新課標物聯網模塊項目式教學實踐

陳杰

【摘 要】新課標信息科技物聯網模塊，強調在理解物聯網架構基礎上，讓學生實際動手搭建物聯網平臺，體驗數據的采集、上傳、處理、應用的過程。本文通過教學實例探索并展示如何構建物聯網智能終端并將數據上傳的過程。

【關鍵詞】物聯網；數據采集；SIoT

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）08-065-02

義務教育新課標物聯網實踐與探索模塊學業要求中提出：根據學習任務的需要和可用的實驗設備，設計并搭建具有數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯網系統。能通過智能終端編程，讀取并處理含有物聯功能設備中的數據，并進行適當反饋和控制。在物聯網模塊中上述內容的大班化教學中，我們只重點關注數據的收集與導出，而且教學中缺乏簡單容易上手的智能終端設備，缺乏輕量、簡單、開放和易于實現的物聯網平臺。

項目概述

在智能農植園系統項目中，學生將使用溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等獲取農業環境數據，并將數據同步到物聯網云平臺中；通過數據分析，得出最適合農作物生長的環境數據；通過SIoT服務器實現設備的控制與反饋。項目中使用三塊行空板，一塊為“智能終端”，連接傳感器、執行器，放置于溫室中采集農業數據；一塊作為“服務器”用于存儲數據；一塊為“移動終端”，放在中控室，供用戶遠程讀取數據、控制農植園設備。本課教學內容主要聚焦在數據的采集及上傳部分。

教學目標

知識與技能：學習物聯網模型基本架構，能夠構建出數據采集的物聯網模型；學習掌握SIoT服務器程序的使用方法，搭建溫濕度數據采集模型；經歷物聯網模型搭建過程，有意識地使用物聯網技術解決現實問題。過程與方法：讓學生在面臨真實問題情境時，聯系所學知識，建立問題需求與技術之間的連接，從而建立解決問題的方法；在項目化探究的過程中，以自主學習、小組合作、教師指導等方式開展教學。學生圍繞主題，開展搭建物聯網平臺的實踐活動。情感、態度與價值觀：借助生活中的情境引入新課，建立技術服務于生活的理念，提高學生的學習興趣；使學生經歷觀察、討論、抽象等活動，建立物聯數據傳輸的模型，感受萬物互聯的影響、機遇、挑戰；小組合作交流，培養學生與人合作的意識與溝通協作能力。

本課的教學重點為能夠將現實世界的物理量抽象為一般數據模型；掌握物聯網模型基本結構，搭建簡易物聯網模型。教學難點為知識和技能，即行空板的配置和物聯網模型搭建；思維層面則是將現實世界物理現象抽象為數據模型。

實施過程

1.問題導入

教師播放物聯網在智慧農業中應用的視頻，提出問題：“農戶只需坐在家中就可以實時檢測大棚內的溫濕度數據。那么，同學們知道這些溫濕度數據是如何檢測并上傳到物聯網平臺的嗎？”隨即明確本節課學習的主題：智能農植園溫濕度數據的采集與上傳。

2.新知教學

（1）建構物聯網模型。有學生回答可以通過溫濕度傳感器來檢測；也有學生回答通過溫濕度傳感器采集大棚內的數據，并將這些數據發送到云端。針對學生多樣化的回答，從用戶的視角觀察數據在采集、傳輸、存儲和數據應用中的流向，與學生的經驗形成對應關系，引導學生概括并劃分，理解物聯網的組成架構：感知層、網絡層和應用層，促進學生建立模型（圖1）。

（2）任務一：分組搭建物聯網裝置。大多數學生并沒有搭建物聯網的經歷，教師展示一種簡易的方案。使用兩塊行空板＋DHT11溫濕度傳感器作為數據采集的工具，其中一塊作為服務器，開啟SIoT服務，存儲數據；另外一塊作為智能終端，采集數據上傳服務器。布置任務：完成室內溫度數據的采集及物聯網的上傳，并實現WEB訪問。

