開源智慧農(nóng)場項目支持下的高中物聯(lián)網(wǎng)課程設計

盧華軍 謝作如

● 課程開設的背景

滬科版（2017）必修2第三單元項目七《探究智能花卉養(yǎng)護系統(tǒng)——了解物聯(lián)網(wǎng)》中對物聯(lián)網(wǎng)做了簡單的介紹，但是對于教學說，并無具體可操作的案例，學生缺少真實的體驗。只有親手搭建一個物聯(lián)網(wǎng)項目，學生才能真正了解傳感器、執(zhí)行器的工作原理，掌握物聯(lián)網(wǎng)的傳感和控制的機制及應用。

與面向園林、農(nóng)田、農(nóng)業(yè)設施等領域的日常灌溉控制和管理系統(tǒng)不同，教材中的智能花卉養(yǎng)護系統(tǒng)主要是從實驗的角度，滿足教學及學生研究的需要，在校園生物園內(nèi)種植本地常見的花卉植物，建立一個便于實踐操作的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。經(jīng)過詳細的調(diào)查和比較，我們選擇了謝作如老師主導設計的開源智慧農(nóng)場（Sfarm）方案。

通過部署好的Sfarm智慧農(nóng)場，完成項目七的教學任務后，我們發(fā)現(xiàn)學生對物聯(lián)網(wǎng)知識很感興趣，意猶未盡，因此有了將部署Sfarm智慧農(nóng)場的過程，結(jié)合選修模塊《開源硬件項目設計》的課程標準，開發(fā)一門名為《設計物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護系統(tǒng)》校本課程的想法。讓學生通過開源硬件項目設計課程，既可以自主編程，學習物聯(lián)網(wǎng)知識，也能深度參與開源項目系統(tǒng)的功能設計，還可以利用各種數(shù)據(jù)進行鄉(xiāng)土地理和生物生態(tài)融合研究，可謂一舉多得。

● 課程的設計

1.課程目標

新課標中的選修模塊6《開源硬件項目設計》體現(xiàn)了信息技術學科發(fā)展的最新進展。在確定課程目標時，以選修模塊6的課程內(nèi)容要求為依據(jù)，將目標定在以下幾點：①針對給定的物聯(lián)網(wǎng)實驗任務進行需求分析，明確需要解決的關鍵問題。②運用基本算法設計解決問題的方案，能使用Python編程語言實現(xiàn)這一方案。③針對不同功能模塊設計合適的算法，利用Python編程語言實現(xiàn)各模塊功能。④完善項目作品的設計方案，進行開源與知識分享的精神理解，保護知識產(chǎn)權(quán)的意義。

相應的學業(yè)要求如下：①知道基于開源硬件進行項目設計的一般流程，能將其應用于智慧農(nóng)場項目中。②能利用開源硬件與軟件實現(xiàn)所設計的智慧農(nóng)場項目方案。③能根據(jù)不同的功能模塊需求，設計合適的算法來實現(xiàn)其功能。④理解自覺進行開源硬件項目設計的理念與知識、分享的精神，理解保護知識產(chǎn)權(quán)的意義。

2.教學環(huán)境的配置

軟件清單：SIoT——MQTT服務器，含自主開發(fā)的“智慧農(nóng)場”插件;Jupyter Netbook——可以在線編寫Python程序的網(wǎng)絡筆記本;Node-RED——可視化的物聯(lián)網(wǎng)工具，能夠以流程圖的方式管理物聯(lián)網(wǎng)項目。

硬件清單：拿鐵熊貓，虛谷號，掌控板，各類傳感器、執(zhí)行器、繼電器、電磁閥等。

3.課程內(nèi)容和教學計劃

根據(jù)開源智慧農(nóng)場及虛谷號的特點，結(jié)合學校實際情況，筆者共設計了12個專題實驗（共18個課時），基本能滿足校本選修課《設計物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護系統(tǒng)》一個學期的課程開設。具體安排如下表所示。

● 教學案例展示

1.專題2：數(shù)據(jù)采集和消息發(fā)送

本專題實驗設計了兩個學習活動（1課時）：

①學習如何使用Python語言編寫自動澆灌程序（如圖1）。本活動的目的是讓學生了解pingpong庫的使用，能夠根據(jù)監(jiān)測的土壤濕度進行自動澆水。這也是學習物聯(lián)網(wǎng)的第一個程序。

②學習通過Sfarm智慧農(nóng)場來進行數(shù)據(jù)的采集與消息的發(fā)送（如圖2）。學生通過此活動了解訂閱（publish）功能，能夠連接并訪問Sfarm智慧農(nóng)場。

