基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧交通的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡秋萍 王玉英 季文霞

【摘 要】本文通過(guò)分析生活中的智能停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)例，圍繞數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)邏輯主線(xiàn)，模擬搭建停車(chē)收費(fèi)簡(jiǎn)易系統(tǒng)，形成以數(shù)據(jù)為核心的主題單元教學(xué)案例。實(shí)驗(yàn)探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等功能和基本原理，體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；簡(jiǎn)易系統(tǒng)；單元教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-070-02

以數(shù)據(jù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出了“以數(shù)據(jù)為核心”的理念。數(shù)據(jù)流動(dòng)和數(shù)據(jù)共享正是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索最值得關(guān)注和思考的核心問(wèn)題，建議教師聚焦分析生活中的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡(jiǎn)單控制功能的簡(jiǎn)易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的基本原理，體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

模擬停車(chē)收費(fèi)的簡(jiǎn)易系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能停車(chē)場(chǎng)是生活中最常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭、傳感器等智能設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，提供更加智能、便捷、高效和安全的停車(chē)服務(wù)。整個(gè)過(guò)程由車(chē)輛識(shí)別、自動(dòng)計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和車(chē)位管理等多個(gè)子系統(tǒng)組成，其中最能體現(xiàn)教學(xué)需要的是停車(chē)收費(fèi)子系統(tǒng)。

1.核心功能分析

本案例聚焦數(shù)據(jù)的處理流程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有“感知—采集—傳輸—反饋—控制”完整功能的智能停車(chē)收費(fèi)簡(jiǎn)易系統(tǒng)，所需核心功能包括：（1）車(chē)輛駛?cè)霑r(shí)，數(shù)字設(shè)備智能識(shí)別車(chē)牌，記錄駛?cè)霑r(shí)間和車(chē)牌信息；（2）車(chē)輛駛出時(shí)，識(shí)別車(chē)牌，獲取出場(chǎng)時(shí)間，計(jì)算收費(fèi)金額；（3）反饋收費(fèi)金額，模擬繳費(fèi)過(guò)程，車(chē)輛駛出。

收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)模擬顯示：（1）停車(chē)場(chǎng)每小時(shí)收費(fèi)10元；（2）30分鐘內(nèi)免費(fèi)，超過(guò)30分鐘按1小時(shí)計(jì)算。

2.核心任務(wù)分解

依據(jù)系統(tǒng)“輸入—處理—輸出”（IPO）的工作方式和物聯(lián)網(wǎng)的三層構(gòu)架來(lái)理解。智能停車(chē)收費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)易系統(tǒng)可以被拆分為如下子任務(wù)：（1）使用數(shù)字設(shè)備采集車(chē)輛進(jìn)入和駛出時(shí)的車(chē)牌號(hào)和時(shí)間數(shù)據(jù)；（2）物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)存儲(chǔ)車(chē)牌號(hào)和入場(chǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)，提供MQTT訂閱服務(wù)；（3）按需求處理數(shù)據(jù)，使用數(shù)字設(shè)備反饋收費(fèi)信息。

3.教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇

考慮到教學(xué)環(huán)境的Wi-Fi覆蓋范圍和真實(shí)云平臺(tái)應(yīng)用存在賬號(hào)登錄、數(shù)據(jù)管理等問(wèn)題，使用內(nèi)置Wi-Fi與MQTT服務(wù)的1956開(kāi)發(fā)板快速搭建局域物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)環(huán)境；使用計(jì)算機(jī)自帶和外接的攝像頭，結(jié)合車(chē)牌識(shí)別的人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將采集到的出入車(chē)輛的車(chē)牌圖片信息轉(zhuǎn)化為文本信息，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。mPython軟件具備圖形和Python代碼編程兩種模式，內(nèi)部配置了常用的Wi-Fi模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊與攝像頭識(shí)別等多個(gè)應(yīng)用模塊，支持MQTT消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議的訂閱主題服務(wù)，是編程實(shí)現(xiàn)的主陣地。掌控板（樂(lè)動(dòng)掌控）主要用在出口處，攝像頭識(shí)別車(chē)牌后，程序訂閱平臺(tái)入場(chǎng)記錄，計(jì)算停車(chē)時(shí)間，按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出收費(fèi)金額，車(chē)主繳費(fèi)后車(chē)輛駛出。停車(chē)收費(fèi)簡(jiǎn)易系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ?停車(chē)收費(fèi)簡(jiǎn)易系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4.關(guān)鍵問(wèn)題分析與程序?qū)崿F(xiàn)

（1）車(chē)牌數(shù)據(jù)的采集及傳輸。mPython軟件啟動(dòng)SIoT-Python模式和車(chē)牌識(shí)別擴(kuò)展應(yīng)用，筆記本使用外接攝像頭，方便車(chē)牌掃描識(shí)別，設(shè)置啟動(dòng)1956開(kāi)發(fā)板的Wi-Fi和SIoT物聯(lián)服務(wù)。有車(chē)輛駛?cè)霑r(shí)，智能車(chē)牌識(shí)別模塊采集車(chē)牌數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)的mPython/in主題中。

