基于STEM理念的物联网项目式教学探索

【摘要】本文基于掌控板、物联网设计话筒跌落监测系统，开展项目式学习；融合科学、技术、数学等多学科知识，有效利用掌控板与物联网平台，搭建物联网系统；探索利用物联网解决实际问题的方法，培养学生发现、分析、解决问题的能力。【关键词】掌控板；物联网；STEM；项目式学习《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》把物联网实践与探索列入课程模块。物联网以其全面感知、可靠传输、智能处理等特点，推动信息科技发展与普及，同时物联网融合了科学、技术、工程、数学等学科知识。掌控板是一款教学用开源硬件，自带物联模块，实现了物联网采集终端的低成本化，结合简单易用的SIot、EsayIot、阿里云、OneNet等物联网平台，能够快速进行简易物联系统的设计与搭建，探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能，让物联网技术进入中小学课堂成为可能。并且通过便捷的数据采集方式，帮助学生通过“数据探究”的方式去研究科学问题[1]。本文基于掌控板设计话筒跌落监测系统，采取STEM理念下的项目式学习方法，探索物联网教学模式，以期更好地完成教学目标。项目提出，界定问题学生在文艺汇演中发现，无线话筒不慎跌落，撞击地面的声音被音响放大，会发出刺耳的声音，引起听众不适。为解决这一问题提出设计项目，学生对其有一定的了解和认知。话筒跌落、音响涉及中学物理落体运动、电路结构、声音传播、电磁感应等知识。项目场景来源于学生的生活，涉及科学、技术、数学知识，具有一定的复杂性和挑战性。分解问题，抽象特征，提出解决方案话筒跌落监测系统具有监测话筒跌落和控制音响静音的功能。根据功能，将设计问题细化为以下几个小任务，并抽象其关键特征，提出解决方案。任务一：监测话筒跌落。无线话筒跌落过程中空气阻力影响较小，可看作自由落体运动，其下落的加速度约为9.8m/s2。因此，用掌控板加速度传感器作为物联网的感知层，实时监测无线话筒的加速度值，判定无线话筒所处状态。任务二：数据的网络传输。使用1956开发板构建物联网网络层，实现控制信号的传输，以及加速度数据的应用分析。任务三：远程控制音响静音。音频输入控制器由掌控板和继电器组成，作为物联网的应用层。当掌控板接收到物联网控制信号，控制继电器的断开或闭合，实现音响静音或正常工作的切换。如图1所示，通过各部分相互协作，实现了数据的交流通信。图1

话筒跌落监测系统硬件组成与软件设计1.硬件组成话筒跌落监测系统由两个掌控板、1956开发板、固态继电器、话筒、音响等组成。1956开发板搭载人工智能和物联网双主控，结合板载集成的硬件和拓展接口，支持完成人工智能、物联网、STEAM、创客教育等各类项目开发与制作。本文将1956开发板作为局域网服务器，搭建物联网平台，实现感知层和应用层的数据传输。在无互联网环境下，也可以应用本系统。固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。较之电磁继电器可靠性更高，且无触点、寿命长、速度快，对外界的干扰也小，已被广泛应用[2]。本文设计音频控制器的电路原理如图2所示。默认状态下，继电器闭合，音响正常工作。当掌控板收到音响静音信号，通过P1口控制继电器断开，关闭音频信号输入，音响静音。由此可见，继电器连接着控制系统和被控制系统，发挥中介开关的作用。图2

音频控制器电路原理图2.软件设计使用mPython进行编程，该软件有图形化编程和Python两种模式，模块种类多，提供代码库、通用传感器等，新手很容易使用。程序编写具体思路如下。（1）首先给系统供电，连接网络，建立UDP连接，实现多对多物联网，开始采集加速度值，若加速度值持续大于9.7小于10，则判定话筒处于落体运动状态，红灯警示；否则判定为正常状态。将控制信息及采集的加速度数值上传SIot服务器，进行数据分析测试（程序略）。（2）音频控制器接收控制信号，若正常则继电器执行闭合操作，音频输入正常。若落体运动，则继电器执行断开操作，切断音频输入，音响静音（程序略）。系统的测试运行硬件连接、程序编写完成后，开始进入测试运行阶段。除测试系统功能外，还需要测试系统的两个重要指标。一是系统响应速度，监测系统能否在话筒落地前完成静音功能。二是误报率，系统能否规避因人为剧烈晃动话筒使得掌控板误判话筒跌落，导致音响静音。如果存在问题，需要进一步分析原因，重新设定参数或者重新设计方案，再次建立模型系统并测试。测试结果：程序响应时间约为0.6ms，在此时间内话筒自由下落的高度由h=gt2/2得出约为1.8*10-6m，响应速度快。根据上传到SIot的加速度数据，测试发现话筒落体运动过程中加速度恒定，大小为9.8m/s2，与地面碰撞时加速度突然变大；人为晃动的加速度时间图像没有特定规律，加速度变化范围较大。人为极难持续做出加速度大小恒等于9.8m/s2的运动。因此，可以调整加速度取值范围及持续时间，作为无线话筒落体运动的判定条件，降低误报率。结

语基于STEM理念的物联网项目式学习具有学科融合性、情境性、趣味性、体验性，着重培养学生解决实际问题的能力，更符合新时代素质教育的要求。通过话筒跌落监测系统的设计，学生可以