（教育技术学专业论文）物联网技术与《科学》课程整合研究.pdf

摘要 物联网技术已成为人类拓展能力的创造性工具，它的普及应用势在必行，引入 到教育领域将改变现有的教学方式，甚至改变个人学习习惯。在此基础上，“物联网 技术与课程整合 已经成为我国面向2 1 世纪教育教学改革的新视点。 本文简要介绍了物联网技术的概念、核心技术和应用前景，以我国基础教育课 程改革中所提出的“信息技术与课程整合 理念为研究背景，把建构主义教学与学 习理论等多种理论作为理论基础，将物联网技术作为新的信息技术教学工具，引入 “探究性 学习模式的科学课课堂。 对“物联网技术与科学课程整合课题的研究和实施，对发展学生主体性、 创造性，培养学生创新精神和实践能力都有着积极的作用，让学生对科学产生求知 欲和兴趣，引领他们对周围现实世界中的科学知识进行学习，辅助他们掌握进行科 学活动的方式方法，在活动过程中使之了解科技与社会的关系，为以后的科学学习， 乃至终身学习和个人的全面发展打下基础。 通过本研究，表明物联网技术不仅革新了教学和学习的实验仪器与方法，还能 够弥补传统实验工具的缺陷。将物联网技术应用于探究性学习，可以取得传统学习 模式无法达到的良好效果。此外，笔者对教师和学生使用该技术进行教学的有效性 和可操作性进行了分析和总结。 物联网技术与课程整合的应用范围远不止本文的案例，需要广大教育工作者开 放思想，将物联网技术在教学中发挥越来越大的作用。 关键字：物联网技术，课程整合，探究性学习 a b s t r a c t i n t e r n e to ft h i n g s ( i o t ) h a sb e c o m eah u m a nd e v e l o p m e n ta b i l i t yo fc r e a t i v et o o l s ，i ti s i m p e r a t i v et op o p u l a r i z ea n da p p l y , i n t r o d u c e dt ot h ee d u c a t i o nf i e l dw o u l da l t e rt h ee x i s t i n g t e a c h i n gw a y , o re v e nc h a n g et h ei n d i v i d u a ll e a r n i n gh a b i t b a s e do nt h i s ，”i n t e r n e to ft h i n g s a n dc u r r i c u l u mi n t e g r a t i o n ”h a sb e c o m ec h i n a s21 c e n t u r ye d u c a t i o nt e a c h i n gr e f o r mo fn e w v i e w p o i n t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h el o tt h a t , t h ec o r et e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o np r o s p e c t , t o o u rc o u n t r y sb a s i ce d u c a t i o nc o u r s er e f o r mi nt h ep r o p o s e d ”t h ei n t e g r a t i o n o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yw i t hc u r r i c u l u m ”c o n c e p tf o r t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ec o n s t r u c t i v i s tt e a c h i n ga n d l e a r n i n gt h e o r ya n ds oo nm a n yk i n d so ft h e o r ya st h et h e o r e t i c a lb a s i s ，a n dw i l lb ei o t 越n e w i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt e a c h i n gt o o l s ，t h ei n t r o d u c t i o no f ”i n q u i r yl e a r n i n gn m o d ei ns c i e n c e c l a s s f o r l o ta n ds c i e n c ec u r r i c u l u mi n t e g r a t i o n ”t o p i cr e s e a r c ha n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fs t u d e n t s s u b j e c t i v e ，c r e a t i v e ，t r a i n i n gs t