對(duì)中學(xué)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目的探究與實(shí)踐

【摘要】為更好地完成中學(xué)信息技術(shù)課程中物聯(lián)網(wǎng)部分的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)了解常見(jiàn)的傳感器及其工作原理、控制機(jī)制以及物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)等知識(shí)，從而進(jìn)一步理解信息系統(tǒng)與外部現(xiàn)實(shí)世界的連接方式，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)和計(jì)算思維。本文提出了在校園內(nèi)組建物聯(lián)網(wǎng)，教師通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與教學(xué)探索，利用傳感器智能測(cè)試溫度、濕度與光照，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌。實(shí)踐探索的結(jié)果表明，教師在校園內(nèi)引領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手操作進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)及程序編寫(xiě)調(diào)試，有利于信息技術(shù)教師的專業(yè)成長(zhǎng)和提高物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)與技能的教學(xué)實(shí)效，能有效完成物聯(lián)網(wǎng)部分的教學(xué)任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)? 信息技術(shù)? 傳感器? 計(jì)算思維? 教學(xué)實(shí)效

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.67 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）34-0067-02

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組織部分，其相關(guān)知識(shí)與內(nèi)容已悄然出現(xiàn)在了中學(xué)信息技術(shù)教科書(shū)中。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)與技能進(jìn)行有效教學(xué)，很有現(xiàn)實(shí)意義，也值得每一位中學(xué)信息技術(shù)教師深入思考與探索。

本文通過(guò)探究“校園智能澆灌”物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[1]，目的是起到一個(gè)拋磚引玉的作用，與中學(xué)信息技術(shù)教師共同探索物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)與技能的有效教學(xué)。

2.物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)“校園智能澆灌”為例，為有效實(shí)施本物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)兼顧教學(xué)成本，項(xiàng)目選用開(kāi)源的硬件“虛谷號(hào)”[2]。

2.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

（1）本項(xiàng)目有別于面向農(nóng)田、園林、設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的日常灌溉控制和管理系統(tǒng)，主要是從實(shí)驗(yàn)的角度，滿足教學(xué)及學(xué)生探究的需要，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，通過(guò)教師的引導(dǎo)讓學(xué)生能動(dòng)手體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟硬件的聯(lián)接，從而理解物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念與工作原理。

（2）以十組植物花卉為例，既要有種植空間，又要有供十組學(xué)生進(jìn)行操作的空間?？稍谛@內(nèi)選擇一戶外大約100平方米的植物園或是空地，能容納50個(gè)學(xué)生分10個(gè)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

（3）采用大盆景花卉種植，每一盆景作為一個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，也是該“校園智能澆灌”物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目的一個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]到花盆需要防水、防腐、耐用，還要美觀，可采用鋁合金花盆，大小為800×400×600（單位：毫米）。

2.2軟硬件環(huán)境

（1）校園內(nèi)約100平米的植物園或空地上種植本地常見(jiàn)的花卉植物10盆，并且要通電通水。

（2）光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度傳感器各10個(gè)，分別用于測(cè)試日照光線強(qiáng)度、空氣的溫度與濕度以及土壤的溫濕度。

（3）開(kāi)源的硬件“虛谷號(hào)”10塊，其相當(dāng)于一個(gè)無(wú)顯示器的迷你電腦主機(jī)，用于通過(guò)程序控制傳感器工作和收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（wifi）及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于構(gòu)建物理聯(lián)接。

（5）電腦一臺(tái)，用于操作相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接與配置、采集與查看相應(yīng)的設(shè)置與數(shù)據(jù)。

（6）Windows系統(tǒng)加Python3.8集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

相應(yīng)的硬件如圖1所示：

3.物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)探究與實(shí)踐

本項(xiàng)目是物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的一個(gè)實(shí)踐活動(dòng)，可與勞動(dòng)實(shí)踐教育活動(dòng)相結(jié)合[3]。通過(guò)開(kāi)源硬件卡片計(jì)算機(jī)（“虛谷號(hào)”）、傳感器搭建智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集空氣溫濕度，土壤溫度，光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，從而實(shí)施自動(dòng)澆灌。采用Python語(yǔ)言設(shè)計(jì)，完成各環(huán)節(jié)的控制。

3.1系統(tǒng)環(huán)境搭建（2課時(shí)）

（1）花卉種植：從實(shí)驗(yàn)成本的角度考慮，通常選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)且易于種植的花卉品種，如杜鵑、朱槿、一串紅、梔子花等，各選兩到三組方便對(duì)照。也要因地制宜，根據(jù)花盆所在位置光照不同選擇花卉。

