八年级“物联网实践与探索”教学指南设计思路解读

摘要：八年级“物联网实践与探索”教学指南主要包括从感知到物联、万物互联有协议、简单物联功能实践、简易物联系统实践、物联网应用探索和物联网安全六个单元，围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六条逻辑主线，构建了螺旋上升的学习路径。其主要特点包括基于项目式学习、注重实践探索、强化安全意识和体现真实情境。为了有效实施教学，建议教师根据学生实际情况对课程内容进行二次开发，合理利用配套的数字资源，并选择合适的教学平台和硬件。关键词：信息科技；教学指南；物联网；设计思路；数字化《义务教育信息科技课程教学指南物联网实践与探索八年级全一册》（以下简称“八年级教学指南”）围绕物联网的基本思想、原理、方法与过程，概述物联网的“感知—采集—传输—反馈—控制”流程，并以简易物联系统为抓手，从微观层面呈现大部分技术性内容，力求通过分析真实、复杂的应用场景以及动手实践，引导学生在积极探索和理性思考中发展数字素养与技能。一、总体结构和各单元主要内容《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）中的“物联网实践与探索”模块包括“从互联网到物联网”“物联网基本原理与功能”“物联网创新应用”“物联网安全”四部分内容[1]。基于课标内容要求，八年级教学指南设计了从感知到物联、万物互联有协议、简单物联功能实践、简易物联系统实践、物联网应用探索和物联网安全六个单元，每个单元包含五课内容，如表1所示。第一单元主要引导学生从互联网过渡到物联网，了解物联网的基本知识和重要作用，认识传感器这一感知层重要的设备，了解传感器采集数据的方法。第二单元以物联系统中的数据传输为线索，逐步过渡到对网络层的认识，主要引导学生了解常见的近距离通信协议，了解从互联网中获取数据的方法，体验应用物联网服务平台实现发布与订阅。第三单元体现物联网“大场景”“小应用”的特点，引导学生逐步过渡到应用功能实现上。该单元还以“功能分析—硬件搭建—编程实现—测试验证”的功能实现流程，逐步引导学生形成运用物联网技术解决问题的路径。第四单元以解决真实问题为导向，通过综合性的主题项目实践，引导学生在了解物联系统的工作环节和功能需求分析的基础上，选择恰当的数据处理方式，借助设计算法实现反馈与控制，最后完成简易物联系统的搭建。第五单元旨在引导学生综合利用前四个单元所学的知识与方法，按照“发现真实问题—剖析问题成因—提出解决方案—开展实践验证”的流程开展项目实践，在此过程中进一步探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能，学会选择合适的数字设备开展实践创新探究。第六单元从大安全观的视角阐述，从探讨物联网虚拟身份出发，引导学生了解物联网安全现状、安全防范策略及外部依赖风险，进一步增强个人信息保护意识，深刻认识自主可控对国家安全的重要意义。二、六条逻辑主线的体现及递进设计数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六条逻辑主线在八年级教学指南中都有充分的体现。八年级教学指南还构建了螺旋上升的学习路径，引导学生在不同单元和课时内容中逐步深化理解，并将其应用于实践。（一）关于数据物联网与互联网最大的不同在于，物联网增加了自动获取数据的能力。可以说，数据是物联系统的基础，对现代社会具有重要意义。因此，数据的教学贯穿八年级教学指南的始终。第一单元讲述了数据是怎么来的，即如何通过传感器采集数据；第二单元讲述了数据是怎么传输的，即如何通过常见的物联协议实现数据的传输；第三单元讲述了数据怎么用，即如何利用数据实现应用的功能；第四单元讲述了如何从数据的角度对物联系统进行功能模块划分，以及如何分析处理数据和实现数据可视化，即如何更好地发挥数据的价值；第五单元讲述了数据在不同领域中的作用，即如何用数据解决问题；第六单元探讨了与数据相关的安全事件和安全风险，即如何提升数据的安全性。