u d e n t s i n n o v a t i v es p i r i ta n dp r a c t i c e a b i l i t yh a sap o s i t i v ee f f e c t , l e tt h es t u d e n tt ot h es c i e n c et og e n e r a t et h i r s tf o rk n o w l e d g ea n d i n t e r e s t , l e a d i n gt h e ma r o u n di nt h er e a lw o r l do fs c i e n t i f i ck n o w l e d g ef o rl e a r n i n g , a u x i l i a r yt h e y m a s t e rt h em e t h o d so fs c i e n t i f i ca c t i v i t i e s ，i nt h ec o u r s eo ft h ee v e n t st h a tt h eu n d e r s t a n d i n go f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e c h n o l o g ya n d s o c i e t y , f o rt h ef o l l o w i n gs c i e n c el e a r n i n g , a n de v e n t h el i f e l o n gl e a r n i n ga n dt h ec o m p r e h e n s i v e d e v e l o p m e n to fi n d i v i d u a l st ol a yt h ef o u n d a t i o n t h r o u g ht h i sr e s e a r c h ，s h o w e dt h a tl o tn o to n l yt h ei n n o v a t i o no f t e a c h i n ga n dl e a r n i n g i n s t r u m e n t sa n dm e t h o d so ft h ee x p e r i m e n t , a l s oc a nm a k eu pt h ed e f e c t so ft h et r a d i t i o n a lt 0 0 i s w i l li o ta p p l i c a t i o ni ni n q u i r yl e a r n i n gc a nb eo b t a i n e db yt r a d i t i o n a ll e a r n i n gm o d e c a na c h i e v e g o o dr e s u l t s i na d d i t i o n , t h ea u t h o rt ot e a c h e r sa n ds t u d e n t st ou s et h et e c h n o l o g yt ot h e e f f e c t i v e n e s s o f t e a c h i n ga n dt h ef e a s i b i l i t yi sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h ei o ta n dc u r r i c u l u mi n t e g r a t i o ni sf a rm o r et h a nt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h i sc a s e ，n e e d t h ee d u c a t i o nw o r k e r so p e n i n g - u pt h o u g h t s ，m a k et h ei o ti n t e a c h i n gp l a ym o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e 强w o r d s lt h ei n t e r a c to f t h i n g s ，c u r r i c u l u mi n t e g r a t i o n ，i n q u i r yl e a r n i n g 序论 1 1 选题背景 1 序论 胡锦涛总书记在2 0 0 6 年全国科学技术大会上的讲话中指出：抓住信息科技更新 换代和新材料新科技迅猛发展的难得机遇，把掌握装备制造业和信息产业核心技术 的自主知识产权作为提高我国产业竞争力的突破口。胡锦涛总书记的讲话为信息技 术与信息相关产业的发展指出了明确的方向，使得我们深刻的认识到：二十一世纪 信息技术发展的必由之路就是创新。 