基于Arduino物聯網的實驗教學探索

曹剛

摘要：本文闡述了筆者在探索物聯網實驗教學過程中積累的一些經驗，同時也對其進行了深入剖析。

關鍵詞：物聯網；實驗教學；Arduino

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）12-0067-02

1995年比爾·蓋茨在《未來之路》中提到了“物聯網”，2010年溫家寶在政府工作報告中提出“加快物聯網的研發應用”。物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。中學信息技術課程設置的初衷是“為學生適應信息化社會的學習、工作、生活與競爭的需要提供支持”，所以中學階段進行物聯網相關知識與技能的教學就顯得尤為重要。以下是筆者根據這兩年課題研究的進展和計算機社團實踐的積累所總結的經驗，以期與同行共享。

教學內容的選擇

物聯網涉及的內容很多，對于中學物聯網教學內容的選擇應該從小處著眼，從我們身邊的事例著手，這樣教師的教、學生的學都比較容易上手。

1.硬件平臺——Arduino UNO

物聯網的基礎設備是各種傳感器，硬件平臺的作用就是將這些傳感器數據匯集到一起，然后再根據具體需要進行下一步動作，控制一些外圍設備。這樣的一種硬件平臺其實是一塊電路板，在這塊電路板上有數字接口、模擬接口或者串口等常見接口。之所以選擇Arduino作為物聯網教學的硬件平臺，原因有三：一是Arduino是開源的，可以得到關于它的很多資料；二是Arduino板子接口豐富，價格便宜；三是Arduino的編程方式簡單，且硬件調試方便，一根USB線連接到計算機即可完成。現在用的Arduino板子是最新的版本：Arduino UNO。

2.外圍設備——傳感器、執行器等

如果將Arduino看作是物聯網的大腦，那么傳感器就是物聯網的眼睛、耳朵、鼻子和全身的神經系統，負責從外界搜集信息傳送給大腦；還有一些外圍設備被稱之為執行器，可以看作是它的手和腳，如LED燈、繼電器、PWM電機等。筆者將按照教學的先后順序介紹幾種常用的外圍設備及相應的實驗項目。

（1）第一個實驗——點亮LED燈

LED燈又稱為發光二極管，是一種很簡單的元器件，之所以第一個實驗要做它，原因有三：一是實驗簡單，學生容易產生成就感；二是由于外設簡單，主要的精力可放在了解Arduino UNO和Arduino IDE（編程環境）上；三是驅動LED燈的原理雖然簡單，但是與驅動其他執行器的方法大同小異，可為學習其他復雜執行器打好基礎。

（2）第二個實驗——光敏傳感器控制LED燈的亮滅

“有光”、“沒光”這兩種狀態會使光敏傳感器向Arduino UNO發送不同的信號，根據不一樣的信號，Arduino UNO再控制LED燈的亮或滅。絕大多數傳感器感應外部環境再去控制執行器的原理是一樣的，且硬件的連接與軟件的編程都是類似的，不同的僅是有的傳感器輸出的是數字信號，而有的輸出的是模擬信號。

（3）一系列的實驗

基于Arduino物聯網可開展的實驗有很多，在實驗的選擇上應遵循生活化原則，實驗的設計要和生活相關，這樣教學內容能很好地納入學生原有的認知結構，且以原有生活為基礎也利于學生的創新，同時在實驗設計上也要兼顧到學生的興趣。例如，土壤濕度傳感器和蜂鳴器組合制作“花卉澆水提醒系統”；溫度傳感器和液晶顯示屏組合制作“溫馨水杯”等。這樣的組合還有很多，學生完全可以自己去設計和創新。

3.無線通信模塊——WiFiShield

物聯網的基礎是傳感器和網絡，網絡中又以無線網絡為物聯網的最優配置。基于Arduino的無線網絡技術有很多，如WiFi、ZigBee、紅外線等。之所以選擇WiFi來進行教學，是因為WiFi所用的無線標準是現在無線網絡的主流標準，利于物聯網與互聯網傳遞信息，且Arduino官方有現成的WiFi連接庫，設計者不必把精力花在WiFi連接上，而只需把精力花在物聯網的功能設計上。這部分內容對于學生學習而言有一定難度，可作為拓展知識來進行學習。

教學活動的安排

1.教學的組織形式

物聯網的內容還沒有納入中學信息技術課程的常規教學，這方面的教學活動只能在興趣小組或社團活動中開展。由于物聯網的實驗項目需要多人合作完成，所以學生的學習也多以小組合作的形式展開，小組人員以4～6人為宜，設一組長，協調分工與合作。在完成實驗項目的過程中，需要一臺計算機用以編程，需要一個大的工作臺用來組裝Arduino UNO及其相關的元器件，這時，傳統的計算機房已不能滿足要求，所以可以考慮與通用技術合用實驗室。

2.教師的教學方式

課堂教學中教師的講授仍然是教學的主要形式，只是由于授課內容的不同，還會采用一些別的教學方式，如研討式、實踐活動式，而這兩種恰恰又是物聯網實驗教學最適合的方式。物聯網的很多教學內容都需要以實驗的形式展開，這樣的實踐活動主要分兩種，一種是模仿教師的操作完成規定的實驗項目，另一種是在原有實驗項目的基礎上進行創新。對于第二種實踐活動學生一個人的力量有時是完成不了的，需要學生與學生或者是學生與教師圍繞活動要求進行討論與思考，互相學習、互相啟發，共同完成這個任務。

3.學生的學習方法

創新是物聯網發展的生命力，但是創新不能是無源之水、無本之末，創新需要大量知識的積累，需要學生自發地去學習新的知識。所以，教師在教學的過程中也應該傳授給學生自主學習的方法，跟學生講教師自己是如何學習新知識的。在物聯網的學習過程中，突出學生的主體地位，教師不妨成為學生學習的助手，輔助他們完成自己想要達成的學習目標。

評價指標的制定

自從有了課堂就有了評價，課堂評價可以見證學生的發展，評價教學實施的質量。評價的方式有很多，評價的策略也不少，但是最核心的應該是評價的指標。制定了評價的指標，才能選擇最優的評價方式、最適合的評價策略，甚至于還能優化教學設計。不同的教學內容，評價的指標是不一樣的，但是評價的方向是一致的，物聯網課堂學習效果的評價可以從知識學習的效果、技能掌握的水平、學習習慣的養成、創新精神和實踐能力的提升等四個方面展開。

例如，實驗項目“溫馨水杯”的實現方法是通過溫度傳感器將溫度示數顯示在液晶屏上，其課堂評價的評價表如上表所示。

科技改變生活，物聯網的發展也會影響我們的行為習慣，提高我們的生活質量。在這次信息產業發展的浪潮中，作為信息技術教師應該責無旁貸，積極地參與其中，積極探索出一套基于Arduino物聯網的實驗教學模式，做好學生物聯網學習的領路人，使他們在以后工作生活中能更好地運用物聯網，甚至能為物聯網的發展做出貢獻。

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