信息系统大概念下数字化实验探究

王和鹏 郑碧柔

信息系统是高中信息技术课程必修模块中的大概念，涉及的定义、设备、协议较多，具有较强的系统性和抽象性。为避免学生机械记忆、学习该模块知识，笔者基于教材整体设计信息系统教学活动，对信息系统进行系统细化和概念细化。笔者围绕信息系统大概念设计4个数字化实验，开展模拟的“基于物联网的中国空间站系统”实验案例教学，激发学生学习兴趣。学生动手拼装，自主合作编程实现远程控制，学习物联网的设备和通信知识，对信息系统概念有深入的了解，提高了学习效率。

一、课程及背景分析

高中信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任4个核心要素组成。该学科的性质是“课程围绕高中信息技术学科素养，精炼学科大概念，吸纳学科领域的前沿成果，建构具有时代特色的学习内容，兼重理论学习与实践应用，通过丰富多样的任务情境，鼓励学生在数字化环境中学习与实践……”。但承载素养提升功能的教材在某些内容及实施区域上难以兼顾，如在教科版必修二“信息系统与社会”第二单元中，“基于物联网的信息系统”有两个探究活动：“探索基于RFID的物联网信息系统”和“探究交通中的物联网”。虽是信息系统的主要组成部分，教材仅简单介绍物联网基本概念、常用的传感器、RFID设备等，并无具体可操作的案例，学生难以理解知识并应用相关设备。

与传统物理、化学、生物学实验不同，通过概念的细化，笔者设计了单机系统、无线网络、数据的接收与发送和远程监控系统4个数字化实验。除将设备物理连接外，笔者还通过计算机网络测试、数据传输、数字化控制等内容，将知识进行联系，构建学科大概念体系。特别是实验三，有效地将必修一模块中的大概念“数据与计算”知识结合，这既让学生通过动手组网，又能通过实验将数字化学习与创新要素跟其他要素融合，有利于学生真正投入学习，提高效率。

二、实验设计思路

（一）厘清内容与目标

信息系统作为一个大概念，贯穿整个模块，从基本个体的硬件、软件到网络再到应用系统，从小系统到大系统，从简单系统到复杂系统，从系统搭建到系统应用，同时从具体到抽象，循序渐进（如图1）。教师在教学过程中既要基于低层次一般概念、基础概念的微观小系统，又要有宏观系统，相互交融。必修模块“信息系统与社会”中，物联网作为次要概念，比较具体和微观。

（二）实验设计及思路

笔者按照从简单到复杂的思路，从计算机系统组成逐渐到抽象复杂的物联网，由浅入深、层次递进，设计实验。笔者将第二单元的内容转化为系统搭建的整体实验项目。在完成系统搭建的过程中，笔者将信息意识、数字化学习与创新、计算思维和信息社会责任素养内容融合，培养学生实验和学习的能力，为以后他们学习选择性必修模块知识做好准备。笔者设计的4个实验分别是单机、无线网络、模拟物联网、宏观远程监控（见表1）。

（三）教学环境的配置

本单元的教学是对教材内容的完善和补充，因此教学前教师要做好准备。

1.基本网络条件的准备

如何让学生认识计算机系统？教师可以使用报废计算机按组别需要开展计算机的组装活动，通过一台正常计算机为学生演示。如何组建无线局域网？教师可以在现有计算机教室的有线网络之上，配上少量的家用路由器、无线网卡，使原有教室局域网交换机掉电，然后对路由器和无线网卡进行简单配置实验，即可组网。

2.物联网环境的配置

物联网的搭建工作是在网络基础上完成的，主要得益于各种传感器和控制部件的加入，这也是新课程的亮点和重点，分两个实验来实施。模拟物联网是第一个实验，为后续宏观远程监控实验作铺垫。考虑成本和实施难易程度，模拟物联网有两种方案可选：方案一，探测车+主控板+网络构建系统，探测车有声音传感器、超声波传感器;方案二，掌控板+各种传感器+网络构建系统，支持的传感器较多，拓展性大，如加入图像识别技术，能实现比较复杂的场景应用。教师帮助学生迅速开启物联网项目的实践活动，并且提供各种系统搭建方案，有助于学生自主提出问题和解决问题。学生借助Easy IoT平台（一个物联网服务平台），可以对联网的传感器和执行器数据进行实时监控和反馈，统计和分析已经接收的数据，并向传感器和执行器发送数据，帮助实现控制效果。第二个远程监控可以借助学校的监控平台来实现，只要计算机教室授权接入并在教室增加演示用摄像头即可。

三、教学案例

教材记述的计算机系统、无线网络内容相对简单，对涉及物联网的数据采集器、传感器和控制器部分给出了实验设计。为了让学生对物联网的末梢（传感器及系统）有更深入的认识，笔者设计了“中国空间站信息系统”实验。

（一）实验原理及目的

2021年是我国太空探测重要年份，为此笔者基于远程控制系统模拟核心舱“天和”“梦天”“问天”“神舟”“天舟”的通信场景，物联网控制系统实现空间站遇到太空陨石的场景，以及派出太空探索车采集外太空环境数据的场景，设计了模拟中国空间站信息系统的实验。其中，利用传感器组建探测小车系统实现数据采集，是实验的基础和重点。探测小车上装有光敏传感器、声音传感器、温度传感器和超声波传感器等。传感器具有检测障碍物实现智能避障功能，可以采集环境的温度、声音和光照数据，并将数据上传至物联网平台的“探测数据”，实时监测数据信息，收集数据用于科学探究。学生通过实验，了解各种传感器在模拟的微型系统中的作用，掌握具体概念，为构建上位的物联网基础概念作好知识技能铺垫（如图2）。