计算机的出现使得信息处理能力获得了质的飞跃，产生了第一次信息技术浪潮； 互联网的出现使信息传输及交互能力取得了巨大提升，成为第二次产业化浪潮；网 络技术不断发展的今天，信息化社会对信息通信的要求已经不仅只限于人与人间的 通信；传感技术、r f i d 和网络技术的成熟、发展使人与物，物品与物品之间的信息 传输、通信成为可能，这就诞生了物联网概念，物联网( t h ei n t e r n e to ft h i n g s ， 简称i o t ) 被称为继计算机、互联网与通信网之后，世界信息产业又一次新的信息化 浪潮。 只有爆发一次新的技术革命才能拯救世界经济，这也是为什么全世界都在寻找 新的制造产业，要抢占制高点。同样，新的科技革命也必然会影响到教育，也只有 新的技术才能改变教育的方式，这也是为什么我们要不断的尝试新技术在教育中的 应用，进行教育、学习方式新的创新。基础教育课程改革纲要中指出，“改变现 行课程实施过程中强调死记硬背、灌输学习、机械训练的现状，特别强调倡导合作 学习、自主学习和探究学习，使学生乐于探究、勤于动手，主动参与、培养学生搜 集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作 的能力 。1 在教学过程方面要求“教师在教学过程中积极与学生互动，处理好知识 传授和能力培养的关系，注重学生独立性、自主性的培养。要引导学生在教师的指 导下主动地进行质疑、调查和探究活动。关注学生的个体差异，满足不同学生的学 习需要，创设能够引导学生主动参与学习的教学环境，激发学习的积极性，培养学 教育部：基础教育课程改革纲璺( 试行) 2 0 0 1 1 2 物联网技术与科学课程整合研究 生的学习态度和运用知识的能力，让每个学生得到充分发展”。1 同时还要求“在教 学中大力推广信息技术的应用，通过信息技术与课程的整合，实现对传统教学方式、 学生学习方式、师生互动方式和教学内容的呈现方式的变革，教师利用信息技术的 优势创设丰富的教学环境，并成为学生有力的学习工具。2 探究性学习方式是素质教育的核心内容之一，旨在改变课程实施过于强调机械 训练、灌输性学习的现状，提倡学生勤于动手、乐于探究、主动参与学习，培养学 生搜集和处理信息、分析和解决问题获取新知识的能力，以及团队协作交流的能力。 以物联网和物联网技术为代表的新的信息获取技术的突破，将从虚拟信息空间、人 人互联发展到对现实物理世界的感知，为信息传输和信息处理提供更为丰富的需求 源泉和强大的发展动力。 物联网技术与科学课课程整合，并应用于教学中，不仅能促使学生去了解先进 生产力，感受现代高科技的魅力，更好地能适应未来社会和生活、学习与工作的高 科技环境，更能促使学生养成科学的学习方法，培养科学的学习态度。如何将物联 网技术整合于教育活动中，势必将成为国内、外教育界的热门话题。 1 2 研究意义 理论意义：以我国一些学者的观点来看，“教育技术”是在教育教学过程中教育 者、学习者所使用的一切方法、手段的总称。 新技术在教育中的应用改变的不仅仅是以往的教学手段，还有人们的教学观念 和思想。人们对技术的看来，更多的认为只是一个进行整合的手段或者是一个工具。 从目前来看，人们认为信息技术只是以计算机技术和网络技术为代表的设备。但在 教学过程中，能够与课程整合的不仅限于计算机和网络技术，还有一些信息处理媒 体和各种传输技术。应该这么认为，信息技术是在教学过程中，对教学信息进行采 集、处理和传输的技术。 物联网技术的广泛应用是当今社会发展的大趋势，以传感器、传输网和软件平 台为核心的物联网技术已成为拓展人类能力的创造性工具，物联网技术的浪潮将席 卷整个社会，普及势在必行，也必将进入教育领域，改变现有的教育、学习方式， l 教育部- 基础教育课程改革纲要( 试行) 2 0 0 1 ，1 2 2 教育部：基础教育课程改革纲要( 试行) 2 0 0 1 1 2 2 序论 甚至改变个人习惯。在此基础上“物联网技术与课程整合 也会相应成为我国面向 2 1 世纪教育教学改革的新视点。对“物联网技术与课程整合 的研究和实施，将 对发展学生主体性、创造性，培养学生创新精神和实践能力，让学生对科学产生求 知欲和兴趣，引领他们对周围现实世界中的科学知识进行学习，辅助他们掌握进行 科学活动的方式方法，在活动过程中使之了解科技与社会的关系，为以后的科学学 习，乃至终身学习和个人的全面发展打下基础。物联网技术在解决学习资源、学习 资料的获取及学习者与科学知识交互性方面有独特的作用，在教育领域必将受到新 的关注。 实践意义：物联网技术的出现，能够为创建信息化环境学习环境起到积极的推 动作用。探索物联网技术与课程整合，即在现代物联网技术条件下为学生创设一个 开放的课堂，丰富他们的学习内容，给学生更大的信息量，物联网技术将对学习者 与教学者产生深远而又持久的影响，这将是一场教学方式革命性的变革。学习方式 ( 比如时间、地点、资源、环境) 有了变化，教学内容和学生自身发展之间的联系也 将逐日剧增，新的教学模式更能体现课程改革后的新理念，使参与者都能得到充分一 发展。有物联网技术作为学习的主要辅助工具，学生可利用的资源就可满足个性化、 多样性、区别化的需求，就会更加积极踊跃地参与学习过程，探索与不断思索才能 实现。对教师而言，在以往传统教学中起主导作用的粉笔、黑板、教材等载体和手 段现在可以被以计算机、传感器为主要工具所营造的教学环境所代替，这样教师不 仅可以灵活选择一些教学素材，而且还可以大胆尝试创设些独特的教学环境，设 计更加开放互动、更有参与式的教学活动，使得主体性教学得到实现，师生关系才 能得到改变，成为真正的合作者。