面向信息科技教育的物聯網平臺研究

傅騫 宋義深 鄭婭峰

[摘 ? 要] 物聯網實踐與探索是《義務教育信息科技課程標準（2022版）》中的核心課程內容，其體驗物聯網、搭建簡易物聯系統等課程內容需要依賴物聯網平臺開展。當前已有物聯網平臺存在基礎功能受限、知識要素不足、核心技術閉源等諸多問題，難以滿足信息科技物聯網相關內容的教學實施要求?；诖?，文章依據課標要求提煉了面向信息科技教育的物聯網平臺設計原則，設計實現了專門面向信息科技教育的物聯網平臺MixIO，并詳細闡述了關鍵技術實現和應用案例，最終基于技術接受度模型驗證了平臺的有用性。為信息科技課程標準中物聯網內容的落地實施提供了自主可控的平臺架構解決方案。

[關鍵詞] 信息科技教育； 物聯網； 自主可控； 架構設計； 技術接受度

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 傅騫（1978—），男，浙江金華人。教授，博士，主要從事信息技術教育應用、創客教育理論研究。E-mail：fredqian@bnu.edu.cn。鄭婭峰為通訊作者，E-mail：zlzyf@126.com。

一、引 ? 言

物聯網（Internet of Things）是社會數字化轉型和智能升級過程中的關鍵技術基礎[1]，也是與城市交通、智能家居、即時通訊等日常生活要素密切相關的科技因素，密切關聯著學生適應社會發展的核心信息素養[2]；同時，物聯網作為一種與人工智能、大數據等前沿科技要素緊密相連的技術領域，承載著學生綜合解決問題的關鍵創新場景[3]。

在最新修訂的高中信息技術和中小學信息科技課程標準中，物聯網相關內容成為核心課程內容之一。2020年修訂的《普通高中信息技術課程標準》在必修模塊“信息系統與社會”和選擇性必修模塊“網絡基礎”中將物聯網的概念與應用列入了內容要求，并提出了以物聯網信息系統搭建為載體的實踐學習方案[4]。2022年發布的《義務教育信息科技課程標準》更是將“物聯網實踐與探索”確定為初中學段三大核心模塊之一，并提出了“理解萬物互聯的含義”“設計并搭建簡易物聯系統”“認識物聯網中自主可控技術的作用”等學業質量要求[5]。

信息科技課程的建設離不開軟硬件教學條件的支持[6]，尤其是支持各類實踐活動的軟件平臺。在將物聯網內容融入信息科技教育所需的軟硬件基礎要素中，不僅需要可編程、可擴展的開源硬件設備，更需要能夠提供匯聚、控制、組合設備的物聯網軟件平臺作為基礎支撐。這些軟硬件基礎要素在支撐學生利用信息科技解決問題的同時，更支持了在教學過程中學生內在思維的發展[7]。然而，現有常規物聯網平臺大多是專業開發平臺，并非針對教學開展設計，難以滿足信息科技新課標下常態化教學的需求。此外，此類軟件平臺多被國外產品商壟斷，使得諸多已有課程均基于Blynk、AppInventor等國外產品開發[8]，不能滿足新課標中“自主可控”的基本理念，難以實現教育領域中事關“本質安全”的信息安全[9]。為此，本研究從信息科技新課標出發，分析面向信息科技教育的物聯網平臺特征與優勢，在此基礎上自主設計開發了一個面向信息科技教育場景的物聯網平臺MixIO[10]，以對標信息科技課程標準，全面滿足中小學信息科技物聯網模塊的教學需求。

二、 現狀與挑戰

當前，主流的物聯網平臺多以面向產業應用為主，重在高并發、高可靠、低時延，追求互用性、資源占用、傳輸時延等性能指標的優化[11]，入門門檻和搭建成本較高。與之不同的是，面向信息科技教育的物聯網平臺應以提供快速、高效、低負擔的用戶體驗，追求最小化成本的原型開發和促進學生信息科技素養提升[12]為主要目標。

