基于項目式教學(xué)開展物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索

【摘 要】義務(wù)教育信息科技課程中“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的教學(xué)需具備工具性、實踐性和創(chuàng)新性，這使得該模塊適合采用項目式教學(xué)。對于項目式教學(xué)中確定項目任務(wù)、制訂項目計劃、組織項目實施、檢查評估總結(jié)、交流分享等環(huán)節(jié)，不僅需要緊扣課標(biāo)要求，還要求教師具備較強的項目組織與引導(dǎo)的能力，并在整個過程中注重對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】項目式教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)；掌控板

【中圖分類號】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）012-064-03

研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，把握模塊特點

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊要求學(xué)生能通過簡易物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能，體驗物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，并要求學(xué)生了解身邊的物聯(lián)設(shè)備及其對塑造網(wǎng)絡(luò)虛擬身份的作用，有意識地保護(hù)個人隱私，進(jìn)行安全防護(hù)。針對該部分課標(biāo)內(nèi)容的落實，在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程中需具備工具性、實踐性和創(chuàng)新性。

1.工具性

一方面，物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計與搭建依賴于各種軟硬件工具的支持；另一方面，在核心素養(yǎng)培養(yǎng)和課標(biāo)內(nèi)容落實上，核心對象始終是人，因此不能只強調(diào)工具的引入。

2.實踐性

無論是探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制的基本內(nèi)容，還是體驗物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，都會涉及程序設(shè)計、硬件搭建、傳感器使用等方面內(nèi)容的教學(xué)，而這些都需要學(xué)生動手實踐才能真正掌握。

3.創(chuàng)新性

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，是推動大數(shù)據(jù)和人工智能等信息科技發(fā)展與普及不可或缺的重要組成部分。因此，需特別注重培養(yǎng)學(xué)生利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)造性解決問題的能力。

結(jié)合“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的教學(xué)特點以及課標(biāo)中所提倡的“倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)”的課程理念，本模塊宜采用由真實問題或項目驅(qū)動的項目式教學(xué)來落實該部分內(nèi)容，教師引導(dǎo)學(xué)生在真實情境中學(xué)習(xí)工具的運用，在體驗實踐過程中建構(gòu)知識，最終提升解決問題的能力[1]。

確定項目任務(wù)，制訂項目計劃

項目式教學(xué)遵循確定項目任務(wù)、制訂項目計劃、組織項目實施、檢查評估總結(jié)、交流分享等環(huán)節(jié)[2]。其中第一個環(huán)節(jié)便是根據(jù)真實情境下的具體問題來確定項目任務(wù)。對項目式教學(xué)而言，項目任務(wù)并不是隨意確定的。要確定準(zhǔn)確、合適的項目任務(wù)，需經(jīng)歷聚焦領(lǐng)域、發(fā)現(xiàn)問題、整理需求等過程。

1.聚焦領(lǐng)域

聚焦領(lǐng)域的目的是共情，即確定真實的情境領(lǐng)域，在學(xué)生中形成同理心，以便教師在教學(xué)過程中可以更好地引導(dǎo)學(xué)生共同前行。智慧社區(qū)是指利用物聯(lián)網(wǎng)等各種數(shù)字技術(shù)為社區(qū)居民提供安全、舒適、便利的現(xiàn)代化、智慧化生活的社區(qū)，是近年來國家所提倡的新型社區(qū)管理形態(tài)。選擇聚焦智慧社區(qū)中的某一方面內(nèi)容開展項目式教學(xué)，既容易貼近學(xué)生的生活實踐，也可以讓學(xué)生領(lǐng)略物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

2.發(fā)現(xiàn)問題

在確定聚焦領(lǐng)域后，教師可引導(dǎo)學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴法、同理心地圖法、實地調(diào)研法等方法來發(fā)現(xiàn)身邊存在的實際問題。如在小區(qū)“通知公告”窗口張貼的紙質(zhì)公告存在信息傳達(dá)不方便、不及時的問題；火警報警裝置一般只安裝在樓道口，在家中無人的時候發(fā)生火災(zāi)，很難及時察覺；住戶出門小區(qū)樓層越來越高，電梯等待時間也越來越長；小區(qū)內(nèi)空巢老人遇到意外難以及時被發(fā)現(xiàn)等。

