《用安卓手機(jī)控制開(kāi)源硬件》 教學(xué)設(shè)計(jì)

鄭祥 謝作如

● 教材分析

《用安卓手機(jī)控制開(kāi)源硬件》位于校本課程《安卓應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》第三章，其教學(xué)內(nèi)容是開(kāi)發(fā)能夠控制開(kāi)源硬件的手機(jī)App。課程中選擇的開(kāi)源硬件是虛谷號(hào)，支持藍(lán)牙和Wi-Fi兩種形式與手機(jī)通信。相對(duì)來(lái)說(shuō)，用Wi-Fi形式更加方便，更符合物聯(lián)網(wǎng)的常見(jiàn)通信形式。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容需要2個(gè)課時(shí)，采用連堂課的形式開(kāi)展。要求學(xué)生能夠通過(guò)Web服務(wù)的方式，即WebGPIO來(lái)控制虛谷號(hào)，不僅要完成一系列的信息實(shí)驗(yàn)，還要能自主開(kāi)發(fā)安卓手機(jī)的應(yīng)用程序，通過(guò)App按鈕來(lái)控制虛谷號(hào)上的電風(fēng)扇模塊。

● 教學(xué)對(duì)象

本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象是初中學(xué)生，他們不僅熟悉安卓手機(jī)App的一般開(kāi)發(fā)過(guò)程，能夠用AppInventor2編寫(xiě)簡(jiǎn)單的App，還初步接觸過(guò)開(kāi)源硬件，熟悉Arduino等開(kāi)源硬件的引腳、PWM的使用，能夠用Mind+之類的軟件為開(kāi)源硬件編寫(xiě)代碼。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：理解WebGPIO的概念，掌握在虛谷號(hào)上運(yùn)行WebGPIO服務(wù)端的方法，掌握HTTP協(xié)議中的GET、POST請(qǐng)求方法;熟悉AppInventor2開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的Web客戶端組件，能開(kāi)發(fā)控制虛谷號(hào)的安卓App應(yīng)用程序。

過(guò)程與方法目標(biāo)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，掌握AppInventor2開(kāi)發(fā)平臺(tái)中Web客戶端組件的一般使用方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過(guò)安卓手機(jī)App的開(kāi)發(fā)對(duì)虛谷號(hào)上硬件模塊的控制，消除對(duì)遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)控制的神秘感，提高對(duì)信息技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：POST方法的參數(shù)設(shè)置，掌握遠(yuǎn)程控制的安卓App的開(kāi)發(fā)。

難點(diǎn)：理解POST和GET兩種HTTP請(qǐng)求方法的區(qū)別。

● 教學(xué)過(guò)程

1.激發(fā)興趣，導(dǎo)入新課

投屏展示：通過(guò)安卓App遠(yuǎn)程控制虛谷號(hào)上風(fēng)扇模塊的“打開(kāi)”與“關(guān)閉”。提問(wèn)：安卓手機(jī)App是怎么完成對(duì)風(fēng)扇模塊的控制的？虛谷號(hào)在這個(gè)過(guò)程中，又起到了什么作用呢？

引導(dǎo)學(xué)生討論并歸納：安卓手機(jī)App是通過(guò)無(wú)線Wi-Fi來(lái)發(fā)送控制風(fēng)扇模塊的信號(hào)給虛谷號(hào);虛谷號(hào)起著信號(hào)接受的作用。

虛谷號(hào)上運(yùn)行了一個(gè)Web服務(wù)WebGPIO;通過(guò)這個(gè)Web服務(wù)，安卓手機(jī)App就可以非常方便地控制開(kāi)源硬件虛谷號(hào)了。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)展示遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇模塊的開(kāi)與關(guān)，激發(fā)學(xué)生興趣，并引出主題。

2.講解新知，探知原理

虛谷號(hào)WebGPIO服務(wù)：GPIO是通用型之輸入（GPI）輸出（GPO）的簡(jiǎn)稱，即PIN引腳。顧名思義，WebGPIO可以通過(guò)Web的方式控制GPIO。

虛谷號(hào)的WebGPIO服務(wù)采用了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，即用HTTP的GET請(qǐng)求方法獲取虛谷號(hào)PIN引腳狀態(tài)，用POST請(qǐng)求方法控制引腳電平。

WebGPIO的協(xié)議：HTTP請(qǐng)求有很多種方式，最常見(jiàn)的是POST請(qǐng)求和GET請(qǐng)求。虛谷號(hào)的WebGPIO協(xié)議采用GET方式獲取引腳狀態(tài)信息，采用POST方式發(fā)送控制命令，具體參數(shù)介紹如下表所示。

