基于農村小學的物聯網教學研究

秦許峰 孫偉

● 引言

目前，進入學校的數字化理化實驗設備，一般來說僅僅是圍繞某個學科教學內容在中小學教學領域而裝備的，作用單一、投入高、對環境要求高，很難裝備到農村學校。而Arduino平臺的出現，給農村學校提供了一個投入較少、方便教學的物聯網環境，為了讓農村的孩子享有與城市孩子一樣的物聯網學習環境，我們做了大量的探索實踐和研究。

經過前期研究，我們根據農村學校的特點，以學生熟悉的種植為抓手，依托Arduino物聯網平臺，開展了農村小學物聯網教學校園智能實踐園研究。在研究的過程中，通過傳感系統，構建了數字化種植、智能環境，為農村學生營造了良好的探究和體驗環境，開辟了農村學校實驗教學新模式。

● 校園智能實踐園概述

1.校園智能實踐園系統功能

校園智能實踐園系統，通過種植、觀測某種植物的生長情況，利用計算機及網絡，對動植物生長的狀態以及動植物所處環境狀態進行實時監控并記錄歷史數據，數據被采集傳輸到計算機上進行數據存儲與分析，輸出實時數據。通過平臺，師生可以共同交流種植經驗，展示研究成果。通過遍布各地的微型校園物聯網工作室系統，同時開展各種主題型、差異性、比對性等科學小實驗，使合作性探究變為現實。

集長時間持續實驗、戶外實驗、跨時間與跨地域的合作實驗于一體的物聯網工作室不僅能提供比手工采集高得多的精確數據，而且大大節省了傳統實驗數據的記錄、計算、分析的時間，使科學探究的重心落在假設級探究活動上，并保證了探究的成功率。與此同時，校園智能實踐園中個人的實驗結論可以提供給他人應用，教師可以在線評價學生的實驗報告，學校可建立校本的學生實驗報告資源庫，這為學校校本探究課程的建設、教師個性化實驗設計都提供了保障。校園智能實踐園建設也為學校“特色”實驗教學提供了新方向。

2.具體方案剖析

校園智能實踐園是由環境監測系統，光照、灌溉系統，視頻監控系統等組成，對植物生長情況及環境進行實時數據的采集與傳輸，并通過網絡實現在線觀察和遠程控制物聯網工作室的光照、灌溉等。

（1）智能種植系統

環境監測系統包括溫度傳感器和濕度傳感器。

溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器（如圖1），本模塊用于監測室內溫度，隨時調節適宜植物生長所需的環境溫度。

濕度傳感器為一個簡易水分傳感器，利用電阻變化測量水分、濕度。土壤越干燥，輸出的電壓越小越濕潤，輸出的電壓越大。將本模塊插入土中，通過AD轉換電壓信號，即可檢測土壤水分。它可與Arduino、水泵連接，組成自動澆花系統（如上頁圖2）。

通過電位器調節土壤濕度控制閥值，可以自動對物聯網工作室里的植物澆水，帶有大功率繼電器，可以控制大電流設備，小于設定濕度自動啟動繼電器吸合，大于設定濕度自動斷開，并有延時功能，解決了無延時的濕度臨界狀態繼電器不停閃爍的問題，是一個簡易實用的土壤濕度控制系統。

（2）光照灌溉系統

光照設備。

光環境是植物生長發育不可缺少的重要物理環境因素之一，LED植物生長燈，依照植物生長對太陽光的需求，代替太陽光給植物提供更好的生長發育光環境的一種燈具。

LED植物燈的紅、藍燈色譜比例一般在4∶1～10∶1之間為宜，通常可選7～8∶1的比例。紅光促進植物發芽、開花，藍光促進植物生長，可以自主選擇更合適的波長和顏色比例促進植物的生長。通過光敏、溫度傳感器及時間的設置，自動控制燈光系統（如圖3）。

灌溉設備。

灌溉設備包括：20米長的9×12PVC管、25個平腳9/12三通、1個可調噴頭、25個堵頭、1個水泵、1個電源、1個過濾器、1.2米進水管（如圖4）。

智能澆灌系統可以在沒有自來水或使用自來水不方便的地方，利用水泵增壓來吸小池的水或水桶的水。利用土壤濕度傳感器，編寫好對應程序就可以自動澆花、自動關閉。

（3）智能環境系統

智能環境系統利用網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術等，對實踐園進行智能化管理。

遠程控制是智能環境的一項重要功能。在上下班、上學放學等出行期間，使用手機可以遠程控制實踐園中的智能設備，如打開或關閉空調器、電熱水、燈具和窗簾等。其中，可視控制系統可實現遠程監控攝像、定時攝影等功能。

智能窗簾與燈光系統是智能控制室內植物的光照，在光線較強時打開或關閉植物燈和窗簾。根據光敏傳感器的工作原理，當光敏值小于500時（白天），窗簾自動打開，切斷室內燈光設備電源；反之，當光敏值大于500時（黑夜），窗簾自動關閉，打開室內燈光設備電源。根據紅外傳感器的工作原理，通過一個遙控器實現控制室內所有的電光設備。

（4）工作原理

校園智能實踐園組成與工作原理如下頁圖5所示。

● 校園智能實踐園研究反饋

（1）趣味性

校園物聯網智能實踐園立足農村這一得天獨厚的地理環境優勢，利用身邊資源，引進各式各樣的農作物，使孩子們在教師的指導下能親自動手，從育苗、移植入手，通過智能化管理、記錄生長日記，這就有效地解決了枯燥無味的傳感器知識學習問題。

（2）知識性

以興趣為出發點，教師帶領學生有序地進行了傳感器知識的學習。從某一特定的傳感器在實踐園的應用入手，讓他們了解該傳感器在實踐園中的作用，然后邊學邊玩，通過Audublock圖形化的編程軟件，編寫該傳感器在智能管理中的應用程序，在不知不覺中掌握該傳感器的工作原理及其應用。

（3）低成本

物聯網智能實踐園以Arduino為平臺構建，從硬件到軟件都是開源的，程序的編寫是圖形化的Ardublock工具，學生很容易上手，小學五年級就可以開展社團學習，六年級就可以通過小組合作開展整班教學。

學生在邊學邊玩的過程中，深入了解并掌握智能種植及智能環境系統的核心技術，體驗到了現代化的農業種植并不是人們想象中的那么辛勞和枯燥無味，并且從中感知到了生長的樂趣，不知不覺中培養了孩子們的動手能力、計算能力、邏輯思維能力等。