“燈泡君”也有智能范兒

設計依據

隨著物聯網技術的逐步成熟與廣泛應用，物聯網已經走入人們的生活。基于物聯網技術的智能家居產品不斷發展、普及，逐漸走入普通家庭，為人們帶來更方便的生活體驗。智能家居系統中，家居照明智能控制系統是重要組成部分之一。本項目希望通過簡單的智能流水燈軟硬件系統的設計和搭建，讓學生體驗智能家居的技術特點，理解物聯網的內涵。

課例特色

本實踐活動通過搭建Arduino Nano主控板、藍牙模塊和LED燈，模擬家居照明系統，通過App Inventor手機應用程序與藍牙模塊的通信，借助Arduino Nano主控板處理并輸出控制LED燈按設計需求點亮與熄滅，達到模擬智能控制家居照明目的。整個實踐活動以工程技術驅動的STEM教育理念引導學生思考，培養學生在解決真實情境問題中的動手實踐能力、計算思維以及創新創造能力。

內容呈現

一、創設真實問題情境

教師通過介紹諸如比爾·蓋茨未來屋等物聯網技術在智能家居的應用，以及利用手機控制很多家居產品的案例，引導學生產生聯想，為自己創設智能家居中智能燈光控制系統的情境。

學生通過調研、閱讀、研討、交流，了解什么是物聯網，物聯網和智能家居是什么關系，哪些產品或功能體現了家居的智能特性。并且小組進行協作，通過聯想、調研、交流和分析，談談家中哪些產品已經具有或可以通過加載智能功能達到家居的智能特性。

二、問題聚焦

教師引導學生認識到物聯網是建立在智能互聯基礎上的概念，了解本次實踐活動中實現智能互聯的硬件模塊：Arduino Nano主控板、主從一體藍牙模塊、LED燈以及它們在智能系統中的功能。

學生思考智能家居系統中，包含哪些產品、技術和方法，例如智能照明、智能電飯鍋、掃地機器人等，都是通過什么技術、方法或途徑實現的。

三、觀察思考設計

教師播放流水燈視頻，演示自己制作的流水燈手機App控制系統，引導學生通過觀察各種流水燈的形狀和變換順序等，根據給定組件，設計自己的燈光變換模式。

學生觀察各種流水燈的形狀和變換順序等，根據給定組件，設計自己的燈光變換模式（如表1）。

表1

[LED1～8亮滅

變換方式控制

方式實現

效果變換

方式1逐一點亮或者

熄滅某盞燈文本框發送文字命令每次某個燈單亮變換

方式2LED1～8號燈像鋼琴鍵一樣，隨手指滑過屏幕依次點亮或者依次熄滅滑動條流水燈

效果]

四、對比探究

教師引導學生觀察組件上面每個引腳的名稱、用途、連接注意事項等，并繪制硬件系統連接圖（如圖1）。

學生獨自繪制硬件系統連接圖；熟悉各個引腳的名稱和功能。

[藍牙模塊][5V

GND

TX

RX][5V

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

D10][VIN

GND

A5

A4][VCC

LED1

LED2

LED3

LED4

LED5

LED6

LED7

LED8][LED

燈][Arduino

Nano]

圖1

五、動手操作

1.搭建硬件系統

教師引導學生根據功能設計連接圖，搭建硬件系統。LED燈引腳很多，藍牙模塊引腳的對應關系也比較復雜，教師要引導學生注意不同模塊組件引腳的對應關系，不要插反，以免燒壞模塊。

學生按照連接圖，搭建流水燈系統的硬件系統（如圖2），在搭建過程要注意不同模塊組件引腳的對應關系，了解Arduino Nano的編程和燒制。

思考探究：繪制系統信號傳送和處理方向，觀察本次實踐活動實現的軟硬件系統中，藍牙模塊的數據傳輸方向，是雙向還是單向，為什么，是什么功能需求決定了這樣的傳輸方向，并思考上面設計拓展中應用的數據傳輸是單向還是雙向。