2.專題3：消息訂閱和執(zhí)行器控制

本專題實驗設計了三個學習活動（2課時）：

①學習通過Sfarm智慧農(nóng)場來訂閱消息（核心代碼如下頁圖3所示），掌握發(fā)布（subscribe）功能。

②學習通過Sfarm智慧農(nóng)場來控制執(zhí)行器（核心代碼如下頁圖4所示）。發(fā)送澆水指令時控制電磁閥開始澆水。

③硬件安裝與軟件配置。

在學校生物園內(nèi)配置水、電設施及連接電磁閥，測試驗收合格后，盡量讓學生以小組為單位，自己動手安裝虛谷號與各傳感器。具體操作步驟如下。

第一步：安裝虛谷號及控制套件。在防水盒內(nèi)適當位置固定主控板，安裝擴展板、繼電器模塊，連接各種傳感器和電磁閥套件。

第二步：調(diào)試系統(tǒng)。各傳感器安裝好后進行小組交叉檢查，正確無誤后上電，啟動虛谷號，逐一測試。若正常再接入電磁閥電源，打開三角閥，進行澆灌測試。

● 課程特色

校本課程《設計物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護系統(tǒng)》的最大特色在于其擁有一個正在真實運行的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，課程的各個專題實驗和Sfram無縫結(jié)合。課程帶領學生逐步剖析、分解這個應用系統(tǒng)的奧秘，并逐步完善、豐富其功能。

1.與2017版課標選擇性必修課程無縫銜接

本課程充分結(jié)合高中信息技術選修模塊6的內(nèi)容要求，讓學生進行開源硬件項目的設計，體驗作品的創(chuàng)意、設計、制作、測試和運行的完整過程。通過此課程，學生能熟悉開源硬件的基本使用方法，了解基于開源硬件的信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。同時，以實例為依托，鼓勵學生交流與合作，踐行開源與知識分享的精神。

2.結(jié)合校情開發(fā)有關物聯(lián)網(wǎng)的校本課程

在學校生物園內(nèi)建設好智慧農(nóng)場的項目之后，可結(jié)合學校實際情況進行完善，開發(fā)有一定特色的課程。在完善環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，可設計較為開放的任務，給學生充分的想象與創(chuàng)新空間。例如，使用WebAPI開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)終端插件（siot插件），可直接在網(wǎng)頁上使用按鈕進行灌溉操作，也可通過Rime庫的開發(fā)使用，使用手機直接訪問此系統(tǒng)。手機通過掃描二維碼方式在校內(nèi)訪問或通過動態(tài)域名在互聯(lián)網(wǎng)上訪問，能夠?qū)崟r監(jiān)控環(huán)境。在增加攝像功能后，還能夠通過ffmpeg庫進行視頻推流，完成視頻監(jiān)控的功能。

3.結(jié)合生物生態(tài)和鄉(xiāng)土地理進行勞動實踐與研究性學習

在校園智慧農(nóng)場的應用與開發(fā)過程中，突出學生學習的過程性、體驗性、探究性和創(chuàng)造性。整個智慧農(nóng)場項目的開發(fā)涵蓋了生物、地理、信息技術和勞動實踐四個學科。將鄉(xiāng)土地理環(huán)境、植物生長特性、種植實踐活動和硬件系統(tǒng)搭建，軟件功能調(diào)試，創(chuàng)意程序開發(fā)進行有機結(jié)合，以項目為載體，以實踐過程為主線，為學生的拓展性學習、研究性學習打好基礎。其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、分析，可以為生物和地理學科的研究性學習提供支持。

“萬物互聯(lián)”的時代正漸行漸近，作為一個開源硬件項目系統(tǒng)，校園智慧農(nóng)場Sfarm的出現(xiàn)，不僅讓物聯(lián)網(wǎng)技術進入了校本課程，還提供了一種數(shù)據(jù)采集方式，學生可以使用“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學問題，從而極大地滿足學校信息技術教學和學生研究性學習的需要。

后記：最近的人工智能技術的發(fā)展仰賴于移動互聯(lián)網(wǎng)技術普及之后人們大量貢獻的數(shù)據(jù)，通過深度學習算法，使得機器可以更好地學習和理解人的各種物理特征，如我們的形象對應著人臉識別技術、我們的聲音對應著語音識別技術、我們發(fā)表的文字配合的表情包對應著自然語言理解技術。但是機器目前理解的還只是人，對人和人之間的相互作用構(gòu)成的人類社會還不夠了解。因此，我們要獲得更有用的人工智能訓練成果，需要提供更復雜的人類社會的數(shù)據(jù)，這需要有更多的自動設備的參與，這些設備很多是物聯(lián)網(wǎng)設備。相信物聯(lián)網(wǎng)設備的普及應用，能夠更好地讓人類社會的行為“數(shù)字化”，創(chuàng)造出更加高效和智慧的社會治理形式。在這個過程中，反壟斷、網(wǎng)絡安全和國家安全的各種擔憂始終是這一領域頂頭上的“一朵烏云”，而國產(chǎn)芯片和自研物聯(lián)網(wǎng)平臺的“自主可控”、開源文化和社區(qū)的“創(chuàng)意分享”以及國家教材結(jié)合地方教材的“技術民主化”，是其中的重要基石。