新課標物聯(lián)網(wǎng)模塊項目式教學實踐

陳杰

【摘 要】新課標信息科技物聯(lián)網(wǎng)模塊，強調(diào)在理解物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，讓學生實際動手搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺，體驗數(shù)據(jù)的采集、上傳、處理、應用的過程。本文通過教學實例探索并展示如何構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能終端并將數(shù)據(jù)上傳的過程。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；SIoT

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）08-065-02

義務教育新課標物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索模塊學業(yè)要求中提出：根據(jù)學習任務的需要和可用的實驗設(shè)備，設(shè)計并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。能通過智能終端編程，讀取并處理含有物聯(lián)功能設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并進行適當反饋和控制。在物聯(lián)網(wǎng)模塊中上述內(nèi)容的大班化教學中，我們只重點關(guān)注數(shù)據(jù)的收集與導出，而且教學中缺乏簡單容易上手的智能終端設(shè)備，缺乏輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

項目概述

在智能農(nóng)植園系統(tǒng)項目中，學生將使用溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)同步到物聯(lián)網(wǎng)云平臺中；通過數(shù)據(jù)分析，得出最適合農(nóng)作物生長的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過SIoT服務器實現(xiàn)設(shè)備的控制與反饋。項目中使用三塊行空板，一塊為“智能終端”，連接傳感器、執(zhí)行器，放置于溫室中采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)；一塊作為“服務器”用于存儲數(shù)據(jù)；一塊為“移動終端”，放在中控室，供用戶遠程讀取數(shù)據(jù)、控制農(nóng)植園設(shè)備。本課教學內(nèi)容主要聚焦在數(shù)據(jù)的采集及上傳部分。

教學目標

知識與技能：學習物聯(lián)網(wǎng)模型基本架構(gòu)，能夠構(gòu)建出數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)模型；學習掌握SIoT服務器程序的使用方法，搭建溫濕度數(shù)據(jù)采集模型；經(jīng)歷物聯(lián)網(wǎng)模型搭建過程，有意識地使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決現(xiàn)實問題。過程與方法：讓學生在面臨真實問題情境時，聯(lián)系所學知識，建立問題需求與技術(shù)之間的連接，從而建立解決問題的方法；在項目化探究的過程中，以自主學習、小組合作、教師指導等方式開展教學。學生圍繞主題，開展搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺的實踐活動。情感、態(tài)度與價值觀：借助生活中的情境引入新課，建立技術(shù)服務于生活的理念，提高學生的學習興趣；使學生經(jīng)歷觀察、討論、抽象等活動，建立物聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?，感受萬物互聯(lián)的影響、機遇、挑戰(zhàn)；小組合作交流，培養(yǎng)學生與人合作的意識與溝通協(xié)作能力。

本課的教學重點為能夠?qū)F(xiàn)實世界的物理量抽象為一般數(shù)據(jù)模型；掌握物聯(lián)網(wǎng)模型基本結(jié)構(gòu)，搭建簡易物聯(lián)網(wǎng)模型。教學難點為知識和技能，即行空板的配置和物聯(lián)網(wǎng)模型搭建；思維層面則是將現(xiàn)實世界物理現(xiàn)象抽象為數(shù)據(jù)模型。

實施過程

1.問題導入

教師播放物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中應用的視頻，提出問題：“農(nóng)戶只需坐在家中就可以實時檢測大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。那么，同學們知道這些溫濕度數(shù)據(jù)是如何檢測并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺的嗎？”隨即明確本節(jié)課學習的主題：智能農(nóng)植園溫濕度數(shù)據(jù)的采集與上傳。

2.新知教學

（1）建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)模型。有學生回答可以通過溫濕度傳感器來檢測；也有學生回答通過溫濕度傳感器采集大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。針對學生多樣化的回答，從用戶的視角觀察數(shù)據(jù)在采集、傳輸、存儲和數(shù)據(jù)應用中的流向，與學生的經(jīng)驗形成對應關(guān)系，引導學生概括并劃分，理解物聯(lián)網(wǎng)的組成架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡層和應用層，促進學生建立模型（圖1）。

（2）任務一：分組搭建物聯(lián)網(wǎng)裝置。大多數(shù)學生并沒有搭建物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)歷，教師展示一種簡易的方案。使用兩塊行空板＋DHT11溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集的工具，其中一塊作為服務器，開啟SIoT服務，存儲數(shù)據(jù)；另外一塊作為智能終端，采集數(shù)據(jù)上傳服務器。布置任務：完成室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的采集及物聯(lián)網(wǎng)的上傳，并實現(xiàn)WEB訪問。

