物聯網智能家居系統

李宏亮　王世達

教學背景

隨著信息技術的發展以及物聯網技術的普及與應用，各種國產品牌智能家居系統、設備出現在人們的日常生活中，是智慧生活中不可或缺的一環，為人們的生活提供極大便利。本節課基于物聯網技術，結合智能硬件童芯派與圖形化編程軟件慧編程，以設計智能家居系統這一真實問題情境，以燈光控制為切入點，從按鈕控制到語音識別控制，將物聯網技術與人工智能技術進一步融合，軟硬件結合、層層遞進，讓學生體驗更真實的編程應用場景，經歷問題解決的完整過程。

教學目標

知識與技能 了解物聯網的原理與常見應用，區別發送端與接收端的任務與需求，掌握物聯網模塊及下屬積木的使用，熟悉人工智能語音識別技術的應用。

過程與方法 通過對觀察到的現象進行程序邏輯分析，學會如何解決問題，提升計算思維。

情感態度與價值觀 感受物聯網這一新技術給生活帶來的便利，更好地適應信息化社會，提升探究能力、信息素養，學會從程序的使用者轉變為程序的設計者。

教學重點與難點

教學重點 了解物聯網的定義、工作原理及應用領域;學會對觀察到的現象進行程序邏輯分析。

教學難點 發送端與接收端的功能與需求的區分;物聯網與人工智能技術的綜合運用。

教學準備

學生端：計算機、童芯派（含遙桿、光線傳感器、麥克風、帶有Wi-Fi和藍牙的ESP32、全彩顯示屏、2個按鈕、揚聲器、陀螺儀、加速度計、RGB燈帶5顆）、USB Type-C數據線、慧編程軟件、“物聯網模塊使用”微視頻。

教師端：路由器（用于搭建無線網絡）、智能家居系統教具及相關微視頻、極域電子教室軟件、“智能家居”教學演示文稿、慧編程軟件等。

教學過程

一、情境導入，引出概念

1.播放視頻，激發興趣

教師通過極域電子教室軟件投屏播放一段“物聯網智能家居”視頻，讓學生直觀感受智能家居的魅力，同時提出問題，開始構建情境。

問題一：你家中是否有這樣的智能家居？和你的日常生活相比，視頻中的智能家居有什么優勢？

問題二：視頻中的智能家居系統控制器與執行機構間通過什么傳輸指令？比如風扇是怎么接收到童芯派發出的打開命令的？

學生經過簡單的思考與討論后，交流、分享討論結果：智能家居相對傳統家居，能為人們的生活提供更多的便利，控制器與執行器之間可能是通過網絡、路由器、Wi-Fi進行指令傳輸。隨后，教師引出物聯網概念。

2.頭腦風暴，暢所欲言

師：同學們知道什么是物聯網嗎？物聯網的應用領域有哪些？

學生對物聯網這一概念的定義、未來的物聯網世界進行簡單的猜測與暢想，探討并交流、分享。師生共同討論物聯網的準確定義及常見應用領域，初步認識物聯網對未來世界的重要性。

教師總結：物聯網就是各種信息傳感設備通過網絡相連，將物體上的信息、標簽等數據通過信息傳播媒介進行交換和通信，給物體賦予智能，實現物與物、人與物的溝通交流。物聯網的應用領域包括本課重點探究的智能家居、智慧健康（通過智能設備收集人的心率、血氧、血壓等數據傳輸到云端進行數據分析，從而得知身體的健康情況）、工業檢測（通過傳感器收集溫度、壓力、速度等數據傳輸到服務器，判斷機器的工作狀態）、智慧交通（結合人工智能、云計算，實現交通運輸最優路線的實時決策）。

二、探究原理，實踐操作

1.分析程序，厘清思路

教師引導學生對智能家居系統中的“智能燈光控制系統”進行程序邏輯分析，厘清思路，利用排序的方法梳理整個智能燈光控制流程，著重區分發送端與接收端的任務，如圖1。

2.觀看視頻，自主學習

學生打開“物聯網模塊使用”微視頻，自主學習慧編程軟件物聯網模塊的發送賬號云廣播、當接收賬號云廣播等積木的使用;熟練掌握慧編程軟件基本操作及容易出錯的自檢要點。

3.基于問題，實踐操作

教師組織學生分組開展項目活動，結合程序分析結果與自主學習內容，2人一組2套設備，編程實現“用童芯派A的按鈕控制童芯派B的燈光開關”功能。同時，教師提出問題“賬號云廣播發送內容與接收內容是否必須是文字內容，試試別的數字或字母是否會影響結果”，引導學生帶著問題開展實踐，在實踐中解決問題。

學生完成任務后，展示成果，如圖2。師生相互交流，得出“只要發送內容和接收內容對應，不同發送內容之間能區分即可，發送內容是文字還是數字形式都不影響結果，因此可以盡量簡化發送內容”的結論。

三、小組合作，拓展探究

1.自主添加、設計功能

教師在實踐的基礎上，提出“想用物聯網讓LED燈帶能夠有不同顏色的變換”的情境需求，引導學生自主添加、設計更多的功能。經過10分鐘左右的自主實踐活動后，學生基本掌握物聯網的使用，能實現自己的想法，并簡單地交流、展示自己的作品。

2.結合教具，迭代更新

教師使用智能家居系統教具演示用“語音識別技術”進行智能家居系統的控制，給予學生最直觀的感受，提出進一步嘗試“語音識別控制燈光并設計更多相關功能”的情境需求。

學生思考討論結合語音識別技術，程序可能需要用到的模塊，并思考在原程序的基礎上哪些地方需要修改，從而實現人工智能語音識別技術與物聯網的融合應用。此外，學生已有了自主添加、設計功能的經驗，并且有自學內容的支撐（教師提前錄制好相關微視頻），在這一環節可以獨立完成為智能家居系統添加通過語音識別技術控制燈光開關的功能，如圖3。

四、總結交流，拓展深化

1.展示交流，總結歸因

教師組織學生進行作品的展示交流，師生一起點評，對共性問題共同討論（如有學生混淆發送端、接收端的程序）。教師與學生共同總結課堂出現的問題，如有學生在編程中調用了“語音識別結果”這一變量，卻沒提前設置識別語音這一功能，使得程序出錯。

2.拓展探究，合作設計

經歷物聯網應用的小試牛刀后，學生以小組為單位，結合自己生活中的真實需求進行智能家居系統的項目設計，完成智能家居系統設計表（如下表）。

本課引導學生對智能家居系統進行探究，以智能家居系統中的“智能燈光控制”為主要切入點，結合智能硬件，利用物聯網技術實現遠程語音控制智能家居功能。學生經歷了一個完整的問題解決的過程：頭腦風暴—程序分析—自主學習—實踐操作—添加功能—迭代更新—總結交流。項目任務層層遞進，培養了學生的計算思維和創新素養。

李宏亮 上海市金鼎學校信息科技教師。曾指導學生獲得第二十二屆全國學生信息素養提升實踐活動二等獎，第三十九屆世界頭腦奧林匹克中國區決賽三等獎，2021年全國青少年科技模型網絡系列競賽一等獎，第十八屆上海未來工程師大賽“輕量座椅”項目一等獎，中國·上海第四屆青少年人工智能創新大賽暨全國邀請賽“AI樂享無人機”項目三等獎。