2.編制軟件程序

教師引導學生認識Google公司的圖形編碼程序App Inventor編程環境，利用App Inventor編制手機控制LED變化的應用程序。教師要引導學生按照自己設計的功能方案進行編碼，例如：教師告訴大家，如果發送10*為LED1滅，11*為LED1燈亮。依次類推，80*就是LED8燈滅，81*就是LED8燈亮。根據這個信息，首先進入程序設計第一階段：厘清自己設計的變換方式，也就是需求分析，設計自己的界面。

學生打開Google瀏覽器，在地址欄鍵入app.gzjkw.net，用自己賬號注冊登錄，進入App Inventor編程環境，新建項目開始編程，或者導入教師給的半成品項目文件，編制手機應用程序。

3.調試程序

教師提醒學生安裝手機應用程序AI伴侶MIT AI2 Companion，可以方便在手機和電腦之間調試App程序。

學生在手機端安裝手機AI伴侶，通過 “連接-AI伴侶”命令彈出的二維碼窗口，將編制好的程序傳至手機端測試；啟動手機上安裝的AI伴侶MIT AI2 Companion，通過“scan QR code”命令掃描電腦屏幕二維碼；獲得6位二維碼后，通過“connect with code”命令進入手機App客戶端進行程序功能調試。

學生按照前面軟件功能設計，補全以下程序并說出其實現的功能：

該模塊功能是：

該模塊功能是：

該模塊功能是：

4.發布手機應用程序

教師發布時命名App為“流水燈”，測試完成系統實現，注意引導學生總結軟件調試的方法，有針對性地排查程序設計問題。

學生調試發布手機App程序，命名為自己的個性化名稱，并在手機上安裝運行，實現流水燈效果。

5.測試運行

運行整個系統，測試各項功能，并進行功能和結構評價。

6.技術總結文檔整理

教師分析流水燈系統功能設計圖，引導學生認識物聯網的功能組成、軟硬件實現、智能系統組成，了解軟件工程的各個環節；引導學生關注系統設計、功能測試和軟件調試的過程和方法；引導學生總結基于項目學習的步驟，總結系統開發進程和軟件生命周期。

學生總結整理整個項目從需求分析、編碼實現、運行測試到發布使用全過程；體驗工程設計與實現的步驟。

實踐反思

1.通過小組交流、閱讀材料、資料搜索等方式，積極設計簡單流水燈系統，思考該系統還可以用來做什么。2.分析整個項目系統，觀察信號傳輸方向，思考它與系統功能的關系。設想：增加功能是否會增加信號傳輸程序的復雜性。3.知曉物聯網智能互聯多種方式的技術原理、優缺點及適用場合。

拓展提升

設計拓展：思考現有的硬件系統，除了智能控制家居照明，還可以用于哪些場景中。補全表2，也可添加新的場景及相應功能描述。

表2

[應用

場景功能描述是否需要添加

新的組件家庭除了深夜回家外，人在家中，可以手機任意控制任意一盞燈的明暗、亮滅亮滅不需要添加新組件，但是明暗需要添加傳感器教室現場即時評價器：（ ） 競賽搶答器：（ ） 家庭娛樂流水燈，音樂流水燈：

（ ） ]

提出新問題：除了利用藍牙傳輸數據，還有哪些傳輸數據的方式？

思考：回歸真實情境，硬件和軟件系統如何應用在真正的照明系統中？

教學點評

本項目在設計過程中，緊緊抓住基于STEM理念的課程教學中最關注的三個問題：一是解決真實情境問題，二是以學生為中心，三是注重學生自主活動的支撐材料設計。在以學生為中心的活動中，以真實情境問題為引導，培養學生發現問題、解決問題的關鍵能力，在小組合作學習、突破難點、科學探索中，培養學生發展的必備品格。（點評人：王振強，北京教育科學研究院基礎教育教學研究中心信息技術教研室主任）