學生分組學習數(shù)字化資源，三人一組領(lǐng)取硬件完成任務。硬件設(shè)備：溫濕度傳感器DHT11連接到行空板P23口線；SIoT服務：行空板中自帶SIoT服務，進入系統(tǒng)后，點擊“應用開關(guān)”連接，進入SIoT開關(guān)界面，點擊“開啟”按鈕，啟動SIoT服務；服務器參數(shù)：“初始化MQTT”設(shè)置：MQTT平臺選擇SIoT，SIoT地址為上述行空板連入無線網(wǎng)絡獲取的IP地址，SIoT Port端口為1883，用戶名為siot，密碼為dfrobot。

（3）任務二：自主學習編寫程序。環(huán)境部署：進入Mind+編程環(huán)境后，在“Python”模式下添加“行空板”和“MQTT-py”庫。程序初始化：設(shè)置MQTT平臺為SIoT，SIoT地址為上述行空板子獲取的IP地址，SIoT Port端口為1883，用戶名為siot，密碼為dfrobot。如果想上傳濕度數(shù)據(jù)，只需再增加一條指令MQTT發(fā)布（DHT11濕度）到“DHT/H”即可完成。運行程序測試：教師在布置完程序編寫任務后，燒錄程序測試程序的功能。學生動手實踐，查看程序運行的結(jié)果。

（4）任務三：拓展延伸，高效統(tǒng)計交作業(yè)情況。創(chuàng)設(shè)問題情境：教師每天早上需要收集統(tǒng)計同學們交作業(yè)的情況，希望能夠應用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)以下功能：學生來到教室后通過一個智能裝置登記記錄是否提交作業(yè)；教師只需要在手機移動端或PC端就可查看學生交作業(yè)情況。同學們能使用今天所學的知識高效地解決收作業(yè)統(tǒng)計的問題嗎？

學生圍繞問題思考討論：通過什么方式檢測學生交作業(yè)情況；檢測交作業(yè)的數(shù)據(jù)上傳到哪里；教師如何查看學生交作業(yè)的情況。學生使用攝像頭掃描二維碼方式來標注作業(yè)本中“學科+姓名”信息，并將這些信息上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)端服務器上，教師登錄服務器相關(guān)學科即可查看相關(guān)信息。對于學生信息的采集，在當前的硬件條件下，如果直接使用AI識別算法比較復雜，識別率較低，很難實現(xiàn)快速高效的信息采集；而使用二維碼方式標注學生信息，一個二維碼可包含學生作業(yè)的學科和姓名關(guān)鍵信息，且只需識別一次，能提高識別效率。故最終采用二維碼方式進行學生信息標注。教師總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的目的：利用采集的數(shù)據(jù)進行分析，進行反饋控制，進行智能決策。

本環(huán)節(jié)通過視覺識別二維碼方式，是對所學物聯(lián)網(wǎng)知識的拓展應用，其目的是為了拓展學生的視野，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集不僅可以通過傳感器，還可以通過其他很多方式，也為后續(xù)學生設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)模型拓展思路。

（5）梳理知識，答疑解惑。教師先提問學生在這堂課中學到了哪些知識，學生分小組匯報所總結(jié)的知識，教師再對其進行總結(jié)，完成知識技能梳理。學生自己總結(jié)所學知識內(nèi)容，更希望學生能夠感悟到技術(shù)的學習是為了解決現(xiàn)實生活中的問題，技術(shù)是為生活服務的。

反思總結(jié)

本課教學以行空板和SIoT軟硬件環(huán)境為學生操作實踐提供了一個簡易平臺；以項目式學習促進學生對物聯(lián)網(wǎng)模型和數(shù)據(jù)收集、上傳過程的理解；來自現(xiàn)實生活情境的實踐活動極大地調(diào)動了學生的積極性。

在教學實施過程中也存在一些問題。學生對軟硬件熟悉度不足，造成課堂教學過程中學生非知識性操作的失誤；SIoT服務器必須與終端等設(shè)備共處一個局域網(wǎng)范圍內(nèi)，所以當網(wǎng)段不在一起時，導致采集數(shù)據(jù)無法上傳物聯(lián)網(wǎng)；教學內(nèi)容的跨度設(shè)計較大，通過傳感器采集數(shù)據(jù)到使用攝像頭采集數(shù)據(jù)上傳，對于剛接觸開源硬件的學生來說跨度較大。

今后學生要加強實踐練習，熟練掌握基礎(chǔ)軟硬件的使用技巧；教師課前一定要確認網(wǎng)絡環(huán)境部署，學生端與機房IP同處一個網(wǎng)絡，建議設(shè)立一個獨立的AP；教學內(nèi)容的設(shè)計要遵循最近發(fā)展區(qū)原則，難度設(shè)置要合理可行。

編? ?輯：徐靖程