“物聯網與大數據創意實驗”課程的設計和實施

謝作如++劉正云

編者按：課程的開發非一日之功，需要日積月累的摸索。如何在已有課程基礎上，生發新的創造力，使教學更上一層樓，使學習更有成效，值得每一位教育者深思。

● 緣起

通俗地講，物聯網就是“物物相連的因特網”，其目標是讓萬物溝通對話。在眾多媒體的宣傳下，物聯網成為當前最熱門的信息技術發展趨勢之一。2012年，我無意中聽說無錫已經有老師開發了物聯網技術方面的課程，深入了解后才知道，江蘇省已經在義務教育信息技術課程指導綱要中，把“物聯網技術”作為拓展模塊在全省推行。

在驚訝之余，我通過江蘇的老師找到了小學和初中的《物聯網技術》教材。細讀了教材后，難免有些失望。比如，教材采用掃盲的形式，向學生介紹物聯網的神奇應用，然后逐一介紹各種傳感器、RFID設備等，學生卻沒有機會真正使用這些設備，哪怕學習了整個課程，學生也只能了解物聯網技術的皮毛，更不用說自己動手去設計或者搭建一個簡單的物聯網應用了。

那么，能不能設計一門和物聯網技術相關，并著眼于學生的實踐能力，讓學生能真正動手完成各種實驗的物聯網課程？同樣，物聯網產生大數據，要研究物聯網技術，就要對數據處理方面有一定的了解。于是，就有了這一門課程——物聯網與大數據創意實驗。

● 設計

1.課程目標

本課程以動手完成實驗為主，通過搭建各種應用實驗，簡單修改代碼，實現各種物聯網功能。學生不僅對物聯網的應用有比較深入的體驗，還能將各種傳感器的數據采集到電腦中進行分析，能初步認識感知系統和傳輸系統等物聯網核心技術。

2.課程思路

支撐物聯網發展的三大關鍵技術分別為：感知、傳輸、計算，其應用流程如下圖所示。傳感器感知外界信息，這些信息經過自身的智能篩選以后，通過網絡介質傳輸到服務器，服務器以實現預設的規則處理并分析信息，命令執行器執行相關動作，實現如智能家居之類的功能。而傳感器和執行器都是控制器（單片機）來管理的。

所以，我們將本課程的教學內容分為信息感知、信息傳輸、信息分析、智能應用等四個方面。

3.教學內容

因為授課對象是高中學生，相對而言，我們設計的內容比江蘇的物聯網技術模塊要難一些。例如，在“信息感知”環節中，加入了“智能感知”概念，在數據傳輸到服務器之前，我們希望控制器本身可以對信息作部分篩選，智能判斷相關信息是否有效，然后決定是否上傳。又如，在“信息分析”環節，我們加入了數據庫管理和分析方面的一些知識，讓學生真正體驗到真實的“大數據”。而整個課程的教學則圍繞著讓學生設計一個物聯網應用的大任務展開。

我們給這一課程設計了18課時，其實從其涵蓋內容的復雜度來看，即使安排36課時，甚至72課時都是可以的。因為僅設計了18課時，基本上避開了復雜的Arduino代碼，以體驗為主。

● 實施

目前，“物聯網與大數據創意實驗”課程已經實施了一輪，在教學過程中我們不斷修改教學器材和教學綱要，最終目標是希望在學生能夠接受的前提下，盡可能貼近生活，讓學生應用物聯網技術做出有創意的應用來。

1.教學（實驗）器材配置

“物聯網與大數據創意實驗”課程涉及很多方面的技術，其中實驗器材的選擇非常關鍵。用廠家成型的物聯網體驗產品，還是用開源的Arduino系列模塊一度成為困擾我們的難題。經過多次比較，我們最終選擇了Arduino。教學器材包括Arduino UNO，V7擴展板，Bluno擴展板，光線、聲音、灰塵、加速度等傳感器，舵機（帶云臺），移動電源等。演示器材包括Yeelight系列產品、Broadlink系列產品、Arduino Bluno、網絡擴展板、Arduino yun＼PCduino等。這些器材都能通過淘寶網購買。

