開源智慧農場項目支持下的高中物聯網課程設計

盧華軍 謝作如

● 課程開設的背景

滬科版（2017）必修2第三單元項目七《探究智能花卉養護系統——了解物聯網》中對物聯網做了簡單的介紹，但是對于教學說，并無具體可操作的案例，學生缺少真實的體驗。只有親手搭建一個物聯網項目，學生才能真正了解傳感器、執行器的工作原理，掌握物聯網的傳感和控制的機制及應用。

與面向園林、農田、農業設施等領域的日常灌溉控制和管理系統不同，教材中的智能花卉養護系統主要是從實驗的角度，滿足教學及學生研究的需要，在校園生物園內種植本地常見的花卉植物，建立一個便于實踐操作的物聯網環境。經過詳細的調查和比較，我們選擇了謝作如老師主導設計的開源智慧農場（Sfarm）方案。

通過部署好的Sfarm智慧農場，完成項目七的教學任務后，我們發現學生對物聯網知識很感興趣，意猶未盡，因此有了將部署Sfarm智慧農場的過程，結合選修模塊《開源硬件項目設計》的課程標準，開發一門名為《設計物聯網和智能花卉養護系統》校本課程的想法。讓學生通過開源硬件項目設計課程，既可以自主編程，學習物聯網知識，也能深度參與開源項目系統的功能設計，還可以利用各種數據進行鄉土地理和生物生態融合研究，可謂一舉多得。

● 課程的設計

1.課程目標

新課標中的選修模塊6《開源硬件項目設計》體現了信息技術學科發展的最新進展。在確定課程目標時，以選修模塊6的課程內容要求為依據，將目標定在以下幾點：①針對給定的物聯網實驗任務進行需求分析，明確需要解決的關鍵問題。②運用基本算法設計解決問題的方案，能使用Python編程語言實現這一方案。③針對不同功能模塊設計合適的算法，利用Python編程語言實現各模塊功能。④完善項目作品的設計方案，進行開源與知識分享的精神理解，保護知識產權的意義。

相應的學業要求如下：①知道基于開源硬件進行項目設計的一般流程，能將其應用于智慧農場項目中。②能利用開源硬件與軟件實現所設計的智慧農場項目方案。③能根據不同的功能模塊需求，設計合適的算法來實現其功能。④理解自覺進行開源硬件項目設計的理念與知識、分享的精神，理解保護知識產權的意義。

2.教學環境的配置

軟件清單：SIoT——MQTT服務器，含自主開發的“智慧農場”插件;Jupyter Netbook——可以在線編寫Python程序的網絡筆記本;Node-RED——可視化的物聯網工具，能夠以流程圖的方式管理物聯網項目。

硬件清單：拿鐵熊貓，虛谷號，掌控板，各類傳感器、執行器、繼電器、電磁閥等。

3.課程內容和教學計劃

根據開源智慧農場及虛谷號的特點，結合學校實際情況，筆者共設計了12個專題實驗（共18個課時），基本能滿足校本選修課《設計物聯網和智能花卉養護系統》一個學期的課程開設。具體安排如下表所示。

● 教學案例展示

1.專題2：數據采集和消息發送

本專題實驗設計了兩個學習活動（1課時）：

①學習如何使用Python語言編寫自動澆灌程序（如圖1）。本活動的目的是讓學生了解pingpong庫的使用，能夠根據監測的土壤濕度進行自動澆水。這也是學習物聯網的第一個程序。