教师不再作为教授者，而是引导、帮助学生学会 分析、归纳材料，学会处理信息，让学生更加注重研究过程，积极主动的完成知识 的自我建构，为今后进行创新性的研究培养一种良好的学习习惯。在教学、学习理 论方面深入开辟一种全新的教学方法，丰富和迸一步发展探究性学习模式的理论体 系，能够有利的促使教师转变现有的教学观、学生观，寻找到培养学生探究、创新 精神和实践能力的有效途径，以便更好的推进素质教育。 1 3 文献综述 物联网技术与科学课程整合研究 二十世纪影响国内外教育发展的因素有很多，但目前比较明显是科技。作为信 息技术中采集、处理、传播三大关键技术之一的传感器技术也是物联网系统最基础 的技术，是信息社会和新技术革命的重要基础技术，是现代科技发展的开路先锋， 许多国家都将传感器技术纳入尖端技术范围发展。美国早在2 0 世纪8 0 年代就声称世 界已跨入传感器时代，日本工商界人士甚至声称“掌握了了传感器技术就能够支配 新时代”，并把传感器技术列为十大现代科技之首。 科技竞争的日趋激烈也带动了基础教育与科技整合的新现象。作为现代信息技 术之首的传感器技术也必将成为教育改革的新手段。 从上世纪8 0 年代开始，传感器技术就在发达国家得到广泛应用，尤其在美国的 理科课程教学中。在传感器技术的研究过程中和应用过程中，国家科学界人士的参 与保证了研、产、用的顺利进行。此后，传统的教学方法和教学模式被打破，完全 是以促进学生的科学探究为目的。当时先进的教育理念也促进了传感器技术应用的 顺利开展，如数字学习( e - l e a r n i n g ) ，移动学习( m - l e a r n i n g ) 等这些教学模式和学 习方式的提出也在某些方面推动了传感器技术的发展，也扩大了其在世界教育界的 影响程度。 现代手持技术，也被称为掌上技术，是一种包括传感器、数据采集器和软件平 台组成的能够定量测量常见数据，并且能与计算机进行数据传输的实验系统。在新 加坡、以色列、美国、欧洲一些国家的理科教学过程中已经对此技术有一定的应用。 目前，国际上比较流行的是以图形计算器为核心的手持式教学工具，其中包括 “t i 图形计算器”、各种传感器和c b l 系统( 以计算器为基础的实验室) 。图形计算 机除了有一般函数计算机的功能外，还可以显示函数的图像，编程后并可直接与计 算机进行数据共享。其中的核心技术除了传感器外，所谓的c b l 就是一个数据交换 单片机，通过与各种传感器链接，机内的a d ( 模拟信号数据信号) 模块把传感器 采集到的物理模拟量迅速转换为数据信号，通过机内c p u 的处理传给t i 图形计算器 处理并显示在屏幕上，可以把c b l 系统看做是图形计算器和传感器之间的中介。1 美国早已出版了多本涉及传感器技术在中学化学课上应用的实验书，以满足教 师教学和学生学习的需要，包括有3 5 个实验的a d v a n c e dc h e m i s t r yw i t hv e r n i n e r 、 c h e m i s t r yw i t hc o m p u t e r s ( 包含3 1 个实验) 、c h e m i s t r yw i t hc a l c u l a t o r s ( 3 6 绍泽义利用c b l 机和t i 8 2 图形计算器做中学物理实验 j 教学仪器与实验，1 9 9 8 ( 3 ) ：3 1 3 2 4 序论 个实验) 、其中包括中和滴定、b e e r 定律、分子间的吸引力和蒸发作用、化学平衡 以及测定化学反应速率等实验。 从目前的国外资料看，主要将传感器技术用在财经、力学、热学、电学、土壤 酸化、污水治理、校园环保等问题中。 随着我国新一轮课程教材改革试点，国内教育界开始对一种以传感器为依托的 “数字化实验”平台引起新的重视。 2 0 0 2 年4 月，上海正式成立中小学数字化实验系统研发中心，并以朗威数字信息 化实验室为商标商标，投入该项目的研究。这是国内第一个首创研学产教一体化的 研发机构。2 0 0 3 年9 月，朗威d i s l a b ( d i g i t a li n f o r m a t i o ns y s t e ml a b o r a t o r y 数字化信息系统实验室) 数据采集器系统正式推出，该实验系统能够完成电磁学、 光学、运动学、力学、原子物理和热学实验数百个，在进行物理课程实验教学采用 此系统中，取得了令人满意的效果。 从2 0 0 2 年起，上海二期课改教材、广东新课标物理教材和人教社出版的新课标 教材都纷纷把d i s 数字信息实验系统定位骨干实验设备，“鲜为人知 的基于传感 器技术的数字化试验器，在短短几年时间迅速“众人皆知 ，成为全国教育技术装 备的新热点。 一 国内学者在国外研究的基础上，在传感器技术在教育教学应用方面也开展了很 多工作。例如，华南师范大学钱扬义教授的掌上型信息技术产品在教学中的运 用和开发研究课题就是中国教育学会的重点项目：河南师范大学谢紫鹃同学的传 感器技术在中学物理实验教学中的应用研究；上海师范大学魏慧军同学的基于 d i s 的上海二期课改高中物理实验教学现状调查及分析论文、上海师范大学蒋永 贵，吴俊明的新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用论 文、华东师大李淑妍同学的基于传感器技术的中学化学实验开发及教学应用研究 论文等等。 