2.物聯網應用平臺選擇

為方便物聯網愛好者和行業用戶開發基于物聯網的應用，國內有多家公司提供了物聯網應用平臺，如Yeelink和樂聯網。經過比較，發現這兩個平臺還存在某些問題，如它們都不支持局域網版本，基于公網的數據服務，將導致課堂教學存在很多不確定因素。而且，平臺的部分操作過于麻煩，而這一課程的學習還是以簡單的體驗為主。

為此，我們在北京師范大學教育技術學院傅騫老師的支持下，設計了能支持局域網的物聯網應用平臺。該平臺的基本功能和Yeelink、樂聯網類似，可以把某個、某組的傳感器上傳匯總到網絡數據庫，再根據需求顯示圖表，或者根據某一規則，執行某一預設的動作。

3.教學案例：智能手環

（1）教材分析

《智能手環：加速度傳感器》是《物聯網與大數據》的第四課。通過前面一課的學習，學生已經初步認識了各種傳感器，模擬輸入以及數字輸入，學會了多傳感器輸入。本節課將了解加速度傳感器的原理及應用，根據數值判斷當前運動狀態，分析傳感器數值。

（2）教學目標

①初步認識智能手環。②了解加速度傳感器原理。③分析加速度傳感器數值，判斷運動狀態。④認識分支語句。

（3）教學重點

了解加速度傳感器原理以及智能手環。

（4）教學難點

分析傳感器數值，判斷相應狀態。

（5）教學過程

◇引入新課。

教師播放智能手環宣傳片（索尼SmartBand智能手環宣傳片）。

◇講解智能手環相關知識。

教師向學生解釋智能手環是一款穿戴式智能設備。用戶通過其可以記錄日常生活中鍛煉、睡眠和飲食等的實時數據，并將這些數據與iPhone、iPad和iPod touch同步，起到通過數據指導健康生活的作用。并以提問的形式引導學生思考智能手環是通過什么來感知運動狀態的。

學生上網搜索智能手環，了解其功能、原理等。

◇講解加速度傳感器工作原理。

加速度傳感器是一種能夠測量物體在加速過程中作用在物體上的力的電子設備，主要用于了解物體在運動過程中的運動狀態。其工作原理是：傳感器里的敏感元件因為受到外力的作用導致發生形變，可以利用儀器測量它的變形量，接著利用相關的電路把變形量轉換成電壓輸出，這樣就可以得到對應的加速度的信號，可以據此測量加速度。

教師提問：加速度傳感器還可以有哪些應用？

學生回憶手機里的加速度傳感器，上網查找本次實驗用到的三軸加速度傳感器，了解其芯片。還可以做進一步的拓展，簡單羅列常見的加速度芯片，進行比較。

◇教師演示加速度傳感器實驗。

教師通過視頻演示（Arduino LED點陣、加速度傳感器），讓學生觀察加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

學生觀察加速度傳感器變化方向對應的LED亮滅，推測加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

◇學生實驗：加速度傳感器。

教師講解實驗內容、器材和要求。實驗內容是：加速度傳感器與Arduino板子的數字針腳相連，在串口監視器中顯示傳感器的值。實驗器材包括：主板Arduino Uno x1、Arduino擴展板x1、連接線USB數據線x1及傳感器加速度傳感器x1。特別需要注意的是實驗中應主要引導學生通過改變加速度傳感器狀態，讀取X、Y、Z的變化。

學生從實驗器材盒子找出加速度傳感器。并且按照PPT提示的接線接法，將加速度傳感器接到相應的數字口（X→A0、Y→A1、Z→A2）， 學生自己通過串口輸出相應的值，分析數值判斷加速度傳感器對應狀態。

