學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)課的支持
——以《搭建智能充電樁》教學(xué)設(shè)計(jì)為例

陳莉 江蘇省南京市人民中學(xué)

● 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)正逐漸改變著人們的生活方式，在教育領(lǐng)域，很多學(xué)校也運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)促進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)和高效管理。例如，筆者所在學(xué)校每一間教室的空調(diào)都做了智能改造，增加了網(wǎng)關(guān)、溫度傳感器和紅外控制器，溫度傳感器每分鐘都會(huì)將捕捉到的教室溫度傳遞給網(wǎng)關(guān)，一旦教室溫度值超出健康范圍，網(wǎng)關(guān)就會(huì)給紅外控制器發(fā)出指令，重新設(shè)置空調(diào)的溫度。又如，學(xué)生放學(xué)忘關(guān)空調(diào)、計(jì)算機(jī)會(huì)造成能源浪費(fèi)及安全隱患，通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)，班主任可以在手機(jī)上查看自己班級(jí)的設(shè)備是否正常關(guān)閉，如果未關(guān)閉，可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程操作。再如，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上保留了每一臺(tái)設(shè)備每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)，學(xué)校每個(gè)月都會(huì)從平臺(tái)上導(dǎo)出各班能耗，以此為依據(jù)評(píng)比節(jié)能標(biāo)兵，對(duì)學(xué)生進(jìn)行節(jié)能教育。此外，學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在建成后，根據(jù)實(shí)際需要能隨時(shí)添加新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更多智能管理。

● 物聯(lián)大平臺(tái)，創(chuàng)意小課堂

學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)除了能接入設(shè)備，還能開(kāi)展多項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，如筆者就借助學(xué)校的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)“虛擬實(shí)驗(yàn)室”（如圖1），專門用于信息技術(shù)課的教學(xué)，學(xué)生在這里可以體驗(yàn)“智能充電樁”“漫水報(bào)警”等應(yīng)用場(chǎng)景。下面，筆者就以《搭建智能充電樁》一課為例，談?wù)勅绾问褂脤W(xué)校物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持信息技術(shù)教學(xué)。

1.教學(xué)背景

本課是高中信息技術(shù)必修二“信息系統(tǒng)與社會(huì)”中的“信息系統(tǒng)組成與應(yīng)用”部分的內(nèi)容，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式，了解常見(jiàn)的傳感與控制機(jī)制。

2.教學(xué)策略

依托學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，筆者設(shè)計(jì)了“搭建智能充電樁”實(shí)驗(yàn)課，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)傳感器，記錄傳感器捕捉的物理環(huán)境數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)智能聯(lián)動(dòng)，解決實(shí)際問(wèn)題。

3.教學(xué)過(guò)程

（1）情境引入

師：生活中電瓶車充電安全事故頻發(fā)，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，現(xiàn)在很多小區(qū)都建立了集中充電點(diǎn)，有的還安裝了智能充電樁，學(xué)校也希望利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能管控充電樁，接下來(lái)我們就通過(guò)“搭建智能充電樁”實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)物聯(lián)網(wǎng)充電樁能否實(shí)現(xiàn)安全充電。

（2）問(wèn)題分析

學(xué)生通過(guò)自主研學(xué)，了解電瓶車充電安全事故中的主要原因，思考要想管控充電樁需要解決什么問(wèn)題。

（3）實(shí)驗(yàn)1——系統(tǒng)搭建

①認(rèn)識(shí)設(shè)備。

網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)即智能控制主機(jī)，相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的大腦中樞，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與平臺(tái)之間的傳遞，還負(fù)責(zé)將平臺(tái)的指令下發(fā)到具體的執(zhí)行設(shè)備上。

充電樁：每個(gè)小組都有一個(gè)智能插座，即實(shí)驗(yàn)?zāi)M的充電樁（如圖2）。向?qū)W生展示一個(gè)拆解的智能插座（如圖3）和普通插座圖片，經(jīng)過(guò)對(duì)比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)智能插座里多了一塊電路板，其具有探測(cè)電路參數(shù)和控制電路的作用。

用電器：每組都有兩個(gè)用電器，可以模擬需要充電的電動(dòng)車；小功率的臺(tái)燈或電扇，用來(lái)模擬正常充電的電動(dòng)車；大功率的電吹風(fēng)或取暖器，用來(lái)模擬充電電路異常時(shí)的電動(dòng)車。

②系統(tǒng)搭建。

安裝網(wǎng)關(guān)：如果教室本身就有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，那么網(wǎng)關(guān)已安裝好，向?qū)W生指明其安裝的位置即可；如果教室沒(méi)有安裝物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可現(xiàn)場(chǎng)演示安裝，其他參數(shù)事先調(diào)試好，課堂內(nèi)只要接通電源、連入網(wǎng)線即可。

安裝充電樁：每個(gè)小組都配有模擬充電樁的智能插座，由學(xué)生插入指定的電源插座。

登錄平臺(tái)：學(xué)生根據(jù)本組充電樁上的賬號(hào)登錄到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，只要平臺(tái)提示本組充電樁狀態(tài)正常，即為本組系統(tǒng)搭建成功。

（4）實(shí)驗(yàn)2——評(píng)測(cè)充電樁

雖然智能充電樁系統(tǒng)搭建好了，但是它能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，解決實(shí)際問(wèn)題，還需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的測(cè)評(píng)。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

