基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧生活的案例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜濤

【摘 要】本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程中，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主，通過(guò)國(guó)產(chǎn)開源硬件掌控板連接數(shù)字世界與物理世界，以實(shí)踐為主線，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)生與社會(huì)實(shí)際的聯(lián)系，在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、計(jì)算思維和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；設(shè)計(jì)思維；計(jì)算思維；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-076-02

義務(wù)教育信息科技課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)教師創(chuàng)新教學(xué)方式，通過(guò)真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和原理運(yùn)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)、提升高階素養(yǎng)。信息科技課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的教學(xué)需要有效利用基本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有簡(jiǎn)單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本案例聚焦物聯(lián)網(wǎng)在生活中的應(yīng)用，借助mPython平臺(tái)的IOT應(yīng)用，以遠(yuǎn)程寵物喂養(yǎng)為實(shí)踐載體，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，基于設(shè)計(jì)思維下的項(xiàng)目學(xué)習(xí)框架（圖1），設(shè)計(jì)掌控板的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決實(shí)際生活問(wèn)題的流程，并在具體實(shí)施過(guò)程中，不斷完善，進(jìn)而形成可供分享或推廣的典型案例或教學(xué)模式。

項(xiàng)目實(shí)施流程與具體過(guò)程

1.項(xiàng)目引入，問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)思維學(xué)習(xí)框架可以幫助我們從用戶的角度出發(fā)，了解問(wèn)題的根源，并引導(dǎo)我們提出創(chuàng)新的解決方案。本項(xiàng)目采用斯坦福設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的EDIPT模型，從設(shè)計(jì)思維的角度貫穿任務(wù)的實(shí)現(xiàn)（圖2），以“如何遠(yuǎn)程照看家里的寵物”為驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行解決。

圖2 ?設(shè)計(jì)思維下的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)路徑

2.任務(wù)分解，知識(shí)建構(gòu)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)容來(lái)自真實(shí)的生活情境，其問(wèn)題是開放的且非良構(gòu)的，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)真實(shí)問(wèn)題的識(shí)別和解決。深入了解用戶的需求和痛點(diǎn)，可以引導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)出更加實(shí)用、更好體驗(yàn)的項(xiàng)目，并通過(guò)同理心—需求—?jiǎng)?chuàng)想—原型—測(cè)試的設(shè)計(jì)思維流程，創(chuàng)作出有價(jià)值的項(xiàng)目成果，從而學(xué)習(xí)知識(shí)、獲得技能、提升素養(yǎng)。

3.技術(shù)引領(lǐng)，過(guò)程實(shí)踐

技術(shù)實(shí)踐是設(shè)計(jì)思維和計(jì)算思維能用于解決實(shí)際生活問(wèn)題的必備條件。本項(xiàng)目技術(shù)實(shí)踐從流程上來(lái)說(shuō)包括原型和測(cè)試兩個(gè)版塊，從操作層面來(lái)說(shuō)包括相互協(xié)作、問(wèn)題解決等，從素養(yǎng)層面來(lái)說(shuō)還涉及編程、外觀設(shè)計(jì)、創(chuàng)新等核心能力。具體實(shí)踐過(guò)程如下。

第一，明確目標(biāo)。設(shè)計(jì)制作一款寵物喂食器，可以采用定時(shí)投食，也可以是寵物靠近，通過(guò)傳感器感知，進(jìn)行定量的投食（圖3）。本項(xiàng)目希望通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)寵物與主人間的異地交互，從而緩解寵物長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)自在家的寂寞，也給主人的生活帶來(lái)樂(lè)趣。

圖3 ?寵物喂食器的整體設(shè)計(jì)框架

第二，確定需求?；谧灾骺煽睾陀布_源，我們選擇掌控板進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。由于不選擇定時(shí)投食，而是要讓主人了解寵物（案例中以小貓為例）的狀態(tài)，乃至于形成主人與寵物的互動(dòng)，項(xiàng)目實(shí)際上升級(jí)成了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例。首先，我們要解決的是對(duì)小貓信息的采集，這里采用AI攝像頭模塊，捕捉小貓的畫面，考慮兩種情況，一是小貓恰好路過(guò)遠(yuǎn)程寵物喂食器（以下簡(jiǎn)稱“設(shè)備”），二是小貓駐足在設(shè)備前一段時(shí)間。我們認(rèn)為第二種情況可能是小貓孤單了或是餓了，這里就需要物聯(lián)網(wǎng)另一端的主人進(jìn)行反饋了。為了能夠采集小貓信息，我們一定要做好識(shí)別和訓(xùn)練，識(shí)別是利用AI攝像頭模塊學(xué)習(xí)小貓圖像，訓(xùn)練是主人在家喂食的時(shí)候，一定要將小貓面向AI攝像頭模塊，然后讓機(jī)器喂食，讓小貓知道餓了就得盯住AI攝像頭模塊。其次，我們要解決的是數(shù)據(jù)的傳遞，這里采用mPython的IOT，進(jìn)入平臺(tái)的項(xiàng)目管理，我們可以新建兩個(gè)項(xiàng)目，分別用來(lái)做物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應(yīng)用層，并為其創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的“主題”和“設(shè)備”，這里的感知層指的是設(shè)備本身，應(yīng)用層則是主人控制的掌控板。最后，我們利用激光切割、3D打印完成設(shè)備結(jié)構(gòu)的制作，這里用360度舵機(jī)控制貓食的投喂。

第三，編寫程序，完善功能。編寫完整程序之前，我們先完成基礎(chǔ)程序的調(diào)試。例如，我們需要測(cè)試360度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多長(zhǎng)時(shí)間，出來(lái)的貓食符合小貓每次的進(jìn)食量。在交互部分，我們的設(shè)想是，喂食的時(shí)候利用語(yǔ)音合成播放“貓咪，該吃飯了”3次，如果主人想寵物，按下自己手上的掌控板發(fā)送消息到設(shè)備，并語(yǔ)音合成“貓咪，在哪里呀”3次。以上功能都可以先做測(cè)試，并做一個(gè)最簡(jiǎn)單的信息雙向交互。

然后，我們依照?qǐng)D4的功能實(shí)現(xiàn)，分別給設(shè)備和主人的掌控板編寫程序。

圖4 ?設(shè)備主要功能及實(shí)現(xiàn)框架

第四，組裝測(cè)試。將程序?qū)耄覀兿冗M(jìn)行近距離測(cè)試，驗(yàn)證掌控板IOT平臺(tái)收發(fā)的信息是否準(zhǔn)確，如果沒(méi)有問(wèn)題，再更改網(wǎng)絡(luò)配置，進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)試。

4.作品展示及評(píng)價(jià)

我們借助PPT對(duì)小組設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行描述和展示，闡述設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)、小組分工及每個(gè)人的貢獻(xiàn)、在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題及小組的問(wèn)題解決方案。整個(gè)展示則側(cè)重于自身作品特征，有針對(duì)性地展示重點(diǎn)。

結(jié) ?語(yǔ)

將設(shè)計(jì)思維融入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)全過(guò)程，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效路徑。當(dāng)學(xué)生面對(duì)各種生活中的真實(shí)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)思維以及開源軟硬件的應(yīng)用來(lái)尋找最佳解決方法，從而培養(yǎng)計(jì)算思維能力。