學校物聯網平臺對信息技術實驗課的支持
——以《搭建智能充電樁》教學設計為例

陳莉 江蘇省南京市人民中學

● 引言

隨著信息技術的發展，大數據、物聯網、人工智能等新技術正逐漸改變著人們的生活方式，在教育領域，很多學校也運用大數據、物聯網等技術促進精準教學和高效管理。例如，筆者所在學校每一間教室的空調都做了智能改造，增加了網關、溫度傳感器和紅外控制器，溫度傳感器每分鐘都會將捕捉到的教室溫度傳遞給網關，一旦教室溫度值超出健康范圍，網關就會給紅外控制器發出指令，重新設置空調的溫度。又如，學生放學忘關空調、計算機會造成能源浪費及安全隱患，通過使用物聯網，班主任可以在手機上查看自己班級的設備是否正常關閉，如果未關閉，可以通過手機遠程操作。再如，物聯網平臺上保留了每一臺設備每一個時間點的各種數據，學校每個月都會從平臺上導出各班能耗，以此為依據評比節能標兵，對學生進行節能教育。此外，學校的物聯網平臺在建成后，根據實際需要能隨時添加新設備，實現更多智能管理。

● 物聯大平臺，創意小課堂

學校的物聯網平臺除了能接入設備，還能開展多項教學活動，如筆者就借助學校的互聯網平臺設計了一個“虛擬實驗室”（如圖1），專門用于信息技術課的教學，學生在這里可以體驗“智能充電樁”“漫水報警”等應用場景。下面，筆者就以《搭建智能充電樁》一課為例，談談如何使用學校物聯網平臺支持信息技術教學。

1.教學背景

本課是高中信息技術必修二“信息系統與社會”中的“信息系統組成與應用”部分的內容，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》要求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。

2.教學策略

依托學校物聯網平臺，筆者設計了“搭建智能充電樁”實驗課，引導學生在實驗中認識傳感器，記錄傳感器捕捉的物理環境數據，利用數據設計智能聯動，解決實際問題。

3.教學過程

（1）情境引入

師：生活中電瓶車充電安全事故頻發，危及人們的生命財產安全，現在很多小區都建立了集中充電點，有的還安裝了智能充電樁，學校也希望利用物聯網技術智能管控充電樁，接下來我們就通過“搭建智能充電樁”實驗測評物聯網充電樁能否實現安全充電。

（2）問題分析

學生通過自主研學，了解電瓶車充電安全事故中的主要原因，思考要想管控充電樁需要解決什么問題。

（3）實驗1——系統搭建

①認識設備。

網關：網關即智能控制主機，相當于物聯網系統的大腦中樞，它負責整個系統的數據與平臺之間的傳遞，還負責將平臺的指令下發到具體的執行設備上。

充電樁：每個小組都有一個智能插座，即實驗模擬的充電樁（如圖2）。向學生展示一個拆解的智能插座（如圖3）和普通插座圖片，經過對比，學生發現智能插座里多了一塊電路板，其具有探測電路參數和控制電路的作用。

用電器：每組都有兩個用電器，可以模擬需要充電的電動車；小功率的臺燈或電扇，用來模擬正常充電的電動車；大功率的電吹風或取暖器，用來模擬充電電路異常時的電動車。

②系統搭建。

安裝網關：如果教室本身就有物聯網系統，那么網關已安裝好，向學生指明其安裝的位置即可；如果教室沒有安裝物聯網系統，可現場演示安裝，其他參數事先調試好，課堂內只要接通電源、連入網線即可。

