聚焦核心素養(yǎng)案例研討專題三：體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)，強(qiáng)化系統(tǒng)觀

編者按：本欄目特邀教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會成員、普通高中信息技術(shù)課標(biāo)修訂核心組成員、四川省教育科學(xué)研究所技術(shù)教育研究室主任、正高級教師、特級教師李維明主持，望大家踴躍參與研究與討論（聯(lián)系郵箱：358211798@qq.com）。

主題闡釋

在百度百科中，信息系統(tǒng)（Information system）是指由計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件、信息資源、信息用戶和規(guī)章制度組成的以處理信息流為目的的人機(jī)一體化系統(tǒng)。信息系統(tǒng)的五個基本功能分別為輸入、存儲、處理、輸出和控制。這里所說的信息系統(tǒng)，主要是指包含使用者在內(nèi)的計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。

我們知道，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)主要是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，也有脫離了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，如光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等，但這并不是信息系統(tǒng)的全部。在以前的教學(xué)中，不少教師把這些結(jié)構(gòu)的教學(xué)理解為信息系統(tǒng)的教學(xué)，忽略了信息系統(tǒng)中人的存在，以致出現(xiàn)了對信息系統(tǒng)片面的理解。

在本模塊的教學(xué)中，教師可通過對典型的信息系統(tǒng)應(yīng)用案例分析與實(shí)際體驗(yàn)等方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)信息系統(tǒng)知識，合理使用信息系統(tǒng)為我們的生活、學(xué)習(xí)服務(wù)。下面列舉的“‘共享單車項(xiàng)目活動”案例，正是結(jié)合實(shí)際生活的信息系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生思考信息系統(tǒng)的組成要素，認(rèn)識信息系統(tǒng)對人們?nèi)粘Ｉ钆c社會發(fā)展的重要作用；而“依托二維碼的實(shí)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”則利用信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，通過指導(dǎo)學(xué)生合作或獨(dú)立完成一個信息系統(tǒng)的硬件搭建和軟件安裝，為學(xué)生提供從信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃到軟硬件操作的實(shí)踐體驗(yàn)機(jī)會，提高學(xué)生對信息系統(tǒng)價(jià)值的認(rèn)識以及利用信息系統(tǒng)解決問題的能力。

教學(xué)案例

案例1：“共享單車”項(xiàng)目活動

學(xué)業(yè)要求：了解信息技術(shù)對社會發(fā)展、科技進(jìn)步以及個人生活與學(xué)習(xí)的影響，知道信息系統(tǒng)的組成與功能，知道信息系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)接方式，了解常見的傳感與控制機(jī)制，以及接入方式、帶寬等因素對信息系統(tǒng)的影響。

情境設(shè)置：共享單車在大城市已經(jīng)普及，摩拜、ofo、小鳴、小藍(lán)、騎唄……各大單車品牌充斥著人們的眼球，只要在手機(jī)上下載一個相應(yīng)的APP，就能開鎖使用自行車，大大方便了人們的出行。當(dāng)前，單車已經(jīng)不僅僅是一種簡單的代步工具，而是代表著運(yùn)動、健康以及生活的態(tài)度。

共享單車的主要功能有手機(jī)開鎖、定位共享單車、跟蹤記錄騎行路線及時間并以此計(jì)費(fèi)（如下頁圖1～圖4），那么這些功能究竟是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

項(xiàng)目主題：了解共享單車的原理，了解物聯(lián)網(wǎng)的概念，了解車輛電子鎖控制、GPS定位、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽靡环N程序語言編程模擬費(fèi)用計(jì)算過程。

項(xiàng)目活動：

◇活動1：了解共享單車的電子鎖。

要求：①學(xué)生2～3人一組，上網(wǎng)搜索共享單車的相關(guān)資料。②從硬件和軟件兩方面著手研究共享單車電子鎖實(shí)現(xiàn)的方法。③撰寫相應(yīng)的電子鎖如何實(shí)現(xiàn)的報(bào)告。

◇活動2：了解共享單車的定位與記錄。

要求：①分組研究如何實(shí)現(xiàn)車輛定位。②研究如何記錄并在地圖上顯示出行車輛的騎行路線。③撰寫相應(yīng)的研究報(bào)告。

◇活動3：了解共享單車的費(fèi)用計(jì)算。

要求：①上網(wǎng)搜索資料，了解共享單車的計(jì)時收費(fèi)。②設(shè)計(jì)算法，用VB編寫程序模擬共享單車的收費(fèi)。③改進(jìn)算法，優(yōu)化程序。

拓展思考：打車軟件，如滴滴快車、Uber等，可以實(shí)時顯示并通知用戶周圍的出租車、快車情況；外賣軟件，如百度糯米、美團(tuán)外賣等，可以顯示用戶周圍的餐飲情況。這些軟件是如何工作的？還有哪些軟件運(yùn)用了這種工作模式？這種工作模式還能有其他什么應(yīng)用？

