基于物聯網與智慧教學的案例設計與實現

范保玉

【摘 要】本文展示了學生運動監測物聯網簡易系統的設計和搭建的全過程，從項目的選題到實施都進行了詳細介紹。在整個過程中，考慮了學生的特點、學校的條件和課標要求，將真實的問題轉化為了一個可以學習、討論和拓展的項目式學習案例。本案例聚焦物聯網的數據分析與反饋，旨在促進學生對物聯網概念的深入理解和應用。

【關鍵詞】物聯網；智慧校園；運動監測

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-074-02

物聯網簡易系統選型

簡易系統搭建是在對物聯網基本功能有所了解的基礎上，進一步深入掌握“數據分析與反饋”核心概念的教學要求。物聯網實踐與探索是第四學段（7～9年級）的課程內容，定位是發揮物聯網作為互聯網感官與觸手的獨特作用，有目的地對采集、處理、反饋控制進行教學設計，發現其中的信息和規律，幫助人們決策和行動[1]。

該項目聚焦“基于物聯網的數據分析與反饋”，通過在真實場景中學習和研究，更好地激發學生的學習積極性，培養他們“利用數據分析和解決問題的能力”，掌握在問題中學習解決問題的方法。

案例設計與實施過程

1.提出問題

為了更好地關注學生運動健康狀況，提高學生的運動能力和興趣，學校嘗試利用智慧校園已有的環境，通過搭建物聯網平臺，監測學生在校的運動數據，為制訂個性化的運動方案提供科學依據。

通常考慮到學生自律性問題和學校管理困難，學校不允許學生攜帶手機、手環、智能手表等通訊設備進入學校，這給數據采集帶來了障礙。因此，我們需要尋找一種既能保證學生的安全和紀律，又能有效地記錄和傳輸運動數據的方法[2]。

2.明確問題

在本項目開展之前，學生已經基本掌握了物聯網基本概念和環境搭建的基礎，教師引導學生按照“感知—采集—傳輸—反饋控制”物聯網基本功能順序，組織學生展開討論，總結出該項目需要解決的具體問題，即需要解決的核心問題。

（1）需要通過一種方式標識并驗證身份。

（2）采集運動信息，包括運動方式、運動量（距離）、運動時間、身體運動指標（血壓、心率）。

（3）根據采集到的數據分析運動強度（速度）、運動路線，生成數據報告，可以是文字、表格或者圖表。

3.分析問題

針對上一環節確定的核心問題，限于校園網絡環境、學校管理制度，以及現有物聯網教室的設備情況，組織學生進行頭腦風暴，分析項目需要和能夠采集的數據。身份識別方面由于學校禁止攜帶智能手環（表），人臉識別和指紋識別學校暫時沒有足夠的設備，最后確定使用同學們都有的RFID校園卡。運動量根據固定終端間的距離差計算。運動強度通過計算單位時間的運動量實現。最終，學生通過RFID校園卡可以在終端看到自己的運動情況。

根據頭腦風暴的結果和課時總體要求，對項目進行分析，最后確定技術方案如下。

（1）主控選擇1956開發板和樂動掌控板。

（2）由于全校學生都有校園卡且未加密，身份識別采用RFID標簽技術。

（3）運動數據只采集位置和時間。

（4）使用1956開發板顯示運動報告，包括運動量（位置差）和運動強度（速度）等。

實施部署原型簡化，在學校不同位置固定安裝樂動掌控采集位置信息，學生在校園內運動時使用校園卡觸碰樂動掌控RFID模塊，記錄其到達時間，通過計算兩次刷卡的位置差和時間差，得到運動量、運動強度。

4.項目計劃

整個項目計劃課時安排5周，每周一次課，每次課1.5小時。整體設計圍繞物聯網相關的課標和核心素養要求展開，注重培養信息意識（思考運動監測系統核心功能）、信息社會責任（通過技術解決真實世界問題可靠、高效）、計算思維（問題分解、界定及抽象，體驗數據采集和自動化處理的過程）。第1次課重點是分析和明確問題，確定將身份識別、運動量（位置差）、運動強度（速度）作為核心問題。第2次課準備材料，搭建系統原型，在教室完成物聯網組網，驗證硬件方案。第3次課使用mPython編寫程序，利用SIoT平臺存儲和使用數據，調試運行，根據數據制作分析報告。第4次課項目試運行并測試，調試并記錄問題，進行總結。第5次課匯報展示，總結反思項目進行過程中的得失，交流分享經驗。

5.項目實施

（1）終端分布規劃。根據校園具體道路和房屋分布情況，提前放置多個終端（樂動掌控板）做好標識，估算終端距離并制作表格登記距離，表格要求是二維雙向的，方便后期的程序編寫。

（2）RFID傳感器。RFID傳感器是一種無線數據收發的電子設備，具有無線通信、自動識別和遠程監測等功能。它采用射頻技術，能夠通過無線方式將數據傳輸到特定讀寫器，因此被廣泛應用于各種場合中。智慧校園網絡學生一卡通是一個基于RFID技術的應用，學生配備一個帶有RFID芯片的一卡通，在校內食堂、圖書館實現多種應用[3]。

（3）本地數據保存。由于MQTT消息的訂閱者模式，通常每次觸發只能獲取到最新的消息，為了獲取歷史記錄，使用Python的requests庫完成自定義數據讀取。首先需要安裝requests庫，使用requests.get（）方法自定義請求的內容，注意使用json格式封裝數據，返回值是一個字典，解析后可以使用[4]。

（4）數據報告展示。原始返回的數據直接顯示不夠明確，需要對其進行格式化并添加相應的文字說明，例如，運動量2000m，運動強度75m/min。這樣就需要對原始數據進行數據類型轉化、字符串拼接等處理。當然，為了顯示友好，還可以增加姓名和性別等輔助信息[5]。

6.問題反思

這個項目充分利用了校園網的基礎設施，包括校園電路、Wi-Fi網絡、學生校園卡和物聯網教室掌控板設備等，降低了開發和部署的難度，使其可以順利完成教學。設計程序關鍵技術實現讀取歷史數據記錄。然而也存在一些問題，如每次只能刷一人，出現排隊情況；采集的數據簡單，缺少血壓、心率等數據，導致運動健康監測不準確。未來可更換智能設備，提升刷卡效率。例如，使用人工智能攝像頭和增加心率、血壓等身體數據傳感器。還可以對保存時間較長的數據進行分析，得出運動與身體發育的關系，并接入小程序，讓家長在家了解學生的學校運動情況。

結束語

本文以“學生運動監測的物聯網簡易系統”為例，聚焦“基于物聯網的數據分析與反饋”，整個項目從設計到實施緊緊圍繞物聯網數據分析，層層深入，幫助學生掌握數據分析和解決問題的能力。教師可以利用本案例的經驗，結合自己的教學需要進行教學設計與課程開發。

崔允漷. 如何開展指向學科核心素養的大單元設計[J].北京教育：普教版，2019（2）：11-15.

高萬明，周飛，李崢. 基于物聯網的學生體育測試監測系統[J]. 佳木斯大學學報：自然科學版，2021，39（2）.

高強. 基于物聯網技術的學生活動軌跡分析與設計[D]. 保定：河北農業大學，2013.

賴思思，王倩，占晨龍，葛年明. 基于物聯網的智能健康監測系統設計[J]. 現代工業經濟和信息化，2021（7）：72-74.

王振亞. 基于物聯網的體育課程管理系統設計[J]. 現代電子技術，2020（7）.