②學習通過Sfarm智慧農場來進行數據的采集與消息的發送（如圖2）。學生通過此活動了解訂閱（publish）功能，能夠連接并訪問Sfarm智慧農場。

2.專題3：消息訂閱和執行器控制

本專題實驗設計了三個學習活動（2課時）：

①學習通過Sfarm智慧農場來訂閱消息（核心代碼如下頁圖3所示），掌握發布（subscribe）功能。

②學習通過Sfarm智慧農場來控制執行器（核心代碼如下頁圖4所示）。發送澆水指令時控制電磁閥開始澆水。

③硬件安裝與軟件配置。

在學校生物園內配置水、電設施及連接電磁閥，測試驗收合格后，盡量讓學生以小組為單位，自己動手安裝虛谷號與各傳感器。具體操作步驟如下。

第一步：安裝虛谷號及控制套件。在防水盒內適當位置固定主控板，安裝擴展板、繼電器模塊，連接各種傳感器和電磁閥套件。

第二步：調試系統。各傳感器安裝好后進行小組交叉檢查，正確無誤后上電，啟動虛谷號，逐一測試。若正常再接入電磁閥電源，打開三角閥，進行澆灌測試。

● 課程特色

校本課程《設計物聯網和智能花卉養護系統》的最大特色在于其擁有一個正在真實運行的物聯網應用系統，課程的各個專題實驗和Sfram無縫結合。課程帶領學生逐步剖析、分解這個應用系統的奧秘，并逐步完善、豐富其功能。

1.與2017版課標選擇性必修課程無縫銜接

本課程充分結合高中信息技術選修模塊6的內容要求，讓學生進行開源硬件項目的設計，體驗作品的創意、設計、制作、測試和運行的完整過程。通過此課程，學生能熟悉開源硬件的基本使用方法，了解基于開源硬件的信息系統的實現方法。同時，以實例為依托，鼓勵學生交流與合作，踐行開源與知識分享的精神。

2.結合校情開發有關物聯網的校本課程

在學校生物園內建設好智慧農場的項目之后，可結合學校實際情況進行完善，開發有一定特色的課程。在完善環境監控系統、智能灌溉系統和視頻監控系統時，可設計較為開放的任務，給學生充分的想象與創新空間。例如，使用WebAPI開發物聯網終端插件（siot插件），可直接在網頁上使用按鈕進行灌溉操作，也可通過Rime庫的開發使用，使用手機直接訪問此系統。手機通過掃描二維碼方式在校內訪問或通過動態域名在互聯網上訪問，能夠實時監控環境。在增加攝像功能后，還能夠通過ffmpeg庫進行視頻推流，完成視頻監控的功能。

3.結合生物生態和鄉土地理進行勞動實踐與研究性學習

在校園智慧農場的應用與開發過程中，突出學生學習的過程性、體驗性、探究性和創造性。整個智慧農場項目的開發涵蓋了生物、地理、信息技術和勞動實踐四個學科。將鄉土地理環境、植物生長特性、種植實踐活動和硬件系統搭建，軟件功能調試，創意程序開發進行有機結合，以項目為載體，以實踐過程為主線，為學生的拓展性學習、研究性學習打好基礎。其采集的數據經過整理、分析，可以為生物和地理學科的研究性學習提供支持。

“萬物互聯”的時代正漸行漸近，作為一個開源硬件項目系統，校園智慧農場Sfarm的出現，不僅讓物聯網技術進入了校本課程，還提供了一種數據采集方式，學生可以使用“數據探究”的方式去研究科學問題，從而極大地滿足學校信息技術教學和學生研究性學習的需要。

后記：最近的人工智能技術的發展仰賴于移動互聯網技術普及之后人們大量貢獻的數據，通過深度學習算法，使得機器可以更好地學習和理解人的各種物理特征，如我們的形象對應著人臉識別技術、我們的聲音對應著語音識別技術、我們發表的文字配合的表情包對應著自然語言理解技術。但是機器目前理解的還只是人，對人和人之間的相互作用構成的人類社會還不夠了解。因此，我們要獲得更有用的人工智能訓練成果，需要提供更復雜的人類社會的數據，這需要有更多的自動設備的參與，這些設備很多是物聯網設備。相信物聯網設備的普及應用，能夠更好地讓人類社會的行為“數字化”，創造出更加高效和智慧的社會治理形式。在這個過程中，反壟斷、網絡安全和國家安全的各種擔憂始終是這一領域頂頭上的“一朵烏云”，而國產芯片和自研物聯網平臺的“自主可控”、開源文化和社區的“創意分享”以及國家教材結合地方教材的“技術民主化”，是其中的重要基石。