著眼于現狀，本研究從信息科技教育教學實踐過程中的關鍵要點出發，對活躍在當前信息科技教育領域的Blynk[13]、IOT Maker Lab[14]和SIOT[15]等物聯網平臺開展了比較分析，見表1。Blynk的平臺兼容性較好但設備兼容性差，功能設計較為完整但僅有一部分可以免費使用，高效、靈活、低負擔的交互設計是其在一定程度上能夠適應教學實踐、勝任教學任務的一大亮點；相較于Blynk，IOT Maker Lab基于MQTT協議提供了更好的物聯設備接入體驗，但在原型開發方面受限于交互設計問題而較難為初學者提供良好的操作體驗；SIOT平臺在一定程度上考慮了教學情境中的開箱即用問題，但其面向學習者簡化操作的針對性設計不足、交互性較差，能夠實現的原型類別受限、支持的教學案例較少。除此以外，三個平臺在支持學科知識主題學習和協同設計場景方面均不佳，其開發設計邏輯與真實教學場景間的聯系較為松散，不適合直接作為信息科技教育物聯網支持平臺。另外，從“自主可控”的需求出發，僅SIOT平臺為國產開源軟件。

以上分析表明，Blynk、IOT Maker Lab、SIOT等物聯網平臺雖在不同程度上實現了信息科技教育課程標準的部分要求，但與理想的物聯網教學平臺仍存在較大差距。一方面，已有物聯網平臺對信息科技教學場景特點和學習者需求缺少關注，在面向素養提升的具體課標需求上缺乏有效的平臺實踐功能支持；另一方面，SIOT等非商業物聯網平臺與Blynk等國外商業物聯網平臺在交互設計、功能實現等方面存在不足，相關開源技術的建設方面存有明顯缺陷?；诖?，為了貫徹落實信息科技課程標準的內容精神、實現廣覆蓋面的育人要求[17]，研發一款專門面向信息科技教育的專用物聯網平臺就顯得極為必要。

三、 面向信息科技教育的物聯網平臺設計原則

面對現狀與挑戰，著眼于“將新課標要求落到實處”的真實需求，踐行義務教育新課標的精神內核和實踐邏輯[18]，研究對2022年發布的《義務教育信息科技課程標準》中有關物聯網的段落進行了提取，共計43段、4126字。經分詞、去除停用詞后進行詞頻分析，得到出現次數超過1次的關鍵詞共42個。研究結合具體上下文對關鍵詞進行了編碼歸類，構建了由六個維度構成的面向信息科技教育的物聯網平臺設計原則，見表2。

在以上原則中，“設備接入標準兼容”和“基礎功能開放完整”確定了平臺在教育領域的開放性需求，其要求平臺立足教育實踐的復雜性、公益性，提供兼收并蓄的設備接入和功能調用能力，最大程度降低基礎設施因素對平臺教育應用的限制；“使用方式簡單便捷”和“主題知識廣泛支持”確定了平臺以學習者為中心的支持性需求，其要求平臺從學生視角設計交互、從知識視角編排內容，追求學業發展績效而非平臺性能績效、促進綜合認知發展而非專業技能訓練；“擴展搭建高效易用”和“核心技術自主可控”確定了平臺在技術生態構建上的自主性需求，其要求平臺在廣大信息科技教育工作者可認知、能掌控、敢把握的范圍內提供開箱即用的技術解決方案，在數據、信息與計算的敏感問題上守住自主可控紅線，提供安全、可靠的技術服務。

四、 平臺設計與實現

依據上述設計原則，結合信息科技課程標準要求，本研究有針對性地設計了一款面向信息科技教育的物聯網平臺——MixIO。

圖 1 ? 平臺架構設計

（一） 架構與功能設計

平臺架構設計如圖1所示：（1）在終端接入層，平臺支持各類開源硬件終端和智能控制終端的統一接入，提供開源硬件庫、HTML5網站和跨平臺的Web App；（2）在業務功能層，物聯消息業務群、應用控制業務群和云端計算業務群構建起了回應信息科技課程標準的完整功能布局，前兩者在物聯協議層面上交互，后兩者在Web協議層面上交互；（3）在開源可控的中間件支持方面，Aedes物聯服務器中間件為物聯消息業務群提供支持，Express網絡服務器中間件為應用控制業務群提供支持，Jsdom虛擬化運行環境為云端計算業務群提供支持，并通過RESTful API聯通后臺業務與底層溝通；（4）在存儲層，簡單、便攜的Sqlite3數據庫為以上各層服務，Forever monitor提供便捷的持久化運維支持；（5）平臺應用NodeJS為開發的主要語言，利用Npm與Pkg提供持續集成與私有化部署能力，并選用自主可控的Gitee平臺進行構建與發布與版本控制。

在架構設計的業務層中，六項業務對應的六項基本功能設計見表3。

（二） 關鍵技術實現

在架構與功能設計的基礎上，本研究對于平臺進行了具體的開發和實現。在開發和實現的過程中，面臨的技術挑戰主要包括：（1）各類教學場景所需的多種平臺交互模式在技術上互不兼容；（2）單一的客戶端技術因教學設備的公共性和課程安排的離散性而難以保證長期數據采集的教學需求；（3）從外部平臺獲取數據源所需的技術難度因異構的平臺鑒權機制與數據組織形式而難以直接消除。為解決這些瓶頸問題，研究研發并實現了以下三項關鍵技術：