項(xiàng)目實(shí)施說明：共享單車的核心部件主要是車控終端，主要實(shí)現(xiàn)了電子鎖控制、GPS定位、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。此?xiàng)目按照這幾方面分別設(shè)計(jì)了三個活動，讓學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)的概念，了解云端控制的原理，并讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)算法模擬費(fèi)用計(jì)算這一過程。

活動1讓學(xué)生了解電子鎖的實(shí)現(xiàn)，研究過程中會涉及物聯(lián)網(wǎng)和云控平臺，這個實(shí)例能讓學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)和云端的概念。活動2是在活動1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究共享單車是如何定位和跟蹤定位記錄的，讓學(xué)生了解LBS定位服務(wù)技術(shù)?；顒?是研究共享單車的計(jì)時收費(fèi)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)算法編程模擬共享單車如何計(jì)算費(fèi)用這一環(huán)節(jié)。

在難度的把握上，活動3可以由教師提供“數(shù)據(jù)讀取”的程序模塊，學(xué)生編程時直接調(diào)用即可，這就大大降低了活動的難度。設(shè)計(jì)收費(fèi)算法時，可以讓學(xué)有余力的學(xué)生考慮加入紅包或周末免費(fèi)這些條件。采用此類方法可以調(diào)節(jié)活動的難易程度，該項(xiàng)目適用于學(xué)科素養(yǎng)要求在水平1和水平2的不同教學(xué)場合。

拓展思考的設(shè)置是為了讓學(xué)生思考LBS定位服務(wù)的其他應(yīng)用及其意義。

案例2：依托二維碼的實(shí)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

學(xué)業(yè)要求：按照任務(wù)需求，了解二維碼記載數(shù)據(jù)的方式，對常見的QR CODE編碼能進(jìn)行分析，能理解二維碼的容錯能力、譯碼可靠性、編碼范圍等基本特性，能根據(jù)二維碼在物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用，理解二維碼在主、被讀類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的優(yōu)勢，讓學(xué)生認(rèn)識到二維碼在物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)中的重要性。

情境設(shè)置：現(xiàn)在的市場上，經(jīng)常會有一些水果表面貼有二維碼，小張同學(xué)有一天用手機(jī)掃了掃某種西瓜的二維碼（如下頁圖5），沒想到二維碼里注明了產(chǎn)品種植合作社名稱、種植基地地址、種植人姓名及聯(lián)系電話，還有品種名稱和品質(zhì)特點(diǎn)等信息；結(jié)賬時小張也使用了支付二維碼（如下頁圖6），甚覺方便。方便的二維碼應(yīng)用，激發(fā)了小張強(qiáng)大的好奇心和興趣，為此他準(zhǔn)備好好研究一下物聯(lián)網(wǎng)中的二維碼。他作了如下的研究。

（1）通過查閱資料知道，常見的二維碼均是以QR碼作為編碼的碼制，它是在一個矩形空間內(nèi)，以矩陣的形式組成，在矩陣相應(yīng)元素位置上用“點(diǎn)”表示二進(jìn)制“1”，用“空”表示二進(jìn)制“0”。二維碼的容錯機(jī)制（圖中的格式信息，表示糾錯級別）在即使沒有辨識到全部的條碼，或者條碼有污損時，也可以正確地還原條碼上的信息，如圖7所示。

（2）收集、分析物聯(lián)網(wǎng)中的二維碼，總結(jié)出二維碼在主、被讀類模式應(yīng)用中的五大領(lǐng)域，如下表所示。

分類 領(lǐng)域 例子

主讀類 接入網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)站二維碼

數(shù)據(jù)防偽 新版火車票

溯源 西瓜二維碼標(biāo)簽

被讀類 憑證類 二維碼門票

存儲名片 二維碼名片

小張同學(xué)認(rèn)為：二維碼作為一種新的信息存儲、傳遞和識別技術(shù)，能迅速融入到物聯(lián)網(wǎng)中，賦予了物體“智能”，從而能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、溝通，二維碼構(gòu)成的信息系統(tǒng)能使我們的生活更加方便快捷、安全健康。

項(xiàng)目主題：了解二維碼在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

項(xiàng)目活動：

◇活動1：

通過理解二維碼的編碼知識，清晰認(rèn)識到二維碼的優(yōu)勢所在，分析其在高密度編碼、編碼范圍、容錯能力、安全性能等特性方面的知識。

◇活動2：

①收集物聯(lián)網(wǎng)中的二維碼應(yīng)用，整理數(shù)據(jù)，感知二維碼的兩大分類模式。

②通過實(shí)踐活動、分析實(shí)踐數(shù)據(jù)，初步得出物聯(lián)網(wǎng)中二維碼應(yīng)用的五大領(lǐng)域。

③形成實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告。

教學(xué)說明：

①本課例的教學(xué)，主要是讓學(xué)生了解二維碼的基本編碼原理，理解二維碼的基本特性，從二維碼的點(diǎn)（1）空（0）編碼方式入手，提高學(xué)生的信息思維能力。讓學(xué)生收集、分析物聯(lián)網(wǎng)中二維碼的實(shí)用系統(tǒng)，理性認(rèn)識到二維碼在物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展中的優(yōu)勢，總結(jié)形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高學(xué)生的信息化應(yīng)用能力與歸納概括的能力。

