基于物联网与智慧教学的案例设计与实现

【摘要】本文展示了学生运动监测物联网简易系统的设计和搭建的全过程，从项目的选题到实施都进行了详细介绍。在整个过程中，考虑了学生的特点、学校的条件和课标要求，将真实的问题转化为了一个可以学习、讨论和拓展的项目式学习案例。本案例聚焦物联网的数据分析与反馈，旨在促进学生对物联网概念的深入理解和应用。【关键词】物联网；智慧校园；运动监测物联网简易系统选型简易系统搭建是在对物联网基本功能有所了解的基础上，进一步深入掌握“数据分析与反馈”核心概念的教学要求。物联网实践与探索是第四学段（7～9年级）的课程内容，定位是发挥物联网作为互联网感官与触手的独特作用，有目的地对采集、处理、反馈控制进行教学设计，发现其中的信息和规律，帮助人们决策和行动[1]。该项目聚焦“基于物联网的数据分析与反馈”，通过在真实场景中学习和研究，更好地激发学生的学习积极性，培养他们“利用数据分析和解决问题的能力”，掌握在问题中学习解决问题的方法。案例设计与实施过程1.提出问题为了更好地关注学生运动健康状况，提高学生的运动能力和兴趣，学校尝试利用智慧校园已有的环境，通过搭建物联网平台，监测学生在校的运动数据，为制订个性化的运动方案提供科学依据。通常考虑到学生自律性问题和学校管理困难，学校不允许学生携带手机、手环、智能手表等通讯设备进入学校，这给数据采集带来了障碍。因此，我们需要寻找一种既能保证学生的安全和纪律，又能有效地记录和传输运动数据的方法[2]。2.明确问题在本项目开展之前，学生已经基本掌握了物联网基本概念和环境搭建的基础，教师引导学生按照“感知—采集—传输—反馈控制”物联网基本功能顺序，组织学生展开讨论，总结出该项目需要解决的具体问题，即需要解决的核心问题。（1）需要通过一种方式标识并验证身份。（2）采集运动信息，包括运动方式、运动量（距离）、运动时间、身体运动指标（血压、心率）。（3）根据采集到的数据分析运动强度（速度）、运动路线，生成数据报告，可以是文字、表格或者图表。3.分析问题针对上一环节确定的核心问题，限于校园网络环境、学校管理制度，以及现有物联网教室的设备情况，组织学生进行头脑风暴，分析项目需要和能够采集的数据。身份识别方面由于学校禁止携带智能手环（表），人脸识别和指纹识别学校暂时没有足够的设备，最后确定使用同学们都有的RFID校园卡。运动量根据固定终端间的距离差计算。运动强度通过计算单位时间的运动量实现。最终，学生通过RFID校园卡可以在终端看到自己的运动情况。根据头脑风暴的结果和课时总体要求，对项目进行分析，最后确定技术方案如下。（1）主控选择1956开发板和乐动掌控板。（2）由于全校学生都有校园卡且未加密，身份识别采用RFID标签技术。（3）运动数据只采集位置和时间。（4）使用1956开发板显示运动报告，包括运动量（位置差）和运动强度（速度）等。实施部署原型简化，在学校不同位置固定安装乐动掌控采集位置信息，学生在校园内运动时使用校园卡触碰乐动掌控RFID模块，记录其到达时间，通过计算两次刷卡的位置差和时间差，得到运动量、运动强度。4.项目计划整个项目计划课时安排5周，每周一次课，每次课1.5小时。整体设计围绕物联网相关的课标和核心素养要求展开，注重培养信息意识（思考运动监测系统核心功能）、信息社会责任（通过技术解决真实世界问题可靠、高效）、计算思维（问题分解、界定及抽象，体验数据采集和自动化处理的过程）。第1次课重点是分析和明确问题，确定将身份识别、运动量（位置差）、运动强度（速度）作为核心问题。第2次课准备材料，搭建系统原型，在教室完成物联网组网，验证硬件方案。第3次课使用mPython编写程序，利用SIoT平台存储和使用数据，调试运行，根据数据制作分析报告。第4次课项目试运行并测试，调试并记录问题，进行总结。第5次课汇报展示，总结反思项目进行过程中的得失，交流分享经验。5.项目实施（1）终端分布规划。根据校园具体道路和房屋分布情况，提前放置多个终端（乐动掌控板）做好标识，估算终端距离并制作表格登記距离，表格要求是二维双向的，方便后期的程序编写。（2）RFID传感器。RFID传感器是一种无线数据收发的电子设备，具有无线通信、自动识别和远程监测等功能。它采用射频技术，能够通过无线方式将数据传输到特定读写器，因此被广泛应用于各种场合中。智慧校园网络学生一卡通是一个基于RFID技术的应用，学生配备一个带有RFID芯片的一卡通，在校内食堂、图书馆实现多种应用[3]。（3）本地数据保存。由于MQTT消息的订阅者模式，通常每次触发只能获取到最新的消息，为了获取历史记录，使用Python的requests库完成自定义数据读取。首先需要安装requests库，使用requests.get（）方法自定义请求的内容，注意使用json格式封装数据，返回值是一个字典，解析后可以使用[4]。（4）数据报告展示。原始返回的数据直接显示不够明确，需要对其进行格式化并添加相应的文字说明，例如，运动量2000m，运动强度75m/min。这样就需要对原始数据进行数据类型转化、字符串拼接等处理。当然，为了显示友好，还可以增加姓名和性别等辅助信息[5]。6.问题反思这个项目充分利用了校园网的基础设施，包括校园电路、Wi-Fi网络、学生校园卡和物联网教室掌控板设备等，降低了开发和部署的难度，使其可以顺利完成教学。设计程序关键技术实现读取历史数据记录。然而也存在一些问题，如每次只能刷一人，出现排队情况；采集的数据简单，缺少血压、心率等数据，导致运动健康监测不准确。未来可更换智能设备，提升刷卡效率。例如，使用人工智能摄像头和增加心率、血压等身体数据传感器。还可以对保存时间较长的数据进行分析，得出运动与身体发育的关系，并接入小程序，让家长在家了解学生的学校运动情