（二）实验器材及分组

实验在计算机网络教室操作，笔者提供6组器材。各组器材包括探测小车（麦昆小车）、掌控板（装载声音传感器、光敏传感器）、超声波传感器、温度传感器各一块。

（三）实验教学过程

1.理解探测车原理和实验任务

笔者结合国家航天部门实际开展实验情况，提供实验原理图并解析，明确实验目的和任务。

设计意图：融合价值观构建实验情境，融入信息意识，激发学生学习兴趣。

2.探讨传感器功能及工作原理

学生以小组为单位，研究实验传感器，了解其功能、工作原理及接口。以超声波测距传感器为例，工作原理见表2。

设计意图：传感器是一种检测装置，相当于人的感觉器官，对于信息的获取至关重要，它能感受被测量的信息，并将其按照一定规律转换为电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是人们获取信息和转换信息的重要手段。

本环节要求学生初步了解相对应型号的传感器特征，了解基本概念，为构建上位概念做好准备。

3.组建探测装置系统

（1）设备连接。学生根据实验原理连接装备，将掌控板与扩展板连接，将超声波传感器接扩展板的IO口，将温度传感器接IIC口（如图3）。

（2）通过无线网络连接物联网平台。掌控板有一个专门的物联网模块——MQTT，通过掌控板自带的Wi-Fi模块，可以与物联网平台连接，实现掌控板与计算机端甚至移动端互联。

如何进行物联网平台连接与设置？学生注册登录进入Easy IoT物联网平台，在顶部菜单的“工作间”里新建自己的设备。在Easy IoT物联网平台上定义3个主题 （Topic）分别用于太空通信、探测数据及陨石预警的数据回传。其中，“探测数据”用于存储探测小车返回的检测数据。学生编写程序代码（代码可视学生情况组织编写或教师提供），完成连接。

设计意图：组建系统，提高学生动手能力，通过使用协议连接传感器和网络，促进数字化学习能力与创新能力的提升，激发学生学习探究的兴趣。

4.物联网平台与探测小车进行数据传输

学生编写程序（视情况编写或提供），让小车利用传感器进行环境检测，并将检测到的数据回传至物联网平台。学生模拟探测小车出舱采集太空数据，支持宇航员实时监测外界信息，收集数据进行科学探究。

设计意图：教师组织实验引导学生获得“太空”数据，融合信息化社会责任，培养探索精神。

5.填写实验数据

学生将采集的数据从物联网平台中导出，记录传感器实验数据，完成数据整理、分析与可视化工作。

笔者指导学生用实验数据进行可视化分析。

设计意图：增强学生科学实验意识。

四、反思与体会

（一）创建数字化学习环境，理论兼顾实践

笔者的信息系统实验设计，相对于教材，增加了内容，从计算机单机到无线网络，由微观“探测小车”的搭建到宏观的远程监控，设计了一个层次递进的逐渐深入学习过程，减少了理论部分，强化了学生操作，有利于学生理解抽象的物联网这个大概念及其各种下位概念，有效构建起“系统”这个上位概念。学生只有夯实了这部分的知识，才能为后续学习选择性必修和选修内容打下基础。

（二）问题即知识，素养融入情境

基于问题情境创设及问题解决是核心素养培养的有效途径。笔者将问题贯穿课程实践活动来渗透对学生科学思维的培养。学生需要不断思考：① 物联网使用的是什么样的终端设备？②物联网设备是如何通信的？③物联网是如何感知外部世界的各种信息，又是如何控制这些设备的？④搭建一个物联网应用场景，有哪些快速入门的服务平台可以选择？问题即知识。笔者通过规划、设计、组建、体验基于物联网的信息系统，渗入信息意识、计算思维、数字化学习及信息责任等素养内容，既让学生掌握了基本的概念，又提升了学生思维能力和动手能力。

（三）关注社会生活，开辟课程教学新路径

2021年，中国空间站建设取得阶段性重大胜利，“天和”“神舟”“天舟”成功入轨组成中国的太空家园。为让学生了解我国航天取得的伟大成就，激发太空探索激情和我国航天精神，笔者模拟了空间站在遇到太空陨石时发出预警，以及派出太空探索车采集外太空环境数据的场景。笔者紧密结合当前航天时事，从“遥不可及”的航天科技，到动手实现的模拟太空，较好地融入价值观的教育，也开辟了课程教学新路径。

信息技术教师应利用信息技术实验室创设真实问题情境，为学生提供从信息系统设计规划到软硬件操作的实践机会，提高学生对信息系统价值的认识及利用信息系统解决问题的能力。笔者设计的课程内容紧密联系当下蓬勃发展的物联网产业，融入立德树人的价值观，能满足学生个性化发展需要。对于教师而言，教材（知识内容）发生了较大变化，教学要求提高，还需要不断探索学习，依托教材开发出更多适合于教学的资源。

参考文献

[1] 张敬云，刘正云.基于项目式学习的初中物联网课程设计[J].中国信息技术教育，2021，（15）：12-14.

[2] 谢作如.与时俱进，用更合适的方式学习物联网技术[J].中国信息技术教育，2021（15）：15-17.

[3] 王和鹏，严红莲.小身材，大作用——高中信息技术学科利用家用路由器进行实验教学一例[J].教育与装备研究， 2018（9）：53-56.

（作者王和鹏系海南省国兴中学高级教师，省级学科带头人;郑碧柔系海南省定安中学二级教师）

责任编辑：祝元志