面向信息科技教育的物联网平台研究

傅骞 宋义深 郑娅峰

[摘   要] 物聯网实践与探索是《义务教育信息科技课程标准（2022版）》中的核心课程内容，其体验物联网、搭建简易物联系统等课程内容需要依赖物联网平台开展。当前已有物联网平台存在基础功能受限、知识要素不足、核心技术闭源等诸多问题，难以满足信息科技物联网相关内容的教学实施要求。基于此，文章依据课标要求提炼了面向信息科技教育的物联网平台设计原则，设计实现了专门面向信息科技教育的物联网平台MixIO，并详细阐述了关键技术实现和应用案例，最终基于技术接受度模型验证了平台的有用性。为信息科技课程标准中物联网内容的落地实施提供了自主可控的平台架构解决方案。

[关键词] 信息科技教育； 物联网； 自主可控； 架构设计； 技术接受度

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 傅骞（1978—），男，浙江金华人。教授，博士，主要从事信息技术教育应用、创客教育理论研究。E-mail：fredqian@bnu.edu.cn。郑娅峰为通讯作者，E-mail：zlzyf@126.com。

一、引   言

物联网（Internet of Things）是社会数字化转型和智能升级过程中的关键技术基础[1]，也是与城市交通、智能家居、即时通讯等日常生活要素密切相关的科技因素，密切关联着学生适应社会发展的核心信息素养[2]；同时，物联网作为一种与人工智能、大数据等前沿科技要素紧密相连的技术领域，承载着学生综合解决问题的关键创新场景[3]。

在最新修订的高中信息技术和中小学信息科技课程标准中，物联网相关内容成为核心课程内容之一。2020年修订的《普通高中信息技术课程标准》在必修模块“信息系统与社会”和选择性必修模块“网络基础”中将物联网的概念与应用列入了内容要求，并提出了以物联网信息系统搭建为载体的实践学习方案[4]。2022年发布的《义务教育信息科技课程标准》更是将“物联网实践与探索”确定为初中学段三大核心模块之一，并提出了“理解万物互联的含义”“设计并搭建简易物联系统”“认识物联网中自主可控技术的作用”等学业质量要求[5]。

信息科技课程的建设离不开软硬件教学条件的支持[6]，尤其是支持各类实践活动的软件平台。在将物联网内容融入信息科技教育所需的软硬件基础要素中，不仅需要可编程、可扩展的开源硬件设备，更需要能够提供汇聚、控制、组合设备的物联网软件平台作为基础支撑。这些软硬件基础要素在支撑学生利用信息科技解决问题的同时，更支持了在教学过程中学生内在思维的发展[7]。然而，现有常规物联网平台大多是专业开发平台，并非针对教学开展设计，难以满足信息科技新课标下常态化教学的需求。此外，此类软件平台多被国外产品商垄断，使得诸多已有课程均基于Blynk、AppInventor等国外产品开发[8]，不能满足新课标中“自主可控”的基本理念，难以实现教育领域中事关“本质安全”的信息安全[9]。为此，本研究从信息科技新课标出发，分析面向信息科技教育的物联网平台特征与优势，在此基础上自主设计开发了一个面向信息科技教育场景的物联网平台MixIO[10]，以对标信息科技课程标准，全面满足中小学信息科技物联网模块的教学需求。

二、 现状与挑战

当前，主流的物联网平台多以面向产业应用为主，重在高并发、高可靠、低时延，追求互用性、资源占用、传输时延等性能指标的优化[11]，入门门槛和搭建成本较高。与之不同的是，面向信息科技教育的物联网平台应以提供快速、高效、低负担的用户体验，追求最小化成本的原型开发和促进学生信息科技素养提升[12]为主要目标。

着眼于现状，本研究从信息科技教育教学实践过程中的关键要点出发，对活跃在当前信息科技教育领域的Blynk[13]、IOT Maker Lab[14]和SIOT[15]等物联网平台开展了比较分析，见表1。Blynk的平台兼容性较好但设备兼容性差，功能设计较为完整但仅有一部分可以免费使用，高效、灵活、低负担的交互设计是其在一定程度上能够适应教学实践、胜任教学任务的一大亮点；相较于Blynk，IOT Maker Lab基于MQTT协议提供了更好的物联设备接入体验，但在原型开发方面受限于交互设计问题而较难为初学者提供良好的操作体验；SIOT平台在一定程度上考虑了教学情境中的开箱即用问题，但其面向学习者简化操作的针对性设计不足、交互性较差，能够实现的原型类别受限、支持的教学案例较少。除此以外，三个平台在支持学科知识主题学习和协同设计场景方面均不佳，其开发设计逻辑与真实教学场景间的联系较为松散，不适合直接作为信息科技教育物联网支持平台。另外，从“自主可控”的需求出发，仅SIOT平台为国产开源软件。