但对于如何使用传感器实验，国内外仍然在探索中，如何做到传感器实验与传 统实验的合理使用，既充分发挥现有教育资源，又能优化课堂教学，提高学生的兴 趣与科学素养，仍然需要进一步探讨。 1 4 研究思路与方法 6 丝鐾堕丝垄皇! 型堂! 堡堡墅盒婴窒 本文的研究思路即是通过使用物联网技术的无锡“感知教育”示范工程中的“感 知校园 气象站系统与科学课程进行整合，让学生通过使用物联网技术这种辅 助教学的手段进行学习。 文献综述法：通过对现有信息技术与课程整合理论的研究，梳理相关定义、概 念，界定论文的理论基础。 访谈调查法：针对案例中参与项目的教师和学生进行访谈，得到他们对物联网 技术在教学中应用的理解和接受度。 科学课程的价值及发展 2 科学课程的价值及发展 2 1 科学教育及其意义 科学教育是以培养学生的科学素养为宗旨，以探究、实践为主的学习活动，以 通过科学课程的学习，进行科学探究的过程，了解和掌握与现实事物有关的科学知 识，进而养成科学的学习习惯。 全日制义务教育小学科学课程标准中指出：小学科学课是培养学生科学素 养为宗旨的科学启蒙课程。这句话包含了两方面的意思，揭示了科学课程的性质。 首先，该学科从“自然常识的名称更改为“科学”，是一定程度上反映了本学科培 养目标的变化，即科学课程的目的是培养学生的科学素养。所谓的“科学素养 有 两种含义，一种是指获得科技知识：另外一种强调科学的认知方式，即科学思维素 养。科学课程以学生形成科学的观念为核心的科学素养为目的，形成自我学习的能 力和习惯。 以往的“自然课”主要是教授学生学习周围自然现象的知识为主，以及爱家乡、 爱祖国、爱大自然的情感。现代的科学教育则是通过现代科学知识的学习，让学生 掌握科学的概念、学会科学的方法，培养科学态度，以及面对现实生活中与社会有 关的科学问题做出明智抉择，强调现代科技与生活的结合、注重科学精神与人文精 神的结合、能力培养与知识教育的结合。科学素养作为科学教育的的教学目标凸显 这一变化趋势。其次，科学课程的作用是科学启蒙。科学素养的形成是一个长期的 过程，但早期进行科学教育将对科学素养的形成起决定性作用。小学阶段是个人长 知识、长身体的关键期，同时也是心理发展的重要转折期。在此阶段学生在掌握基 本的学习方法、养成良好的学习习惯时学到的知识对后继学习将产生重大影响，同 时，此时又处于打基础的阶段，学生的思维能力的发展与知识的积累有极其有限， 因为这时的科学教育不能把系统的知识学习作为主要目标，要根据学生的经验，在 周围熟悉的生活中选取有关内容，让他们在看中学、做中学、玩中学，培养学习的 兴趣和方法，为后继的科学学习打下基础，科学启蒙的含义即如此。 2 2 “科学”课程的特点 7 物联网技术与科学课程整合研究 课程不是静态的文本和教化的工具。科学课程作为社会文化、科学文化、教育 文化的“共生物 与这三者有着密切联系。科学课程却并不能有这三者简单的“叠 加 产生。1 科学课程实际有自己独特的发展轨迹和存在特征。将科学课程视为一种 独立的文化去理解才能找到科学课程的特征。2 科学课程的根本属性就是有直接的教育性。它存在的价值就在于有育人的功能， 能够从智力、能力、观念、技能、精神等层面促进人的发展。 科学课程有自己独特的开放性。因为它不是一个封闭的系统，要不断的从科学 文化中发现新的发展目标，还会以不同形式对各种文化产生影响。 科学教育也有着局限性。科学课程要受到比如科学文化发展水平、学生基础知 识的高低、教育目标控制等多个方面的制约，这也决定了科学课程发挥自己创造型、 主动性、积极性的优势的艰巨性。 。 教学的动态性。科学课程不是僵化静态的存在，而是在不断的发展。是在教师 与学生不断的交往中生成的活动。活动本身的进行时教师与学生不断确立目标，修 改目标的过程。 2 3 国内外“科学 课程的改革 当今是一个科学技术飞速发展的时代，一次又一次的科技革命，深刻而又广泛 地影响着社会文明的进步。小平同志说：“科技是第一生产力”。一个国家的科技水 平能够体现它的综合国力、竞争潜力以及国际地位。然而科技水平的提高，科技人 员的培养都必须开始于教育，尤其是科学基础教育。 科学基础教育已经作为一项“明天工程 引起众多国家的重视，因为今天学校 科学教育的质量不仅仅可能会影响明天全体公民的科学素养，甚至包括社会质量和 国家前途。第二次世界大战后，随着第三次工业革命的兴起，经济的高速发展，对 各方面各层次人才的需求和标准不断的提高，尤其是工业界开始表现出对本国教育 质量的不满，要求提高教育质量，以提高学生在技术、科学方面的质量。教育改革， 特别是科学教育的改革在一时间成为热门话题。一些第二世界和第三世界国家在此 时受到西方先进教育思潮的影响，为了发展独立的民族经济，期望摆脱对西方的依 。( 美) 国家科学资源巾心国家科学院史密森协会原著面向全体儿童的科学：改进小学科学教育的指南【m 】北京：科学普 及出版社2 0 0 5 ：1 6 2 殷志杰主编中等师范学校教科书( 试用本) 小学自然教学法 m 北京：人民教育出版社1 9 9 9 8 科学课程的价值及发展 赖，也开始培养自己的科技人才，进行对基础科学教育的改革。 科学教育成为现阶段各国教育改革的重中之重，也已成为一个世界性的潮流。 众多国家中比较系统进行科学教育改革的当数美国和英国。 