學生分組學習數字化資源，三人一組領取硬件完成任務。硬件設備：溫濕度傳感器DHT11連接到行空板P23口線；SIoT服務：行空板中自帶SIoT服務，進入系統后，點擊“應用開關”連接，進入SIoT開關界面，點擊“開啟”按鈕，啟動SIoT服務；服務器參數：“初始化MQTT”設置：MQTT平臺選擇SIoT，SIoT地址為上述行空板連入無線網絡獲取的IP地址，SIoT Port端口為1883，用戶名為siot，密碼為dfrobot。

（3）任務二：自主學習編寫程序。環境部署：進入Mind+編程環境后，在“Python”模式下添加“行空板”和“MQTT-py”庫。程序初始化：設置MQTT平臺為SIoT，SIoT地址為上述行空板子獲取的IP地址，SIoT Port端口為1883，用戶名為siot，密碼為dfrobot。如果想上傳濕度數據，只需再增加一條指令MQTT發布（DHT11濕度）到“DHT/H”即可完成。運行程序測試：教師在布置完程序編寫任務后，燒錄程序測試程序的功能。學生動手實踐，查看程序運行的結果。

（4）任務三：拓展延伸，高效統計交作業情況。創設問題情境：教師每天早上需要收集統計同學們交作業的情況，希望能夠應用物聯網等相關技術，實現以下功能：學生來到教室后通過一個智能裝置登記記錄是否提交作業；教師只需要在手機移動端或PC端就可查看學生交作業情況。同學們能使用今天所學的知識高效地解決收作業統計的問題嗎？

學生圍繞問題思考討論：通過什么方式檢測學生交作業情況；檢測交作業的數據上傳到哪里；教師如何查看學生交作業的情況。學生使用攝像頭掃描二維碼方式來標注作業本中“學科+姓名”信息，并將這些信息上傳到SIoT物聯網端服務器上，教師登錄服務器相關學科即可查看相關信息。對于學生信息的采集，在當前的硬件條件下，如果直接使用AI識別算法比較復雜，識別率較低，很難實現快速高效的信息采集；而使用二維碼方式標注學生信息，一個二維碼可包含學生作業的學科和姓名關鍵信息，且只需識別一次，能提高識別效率。故最終采用二維碼方式進行學生信息標注。教師總結物聯網采集數據的目的：利用采集的數據進行分析，進行反饋控制，進行智能決策。

本環節通過視覺識別二維碼方式，是對所學物聯網知識的拓展應用，其目的是為了拓展學生的視野，物聯網數據的采集不僅可以通過傳感器，還可以通過其他很多方式，也為后續學生設計物聯網模型拓展思路。

（5）梳理知識，答疑解惑。教師先提問學生在這堂課中學到了哪些知識，學生分小組匯報所總結的知識，教師再對其進行總結，完成知識技能梳理。學生自己總結所學知識內容，更希望學生能夠感悟到技術的學習是為了解決現實生活中的問題，技術是為生活服務的。

反思總結

本課教學以行空板和SIoT軟硬件環境為學生操作實踐提供了一個簡易平臺；以項目式學習促進學生對物聯網模型和數據收集、上傳過程的理解；來自現實生活情境的實踐活動極大地調動了學生的積極性。

在教學實施過程中也存在一些問題。學生對軟硬件熟悉度不足，造成課堂教學過程中學生非知識性操作的失誤；SIoT服務器必須與終端等設備共處一個局域網范圍內，所以當網段不在一起時，導致采集數據無法上傳物聯網；教學內容的跨度設計較大，通過傳感器采集數據到使用攝像頭采集數據上傳，對于剛接觸開源硬件的學生來說跨度較大。

今后學生要加強實踐練習，熟練掌握基礎軟硬件的使用技巧；教師課前一定要確認網絡環境部署，學生端與機房IP同處一個網絡，建議設立一個獨立的AP；教學內容的設計要遵循最近發展區原則，難度設置要合理可行。

編? ?輯：徐靖程