1. 多視圖項目編輯技術

為了突破教學所需的多種平臺交互模式間互不兼容的技術難點，平臺從信息科技課程標準出發，實現了“數據”“組件”“邏輯”三種視圖支持下的項目編輯技術。將項目視為一個由使用者開發的物聯應用程序，則其三個視圖分別對應程序的三層架構接入點——數據視圖對應數據訪問層，組件視圖對應用戶界面層，邏輯視圖對應業務邏輯層。如圖2所示，三種視圖通過不同的界面操作同一個包含全部項目內容的JavaScript數據對象：數據視圖直接對數據對象進行訪問、組件視圖與數據對象進行事件綁定、邏輯視圖與數據對象的可變代碼部分進行編輯，呈現出各有側重的協作編輯關系。

2. 基于云端項目解析的持久計算技術

物聯項目承擔著收發記錄物聯數據、執行規定邏輯動作的控制任務，需要以智能設備為宿主運行。一般而言，物聯項目的即時運行依賴于客戶端瀏覽器，這意味著一旦用戶關閉瀏覽器，項目的運行就將中止。例如，在“物聯氣象站”教學案例中，學生需要進行長周期的常態化數據采集，而學生在課堂以外不能夠保證運行項目的手機、電腦長期工作；為了滿足這一類教學案例的要求，并充分發揮客戶端和服務端的協同優勢，研究基于Jsdom虛擬解析技術，重點實現了基于云端項目解析的持久計算技術。如圖3所示，用戶的項目結構可以在云端被解析重現，項目邏輯得以還原；原本在客戶端瀏覽器中執行的JavaScript代碼經關鍵字替換、基礎環境移植可以被轉化為在后端執行的NodeJS代碼。由此，平臺可以為任意用戶的任意項目提供云端解析、彈性切換的持久計算服務。

3. 智能代理緩存與組件化接入技術

從第三方平臺獲取自然氣象要素、空間地理要素、區位信息要素等社會數據源時，通常需要申領管理密鑰、調試編程接口，技術負擔較高。為了降低這種負擔，將復雜的鑒權與交換操作對用戶隱藏，平臺建立了社會數據的代理模式，其中關鍵技術為智能代理緩存與組件化接入技術。如圖4所示，一方面，智能代理主要通過外部平臺提供的API獲取社會數據，并通過對全體平臺用戶數據使用偏好的學習指定分時段、分類別的數據獲取策略，通過維護緩存表減少向外部平臺的請求次數；另一方面，智能代理以組件化的接入形式向用戶提供服務，完全屏蔽了向外部平臺請求的復雜過程，降低了用戶的認知與操作負荷。

五、 應用案例

“在線數字氣象站”是信息科技新課標中的“跨學科主題學習案例”，要求教師利用物聯網模塊的相關知識，指導學生開展關于在線數字氣象站的模擬、測試與部署相關的互動實驗探究，支持學生搭建數字氣象基站、完成氣象數據分析、實現基于數據的協作與展示。這一案例在課標中的實施過程要點和MixIO平臺具體支持方法見表4。針對這些要點，MixIO平臺支持學習者協作匯聚不同來源的氣象數據，從零開始設計物聯系統的數據規范、流轉邏輯和應用界面，完整實現了課程標準中“搭建物聯系統”的項目式學習要求。

六、 效果與評價

為評估 MixIO平臺的應用效果，本研究基于TAM技術接受度模型[19]，設計了由包含基本信息（年齡、使用時長）以及感知有用性、感知易用性、使用態度與行為意愿三個維度在內的18個題項組成的調查問卷。研究面向中小學信息科技教師發放55份問卷，回收有效問卷53份，回收率達94.5%。

基于描述統計分析發現，用戶對MixIO平臺的技術接受度總體較高，感知有用性和感知易用性、使用態度和行為意愿各題項得分均值均在4分以上（滿分為5分），表明平臺總體在案例應用中表現出了較好的群體技術接受度；為更進一步發現了解用戶使用時長、感知易用性、行為意愿等要素的依賴關系，研究進一步進行了回歸（路徑）系數分析，發現使用時長→感知易用性（p=0.023**），感知易用性→感知有用性（p=0.000**）兩條路徑均得到顯著性支持，說明平臺本身的功能與交互設計能夠較好地支持用戶達成對平臺功能的學習和掌握；最后，研究還基于年齡分組方差分析，發現不同用戶年齡樣本對于使用時長、感知有用性、感知易用性、使用態度與行為意愿均不會表現出顯著性差異（p>0.05），呈現了平臺在未來普及應用的優勢。