◇課堂總結。

學生初步認識了智能手環；了解了加速度傳感器原理；學會了分析加速度傳感器的數值，能夠判斷運動狀態；能理解分支語句的運用。

◇布置作業。

利用網絡查找更多加速度傳感器應用的例子，作進一步了解。endprint

編者按：課程的開發非一日之功，需要日積月累的摸索。如何在已有課程基礎上，生發新的創造力，使教學更上一層樓，使學習更有成效，值得每一位教育者深思。

● 緣起

通俗地講，物聯網就是“物物相連的因特網”，其目標是讓萬物溝通對話。在眾多媒體的宣傳下，物聯網成為當前最熱門的信息技術發展趨勢之一。2012年，我無意中聽說無錫已經有老師開發了物聯網技術方面的課程，深入了解后才知道，江蘇省已經在義務教育信息技術課程指導綱要中，把“物聯網技術”作為拓展模塊在全省推行。

在驚訝之余，我通過江蘇的老師找到了小學和初中的《物聯網技術》教材。細讀了教材后，難免有些失望。比如，教材采用掃盲的形式，向學生介紹物聯網的神奇應用，然后逐一介紹各種傳感器、RFID設備等，學生卻沒有機會真正使用這些設備，哪怕學習了整個課程，學生也只能了解物聯網技術的皮毛，更不用說自己動手去設計或者搭建一個簡單的物聯網應用了。

那么，能不能設計一門和物聯網技術相關，并著眼于學生的實踐能力，讓學生能真正動手完成各種實驗的物聯網課程？同樣，物聯網產生大數據，要研究物聯網技術，就要對數據處理方面有一定的了解。于是，就有了這一門課程——物聯網與大數據創意實驗。

● 設計

1.課程目標

本課程以動手完成實驗為主，通過搭建各種應用實驗，簡單修改代碼，實現各種物聯網功能。學生不僅對物聯網的應用有比較深入的體驗，還能將各種傳感器的數據采集到電腦中進行分析，能初步認識感知系統和傳輸系統等物聯網核心技術。

2.課程思路

支撐物聯網發展的三大關鍵技術分別為：感知、傳輸、計算，其應用流程如下圖所示。傳感器感知外界信息，這些信息經過自身的智能篩選以后，通過網絡介質傳輸到服務器，服務器以實現預設的規則處理并分析信息，命令執行器執行相關動作，實現如智能家居之類的功能。而傳感器和執行器都是控制器（單片機）來管理的。

所以，我們將本課程的教學內容分為信息感知、信息傳輸、信息分析、智能應用等四個方面。

3.教學內容

因為授課對象是高中學生，相對而言，我們設計的內容比江蘇的物聯網技術模塊要難一些。例如，在“信息感知”環節中，加入了“智能感知”概念，在數據傳輸到服務器之前，我們希望控制器本身可以對信息作部分篩選，智能判斷相關信息是否有效，然后決定是否上傳。又如，在“信息分析”環節，我們加入了數據庫管理和分析方面的一些知識，讓學生真正體驗到真實的“大數據”。而整個課程的教學則圍繞著讓學生設計一個物聯網應用的大任務展開。

我們給這一課程設計了18課時，其實從其涵蓋內容的復雜度來看，即使安排36課時，甚至72課時都是可以的。因為僅設計了18課時，基本上避開了復雜的Arduino代碼，以體驗為主。

● 實施

目前，“物聯網與大數據創意實驗”課程已經實施了一輪，在教學過程中我們不斷修改教學器材和教學綱要，最終目標是希望在學生能夠接受的前提下，盡可能貼近生活，讓學生應用物聯網技術做出有創意的應用來。

1.教學（實驗）器材配置

“物聯網與大數據創意實驗”課程涉及很多方面的技術，其中實驗器材的選擇非常關鍵。用廠家成型的物聯網體驗產品，還是用開源的Arduino系列模塊一度成為困擾我們的難題。經過多次比較，我們最終選擇了Arduino。教學器材包括Arduino UNO，V7擴展板，Bluno擴展板，光線、聲音、灰塵、加速度等傳感器，舵機（帶云臺），移動電源等。演示器材包括Yeelight系列產品、Broadlink系列產品、Arduino Bluno、網絡擴展板、Arduino yun＼PCduino等。這些器材都能通過淘寶網購買。

