高中信息技術課程中的傳感與控制實驗

謝作如

信息系統要發揮作用，必須與外部世界進行聯系。在基于傳統網絡的信息系統中，這種聯系需要以人為中介進行——由人來理解和轉換外部世界的需求，將其輸入信息系統;同時，也是由人來理解信息系統的輸出結果，然后去操作實物。例如圖書管理系統，用戶往往只能通過系統進行查詢，了解某本書的出借情況及存儲位置，而系統卻不能直接將書取出并放到用戶手里。

隨著物聯網和人工智能的發展，信息系統逐漸可以通過傳感技術自動獲取外部信息（如溫度、亮度、卡片、人臉等），也可以通過一定的機制實現對外部物體的直接控制。例如地鐵售票系統，不僅可以掃描手機上的二維碼信息，完成自動扣款，還能夠直接打開閘機。簡而言之，新的信息系統不僅可以感知世界，還將實現控制萬物。

● 課標中對“傳感與控制”的要求

高中信息技術新課標中的必修模塊2“信息系統與社會”，包括“信息社會特征”“信息系統組成與應用”“信息安全與信息社會責任”三部分內容，強調學生利用信息系統解決問題的過程與方法，提升信息安全和社會責任意識。其中關于“傳感與控制”部分的描述如下：

2.3 通過分析物聯網應用實例，知道信息系統與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制。

為落實這一目標，課標的“教學提示”中指出，要利用信息技術實驗室創設真實的問題情境，為學生提供從信息系統的設計規劃到軟硬件操作的實踐體驗機會，提高學生對信息系統價值的認識以及利用信息系統解決問題的能力，如在信息技術實驗室中，通過“遠程控制系統”實驗，指導學生合作或獨立完成一個信息系統的硬件搭建和軟件安裝。

● 實驗準備工作

開源硬件“虛谷號”是一個板載單片機的迷你電腦，很適合用來完成高中信息技術課程中的“傳感與控制”的實驗。虛谷號的工作原理如圖1所示。

從圖1中可以看出，虛谷號其實由兩個部分組成，對傳感器和執行器的連接，都是通過板載的ATmega328單片機（Arduino UNO同款芯片）來完成。Arduino相當于是一個“代理”，它和虛谷號的底層Linux系統之間的通訊借助標準的串口協議來連接。目前絕大多數的單片機與電腦連接都是用串口協議的，這方面的案例資源非常豐富，技術非常也很成熟。

為了幫助Python的初學者編寫傳感與控制方面的代碼，虛谷號提供了名為“xugu”的Python庫。這個庫中有Pin（引腳）、Servo（舵機）和SerialMgt（串口）等幾個常用的類。借助這個庫，幾行代碼就能完成基本的輸入輸出控制，即GPIO（General-purpose input/output）。

● 傳感實驗

1.實驗目標

能編程讀取開源硬件的指定引腳的電平狀態，通過常見的數字、模擬傳感器獲取物理世界的各種環境信息。

2.實驗器材

①虛谷號*1;②虛谷號厚物擴展板*1，或者Arduino UNO擴展板*1;③按鈕傳感器*1，光線傳感器*1。

3.裝置搭建

將擴展板插入虛谷號，然后把按鈕傳感器接到擴展板D4，把光線傳感器接到擴展板A0。

4.實驗過程

給虛谷號設置Wi-Fi信息，然后訪問Jupyter服務。新建一個Python文件，輸入相關代碼，再運行代碼查看效果，在網頁上查看虛谷號的串口信息，如圖2所示。

（1）數字輸入，參考代碼如圖3所示。

（2）模擬輸入，參考代碼如圖4所示。

在虛谷號的系統中，已經提供了用Jupyter寫的學習筆記，在網頁上即可完成傳感實驗的所有操作。

● 控制實驗

1.實驗目標

能編程控制開源硬件的指定引腳輸出高低電平信號，能夠驅動LED燈、蜂鳴器和舵機之類的執行器。

2.實驗器材

①虛谷號*1;②虛谷號厚物擴展板*1，或者Arduino UNO擴展板*1;③LED燈*1，有源蜂鳴器*1，180度舵機*1。

3.裝置搭建

將擴展板插入虛谷號，然后把LED燈接到擴展板D6，有源蜂鳴器接到擴展板D10，舵機接到D4。

4.實驗過程

給虛谷號設置Wi-Fi信息，然后訪問Jupyter服務。新建一個Python文件，輸入相關代碼，再運行代碼查看效果。

（1）數字輸出，參考代碼如上頁圖5所示。

（2）模擬輸出，參考代碼如上頁圖6所示。

（3）舵機控制，參考代碼如圖7所示。

注意：①有源蜂鳴器的控制和LED基本一致，在代碼中修改引腳號即可。②Jupyter提供了網頁小控件，如文本框、選擇框和滑桿等，可以借助小控件來控制執行器的動作。③控制實驗中的參考代碼，在Jupyter中要分段執行，才能看清楚效果，如圖8所示。

● 總結

新課標中提出，信息技術實驗室是學生學習信息技術、實踐信息技術的重要場所。相對于普通機房而言，信息技術實驗室除了必備的電腦外，還要配置一些供學生做各種信息技術實驗的器材，如攝像頭、開源硬件、常見的傳感器和執行器等。

對于信息技術實驗室的建設，學校可以在原機房等基礎上改造，也可以新建。相對來說，在普通機房增加類似虛谷號、掌控板之類的開源硬件，完成新課標中規定的“傳感與控制”的實驗，無論從經費投入還是技術難度來說，門檻都是很低的。

需要強調的是，虛谷號的系統中已經提供了用Jupyter寫的學習筆記（如圖9），在網頁上即可完成“傳感與控制”實驗的所有操作。此外，虛谷號還提供了通過U盤模式執行Python代碼的功能，哪怕沒有Wi-Fi，也能夠完成常見的信息技術實驗。

本文是江蘇省教育科學“十三五”規劃專項課題“江蘇省高中STEM教育基地實驗項目的設計與實踐研究”階段性成果，課題批準文號：C-a/2018/02/19。