安裝充電樁：每個小組都配有模擬充電樁的智能插座，由學生插入指定的電源插座。

登錄平臺：學生根據本組充電樁上的賬號登錄到物聯網平臺，只要平臺提示本組充電樁狀態正常，即為本組系統搭建成功。

（4）實驗2——評測充電樁

雖然智能充電樁系統搭建好了，但是它能否實現預期的功能，解決實際問題，還需要經過實驗的測評。實驗步驟如下。

遠程控制充電樁：學生把小臺燈插入充電樁時燈并沒有亮，充電樁未供電；學生在平臺上點擊相關按鈕可遠程控制充電樁的工作狀態。

設計意圖：在現實生活中，并不是任何人的電動車都能隨意接入學校充電樁，只有通過掃碼等方式認證的電動車才可以正常充電。如果是在小區等公共場所，則要認證身份并開始計費后才能進行供電。

控制充電時長：當接入用電器、通過身份認證、正常供電后，電路開始計時，學生在充電平臺上可以觀察倒計時數據；當充電完成后，可以觀察臺燈是否自動關閉，電路是否自動斷電。

設計意圖：充電計時的功能很重要，生活中導致電動車充電事故發生的一個很重要的原因就是長時間過度充電，因此充電系統需要具有控制充電時長的功能。

異常熔斷控制：在充電樁正常供電、用電器正常使用的狀態下，引導學生觀察并記錄充電平臺上的各類數據，指導學生在平臺管理模式下，完成觸發聯動腳本的設置，即當充電電路中電流達到或超過某個值時，就自動熔斷電路，切斷隱患。每組學生在將插在充電樁上的常規用電器換成大功率用電器（電吹風或取暖器）后，觀察并記錄充電平臺上的各類數據，同時觀察平臺是否有報警顯示，電路是否自動阻斷。

設計意圖：“異常熔斷控制”環節，讓學生親自設置電流過載值，并體驗電流過載時電路的報警、熔斷過程，從而了解智能充電樁的主要功能及工作原理。

實驗報告：筆者提供了具體的報告，如右表所示。

（5）歸納總結

通過本節課“搭建智能充電樁”實驗，我們了解到：①智能充電樁系統主要具備的功能有遠程控制、充電時長控制、電流過載熔斷等；②物聯系統靠傳感技術、識別技術和嵌入式系統技術來感知并獲取物理世界的信息；③物聯系統靠程序來實現智能控制。

● 技術促進管理，裝備支持教學

物聯網技術被稱為信息產業的第三次革命性創新，與大數據、云計算、人工智能等技術一起共同改變著人們的生活方式，學校建設的物聯網平臺起初只是為了解決管理上的痛點，但在實際應用中逐漸發現物與物的相連也促進了管理理念和工作方式的改變。《搭建智能充電樁》一課讓筆者深刻地體會到，信息技術教學與學校信息化建設有著緊密聯系。信息技術課程把最新的技術帶到學生身邊也帶進學校建設，促進了學校裝備的提升，而學校的建設項目也是最好的教學素材和案例。

小組編號實驗環節 實驗記錄遠程控制充電樁本組接入充電樁的用電器是：遠程打開充電樁開關后觀察到的現象是：可以遠程控制充電樁的供電，在實際生活中有怎樣的意義：充電時長控制該電路有沒有用電時長的限制：在實際生活中，對充電樁限制充電時長的意義是：記錄用電器數據此時用電器電流為（A）：該用電器實際功率為（W）：平臺上可以獲取用電器的即時電流，還能計算其用電量，在實際生活中具有怎樣的意義：控制大電流你在管理平臺中設置的充電樁的最大電流是（A）：此時你接入的用電器是：該用電器工作后的即時電流是（A）：該用電器的實際功率是：該用電器超過限制電流后，電路有沒有自動阻斷：該用電器超過限制電流后，平臺有沒有報警提示：此時該電路有沒有實現電流過載的自動保護功能：思考創新 通過本實驗的體驗，你覺得類似的電路控制還可以用在什么地方：

本節課的創新之處是案例新穎，而且投資成本較低，整節課使用的平臺和網關等主要設備都是學校已有的，只增加了幾個智能插座，但學生的體驗效果卻很好。