历来以高科技称霸世界的美国，在中小学教育中存在与之不相称的教学质量方 面的许多严重问题，甚至有点观点说美国当时的教育正在“培养一代科学和技术文 盲的美国人 ，但是“技术、科学却将成为教育今日儿童面对明天世界的基础”，所 以科学教育的改革一直都是美国教育改革的重点。1 9 8 3 年，美国高质量教育委员会 的国家处于危险之中，教育改革势在必行的报告拉开了此次教育改革的序幕。 “2 0 6 1 计划 是众多改革项目中最为引人瞩目的方案。“科学素养 的概念在它的 第一篇报告面向全体美国人的科学中首次被提出。1 9 9 5 年在“2 0 6 1 计划 与其 他改革项目的基础之上，美国国家研究委员会正式推出国家科学教育标准。 在英国，1 9 8 8 年国家议会通过的“教育改革法”中的重要内容之一就是英国 国家课程。它首次以法令的形式为公立中小学设置了统一课程和制定了课程标准， 并设立必修课程和国家标准。这不仅是英国教育史的重大事件，也对世界教育改革 浪潮有着深远的影响。在国家课程中最为意义深远的重大改革就是将科学课首 次和数学课、语言课并列成为三门核心课程。在1 9 8 8 年发布该课程后，曾多次 进行修改，较为重大的一次修改是在1 9 9 9 年，并与2 0 0 0 年8 月起实施新版本的国 家课程。 我国最早的科学教育可追溯到孔孟时代。1 9 0 3 年开设的格致课程现是现代 早期科学课程的雏形。我国最早的科学教育改革是解放前从英美日引进的自然课程， 建国后的科学课程则是从苏联引进，实施分科教学。当时的科学课程重视传授基础 知识、训练基本技能，并在课程中注重思想教育。1 9 7 9 年改革开放后，我国才开始 引进国际科学课程的改革，尝试s t s 课程。1 9 9 9 年开始了新一轮的课程改革，教育 部在基础教育课程改革纲要( 试行) 中明确提倡科学课程的发展，为此开设了科 学课程。 联合国教科文组织在2 0 0 0 年召开的巴黎会议上指出：“从小学习科学知识是受 教育者的权利，科学教育在人的发展方面是要培养人自身的科学能力、造就有知识 和进取心的公民。一个日趋重视科学作用的社会更需要广泛普及科学，使人们深入 了解科学，调整对待科学及其应用的态度。各国政府应该提高公众对科学的认识， 9 物联网技术与科学课程整合研究 重视改进科学教育。在不断变化的形势下促进教育工作者的业务进修。各国的教育 系统也应根据不断变化的社会教学需求，设置新的课程，采取新的教学资源，开发 新的教学法。 2 4 科学教育发展趋势 回溯国内外科学课程的发展也可以看出科学教育的发展历程大体经历了科学知 识科学方法科学素养三个发展阶段： 第一阶段的时间二十世纪初到六十年代初，以科学知识为本位。 培根的“知识就是力量 一言在此阶段有着重大影响。这时期的科学教育就是 科学知识的普及教育。主要关注科学的概念、科学的实施、具体的定律以及科学原 理的传递。科学教育在这一阶段以“科学知识最有价值 的观点为最高理念。 二十世纪六十年代到七十年代中期是以能力为本位的第二阶段。 二战以后，现代科技突飞猛进的发展使知识的呈现出“激增和“陈旧率加快 的重要现象。科学方法在科学知识的形成过程中的重要意义在这样的背景下日益显 现，人们意识到只是了解各种具体的知识是不行的，更重要的是能够掌握应用更广 泛、生命力更持久的科学方法。到了2 0 世纪6 0 年代，科学方法的教育成为科学教 育的新方向，“提出问题 和“解决问题的方法”成为新的教学重点，并将两者结合 成为新的科学教材的编制方式。采用类似科学家探究事物发展的发现法作为新的教 学方式，“方法比知识更重要 成为新的科学教育格言。 第三阶段是二十世纪七十年代末至今，以人为本为宗旨。 几十年来，科学教育的最高宗旨的发展趋势又转向了以培养科学素养为主。“科 学素养”的概念是一个复合概念，融合了科学方法、科学知识、科学价值观、科学 态度等一体。“科学素养”概念的提出一方面是基于科学技术的高速发展给人类的生 活、生产带来了巨大的影响；另一方面，科学是把双刃剑，由于长期缺乏正确的科 学价值观，科技越发达，人类日益增长的征服自然的能力越强，欲望就愈大，对自 然的破坏就愈大，环境的日益恶化已经给人类敲响了警钟。科学不能再是“无情无 义 的发展下去，科学素养人文色彩十分明显，与之前仅重视科学知识、科学方法 的科学教育明显不同。“还换教育的另一半 已经为科学教育开辟了新的视角。 科学教育正在受到越来越多国家的关注，作为从知识形态的科学技术向现实生 产力转化的重要环节，科学教育正在许多国家进行从课程目标、课程标准、教法等 l o 科学课程的价值及发展 诸多方面的改革，以作为教育课程使之更符合时代的要求，其发展趋势也更符合时 代的特征： 教学遵循以学生为中心的“建构主义 原则。建构主义认为，学习是学生主 体与学习对象之间的建构活动。学生应该成为学习的主人，教学活动的主体。教师 以学生已知和需知为基础，鼓励学生积极从自己的兴趣、日常生活和知识需要中选 择主题，辅助选择建构知识的最有效的途径，引导学生进行思维分析，以便科学处 理各种信息、实验数据，鼓励学生通过科学探究自己解决问题。教师在这种教学活 动中的主要职责是辅助、监督学生进行上述互动，而不是单纯灌输式的讲授。 强调手脑结合。学生要想在“以学生为中心的”的课堂里形成自己的科学知 识，不仅要动脑思考，也要主动积极操作实验。