①參數(shù)Pin對(duì)應(yīng)虛谷號(hào)上的引腳為：A0-A5，D0-D13;②參數(shù)Value對(duì)應(yīng)的值為：虛谷號(hào)對(duì)應(yīng)引腳的數(shù)值;③參數(shù)Type對(duì)應(yīng)控制的類型：可以是1、2、3，分別代表“digital”“analog”“servo”。

設(shè)計(jì)意圖：引入課堂主要內(nèi)容——原理講解，分散教學(xué)重難點(diǎn)。

3.實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證原理

（1）提問(wèn)：通過(guò)POST/GET方法，是否真的能夠控制虛谷號(hào)？接下來(lái)要通過(guò)信息實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)需要明確完成哪些內(nèi)容呢？

引導(dǎo)學(xué)生列舉出實(shí)驗(yàn)所需的操作任務(wù)：①在虛谷號(hào)上運(yùn)行WebGPIO服務(wù)器程序;②明確POST/GET方法向WebGPIO服務(wù)器程序傳值的參數(shù);③驗(yàn)證POST/GET方法是否真的能控制虛谷號(hào);④做好實(shí)驗(yàn)記錄，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證自己的設(shè)想，并列舉實(shí)驗(yàn)操作的任務(wù)步驟，讓學(xué)生能明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)目標(biāo)。

（2）學(xué)生以小組形式領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)器材，參考實(shí)驗(yàn)報(bào)告，小組合作討論完成實(shí)驗(yàn)。教師巡視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，并及時(shí)給予幫助和引導(dǎo)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作鞏固學(xué)生POST/GET方法參數(shù)的設(shè)置，為后面的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)做好準(zhǔn)備。

4.頭腦風(fēng)暴，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

（1）教師介紹App invneotr2中的Web客戶端組件，指出：Web客戶端組件為非可視組件，用于發(fā)送HTTP的GET、POST、PUT及DELETE請(qǐng)求。App中需要增加Web客戶端組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛谷號(hào)的控制。

（2）提問(wèn)：借助WebGPIO功能，安卓手機(jī)App可以開(kāi)發(fā)怎樣的應(yīng)用？要求學(xué)生小組合作討論，開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，把創(chuàng)意想法畫(huà)出來(lái)或?qū)懺诩埳稀＃ń處熣故靖餍〗M的創(chuàng)意想法，引導(dǎo)學(xué)生一起分享交流，并吸收建議）

（3）教師提供相應(yīng)的硬件模塊和安卓App開(kāi)發(fā)范例幫助文檔，要求學(xué)生通過(guò)小組合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，并完成作品的測(cè)試。教師巡視教室，并及時(shí)解答學(xué)生的各種問(wèn)題。

5.作品展示，心得分享

教師投屏展示各小組完成的項(xiàng)目，并且邀請(qǐng)學(xué)生派代表展示運(yùn)行效果。學(xué)生交流、分享自己小組內(nèi)的感受、收獲等。

這節(jié)課通過(guò)討論交流、實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生嘗試了通過(guò)WebGPIO控制開(kāi)源硬件虛谷號(hào)，而且還開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的安卓App程序。其中涉及了GPIO的概念、POST/GET方法參數(shù)及AppInventor2的Web客戶端組件，體驗(yàn)了軟硬件相結(jié)合的創(chuàng)客作品開(kāi)發(fā)過(guò)程。

● 教學(xué)反思

本次課的學(xué)習(xí)主題是通過(guò)安卓手機(jī)控制開(kāi)源硬件。學(xué)生通過(guò)“新知講解、探知原理”“實(shí)驗(yàn)操作、驗(yàn)證原理”“頭腦風(fēng)暴、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”這三個(gè)主要環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)技能的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和運(yùn)用。此外，在“實(shí)驗(yàn)操作、驗(yàn)證原理”環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠直接利用工具，驗(yàn)證學(xué)習(xí)的WebGPIO協(xié)議，表現(xiàn)出莫大的興趣;在“頭腦風(fēng)暴、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”環(huán)節(jié)，學(xué)生在App測(cè)試方面，也用到了實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的方法?？梢?jiàn)，先完成信息實(shí)驗(yàn)再應(yīng)用知識(shí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，學(xué)以致用，對(duì)一些復(fù)雜的信息技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)是很有幫助的。