（2）布置水電：電管采用DN15的PVC管，總電源通過(guò)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集中心防水盒，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)連接至各花盆端口處。電線采用戶外防水安防電線，總線單線面積2.5平方毫米，支線單線面積1.5平方毫米。水管采用DN15的 UPVC給水管，進(jìn)水處安裝總閘，每出口處加裝三角閥。水、電管埋于地下10厘米深處，保持一定距離并行至花盆處，出口高出地面30厘米。

（3）建立數(shù)據(jù)采集中心：由于本系統(tǒng)采用無(wú)線模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以各花盆與采集中心相對(duì)位置要合適，如果采集中心在室外還要考慮防水、防高溫及無(wú)線信號(hào)傳遞問(wèn)題。

3.2虛谷號(hào)開(kāi)源硬件的安裝與調(diào)試（2課時(shí)）

（1）安裝設(shè)備防水盒。在花盆旁的水電管出口處安裝固定170×220×110（單位：毫米）的帶透明蓋防水盒，用來(lái)放置虛谷號(hào)主控板及對(duì)應(yīng)的掌控板。并事先根據(jù)傳感器的線路打好對(duì)應(yīng)的進(jìn)出孔。

（2）安裝澆灌套件。打開(kāi)進(jìn)水總閘，連接電磁閥套件并安裝好霧化滴噴套件，打開(kāi)三角閥，測(cè)試連接處是否有漏水現(xiàn)象。若無(wú)漏水方可安裝下一個(gè)端口，十組全部完成后關(guān)閉進(jìn)水總閘，進(jìn)入下一步。

（3）安裝控制套件。在防水盒內(nèi)適當(dāng)位置固定主控板，安裝掌控板，繼電器模塊，連接各種傳感器和電磁閥套件。

（4）調(diào)試設(shè)備。十組設(shè)備均安裝完成后，上電調(diào)試主控板。啟動(dòng)虛谷號(hào)，導(dǎo)入系統(tǒng)，再導(dǎo)入相應(yīng)的傳感器調(diào)試代碼，逐一測(cè)試。若正常再接入電磁閥電源，打開(kāi)三角閥，進(jìn)行澆灌測(cè)試。

（5）準(zhǔn)備連接服務(wù)器。設(shè)置好本機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置，準(zhǔn)備連入服務(wù)器。

安裝好的硬件如圖2所示：

3.3 Python語(yǔ)言編程與調(diào)試（1課時(shí)）

（1）學(xué)習(xí)如何使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)自動(dòng)澆灌程序。讓學(xué)生了解pingpong庫(kù)的使用，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤濕度進(jìn)行自動(dòng)澆水，這也是學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的第一個(gè)程序（附python源代碼如圖3所示）[4]。

（2）學(xué)習(xí)通過(guò)sfarm來(lái)進(jìn)行消息的訂閱，掌握sub?scribe功能（附部分Python源代碼如圖4所示）。

3.4環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行（2課時(shí)）

（1）架設(shè)服務(wù)器。連接好顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)，安裝好系統(tǒng)，配置好網(wǎng)絡(luò)，連接路由器。安裝好數(shù)據(jù)采集分析軟件。

（2）接入所有終端，采集數(shù)據(jù)。將可正常運(yùn)行的終端系統(tǒng)復(fù)制到其他終端，分別進(jìn)行測(cè)試，若正常就接入服務(wù)器，待全部終端接入服務(wù)器后檢查數(shù)據(jù)的采集是否正常，與安裝調(diào)試好的終端進(jìn)行通信測(cè)試，上傳采集數(shù)據(jù)。

（3）導(dǎo)出數(shù)據(jù)。一段時(shí)間后，測(cè)試導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）運(yùn)行維護(hù)。

4.結(jié)束語(yǔ)

以項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施理念對(duì)中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容中的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)探索[5]，將勞動(dòng)實(shí)踐與信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)相結(jié)合，對(duì)充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生通過(guò)真實(shí)情境的體驗(yàn)，從而達(dá)到對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟硬件的工作原理的理解具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝智庭，樊磊. 高中信息技術(shù)（必修1：數(shù)據(jù)與計(jì)算）.北京： 人民教育出版，2019

[2]盧華軍，謝作如.開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目支持下的高中物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計(jì)[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2021（15）：18-20.

[3]黃春云.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的信息技術(shù)課程教學(xué)改革[J].福建電腦，2020（12）：219-220

[4]謝作如.用Python寫(xiě)一個(gè)基于Web的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2021（9）：78-80.

[5]PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是什么.https：//www.zhihu.com/question/21033333