新课标物联网模块项目式教学实践

【摘要】新课标信息科技物联网模块，强调在理解物联网架构基础上，让学生实际动手搭建物联网平台，体验数据的采集、上传、处理、应用的过程。本文通过教学实例探索并展示如何构建物联网智能终端并将数据上传的过程。【关键词】物联网；数据采集；SIoT义务教育新课标物联网实践与探索模块学业要求中提出：根据学习任务的需要和可用的实验设备，设计并搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的简易物联网系统。能通过智能终端编程，读取并处理含有物联功能设备中的数据，并进行适当反馈和控制。在物联网模块中上述内容的大班化教学中，我们只重点关注数据的收集与导出，而且教学中缺乏简单容易上手的智能终端设备，缺乏轻量、简单、开放和易于实现的物联网平台。项目概述在智能农植园系统项目中，学生将使用温湿度传感器、土壤湿度传感器等获取农业环境数据，并将数据同步到物联网云平台中；通过数据分析，得出最适合农作物生长的环境数据；通过SIoT服务器实现设备的控制与反馈。项目中使用三块行空板，一块为“智能终端”，连接传感器、执行器，放置于温室中采集农业数据；一块作为“服务器”用于存储数据；一块为“移动终端”，放在中控室，供用户远程读取数据、控制农植园设备。本课教学内容主要聚焦在数据的采集及上传部分。教学目标知识与技能：学习物联网模型基本架构，能够构建出数据采集的物联网模型；学习掌握SIoT服务器程序的使用方法，搭建温湿度数据采集模型；经历物联网模型搭建过程，有意识地使用物联网技术解决现实问题。过程与方法：让学生在面临真实问题情境时，联系所学知识，建立问题需求与技术之间的连接，从而建立解决问题的方法；在项目化探究的过程中，以自主学习、小组合作、教师指导等方式开展教学。学生围绕主题，开展搭建物联网平台的实践活动。情感、态度与价值观：借助生活中的情境引入新课，建立技术服务于生活的理念，提高学生的学习兴趣；使学生经历观察、讨论、抽象等活动，建立物联数据传输的模型，感受万物互联的影响、机遇、挑战；小组合作交流，培养学生与人合作的意识与沟通协作能力。本课的教学重点为能够将现实世界的物理量抽象为一般数据模型；掌握物联网模型基本结构，搭建简易物联网模型。教学难点为知识和技能，即行空板的配置和物联网模型搭建；思维层面则是将现实世界物理现象抽象为数据模型。实施过程1.问题导入教师播放物联网在智慧农业中应用的视频，提出问题：“农户只需坐在家中就可以实时检测大棚内的温湿度数据。那么，同学们知道这些温湿度数据是如何检测并上传到物联网平台的吗？”随即明确本节课学习的主题：智能农植园温湿度数据的采集与上传。2.新知教学（1）建构物联网模型。有学生回答可以通过温湿度传感器来检测；也有学生回答通过温湿度传感器采集大棚内的数据，并将这些数据发送到云端。针对学生多样化的回答，从用户的视角观察数据在采集、传输、存储和数据应用中的流向，与学生的经验形成对应关系，引导学生概括并划分，理解物联网的组成架构：感知层、网络层和应用层，促进学生建立模型（图1）。（2）任务一：分组搭建物联网装置。大多数学生并没有搭建物联网的经历，教师展示一种简易的方案。使用两块行空板＋DHT11温湿度传感器作为数据采集的工具，其中一块作为服务器，开启SIoT服务，存储数据；另外一块作为智能终端，采集数据上传服务器。布置任务：完成室内温度数据的采集及物联网的上传，并实现WEB访问。学生分组学习数字化资源，三人一组领取硬件完成任务。硬件设备：温湿度传感器DHT11连接到行空板P23口线；SIoT服务：行空板中自带SIoT服务，进入系统后，点击“应用开关”连接，进入SIoT开关界面，点击“开启”按钮，启动SIoT服务；服务器参数：“初始化MQTT”设置：MQTT平台选择SIoT，SIoT地址为上述行空板连入无线网络获取的IP地址，SIoTPort端口为1883，用户名为siot，密码为dfrobot。（3）任务二：自主学习编写程序。环境部署：进入Mind+编程环境后，在“Python”模式下添加“行空板”和“MQTT-py”库。程序初始化：设置MQTT平台为SIoT，SIoT地址为上述行空板子获取的IP地址，SIoTPort端口为1883，用户名为siot，密码为dfrobot。如果想上传湿度数据，只需再增加一条指令MQTT发布（DHT11湿度）到“DHT/H”即可完成。运行程序测试：教师在布置完程序编写任务后，烧录程序测试程序的功能。学生动手实践，查看程序运行的结果。（4）任务三：拓展延伸，高效统计交作业情况。创设问题情境：教师每天早上需要收集统计同学们交作业的情况，希望能够应用物联网等相关技术，实现以下功能：学生来到教室后通过一个智能装置登记记录是否提交作业；教师只需要在手机移动端或PC端就可查看学生交作业情况。同学们能使用今天所学的知识高效地解决收作业统计的问题吗？学生围绕问题思考讨论：通过什么方式检测学生交作业情况；检测交作业的数据上传到哪里；教师如何查看学生交作业的情况。学生使用摄像头扫描二维码方式来标注作业本中“学科+姓名”信息，并将这些信息上传到SIoT物联网端服务器上，教师登录服务器相关学科即可查看相关信息。对于学生信息的采集，在当前的硬件条件下，如果直接使用AI识别算法比较复杂，识别率较低，很难实现快速高效的信息采集；而使用二维码方式标注学生信息，一个二维码可包含学生作业的学科和姓名关键信息，且只需识别一次，能提高识别效率。故最终采用二维码方式进行学生信息标注。教师总结物联网采集数据的目的：利用采集的数据进行分析，进行反馈控制，进行智能决策。本环节通过视觉识别二维码方式，是对所学物联网知识的拓展应用，其目的是为了拓展学生的视野，物联网数据的采集不仅可以通过传感器，还可以通过其他很多方式，也为后续学生设计物联网模型拓展思路。（5）梳理知识，答疑解惑。教师先提问学生在这堂课中学到了哪些知识，学生分小组汇报所总结的知识，教师再对其进行总结，完成知識技能梳理。学生自己总结所学知识内容，更希望学生能够感悟到技术的学习是为了解决现实生活中的问题，技术是为生活服务的。反思总结本课教学以行空板和SIoT软硬件环境为学生操作实践提供了一个简易平台；以项目式学习促进学生对物联网模型和数据收集、上传过程的理解；来自现实生活情境的实践活动极大地调动了学生的积极性。在教学实施过程中也存在一些问题。学生对软硬件熟悉度不足，造成课堂教学过程中学生非知识性操作的失误；SIoT服务器必须与终端等设备共处一个局域网范围内，所以当网段不在一起时，导致采集数据无法上传物联网；教学内容的跨度设