2.物聯網應用平臺選擇

為方便物聯網愛好者和行業用戶開發基于物聯網的應用，國內有多家公司提供了物聯網應用平臺，如Yeelink和樂聯網。經過比較，發現這兩個平臺還存在某些問題，如它們都不支持局域網版本，基于公網的數據服務，將導致課堂教學存在很多不確定因素。而且，平臺的部分操作過于麻煩，而這一課程的學習還是以簡單的體驗為主。

為此，我們在北京師范大學教育技術學院傅騫老師的支持下，設計了能支持局域網的物聯網應用平臺。該平臺的基本功能和Yeelink、樂聯網類似，可以把某個、某組的傳感器上傳匯總到網絡數據庫，再根據需求顯示圖表，或者根據某一規則，執行某一預設的動作。

3.教學案例：智能手環

（1）教材分析

《智能手環：加速度傳感器》是《物聯網與大數據》的第四課。通過前面一課的學習，學生已經初步認識了各種傳感器，模擬輸入以及數字輸入，學會了多傳感器輸入。本節課將了解加速度傳感器的原理及應用，根據數值判斷當前運動狀態，分析傳感器數值。

（2）教學目標

①初步認識智能手環。②了解加速度傳感器原理。③分析加速度傳感器數值，判斷運動狀態。④認識分支語句。

（3）教學重點

了解加速度傳感器原理以及智能手環。

（4）教學難點

分析傳感器數值，判斷相應狀態。

（5）教學過程

◇引入新課。

教師播放智能手環宣傳片（索尼SmartBand智能手環宣傳片）。

◇講解智能手環相關知識。

教師向學生解釋智能手環是一款穿戴式智能設備。用戶通過其可以記錄日常生活中鍛煉、睡眠和飲食等的實時數據，并將這些數據與iPhone、iPad和iPod touch同步，起到通過數據指導健康生活的作用。并以提問的形式引導學生思考智能手環是通過什么來感知運動狀態的。

學生上網搜索智能手環，了解其功能、原理等。

◇講解加速度傳感器工作原理。

加速度傳感器是一種能夠測量物體在加速過程中作用在物體上的力的電子設備，主要用于了解物體在運動過程中的運動狀態。其工作原理是：傳感器里的敏感元件因為受到外力的作用導致發生形變，可以利用儀器測量它的變形量，接著利用相關的電路把變形量轉換成電壓輸出，這樣就可以得到對應的加速度的信號，可以據此測量加速度。

教師提問：加速度傳感器還可以有哪些應用？

學生回憶手機里的加速度傳感器，上網查找本次實驗用到的三軸加速度傳感器，了解其芯片。還可以做進一步的拓展，簡單羅列常見的加速度芯片，進行比較。

◇教師演示加速度傳感器實驗。

教師通過視頻演示（Arduino LED點陣、加速度傳感器），讓學生觀察加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

學生觀察加速度傳感器變化方向對應的LED亮滅，推測加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

◇學生實驗：加速度傳感器。

教師講解實驗內容、器材和要求。實驗內容是：加速度傳感器與Arduino板子的數字針腳相連，在串口監視器中顯示傳感器的值。實驗器材包括：主板Arduino Uno x1、Arduino擴展板x1、連接線USB數據線x1及傳感器加速度傳感器x1。特別需要注意的是實驗中應主要引導學生通過改變加速度傳感器狀態，讀取X、Y、Z的變化。

學生從實驗器材盒子找出加速度傳感器。并且按照PPT提示的接線接法，將加速度傳感器接到相應的數字口（X→A0、Y→A1、Z→A2）， 學生自己通過串口輸出相應的值，分析數值判斷加速度傳感器對應狀態。