（二）关于算法在物联系统中，反馈与控制是基于算法实现的。考虑到学生的认知特点，八年级教学指南主要围绕顺序、分支和循环三种基本控制结构设计算法，旨在让学生掌握解决问题的策略或方法。例如，在第一单元使用循环与顺序相结合的简单代码获取环境声音数据，主要阐述利用物联实验设备获取声音数据的方法；第二单元进一步提高了算法的复杂度，学生需要使用循环与分支嵌套的方式，以实现蓝牙翻页笔功能；第四单元第20课“反馈控制有算法”中涉及更为复杂的循环与分支嵌套的算法。随着学生学习的不断深入，算法逐渐变得复杂，所使用的传感器和执行器也从板载逐步过渡到外接。以这样的方式引入算法，能够逐步发展学生的计算思维。（三）关于网络物联网本身就是一种“网络”，万物互联有多种途径，既有近距离通信，也有远距离通信。八年级教学指南从身边联网的物品出发，引导学生分析物联网中多样的数据传输方式（协议），并通过实践进一步理解这些协议的通信机制。在此基础上，学生会理解万物互联的原理和意义，并根据实际需求选择合适的通信方式。（四）关于信息处理八年级教学指南着重探讨基于物联网生成、处理数据的流程和特点。它一方面循序渐进地体现了读取、发送、接收、汇集和使用数据的过程和方法；另一方面，结合项目活动，利用算法实现反馈与控制，体现了物联网的价值。（五）关于信息安全大安全观的培育贯穿八年级教学指南。例如，第1课以问题“如果你家的洗衣机和冰箱的数据在互联网上人人可见，可能会带来哪些安全隐患”，渗透身边的信息安全；第4课则讲述了数据安全的风险；第6课提及了我国自主创新的近场通信安全技术；第六单元则从整体上系统阐述了安全防范措施，并强化自主可控意识的培养。（六）关于人工智能人工智能在物联网中的应用越来越广泛，它为物联网系统提供了智能决策和自动控制的能力。八年级教学指南选取部分内容简单介绍了人工智能在物联网中的应用。例如，第一单元介绍了人工智能与物联网加速融合，第三单元设置了人脸识别的实践活动，第六单元渗透了人脸识别存在的安全挑战和应对措施。三、八年级教学指南的主要特点（一）基于项目式学习，搭建学习支架八年级教学指南以课标要求的“设计和搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的简易物联系统”为目标设计项目式学习任务，项目由简单功能逐步到综合应用。第一单元设置了传感器应用实践的微项目体验，主要包括“给出检测环境中声音的具体问题—了解实现算法—开展测试验证—迁移应用检测光照强度”等实施环节，旨在激发学生学习兴趣。第二单元引导学生分析给定的共享单车物联系统的情境，帮助他们确定并分解问题——物联系统中数据传输使用多种协议，进而再通过几个微项目解决问题。第三单元以物联门锁为主题开展一个较为完整的项目，引导学生把项目分解为四个微项目。第四单元综合前三个单元的教学内容，以物联花盆系统为例，介绍了简易物联系统的搭建和实践。第五单元则引导学生以项目式学习的方式开展物联网创新应用。这种分层次、逐步深入的项目式学习编排，有助于学生逐步构建起利用物联网技术解决问题的过程和方法，同时激发他们的兴趣。（二）注重实践探索，强调综合应用实践性是信息科技课程属性之一。实践探索是本课标中“物联网实践与探索”模块的主要特点，也是“做中学”“用中学”“创中学”的具体体现。八年级教学指南的六个单元中有三个单元名称都显性包含实践或探索，并把实践探索作为线索之一在每个单元中呈现。在实践探索方面，第一单元主要是利用传感器（特别是板载传感器）和传感器产品开展实践，第二单元主要是使用常见的物联协议开展实践，第三单元在利用传感器、物联协议的基础上使用了执行器，第四至第六单元则综合使用传感器、物联协议和执行器开展实践。