遠(yuǎn)程控制充電樁：學(xué)生把小臺(tái)燈插入充電樁時(shí)燈并沒(méi)有亮，充電樁未供電；學(xué)生在平臺(tái)上點(diǎn)擊相關(guān)按鈕可遠(yuǎn)程控制充電樁的工作狀態(tài)。

設(shè)計(jì)意圖：在現(xiàn)實(shí)生活中，并不是任何人的電動(dòng)車都能隨意接入學(xué)校充電樁，只有通過(guò)掃碼等方式認(rèn)證的電動(dòng)車才可以正常充電。如果是在小區(qū)等公共場(chǎng)所，則要認(rèn)證身份并開(kāi)始計(jì)費(fèi)后才能進(jìn)行供電。

控制充電時(shí)長(zhǎng)：當(dāng)接入用電器、通過(guò)身份認(rèn)證、正常供電后，電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，學(xué)生在充電平臺(tái)上可以觀察倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)；當(dāng)充電完成后，可以觀察臺(tái)燈是否自動(dòng)關(guān)閉，電路是否自動(dòng)斷電。

設(shè)計(jì)意圖：充電計(jì)時(shí)的功能很重要，生活中導(dǎo)致電動(dòng)車充電事故發(fā)生的一個(gè)很重要的原因就是長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度充電，因此充電系統(tǒng)需要具有控制充電時(shí)長(zhǎng)的功能。

異常熔斷控制：在充電樁正常供電、用電器正常使用的狀態(tài)下，引導(dǎo)學(xué)生觀察并記錄充電平臺(tái)上的各類數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生在平臺(tái)管理模式下，完成觸發(fā)聯(lián)動(dòng)腳本的設(shè)置，即當(dāng)充電電路中電流達(dá)到或超過(guò)某個(gè)值時(shí)，就自動(dòng)熔斷電路，切斷隱患。每組學(xué)生在將插在充電樁上的常規(guī)用電器換成大功率用電器（電吹風(fēng)或取暖器）后，觀察并記錄充電平臺(tái)上的各類數(shù)據(jù)，同時(shí)觀察平臺(tái)是否有報(bào)警顯示，電路是否自動(dòng)阻斷。

設(shè)計(jì)意圖：“異常熔斷控制”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親自設(shè)置電流過(guò)載值，并體驗(yàn)電流過(guò)載時(shí)電路的報(bào)警、熔斷過(guò)程，從而了解智能充電樁的主要功能及工作原理。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告：筆者提供了具體的報(bào)告，如右表所示。

（5）歸納總結(jié)

通過(guò)本節(jié)課“搭建智能充電樁”實(shí)驗(yàn)，我們了解到：①智能充電樁系統(tǒng)主要具備的功能有遠(yuǎn)程控制、充電時(shí)長(zhǎng)控制、電流過(guò)載熔斷等；②物聯(lián)系統(tǒng)靠傳感技術(shù)、識(shí)別技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)來(lái)感知并獲取物理世界的信息；③物聯(lián)系統(tǒng)靠程序來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。

● 技術(shù)促進(jìn)管理，裝備支持教學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被稱為信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新，與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)一起共同改變著人們的生活方式，學(xué)校建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)起初只是為了解決管理上的痛點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中逐漸發(fā)現(xiàn)物與物的相連也促進(jìn)了管理理念和工作方式的改變。《搭建智能充電樁》一課讓筆者深刻地體會(huì)到，信息技術(shù)教學(xué)與學(xué)校信息化建設(shè)有著緊密聯(lián)系。信息技術(shù)課程把最新的技術(shù)帶到學(xué)生身邊也帶進(jìn)學(xué)校建設(shè)，促進(jìn)了學(xué)校裝備的提升，而學(xué)校的建設(shè)項(xiàng)目也是最好的教學(xué)素材和案例。

小組編號(hào)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 實(shí)驗(yàn)記錄遠(yuǎn)程控制充電樁本組接入充電樁的用電器是：遠(yuǎn)程打開(kāi)充電樁開(kāi)關(guān)后觀察到的現(xiàn)象是：可以遠(yuǎn)程控制充電樁的供電，在實(shí)際生活中有怎樣的意義：充電時(shí)長(zhǎng)控制該電路有沒(méi)有用電時(shí)長(zhǎng)的限制：在實(shí)際生活中，對(duì)充電樁限制充電時(shí)長(zhǎng)的意義是：記錄用電器數(shù)據(jù)此時(shí)用電器電流為（A）：該用電器實(shí)際功率為（W）：平臺(tái)上可以獲取用電器的即時(shí)電流，還能計(jì)算其用電量，在實(shí)際生活中具有怎樣的意義：控制大電流你在管理平臺(tái)中設(shè)置的充電樁的最大電流是（A）：此時(shí)你接入的用電器是：該用電器工作后的即時(shí)電流是（A）：該用電器的實(shí)際功率是：該用電器超過(guò)限制電流后，電路有沒(méi)有自動(dòng)阻斷：該用電器超過(guò)限制電流后，平臺(tái)有沒(méi)有報(bào)警提示：此時(shí)該電路有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電流過(guò)載的自動(dòng)保護(hù)功能：思考創(chuàng)新 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，你覺(jué)得類似的電路控制還可以用在什么地方：

本節(jié)課的創(chuàng)新之處是案例新穎，而且投資成本較低，整節(jié)課使用的平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)等主要設(shè)備都是學(xué)校已有的，只增加了幾個(gè)智能插座，但學(xué)生的體驗(yàn)效果卻很好。