Scratch+智慧農(nóng)業(yè)課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)施

胡寧琳 張龍

Scratch的教學(xué)現(xiàn)已開(kāi)展得如火如荼，但它一直都局限于虛擬的編程平臺(tái)中，缺乏實(shí)踐。本文以遠(yuǎn)程土壤關(guān)照監(jiān)控及自動(dòng)澆灌補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，將“智慧農(nóng)業(yè)”融入Scratch課程，讓理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合。

智慧農(nóng)業(yè)與Scratch的結(jié)合

我們將智慧農(nóng)業(yè)與Scratch相結(jié)合，就是將虛擬編程和實(shí)踐操作相結(jié)合，深化Scratch課程。這樣更能提升學(xué)生的思維能力和實(shí)踐能力（如圖1）。

1. ?智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中去，運(yùn)用傳感器和軟件通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)或者電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，即集成應(yīng)用傳感和測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、智能技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)等，依托部署在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的田間智慧種植“可視化管理”并能實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警及智能化決策等。

2. ?Scratch編程軟件

Scratch課程生動(dòng)、易操作，現(xiàn)已在各中小學(xué)開(kāi)展得如火如荼。但目前中小學(xué)開(kāi)展的Scratch課程更多偏向于軟件的學(xué)習(xí)和基本操作的教學(xué)，并沒(méi)有完全啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意和加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。所以深化Scratch課程，將虛擬Scratch和實(shí)踐操作相結(jié)合，是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

3. ?傳感器的結(jié)合應(yīng)用

目前，在智慧農(nóng)業(yè)中的大多數(shù)環(huán)境參數(shù)，如溫室內(nèi)土壤溫度、光照度、營(yíng)養(yǎng)元素等均通過(guò)物理傳感器實(shí)時(shí)采集。所以在設(shè)計(jì)Scratch課程時(shí)，我們以傳感器為結(jié)合點(diǎn)，將智慧農(nóng)業(yè)和Scratch編程相結(jié)合。目前，既能應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)，又可以讓學(xué)生進(jìn)行Scratch編程的傳感器有以下幾類(lèi)（如圖2）。

“智慧農(nóng)業(yè)”在Scratch實(shí)踐探究課程中的實(shí)施

將“智慧農(nóng)業(yè)”與Scratch實(shí)踐探究課程相結(jié)合，屬于深度融合的課程，需要學(xué)生在此之前已經(jīng)熟練掌握Scratch編程技術(shù)，并已有小組合作意識(shí)和探究能力。探究性教學(xué)模式是指，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以 “自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對(duì)當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容中的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究，并開(kāi)展小組合作交流來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。這里，以自主探究課程《遠(yuǎn)程土壤關(guān)照監(jiān)控及自動(dòng)澆灌補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)》來(lái)向大家介紹它是如何具體實(shí)施的。本次活動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生明確一份完整系統(tǒng)要素的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出完善的“智慧農(nóng)業(yè)”系統(tǒng)。

1. ?情境引入的設(shè)定

探究性課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生利用研究方法解決問(wèn)題，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)問(wèn)題讓各小組討論：“我們通常會(huì)遇到這樣的情況：外出游玩時(shí)無(wú)法照顧家里的植物，怎么辦？”

學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，教師也需要提示一些可行的解決辦法，做一些引導(dǎo)，避免學(xué)生茫然無(wú)措或者想得太發(fā)散。比如教師啟發(fā)學(xué)生：這個(gè)時(shí)候，我們可以使用傳感器和Scratch編程軟件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

2. ?問(wèn)題探究

在考慮解決方案的時(shí)候，需要明確待解決的問(wèn)題。在這里，以光照和濕度為例來(lái)做說(shuō)明（如圖3）。

以上過(guò)程都是自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的，但我們沒(méi)有辦法觀(guān)察到植物的實(shí)際情況，所以需要問(wèn)題升級(jí)引導(dǎo)：到底什么時(shí)候需要開(kāi)關(guān)各種設(shè)備？

加入網(wǎng)絡(luò)模塊，通過(guò)yeeink接入在線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云，通過(guò)家里的路由器，將每個(gè)傳感器的值直接發(fā)送到y(tǒng)eelink上，待它處理后通過(guò)微博、微信、電子郵件等即時(shí)通訊軟件自動(dòng)發(fā)送通知。這個(gè)時(shí)候，就能通過(guò)手機(jī)隨時(shí)知道家里植物的情況。如果還想擴(kuò)展更多，可以通過(guò)加入溫度傳感器、PM2.5傳感器等各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候家庭環(huán)境監(jiān)控。

3. ?操作實(shí)施

在問(wèn)題探究階段之后，教師要指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行軟件編程。通過(guò)Scratch軟件對(duì)光敏傳感器和土壤濕度傳感器進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，如圖4所示，設(shè)置參考數(shù)值，然后實(shí)際搭建遠(yuǎn)程土壤關(guān)照監(jiān)控及自動(dòng)澆灌補(bǔ)光系統(tǒng)。

在實(shí)際搭建中，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)灌溉花草的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)?？偣卜譃槿齻€(gè)部分，分別為底座設(shè)計(jì)、灌溉設(shè)計(jì)和照明設(shè)計(jì)（如圖5）。

綜合起來(lái)，可得到如圖6所示的整體設(shè)計(jì)圖。

反思和思考

對(duì)教師而言，基于智慧農(nóng)業(yè)的Scratch課程使得探究型課程更加開(kāi)放，讓課程實(shí)施方式也有了更多的選擇;對(duì)學(xué)生而言，他們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中可以更加個(gè)性化地學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，虛擬加現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)探究本身也讓學(xué)生更加主動(dòng)地從設(shè)計(jì)的情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、討論問(wèn)題、提出解決方案、進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，最后得出結(jié)論，讓他們的創(chuàng)新與實(shí)踐能力得到大大提升。

參考文獻(xiàn)

李世榮，陳永智，廖惜春.智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（11）.

（作者單位：上海師范大學(xué)教育技術(shù)系）