七、 結 ? 語

通過對信息科技課程標準與已有物聯網平臺的分析，本研究設計并開發了一款專門面向信息科技教育的物聯網平臺MixIO，并基于技術接受度模型驗證了其在實踐過程中的有用性。研究緊扣“研究成果產品化”[20]的教育信息科技研究命題，實現了從需求到設計，再到開發、應用、研究的總體流程，為信息科技課程標準中物聯網與實踐部分的落地實施提供了自主可控的解決方案。著眼于未來發展，本研究還將繼續開展應用反饋的追蹤研究，從需求側出發不斷完善平臺功能、提升平臺使用體驗，與時俱進地建設高質量的信息科技教育支持平臺。

[參考文獻]

[1] 工業和信息化部，中央網絡安全和信息化委員會辦公室，科學技術部，生態環境部，住房和城鄉建設部，農業農村部，國家衛生健康委員會. 關于印發《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021—2023年）》的通知[EB/OL].（2021-09-10）[2023-03-16]. http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-09/29/content_5640204.htm.

[2] 鄭茜.守成與創新：面向未來的信息科技教育——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》解讀[J].江蘇教育，2022（68）：21-24.

[3] 熊璋，趙健，陸海豐，歐陽元新.義務教育階段信息科技課程的時代性與科學性——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》解讀[J].教師教育學報，2022，9（4）：63-69.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準[M].北京：人民教育出版社，2020.

[5] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[6] 徐靖程.教育這十年，信息科技讓在線學習與生活更精彩——在線平臺賦能信息科技教育[J].中小學信息技術教育，2022（8）：19-20.

[7] 盧雅，楊文正，許秋璇，周琴英.設計思維導向的開源硬件教學模式構建與應用研究[J].電化教育研究，2021，42（1）：100-106.

[8] 宛平，王佑鎂，鄭克度.面向“物聯網+創客教育”的教學設計要義——兼析“基于Blynk的教室噪聲采集”案例[J].中小學數字化教學，2019（10）：26-29.

[9] 倪光南.信息安全“本質”是自主可控[J].中國經濟和信息化，2013（5）：18-19.

[10] Mixly. MixIO 1.10.0[EB/OL].（2023-03-11）[2023-03-16]. https：//gitee.com/mixly2/mixio/releases/tag/v1.10.0.

[11] BENDER M， KIRDAN E， PAHL M-O， CARLE G. Open-Source MQTT Evaluation[C]//2021 IEEE 18th Annual Consumer Communications & Networking Conference（CCNC）. New York： IEEE Press， 2021： 1-4.

[12] 張進寶，姬凌巖.中小學信息技術教育定位的嬗變[J].電化教育研究，2018，39（5）：108-114.

[13] Blynk Inc. Low-Code IoT Software Platform for Electronics Manufacturers[EB/OL]. [2023-03-16]. https：//blynk.io/blynk-iot-low-code-software-platform.

[14] CALDER？魷N R R， IZQUIERDO R B， GARC？魱A S G. Low cost platform to implement IoT prototypes[C]// 2020 IEEE World Conference on Engineering Education （EDUNINE）. Bogota， Colombia. New York： IEEE Press， 2020：1-6.

[15] 謝作如.讓“物聯網和大數據”走進中小學課堂——我和“虛谷物聯”項目的故事[J].中國信息技術教育，2019，319（19）：5-7.

[16] 傅騫，解博超，鄭婭峰.基于圖形化工具的編程教學促進初中生計算思維發展的實證研究[J].電化教育研究，2019，40（4）：122-128.

[17] 邢星.信息科技是一門全新的課程——訪義務教育信息科技課程標準研制組組長熊璋[J].人民教育，2022（Z2）：44-46.

[18] 于澤元，馬祝敏.義務教育新課標的精神內核與實踐邏輯——《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》解讀[J].教師教育學報，2022，9（3）：84-91.

[19] DAVIS F D. A technology acceptance model for empirically testing new end-user information systems：theory and results[D]. Cambridge，Massachusetts：Massachusetts Institute of Technology，1985.

[20] 鄭永和，王一巖.教育與信息科技交叉研究：現狀、問題與趨勢[J]. 中國電化教育，2021（7）：97-106.

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