如果仅通过老师动手演示的实验， 学生难以从间接经验里取得对知识的正确认识，只有自己动手实验才能产生感悟。 以“真实 问题进行学习。科学课程应该以现实生活中的科学现象为学习点， 彻底摆脱传统教学过程中只灌输固定概念、原理，做一些脱离现实生活的标准化试 题的教学方法。教师应让学生从各自的生活经验和认知基础出发，发现日常生活或 者自然现象里“真实 的问题，通过探究逐步学会分析、解决这些问题，在过程中 了解科学与生活的密切关系，感受科学的重要性。教师还要尽力创造有利于科学学 习的环境，使学生在学习中既学到了科学知识，又体验到了科学的乐趣和魅力，使 学生在有了初步的科学实践能力的同时又培养了良好的思维习惯。 推广采用探究法教学。科学学习应以科学探究为最重要的学习方式。教师是 学生学习的支持者和引导者，创设有利于学生主动探究的教学环境引导学生主动探 究，亲历科学探究的过程，这有利于保护学生的好奇心，激发学生学习科学的主动 性。通过让学生通过提出问题、操作实验、系统观察、收集、分析信息，作出结论， 协作交流等过程进行学习。 重视协作交流的培养。小组协作方式是进行开展探究性学习的有效方式。人 类的任何活动都需要思想交流，科学学习也是。学生要想在探究活动中有所发现， 首先必须学会分享自己的思想，以及能够向大家报告自己的探究结果。在通讯科技 发达的信息时代，个体的表达与交流的技能尤为重要。要让学生使用正确的科学用 于与小组成员交谈、汇报、撰写报告等。 物联网技术与科学课程整合研究 物联网技术与课程整合 3 1 信息技术的含义 信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，简称i t ) ，是国际上通用的说法，主要 是指采集、处理和管理信息的各种技术的总成。它在世界各国的表述上也不一样， 比如在法国常被称为t i c ( t e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ) ，而 在英国就称为信息和通信技术i c t ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 。 我国学术界也对信息技术的定义有着不同的定义： “所有与信息有关的生产、检测、转换、加工、存储、获取、传输、控制、利 用的技术都可以被称为信息技术”。1 此定义中的技术覆盖广泛，包括微电子技术、 传感技术、通讯技术和计算机技术，是综合性的技术。 教育部在中小学信息技术课程指导纲要中指出信息技术就是信息处理的技 术，等同于计算机技术。这样将信息技术的概念引入到了学校，就赋予了更明确的 定义。计算机技术所包含的内容主要有：c a i ( 计算机辅助教学) 、多媒体教学、互 联网、远程教育等等。 何克抗教授则认为“信息技术 主要是指使用电子计算机技术与现代通讯技术 进行获取信息、传输信息，加工信息，储存信息、分配信息和显示信息等与信息有 关过程的技术。其中计算机技术、现代通讯技术、控制技术和传感技术可以说是现 代信息技术的基础技术。2 信息技术已经成为当今教育活动中不可或缺的一个因素。对学生来说，信息技 术则是终生受用的认知：研究的工具。对于教育活动而言，显而易见，信息技术应 该突出的则是获取信息、处理信息和应用信息的能力。 计算机网络技术是2 l 世纪计算机科学领域的一项伟大成果，目前计算机和互联 网的普及改变了人们的生活。然而，不断发展的网络功能和信息爆炸的网络世界终 究摆脱不掉虚拟化的标签，在很多情况下，网络世界很难与人们生活的现实世界进 行互相感知，时代的需求呼唤着新的科学技术。传感网络正是在这样的背景下应运 而生的全新网络技术。由于传感网是把( 位于不同地点的) 物体通过传感器和通信 1 岳剑波信息环境论：m 北京：书目文献出版社。1 9 9 6 1 1 3 2 何克抗建构主义一革新传统教学地理论基础 中小学信息技术教育师资培训教材，北京师范大学出版社 1 2 物联网技术与课程整合 网络链接起来，所以，传感网络又称为“物联网”。 刚刚出现的物联网，成为世界信息产业中继计算机技术，互联网技术后第三次 信息化浪潮。发展物联网技术专家认为既可以节约成本，提高经济效益，还可为复 苏全球经济提供动力。欧盟、美国、韩国、日本等都已投入巨资开始对物联网技术 进行深入探究。 我国也已由工业和信息化部会同相关部门形成了对支持物联网技术的发展政策 措施，高度重视物联网技术的研究，力争在这新一代的信息技术领域走在世界前列。 温家宝总理于2 0 1 0 年8 月7 日在江苏无锡调研时，高度关注微纳传感器研发中心， 并提出在无锡设立名为“感知中国 的中国传感信息中心，并要求加快推进传感网 技术在国家重大科技专项中的发展，早一点攻破核心技术，谋划未来。 3 2 物联网技术及其应用 3 2 1 物联网概念 物联网作为一个概念，1 9 9 9 年由美国麻省理工学院( m i t ) 首先提出，是指将 所有物品通过射频识别( r f i d ) 等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识 别和管理的网络。 随着现代技术和应用的发展，物联网的内涵和外延已经发生了较大变化。 