可以看出，实践探索的难度是由简单到复杂的，使用的实验硬件也是由单个到综合的，八年级教学指南试图通过这样的设计逐步强化学生解决问题的能力。（三）强化安全意识，突出自主可控物联网安全是课标“物联网实践与探索”模块的四部分内容之一。八年级教学指南从总体国家安全观的视角，按照渗透与集中体现的方式讲述安全内容。从第一单元至第五单元，在案例中渗透体现数据安全、密码安全、国家安全等方面内容；第六单元讲述了物联网安全，包括虚拟身份及其应用中的安全、常见的物联网安全事件、物联网安全风险、三层安全策略，并设置了多个与安全相关的实践活动。自主可控作为物联网安全的基础，八年级教学指南除了在第一、二单元中渗透体现自主可控外，第29课还专门分析了外部依赖的风险，详细介绍了自主可控包含自主技术、安全可控和国产化供应链等内涵，最后从国家、行业和个人层面，对提升自主可控能力进行了阐述。这样的设计目的在于让学生从大安全观角度了解物联网安全，初步树立总体国家安全观。（四）体现真实情境，融入跨学科主题《义务教育课程方案（2022年版）》要求加强课程内容与学生经验、社会生活的联系，强化学科内知识整合，统筹设计综合课程和跨学科主题学习[2]。八年级教学指南主要以解决真实问题和利用信息科技手段解决其他学科问题体现跨学科主题学习。在解决真实问题方面，物联网的案例都是面向真实问题的，这在八年级教学指南的诸多案例中均有体现。例如，第一单元介绍了传感器协同测量河道水质和气象数据相关案例，涉及科学学科；第四单元的物联花盆系统和第五单元的奶牛产奶监测系统涉及生物学学科。课标对“能在信息科技与其他学科的学习中，有效利用基本物联网设备与平台”提出了要求，第25课“学习探究新工具”对此有所体现，安排了一个利用物联网技术开展探究热水降温规律的实验活动。四、教学实施建议（一）结合学情做好二次开发八年级教学指南虽然按课编排，但教师可以围绕数字素养与技能培养的要求及单元学习目标，对相关内容进行符合学情的整合、重组，以期取得更好的教学效果。例如，第12课是第7课的进阶，都用了RFID相关知识；第13课是第10课的进阶，都用了MQTT相关知识；第15课、第26课和第30课都有刷脸开锁的相关内容；等等。此外，主题案例也可以因地制宜更换，教师可选择更适合本地学情的案例。例如，第4课的案例以气象数据为背景，也可以围绕光照强度展开；第8课的案例蓝牙翻页笔，也可以替换为蓝牙控制的其他内容；第四单元的搭建物联花盆系统，也可以换成其他主题。（二）合理使用教学指南配套数字资源与八年级教学指南配套的数字资源主要包括程序代码和虚拟仿真工具两方面。程序代码包含八年级教学指南所有案例的完整程序及注释，并有代码说明，以帮助教师进一步理解教学指南的内容。虚拟仿真工具则呈现了八年级教学指南的大部分实践探索内容，旨在为不具备硬件实验条件的学校提供演示参考。此外，八年级教学指南中的编程语言仅供教师参考，教师可根据本地实际情况选择图形化编程语言。编程语言的采用，服务于物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能的实现与验证。因此，教师讲解时应避免将重点放在编程语言上。（三）选择恰当平台、硬件开展数字化教学在课标“物联网实践与探索”模块的教学提示中，明确提出“根据需要，指导学生充分利用身边可用的实验设备设计搭建简易应用或原型系统，实现感知、交互及控制等有物联特色的功能”。要实现上述功能，教师需要在教学中选择恰当的软件平台和实验硬件，并有一定的延续性。在软件平台方面，教师需要选择恰当的编程验证平台和物联网服务平台，如物联网服务平台应从在线或者本地的MQTT服务器中提前做好选择，实践中不宜频繁更换。