（2）獲取車(chē)輛入場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算收費(fèi)金額，給出繳費(fèi)提示信息。有車(chē)輛駛出時(shí)，筆記本自帶攝像頭和智能車(chē)牌識(shí)別模塊采集車(chē)牌數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)的mPython/out主題中，同時(shí)訂閱獲取該車(chē)牌的入場(chǎng)時(shí)間，按收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出收費(fèi)金額，反饋提示收費(fèi)等相關(guān)信息。

基于簡(jiǎn)易系統(tǒng)案例的教學(xué)單元設(shè)計(jì)

1.前序知識(shí)要求

本單元教學(xué)非零起點(diǎn)，需要學(xué)生已經(jīng)了解和掌握以下前序知識(shí)：（1）掌握了一些常用傳感器的原理及使用方法；（2）熟悉了mPython軟件的基本使用方法；（3）了解Python中列表和字典的基本功能和用法；（4）了解物聯(lián)網(wǎng)的基本原理。

2.確定單元目標(biāo)

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)劃模擬停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)，深刻理解物聯(lián)網(wǎng)的原理和作用。（2）通過(guò)分析現(xiàn)實(shí)停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)，體驗(yàn)問(wèn)題分析、分解、抽象的基本方法。（3）通過(guò)采集車(chē)牌數(shù)據(jù)、發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)的功能，掌握從物聯(lián)設(shè)備中讀取、發(fā)送、接收和使用數(shù)據(jù)的基本方法。（4）體驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的方法，提升計(jì)算思維。（5）通過(guò)模擬停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)的拓展應(yīng)用，拓展思路，達(dá)到知識(shí)遷移應(yīng)用的目的，提升學(xué)習(xí)成就感，體會(huì)技術(shù)給人們的生活帶來(lái)的美好變化，提升信息意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。

3.單元課時(shí)安排

依據(jù)項(xiàng)目要求及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，重點(diǎn)結(jié)合停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)過(guò)程，我們將本單元設(shè)計(jì)為4課時(shí)完成。

第一課時(shí)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下總結(jié)、分析觀(guān)察到的停車(chē)收費(fèi)實(shí)際場(chǎng)景，學(xué)會(huì)分析、分解問(wèn)題并對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行合理抽象。學(xué)生圍繞觀(guān)察到的停車(chē)收費(fèi)現(xiàn)象和問(wèn)題，進(jìn)行分析、規(guī)劃和試驗(yàn)。

第二課時(shí)，學(xué)生分組，在教師的引導(dǎo)下各組依據(jù)所使用的開(kāi)源硬件及軟件（mPython）的特點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。主要完成以下任務(wù)：根據(jù)前期分析停車(chē)場(chǎng)入口、出口的功能繪制程序?qū)崿F(xiàn)的過(guò)程圖；根據(jù)過(guò)程圖編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)采集車(chē)牌數(shù)據(jù)、上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能。

第三課時(shí)，拓展應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)反思、優(yōu)化，達(dá)到知識(shí)遷移。分組實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的停車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。學(xué)生可以根據(jù)前期的分析，分組實(shí)現(xiàn)個(gè)性化停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)功能，如空車(chē)位顯示、限行提示、剩余車(chē)位信息等；設(shè)置不同場(chǎng)景的不同計(jì)費(fèi)形式；完善程序?qū)崿F(xiàn)跨天收費(fèi)等。

第四課時(shí)，展示分享，自評(píng)互評(píng)。教師發(fā)放自評(píng)、互評(píng)評(píng)價(jià)表，學(xué)生分組進(jìn)行展示、自評(píng)、互評(píng)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目過(guò)程及問(wèn)題進(jìn)行共同研討，學(xué)生在自評(píng)、互評(píng)及共同研討過(guò)程中達(dá)到深刻理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同提高的目的。

教學(xué)建議

為保證教學(xué)效果，教師可以提前引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察并記錄自己身邊的停車(chē)場(chǎng)（庫(kù)）出入及計(jì)費(fèi)情況，依據(jù)同學(xué)們觀(guān)察到的不同計(jì)費(fèi)場(chǎng)景功能將學(xué)生分成不同的小組。這樣既可以滿(mǎn)足不同學(xué)生的興趣，也可以體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的多樣性，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在教學(xué)過(guò)程中，教師要更加關(guān)注問(wèn)題的分析與分解過(guò)程，引領(lǐng)學(xué)生從復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中抽象梳理車(chē)輛入口及出口的設(shè)備動(dòng)作流程，畫(huà)出流程圖，依據(jù)清晰的流程圖編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)功能。這樣學(xué)生可以避免非關(guān)鍵因素的干擾，從而達(dá)到順利完成項(xiàng)目的目的。

在歸納總結(jié)、自評(píng)互評(píng)環(huán)節(jié)，教師要引領(lǐng)學(xué)生思考停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及應(yīng)用的過(guò)程，深刻理解物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際生活中的作用，以及物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的基本功能，引導(dǎo)學(xué)生感受技術(shù)給生活帶來(lái)的便捷，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)信息技術(shù)、負(fù)責(zé)任地使用信息技術(shù)的意識(shí)和責(zé)任感。