。“物联网实践与探索”模块的课程实践性很强，课程评价主要从学生的学习时长、学习参与度、课程积分榜、课程达成榜、卓越学习榜、积极学习榜、学习证书等方面对学生进行评价，并根据本学科的特点，将评价数据全部电子化，形成学生学习档案袋。在评价手段上，教师综合运用课堂观察、调查问卷、作业、习题测试、项目创作等形式,全面评价学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任，把握核心素养的整体发展情况。在评价主体上，教师采用多元的评价方式，从自我评价、同伴互评到教师评价，最终形成学生的“学习积分”。“学习积分”作为评价的结果，通过UMU平台及时展示和反馈给学生。学生将会得到适时的提示、引导和激励，并形成排行榜，激发学生持续学习的积极性，提高课程的参与度和完成度。及时的评价反馈能不断促进学生自省，从而实现学习的优化和个人的发展。3 .指向深度学习的实施过程课程的实施要创新教学方式，以真实问题或项目驱动引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力。基于此，教师可以采用项目式学习的教学模式，实施过程为如下几个阶段。（1）选择合适的物联网平台和开发环境教师根据学情和校情选择适合学生使用的物联网平台和开发环境，如OneNET、MiXI0、阿里云等，确保平台和环境能够支持学生实现物联网项目的开发和实施。（2）设计具有挑战性的项目在课程标准、教材和学情的基础上，教师设计具有挑战性的项目，要求学生运用所学的知识和技能解决实际的物联网问题。（3）学生观察和问题发现教师引导学生观察生活中的真实现象，发现与物联网相关的问题或需求，鼓励学生提出自己的问题并选择一个问题作为项目的起点。（4）小组合作与自主学习教师鼓励学生组成小组,在项目中进行合作。每个小组可以负责一个具体的物联网项目，学生在小组内发挥主动性和创造性，自主选择解决问题的方法和策略。（5）实际应用场景的设计教师将项目设计成与实际应用场景相关的情境,让学生能够将所学的知识和技能应用到实际问题中。例如，设计一个智慧种植控制系统，让学生用物联网技术监测植物的生长过程,并设计相应的物联网解决方案。（6）提供指导和资源支持教师在项目进行过程中提供必要的指导和资源支持，帮助学生解决遇到的问题，确保项目能够顺利进行。同时，教师要给予学生一定的自由度和灵活性，鼓励他们独立思考和探索解决方案。（7）反馈与评估在项目进行过程中，教师要及时给予学生反馈和评估，帮助他们了解自己的进展和改进的方向。如可以通过中期评估和项目展示等形式对项目进行评价，并提供针对性的指导和建议。（8）项目成果展示与分享教师要为学生提供展示和分享项目成果的机会，如组织项目演示或校内报告。这样可以增强学生的自信心和表达能力，同时也可以激发其他学生的学习兴趣。（9）反思和总结在项目完成后，教师要引导学生进行反思和总结，让他们回顾整个项目过程，思考所取得的成果、经验教训和改进的方向，从中提取有益的教训和启示.结语在信息科技高速发展的环境下，学生在掌握物联网知识后，如何结合人工智能开展项目创作将是未来十年科技创新领域的机遇。物联网和人工智能是两个相互关联且相辅相成的领域。物联网提供了数据的采集和传输,而人工智能则可以利用这些数据进行分析和智能决策。学生在掌握物联网知识后，结合人工智能技术，可以设计并实现智能控制、预测分析、自动化决策等功能。这种实践与创新的过程不仅能够巩固和拓展学生物联网的知识，还培养了学生的创造力、解决问题的能力，从而为未来的科技创新做好准备。