以上分析表明，Blynk、IOT Maker Lab、SIOT等物联网平台虽在不同程度上实现了信息科技教育课程标准的部分要求，但与理想的物联网教学平台仍存在较大差距。一方面，已有物联网平台对信息科技教学场景特点和学习者需求缺少关注，在面向素养提升的具体课标需求上缺乏有效的平台实践功能支持；另一方面，SIOT等非商业物联网平台与Blynk等国外商业物联网平台在交互设计、功能实现等方面存在不足，相关开源技术的建设方面存有明显缺陷。基于此，为了贯彻落实信息科技课程标准的内容精神、实现广覆盖面的育人要求[17]，研发一款专门面向信息科技教育的专用物联网平台就显得极为必要。

三、 面向信息科技教育的物联网平台设计原则

面对现状与挑战，着眼于“将新课标要求落到实处”的真实需求，践行义务教育新课标的精神内核和实践逻辑[18]，研究对2022年发布的《义务教育信息科技课程标准》中有关物联网的段落进行了提取，共计43段、4126字。经分词、去除停用词后进行词频分析，得到出现次数超过1次的关键词共42个。研究结合具体上下文对关键词进行了编码归类，构建了由六个维度构成的面向信息科技教育的物联网平台设计原则，见表2。

在以上原则中，“设备接入标准兼容”和“基础功能开放完整”确定了平台在教育领域的开放性需求，其要求平台立足教育实践的复杂性、公益性，提供兼收并蓄的设备接入和功能调用能力，最大程度降低基础设施因素对平台教育应用的限制；“使用方式简单便捷”和“主题知识广泛支持”确定了平台以学习者为中心的支持性需求，其要求平台从学生视角设计交互、从知识视角编排内容，追求学业发展绩效而非平台性能绩效、促进综合认知发展而非专业技能训练；“扩展搭建高效易用”和“核心技术自主可控”确定了平台在技术生态构建上的自主性需求，其要求平台在广大信息科技教育工作者可认知、能掌控、敢把握的范围内提供开箱即用的技术解决方案，在数据、信息与计算的敏感问题上守住自主可控红线，提供安全、可靠的技术服务。

四、 平台设计与实现

依据上述设计原则，结合信息科技课程标准要求，本研究有针对性地设计了一款面向信息科技教育的物联网平台——MixIO。

图 1   平台架构设计

（一） 架构与功能设计

平台架构设计如图1所示：（1）在终端接入层，平台支持各类开源硬件终端和智能控制终端的统一接入，提供开源硬件库、HTML5网站和跨平台的Web App；（2）在业务功能层，物联消息业务群、应用控制业务群和云端计算业务群构建起了回应信息科技课程标准的完整功能布局，前两者在物联协议层面上交互，后两者在Web协议层面上交互；（3）在开源可控的中间件支持方面，Aedes物联服务器中间件为物联消息业务群提供支持，Express网络服务器中间件为应用控制业务群提供支持，Jsdom虚拟化运行环境为云端计算业务群提供支持，并通过RESTful API联通后台业务与底层沟通；（4）在存储层，简单、便携的Sqlite3数据库为以上各层服务，Forever monitor提供便捷的持久化运维支持；（5）平台应用NodeJS为开发的主要语言，利用Npm与Pkg提供持续集成与私有化部署能力，并选用自主可控的Gitee平台进行构建与发布与版本控制。

在架构设计的业务层中，六项业务对应的六项基本功能设计见表3。

（二） 关键技術实现

在架构与功能设计的基础上，本研究对于平台进行了具体的开发和实现。在开发和实现的过程中，面临的技术挑战主要包括：（1）各类教学场景所需的多种平台交互模式在技术上互不兼容；（2）单一的客户端技术因教学设备的公共性和课程安排的离散性而难以保证长期数据采集的教学需求；（3）从外部平台获取数据源所需的技术难度因异构的平台鉴权机制与数据组织形式而难以直接消除。为解决这些瓶颈问题，研究研发并实现了以下三项关键技术：

1. 多视图项目编辑技术

为了突破教学所需的多种平台交互模式间互不兼容的技术难点，平台从信息科技课程标准出发，实现了“数据”“组件”“逻辑”三种视图支持下的项目编辑技术。将项目视为一个由使用者开发的物联应用程序，则其三个视图分别对应程序的三层架构接入点——数据视图对应数据访问层，组件视图对应用户界面层，逻辑视图对应业务逻辑层。如图2所示，三种视图通过不同的界面操作同一个包含全部项目内容的JavaScript数据对象：数据视图直接对数据对象进行访问、组件视图与数据对象进行事件绑定、逻辑视图与数据对象的可变代码部分进行编辑，呈现出各有侧重的协作编辑关系。

2. 基于云端项目解析的持久计算技术

物联项目承担着收发记录物联数据、执行规定逻辑动作的控制任务，需要以智能设备为宿主运行。一般而言，物联项目的即时运行依赖于客户端浏览器，这意味着一旦用户关闭浏览器，项目的运行就将中止。例如，在“物联气象站”教学案例中，学生需要进行长周期的常态化数据采集，而学生在课堂以外不能够保证运行项目的手机、电脑长期工作；为了满足这一类教学案例的要求，并充分发挥客户端和服务端的协同优势，研究基于Jsdom虚拟解析技术，重点实现了基于云端项目解析的持久计算技术。如图3所示，用户的项目结构可以在云端被解析重现，项目逻辑得以还原；原本在客户端浏览器中执行的JavaScript代码经关键字替换、基础环境移植可以被转化为在后端执行的NodeJS代码。由此，平台可以为任意用户的任意项目提供云端解析、弹性切换的持久计算服务。