◇課堂總結。

學生初步認識了智能手環；了解了加速度傳感器原理；學會了分析加速度傳感器的數值，能夠判斷運動狀態；能理解分支語句的運用。

◇布置作業。

利用網絡查找更多加速度傳感器應用的例子，作進一步了解。endprint

編者按：課程的開發非一日之功，需要日積月累的摸索。如何在已有課程基礎上，生發新的創造力，使教學更上一層樓，使學習更有成效，值得每一位教育者深思。

● 緣起

通俗地講，物聯網就是“物物相連的因特網”，其目標是讓萬物溝通對話。在眾多媒體的宣傳下，物聯網成為當前最熱門的信息技術發展趨勢之一。2012年，我無意中聽說無錫已經有老師開發了物聯網技術方面的課程，深入了解后才知道，江蘇省已經在義務教育信息技術課程指導綱要中，把“物聯網技術”作為拓展模塊在全省推行。

在驚訝之余，我通過江蘇的老師找到了小學和初中的《物聯網技術》教材。細讀了教材后，難免有些失望。比如，教材采用掃盲的形式，向學生介紹物聯網的神奇應用，然后逐一介紹各種傳感器、RFID設備等，學生卻沒有機會真正使用這些設備，哪怕學習了整個課程，學生也只能了解物聯網技術的皮毛，更不用說自己動手去設計或者搭建一個簡單的物聯網應用了。

那么，能不能設計一門和物聯網技術相關，并著眼于學生的實踐能力，讓學生能真正動手完成各種實驗的物聯網課程？同樣，物聯網產生大數據，要研究物聯網技術，就要對數據處理方面有一定的了解。于是，就有了這一門課程——物聯網與大數據創意實驗。

● 設計

1.課程目標

本課程以動手完成實驗為主，通過搭建各種應用實驗，簡單修改代碼，實現各種物聯網功能。學生不僅對物聯網的應用有比較深入的體驗，還能將各種傳感器的數據采集到電腦中進行分析，能初步認識感知系統和傳輸系統等物聯網核心技術。

2.課程思路

支撐物聯網發展的三大關鍵技術分別為：感知、傳輸、計算，其應用流程如下圖所示。傳感器感知外界信息，這些信息經過自身的智能篩選以后，通過網絡介質傳輸到服務器，服務器以實現預設的規則處理并分析信息，命令執行器執行相關動作，實現如智能家居之類的功能。而傳感器和執行器都是控制器（單片機）來管理的。

所以，我們將本課程的教學內容分為信息感知、信息傳輸、信息分析、智能應用等四個方面。

3.教學內容

因為授課對象是高中學生，相對而言，我們設計的內容比江蘇的物聯網技術模塊要難一些。例如，在“信息感知”環節中，加入了“智能感知”概念，在數據傳輸到服務器之前，我們希望控制器本身可以對信息作部分篩選，智能判斷相關信息是否有效，然后決定是否上傳。又如，在“信息分析”環節，我們加入了數據庫管理和分析方面的一些知識，讓學生真正體驗到真實的“大數據”。而整個課程的教學則圍繞著讓學生設計一個物聯網應用的大任務展開。

我們給這一課程設計了18課時，其實從其涵蓋內容的復雜度來看，即使安排36課時，甚至72課時都是可以的。因為僅設計了18課時，基本上避開了復雜的Arduino代碼，以體驗為主。

● 實施

目前，“物聯網與大數據創意實驗”課程已經實施了一輪，在教學過程中我們不斷修改教學器材和教學綱要，最終目標是希望在學生能夠接受的前提下，盡可能貼近生活，讓學生應用物聯網技術做出有創意的應用來。

1.教學（實驗）器材配置

“物聯網與大數據創意實驗”課程涉及很多方面的技術，其中實驗器材的選擇非常關鍵。用廠家成型的物聯網體驗產品，還是用開源的Arduino系列模塊一度成為困擾我們的難題。經過多次比較，我們最終選擇了Arduino。教學器材包括Arduino UNO，V7擴展板，Bluno擴展板，光線、聲音、灰塵、加速度等傳感器，舵機（帶云臺），移動電源等。演示器材包括Yeelight系列產品、Broadlink系列產品、Arduino Bluno、網絡擴展板、Arduino yun＼PCduino等。這些器材都能通過淘寶網購買。

