基于農村小學的物聯(lián)網教學研究

秦許峰 孫偉

● 引言

目前，進入學校的數(shù)字化理化實驗設備，一般來說僅僅是圍繞某個學科教學內容在中小學教學領域而裝備的，作用單一、投入高、對環(huán)境要求高，很難裝備到農村學校。而Arduino平臺的出現(xiàn)，給農村學校提供了一個投入較少、方便教學的物聯(lián)網環(huán)境，為了讓農村的孩子享有與城市孩子一樣的物聯(lián)網學習環(huán)境，我們做了大量的探索實踐和研究。

經過前期研究，我們根據(jù)農村學校的特點，以學生熟悉的種植為抓手，依托Arduino物聯(lián)網平臺，開展了農村小學物聯(lián)網教學校園智能實踐園研究。在研究的過程中，通過傳感系統(tǒng)，構建了數(shù)字化種植、智能環(huán)境，為農村學生營造了良好的探究和體驗環(huán)境，開辟了農村學校實驗教學新模式。

● 校園智能實踐園概述

1.校園智能實踐園系統(tǒng)功能

校園智能實踐園系統(tǒng)，通過種植、觀測某種植物的生長情況，利用計算機及網絡，對動植物生長的狀態(tài)以及動植物所處環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)控并記錄歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被采集傳輸?shù)接嬎銠C上進行數(shù)據(jù)存儲與分析，輸出實時數(shù)據(jù)。通過平臺，師生可以共同交流種植經驗，展示研究成果。通過遍布各地的微型校園物聯(lián)網工作室系統(tǒng)，同時開展各種主題型、差異性、比對性等科學小實驗，使合作性探究變?yōu)楝F(xiàn)實。

集長時間持續(xù)實驗、戶外實驗、跨時間與跨地域的合作實驗于一體的物聯(lián)網工作室不僅能提供比手工采集高得多的精確數(shù)據(jù)，而且大大節(jié)省了傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的記錄、計算、分析的時間，使科學探究的重心落在假設級探究活動上，并保證了探究的成功率。與此同時，校園智能實踐園中個人的實驗結論可以提供給他人應用，教師可以在線評價學生的實驗報告，學校可建立校本的學生實驗報告資源庫，這為學校校本探究課程的建設、教師個性化實驗設計都提供了保障。校園智能實踐園建設也為學?！疤厣睂嶒灲虒W提供了新方向。

2.具體方案剖析

校園智能實踐園是由環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，光照、灌溉系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，對植物生長情況及環(huán)境進行實時數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并通過網絡實現(xiàn)在線觀察和遠程控制物聯(lián)網工作室的光照、灌溉等。

（1）智能種植系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度傳感器和濕度傳感器。

溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器（如圖1），本模塊用于監(jiān)測室內溫度，隨時調節(jié)適宜植物生長所需的環(huán)境溫度。

濕度傳感器為一個簡易水分傳感器，利用電阻變化測量水分、濕度。土壤越干燥，輸出的電壓越小越濕潤，輸出的電壓越大。將本模塊插入土中，通過AD轉換電壓信號，即可檢測土壤水分。它可與Arduino、水泵連接，組成自動澆花系統(tǒng)（如上頁圖2）。

通過電位器調節(jié)土壤濕度控制閥值，可以自動對物聯(lián)網工作室里的植物澆水，帶有大功率繼電器，可以控制大電流設備，小于設定濕度自動啟動繼電器吸合，大于設定濕度自動斷開，并有延時功能，解決了無延時的濕度臨界狀態(tài)繼電器不停閃爍的問題，是一個簡易實用的土壤濕度控制系統(tǒng)。

（2）光照灌溉系統(tǒng)

光照設備。

光環(huán)境是植物生長發(fā)育不可缺少的重要物理環(huán)境因素之一，LED植物生長燈，依照植物生長對太陽光的需求，代替太陽光給植物提供更好的生長發(fā)育光環(huán)境的一種燈具。

LED植物燈的紅、藍燈色譜比例一般在4∶1～10∶1之間為宜，通?？蛇x7～8∶1的比例。紅光促進植物發(fā)芽、開花，藍光促進植物生長，可以自主選擇更合適的波長和顏色比例促進植物的生長。通過光敏、溫度傳感器及時間的設置，自動控制燈光系統(tǒng)（如圖3）。

灌溉設備。

灌溉設備包括：20米長的9×12PVC管、25個平腳9/12三通、1個可調噴頭、25個堵頭、1個水泵、1個電源、1個過濾器、1.2米進水管（如圖4）。

智能澆灌系統(tǒng)可以在沒有自來水或使用自來水不方便的地方，利用水泵增壓來吸小池的水或水桶的水。利用土壤濕度傳感器，編寫好對應程序就可以自動澆花、自動關閉。

（3）智能環(huán)境系統(tǒng)

智能環(huán)境系統(tǒng)利用網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術等，對實踐園進行智能化管理。

遠程控制是智能環(huán)境的一項重要功能。在上下班、上學放學等出行期間，使用手機可以遠程控制實踐園中的智能設備，如打開或關閉空調器、電熱水、燈具和窗簾等。其中，可視控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控攝像、定時攝影等功能。

智能窗簾與燈光系統(tǒng)是智能控制室內植物的光照，在光線較強時打開或關閉植物燈和窗簾。根據(jù)光敏傳感器的工作原理，當光敏值小于500時（白天），窗簾自動打開，切斷室內燈光設備電源；反之，當光敏值大于500時（黑夜），窗簾自動關閉，打開室內燈光設備電源。根據(jù)紅外傳感器的工作原理，通過一個遙控器實現(xiàn)控制室內所有的電光設備。

（4）工作原理

校園智能實踐園組成與工作原理如下頁圖5所示。

● 校園智能實踐園研究反饋

（1）趣味性

校園物聯(lián)網智能實踐園立足農村這一得天獨厚的地理環(huán)境優(yōu)勢，利用身邊資源，引進各式各樣的農作物，使孩子們在教師的指導下能親自動手，從育苗、移植入手，通過智能化管理、記錄生長日記，這就有效地解決了枯燥無味的傳感器知識學習問題。

（2）知識性

以興趣為出發(fā)點，教師帶領學生有序地進行了傳感器知識的學習。從某一特定的傳感器在實踐園的應用入手，讓他們了解該傳感器在實踐園中的作用，然后邊學邊玩，通過Audublock圖形化的編程軟件，編寫該傳感器在智能管理中的應用程序，在不知不覺中掌握該傳感器的工作原理及其應用。

（3）低成本

物聯(lián)網智能實踐園以Arduino為平臺構建，從硬件到軟件都是開源的，程序的編寫是圖形化的Ardublock工具，學生很容易上手，小學五年級就可以開展社團學習，六年級就可以通過小組合作開展整班教學。

學生在邊學邊玩的過程中，深入了解并掌握智能種植及智能環(huán)境系統(tǒng)的核心技術，體驗到了現(xiàn)代化的農業(yè)種植并不是人們想象中的那么辛勞和枯燥無味，并且從中感知到了生長的樂趣，不知不覺中培養(yǎng)了孩子們的動手能力、計算能力、邏輯思維能力等。