3. 智能代理缓存与组件化接入技术

从第三方平台获取自然气象要素、空间地理要素、区位信息要素等社会数据源时，通常需要申领管理密钥、调试编程接口，技术负担较高。为了降低这种负担，将复杂的鉴权与交换操作对用户隐藏，平台建立了社会数据的代理模式，其中关键技术为智能代理缓存与组件化接入技术。如图4所示，一方面，智能代理主要通过外部平台提供的API获取社会数据，并通过对全体平台用户数据使用偏好的学习指定分时段、分类别的数据获取策略，通过维护缓存表减少向外部平台的请求次数；另一方面，智能代理以组件化的接入形式向用户提供服务，完全屏蔽了向外部平台请求的复杂过程，降低了用户的认知与操作负荷。

五、 应用案例

“在线数字气象站”是信息科技新课标中的“跨学科主题学习案例”，要求教师利用物联网模块的相关知识，指导学生开展关于在线数字气象站的模拟、测试与部署相关的互动实验探究，支持学生搭建数字气象基站、完成气象数据分析、实现基于数据的协作与展示。这一案例在课标中的实施过程要点和MixIO平台具体支持方法见表4。针对这些要点，MixIO平台支持学习者协作汇聚不同来源的气象数据，从零开始设计物联系统的数据规范、流转逻辑和应用界面，完整实现了课程标准中“搭建物联系统”的项目式学习要求。

六、 效果与评价

为评估 MixIO平台的应用效果，本研究基于TAM技术接受度模型[19]，设计了由包含基本信息（年龄、使用时长）以及感知有用性、感知易用性、使用态度与行为意愿三个维度在内的18个题项组成的调查问卷。研究面向中小学信息科技教师发放55份问卷，回收有效问卷53份，回收率达94.5%。

基于描述统计分析发现，用户对MixIO平台的技术接受度总体较高，感知有用性和感知易用性、使用态度和行为意愿各题项得分均值均在4分以上（满分为5分），表明平台总体在案例应用中表现出了较好的群体技术接受度；为更进一步发现了解用户使用时长、感知易用性、行为意愿等要素的依赖关系，研究进一步进行了回归（路径）系数分析，发现使用时长→感知易用性（p=0.023**），感知易用性→感知有用性（p=0.000**）两条路径均得到显著性支持，说明平台本身的功能与交互设计能够较好地支持用户达成对平台功能的学习和掌握；最后，研究还基于年龄分组方差分析，发现不同用户年龄样本对于使用时长、感知有用性、感知易用性、使用态度与行为意愿均不会表现出显著性差异（p>0.05），呈现了平台在未来普及应用的优势。

七、 结   语

通过对信息科技课程标准与已有物联网平台的分析，本研究设计并开发了一款专门面向信息科技教育的物联网平台MixIO，并基于技术接受度模型验证了其在实践过程中的有用性。研究紧扣“研究成果产品化”[20]的教育信息科技研究命题，实现了从需求到设计，再到开发、应用、研究的总体流程，为信息科技课程标准中物联网与实践部分的落地实施提供了自主可控的解决方案。着眼于未来发展，本研究还将继续开展应用反馈的追踪研究，从需求侧出发不断完善平台功能、提升平台使用体验，与时俱进地建设高质量的信息科技教育支持平台。

[参考文献]

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Research on the IoT Platform for Information Technology Education

—Design and Implementation of MixIO IoT Platform

FU Qian1，  SONG Yishen1，  ZHENG Yafeng2

（1.School of Educational Technology， Beijing Normal University， Beijing 100875;

2.Center for Educational Science and Technology， Beijing Normal University， Zhuhai Guangdong 519087）

[Abstract] The practice and exploration of the Internet of Things （IoT） have been incorporated as a core module in the "Compulsory Information Technology Curriculum Standards" released in 2022. The course content such as experiencing IoT and building a simple IoT system needs to rely on the IoT platform. The current existing IoT platforms have some problems such as limited basic functions， inadequate knowledge elements， and closed source of core technologies， which are difficult to meet the instructional requirements of IoT-related contents. On this basis， this research extracts the design principles of the IoT platform for information technology education that align with the requirements of the curriculum standards， designs and implements an IoT platform named MixIO specifically for information technology education. Furthermore， this research elaborates several cases of the key technology implementation and the platform application， and finally verifies the usefulness of the platform based on the Technology Acceptance Model （TAM）. This research provides an autonomous and controllable platform architecture solution for the implementation of IoT contents in the information technology curriculum standards.

[Keywords] Information Technology Education; Internet of Things; Autonomous and Controllable; Architecture Design; Technology Acceptance