“物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)創(chuàng)意實驗”課程的 重新設(shè)計

劉正云 謝作如

● 緣起

早在2014年，我們就嘗試設(shè)計了“物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)創(chuàng)意實驗”課程，期望通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以動手完成各種物聯(lián)網(wǎng)實驗，并對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析與有效處理。然而，在課程實施的后期我們遇到了瓶頸，主要體現(xiàn)在兩方面：①找不到能夠支持無線、價格低廉且編程容易的開源硬件;②找不到適用于大班教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

缺少適宜的硬件和平臺支撐，我們設(shè)計的課程注定不具備可復(fù)制性。而隨著課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂，“數(shù)據(jù)與計算”在信息技術(shù)和數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中都不斷被強調(diào)，“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”也多次出現(xiàn)在信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。同時，國產(chǎn)ESP系列物聯(lián)芯片的成熟，使得智能終端設(shè)備成本降至幾百塊，于是，我們結(jié)合虛谷號、掌控板，又重新設(shè)計了“物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)創(chuàng)意實驗”這門課程。

● 設(shè)計

1.課程目標(biāo)

本課程的授課對象是高中學(xué)生，課程以虛谷號為核心器材，掌控板及手機等作為輔助器材，通過搭建各種應(yīng)用實驗，運用Mind+軟件或mPython中圖形化編程與純文本代碼編程二者相混合的方式，實現(xiàn)各種物聯(lián)功能。在這個過程中，要求學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有比較深入的了解，能夠運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集生活中息息相關(guān)的數(shù)據(jù)，再配合Python去讀取與分析數(shù)據(jù)，并選用合適的工具和方法對數(shù)據(jù)進行可視化，在完整的獲取數(shù)據(jù)、分析處理與可視化顯示數(shù)據(jù)的過程中，了解大數(shù)據(jù)處理的基本思想與架構(gòu)，從實際生活中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的價值，認識有效的數(shù)據(jù)處理對提高數(shù)據(jù)價值的重要意義。

2.課程思路

本課程按照信息感知、信息傳輸、智能控制和數(shù)據(jù)分析這四個流程進行，知識領(lǐng)域方面涉及單片機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)等。物聯(lián)網(wǎng)平臺選擇SIoT，虛谷號自帶了SIoT服務(wù)，啟動即可工作，而SIoT和阿里云IoT平臺、10086平臺、EasyIoT平臺一樣都支持MQTT協(xié)議，在SIoT上編寫的所有代碼或者應(yīng)用，都可以無縫遷移到其他物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.教學(xué)內(nèi)容

該課程每個專題安排一至兩個實驗，課程初步設(shè)計課時為18課時，設(shè)計意圖和課時安排如下頁表所示。

4.教學(xué)案例

課例：“植物種植背后的數(shù)據(jù)秘密”（2課時）。

（1）教材分析

本課是本課程的第十五課。它前面有一課的內(nèi)容為《設(shè)計智能種植機》，本節(jié)課以智能種植機收集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)的初步分析處理與可視化表達。教學(xué)重點為數(shù)據(jù)的可視化表達，難點為多途徑分析數(shù)據(jù)。

（2）教學(xué)目標(biāo)

了解大量數(shù)據(jù)的處理思路;掌握Python處理數(shù)據(jù)的一般方法;選擇合適的方式，多途徑多角度進行數(shù)據(jù)可視化。

（3）教學(xué)過程

①引入新課。

教師活動：展示不同地區(qū)、同一時間種植、同一時間拍攝的兩株藍莓的照片。提出問題：這兩株藍莓從外觀上看有什么不一樣？你覺得是什么原因影響了這兩株藍莓的生長？你準(zhǔn)備如何去探究？

學(xué)生活動：四人一組進行討論?？墒褂靡郧爸谱鞯闹悄芊N植機，采集這兩株藍莓的溫濕度和實時照片，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析。

②講解數(shù)據(jù)處理與可視化的基本思想與方法。

教師活動：明確在處理大量數(shù)據(jù)時，一般采用分治思想，即把一個復(fù)雜的問題分成多個相同或相似的子問題，找到求這幾個子問題的解法后，再找出合適的方法把它們組合成求整個問題的解法。（要求學(xué)生了解數(shù)據(jù)可視化的基本方法）提問：對于你要研究的問題，是否可以分成小問題去逐一解決？你準(zhǔn)備用什么手段去處理與顯示？

學(xué)生活動：上網(wǎng)查找大量數(shù)據(jù)處理的相關(guān)內(nèi)容。拓展：根據(jù)教師提供的智能種植機采集的數(shù)據(jù)，四人一組進行頭腦風(fēng)暴，確定組內(nèi)研究主題。在確定主題之后，確定數(shù)據(jù)處理及可視化的方法，如對應(yīng)上述主題，可采用Python編程處理數(shù)據(jù)。

③教師演示。

介紹如何利用SIoT的WebAPI服務(wù)，讀取特定時間的數(shù)據(jù)。

④學(xué)生實驗。

教師講解實驗內(nèi)容和要求，學(xué)生嘗試使用Python編程對數(shù)據(jù)進行分析處理，并調(diào)用matplotlib模塊繪圖;選擇使用excel完成數(shù)據(jù)計算，并以圖表形式顯示出來;比較兩種方式的優(yōu)劣，感受技術(shù)的魅力。

⑤課堂總結(jié)（略）。

5.課程所需器材清單

核心器材：虛谷號（創(chuàng)客版）*1、掌控板（2.0）*1。

擴展器材：Arduino擴展板*1、pisces擴展板*1。

電子模塊：溫度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器、LED模塊*2、數(shù)字大塊頭按鈕、舵機、蜂鳴器模塊、直流電機風(fēng)扇、通用開關(guān)控制模塊、紅外熱釋電模塊。

其他模塊：帶麥克風(fēng)攝像頭、帶聲卡小音箱、Wi-Fi全彩燈泡。

可選模塊：模擬旋鈕傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器模塊、電磁鎖模塊、風(fēng)速傳感器。

● 反思

本課程是一門開源硬件與信息技術(shù)的實驗課程，教學(xué)對象是高一學(xué)生。該年級段的學(xué)生，參與課程的積極性高，但動手完成各種物聯(lián)網(wǎng)實驗，對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行分析處理的能力有待提升。這就要求教師在課程設(shè)計、課堂教學(xué)過程中，對實驗要進行由易到難的層層分解，供學(xué)生不斷完成以提升自我。

本課程在教學(xué)難度上，環(huán)環(huán)相扣，小梯度螺旋式上升。在教學(xué)方式上，以學(xué)生討論為主，以教師講解為輔，鼓勵學(xué)生大膽提出自身觀點并予以實驗驗證。如果有圖形化的Python編程IDE，本課程的擴展性將會進一步加強，在小學(xué)高年級施教也指日可待。