在2 0 0 5 年国际电信联盟( i t u ) 发布的i t ui n t e r n e tr e p o r t2 0 0 5 ：t h ei n t e r n e t o ft h i n g s 以及欧盟2 0 0 8 年发布的( t h ee u r o p e a nt e c h n o l o g yp l a t f o r mo ns m a r t s y s t e m si n t e g r a t i o n ，e p o s sl o t2 0 2 0 报告中，物联网的定义和范围已经发生了 变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于r f i d 技术的物联网。报告中给出 的定义是：“b ye m b e d d i n gs h o r t r a n g em o b il et r a n s c e i v e r si n t oaw i d ea r r a y o fa d d i t i o n a lg a d g e t sa n de v e r y d a yi t e m s ，e n a b l i n gn e wf o r m so fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e np e o p l ea n dt h i n g s ，a n db e t w e e nt h i n g st h e m s e l v e s f r o ma n y t i m e ， a n y p l a c ec o n n e c t i v i t yf o ra n y o n e ， w ew i l l b o w h a v ec o n n e c t i v i t yf o r a n y t h i n g ，即“物联网包括人与物、物与物之间的连接，即在任何时间，任何地点， 任何物品间都可以进行通信 。报告中指出，无所不包的“物联网时代即将来临， 世界上所有的物体都可以通过通讯网主动进行信息交换，射频识别技术、纳米技术、 1 3 物联网技术与科学课程整合研究 传感器技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。由此得出物联网的定义是：通 过射频识别( r f i d ) 、激光扫描器、红外感应器、全球定位系统( g p s ) 等信息传感 设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现 对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1 这是在国内百度百科 中对物联网的定义，也是最公认的基础定义。 2 0 0 9 年9 月，在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会 上，欧盟委员会 信息和社会媒体司r f i d 部门负责人l o r e n tf e r d e r i x 博士给出了欧盟对物联网的定 义：物联网是一种在标准和互相通信协议下的网络设施，具有动态、自组织能力、 全球性的特质。其中不管是物理的“物体 还是虚拟的“物”，都有虚拟的特性，以 及独特的物理属性、唯一的身份标识和智能的接口，和信息网络无缝整合在一起。 未来物联网将于企业互联网、万维网一起构成全新架构的互联网。2 我国学者周洪波给“物联网 的定义被称为中国定义，也是较为全面和清晰的。 物联网( i n t e r n e to ft h i n g s ) 指的是将无处不在( u b i q u i t o u s ) 的末端设备 ( d e v i c e s 和设施( f a c i l i t i e s ) ，包括具备“内在智能 的传感器、移动终端、 工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能 ( e n a b l e d ) 的，如贴上r f i d 的各种资产( a s s e t s ) 、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物 件或动物 或“智能尘埃 ( m o t e ) ，通过各种无线有线的长距离短距离通讯网络 实现互联互通( m 2 m ) 、应用大集成( g r a n di n t e g r a t i o n ) 、以及基于云计算的s a a s 营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调 度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策 支持、领导桌面( 集中展示的c o c k p i td a s h b o a r d ) 等管理和服务功能，实现对“万 物 的“高效、节能、安全、环保 的“管、控、营 一体化。3 3 2 2 物联网核心技术 可以看出，组成物联网的技术是综合性的技术，它的开展具有规模性、管理性、 广泛性、技术性、物的属性等等特性，其主要实现步骤由下到上分层结构来说可以 分为三层：感知层d e v i c e s 、网络层c o n n e c t 和应用层m a n a g e 。见图3 - 1 物联网 结构图。 1 h t t p ：b a i