2.物聯網應用平臺選擇

為方便物聯網愛好者和行業用戶開發基于物聯網的應用，國內有多家公司提供了物聯網應用平臺，如Yeelink和樂聯網。經過比較，發現這兩個平臺還存在某些問題，如它們都不支持局域網版本，基于公網的數據服務，將導致課堂教學存在很多不確定因素。而且，平臺的部分操作過于麻煩，而這一課程的學習還是以簡單的體驗為主。

為此，我們在北京師范大學教育技術學院傅騫老師的支持下，設計了能支持局域網的物聯網應用平臺。該平臺的基本功能和Yeelink、樂聯網類似，可以把某個、某組的傳感器上傳匯總到網絡數據庫，再根據需求顯示圖表，或者根據某一規則，執行某一預設的動作。

3.教學案例：智能手環

（1）教材分析

《智能手環：加速度傳感器》是《物聯網與大數據》的第四課。通過前面一課的學習，學生已經初步認識了各種傳感器，模擬輸入以及數字輸入，學會了多傳感器輸入。本節課將了解加速度傳感器的原理及應用，根據數值判斷當前運動狀態，分析傳感器數值。

（2）教學目標

①初步認識智能手環。②了解加速度傳感器原理。③分析加速度傳感器數值，判斷運動狀態。④認識分支語句。

（3）教學重點

了解加速度傳感器原理以及智能手環。

（4）教學難點

分析傳感器數值，判斷相應狀態。

（5）教學過程

◇引入新課。

教師播放智能手環宣傳片（索尼SmartBand智能手環宣傳片）。

◇講解智能手環相關知識。

教師向學生解釋智能手環是一款穿戴式智能設備。用戶通過其可以記錄日常生活中鍛煉、睡眠和飲食等的實時數據，并將這些數據與iPhone、iPad和iPod touch同步，起到通過數據指導健康生活的作用。并以提問的形式引導學生思考智能手環是通過什么來感知運動狀態的。

學生上網搜索智能手環，了解其功能、原理等。

◇講解加速度傳感器工作原理。

加速度傳感器是一種能夠測量物體在加速過程中作用在物體上的力的電子設備，主要用于了解物體在運動過程中的運動狀態。其工作原理是：傳感器里的敏感元件因為受到外力的作用導致發生形變，可以利用儀器測量它的變形量，接著利用相關的電路把變形量轉換成電壓輸出，這樣就可以得到對應的加速度的信號，可以據此測量加速度。

教師提問：加速度傳感器還可以有哪些應用？

學生回憶手機里的加速度傳感器，上網查找本次實驗用到的三軸加速度傳感器，了解其芯片。還可以做進一步的拓展，簡單羅列常見的加速度芯片，進行比較。

◇教師演示加速度傳感器實驗。

教師通過視頻演示（Arduino LED點陣、加速度傳感器），讓學生觀察加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

學生觀察加速度傳感器變化方向對應的LED亮滅，推測加速度傳感器的方向與X、Y、Z的對應關系。

◇學生實驗：加速度傳感器。

教師講解實驗內容、器材和要求。實驗內容是：加速度傳感器與Arduino板子的數字針腳相連，在串口監視器中顯示傳感器的值。實驗器材包括：主板Arduino Uno x1、Arduino擴展板x1、連接線USB數據線x1及傳感器加速度傳感器x1。特別需要注意的是實驗中應主要引導學生通過改變加速度傳感器狀態，讀取X、Y、Z的變化。

學生從實驗器材盒子找出加速度傳感器。并且按照PPT提示的接線接法，將加速度傳感器接到相應的數字口（X→A0、Y→A1、Z→A2）， 學生自己通過串口輸出相應的值，分析數值判斷加速度傳感器對應狀態。

◇課堂總結。

學生初步認識了智能手環；了解了加速度傳感器原理；學會了分析加速度傳感器的數值，能夠判斷運動狀態；能理解分支語句的運用。

◇布置作業。

利用網絡查找更多加速度傳感器應用的例子，作進一步了解。endprint