②該課例以生活中常見的二維碼為應(yīng)用案例，讓學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)中的二維碼產(chǎn)生了濃厚的探知興趣。在活動中，讓學(xué)生主動參與探索二維碼的基本原理和特性，理性認(rèn)識到二維碼在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢。在探究二維碼應(yīng)用的五大領(lǐng)域時，讓學(xué)生通過多種途徑獲取二維碼的實(shí)用信息，培養(yǎng)學(xué)生高效利用信息工具和信息資源的核心素養(yǎng)。

③鑒于本課需要學(xué)生的積極實(shí)踐和協(xié)作、探究，所以在教學(xué)安排上建議用兩節(jié)課完成：一節(jié)安排任務(wù)，明確方向，收集資料；一節(jié)相互討論，展示歸納概括，形成有效的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。至于活動地點(diǎn)，需要在有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的技術(shù)實(shí)驗(yàn)室里才能完成。

④在實(shí)際教學(xué)中，用溯源類二維碼應(yīng)用激趣，用憑證類二維碼應(yīng)用引同感。這樣既明確了二維碼的兩大分類，又給學(xué)生指引了自主探索的方向。學(xué)生在收集、整理信息時，可能在憑證類和數(shù)據(jù)防偽兩大領(lǐng)域有交叉感，教師要適時給予指導(dǎo)和個別小組輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生得出正確的結(jié)論，從而突破本課的難點(diǎn)。

⑤關(guān)于本課例的拓展，可以對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢和人工智能的方向進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)。

專家點(diǎn)評

案例1

本案例結(jié)合實(shí)際生活的信息系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最熱門的應(yīng)用，通過“了解共享單車的電子鎖”“了解共享單車的定位與記錄”及“了解共享單車的費(fèi)用計(jì)算”三個實(shí)踐活動的開展，引導(dǎo)學(xué)生了解共享單車的原理，了解物聯(lián)網(wǎng)的概念，了解車輛電子鎖控制、GPS定位、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，思考信息系統(tǒng)的組成要素，認(rèn)識信息系統(tǒng)對人們?nèi)粘Ｉ钆c社會發(fā)展的重要作用，選題新穎，突出了重點(diǎn)。該案例抓住共享單車實(shí)現(xiàn)的三個重要環(huán)節(jié)，讓學(xué)生展開探究，一方面可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及求知欲，另一方面可讓學(xué)生深入了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成要素及實(shí)現(xiàn)方法，從而對信息系統(tǒng)中人、網(wǎng)、物幾者的關(guān)系能有具體的認(rèn)識。在活動3中，還特別設(shè)計(jì)了編寫程序模擬共享單車收費(fèi)的環(huán)節(jié)，學(xué)生既加深了對共享單車應(yīng)用的理解，又鞏固了算法的認(rèn)識，綜合應(yīng)用能力得到提升。

其實(shí)，就共享單車而言，其應(yīng)用模式是不一樣的。如果案例中能引導(dǎo)學(xué)生探索一下其他品牌的共享單車的應(yīng)用情況，特別是解釋“成都小學(xué)生5秒解鎖共享單車”的實(shí)例，也許學(xué)生會對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用及安全防護(hù)有更深刻的認(rèn)識。

案例2

本案例結(jié)合實(shí)際生活中二維碼在物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，通過了解二維碼的編碼碼制，認(rèn)識二維碼的應(yīng)用優(yōu)勢，從而促使學(xué)生研究二維碼與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的聯(lián)系及其與使用者的關(guān)系，最終使其加深對信息系統(tǒng)的了解。

從本案的標(biāo)題來看，“依托二維碼的實(shí)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”可以理解為已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中付諸應(yīng)用了的系統(tǒng)，更可以理解為組建一個“依托二維碼的實(shí)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”，即利用信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，通過指導(dǎo)學(xué)生合作或獨(dú)立完成一個信息系統(tǒng)的硬件搭建和軟件安裝，為學(xué)生提供從信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃到軟硬件操作的實(shí)踐體驗(yàn)機(jī)會，提高學(xué)生對信息系統(tǒng)價(jià)值的認(rèn)識以及利用信息系統(tǒng)解決問題的能力。在這一方面，此案例尚有許多鮮活的教學(xué)內(nèi)容可以發(fā)掘。例如，基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，既可以利用現(xiàn)成設(shè)備及軟件，讓學(xué)生操控，感受物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際效果，也可以利用學(xué)校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室或開源平臺搭建實(shí)驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，讓學(xué)生從原理和實(shí)踐的層面，深刻認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)及控制的本質(zhì)，深層次地提升信息素養(yǎng)。