3.整理需求

項目式教學(xué)的任務(wù)導(dǎo)向是解決問題，因此需要將匯總的問題整理成項目需求。以便在后序教學(xué)過程中圍繞著這些項目需求開展探究，最終回到實際問題的解決上。針對問題引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識，確定搭建“智慧社區(qū)物聯(lián)系統(tǒng)”項目來解決以上問題。

針對紙質(zhì)公告存在信息傳達(dá)不方便、不及時的問題，可以將包含顯示屏的信息終端安裝到每戶家庭內(nèi)部，并通過訂閱不同消息主題，實現(xiàn)社區(qū)、小區(qū)分級顯示；針對家中無人時發(fā)生火災(zāi)很難及時察覺的問題，可以在每個家庭信息顯示終端上集成煙霧傳感器來感知火災(zāi)警情，并通過聲音發(fā)出火災(zāi)報警，若發(fā)出火災(zāi)提醒一段時間內(nèi)還無人響應(yīng)，則自動將火災(zāi)信息上傳到物業(yè)消控報警終端；針對電梯等待時間長的問題，可以增加電梯按鍵執(zhí)行終端，當(dāng)住戶準(zhǔn)備出門時只要在信息終端按下按鍵就會遠(yuǎn)程控制電梯按鍵按下；針對空巢老人遇到意外難以及時被發(fā)現(xiàn)的問題，可以在信息終端設(shè)置“一鍵報警”按鈕，按下該按鈕后社區(qū)工作人員可及時收到求助信息，還可以通過程序自動分析住戶出門時間，若長期未出門，則自動發(fā)出預(yù)警。

在確定項目任務(wù)后，就需要制訂項目計劃。在本案例中，教師可引導(dǎo)學(xué)生圍繞“智慧社區(qū)物聯(lián)系統(tǒng)”項目需求，從人員分工、項目時間周期等方面制訂合理的項目計劃。考慮到本項目較為綜合，教師可將學(xué)生分多個學(xué)習(xí)小組分別分配任務(wù)，并盡量考慮小組之間任務(wù)難度和任務(wù)量的均衡。可參考表1所示的任務(wù)分配。

選擇合適設(shè)備，開展項目實施

項目實施的環(huán)節(jié)主要分為硬件選型和連接、開發(fā)平臺選擇、程序編寫幾個部分。根據(jù)“智慧社區(qū)物聯(lián)系統(tǒng)”項目的任務(wù)劃分，教師可根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)引導(dǎo)不同組別的學(xué)生開展項目實施。其中值得強調(diào)的是引導(dǎo)，而不是簡單的技能教授。

1.硬件選型和連接

在硬件選型階段，針對家庭信息終端開發(fā)子任務(wù)，教師可引導(dǎo)學(xué)生從項目實際需求出發(fā)，通過回顧已學(xué)內(nèi)容、上網(wǎng)查閱資料等方式列舉出所需物聯(lián)網(wǎng)主控制器以及其他所需的傳感器、執(zhí)行器等，如表2所示。

綜合考慮，可選擇自帶WiFi模塊、OLED顯示屏和按鍵模塊的掌控板作為主控制器，并配合自帶蜂鳴器的拓展板以及外接的空氣質(zhì)量傳感器來作為家庭信息終端的硬件；電梯執(zhí)行終端可以利用掌控板結(jié)合拓展板來連接舵機(jī)，并通過舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)動角度來模擬人按下電梯按鍵；物業(yè)消控報警終端只需要掌控板和拓展板即可實現(xiàn)報警。

選擇合適的硬件后，還需要將主控制器與傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行連接。在此過程中，教師需要向?qū)W生強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)實驗的操作規(guī)范，為了防止電路短路引起故障，可讓學(xué)生進(jìn)行交叉檢查。

2.開發(fā)平臺選擇

在簡易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)項目中，開發(fā)平臺選擇主要包括編程工具的選擇和物聯(lián)網(wǎng)平臺的選擇。盡管不同的編程工具和物聯(lián)網(wǎng)平臺功能上大同小異，但選擇簡單易上手的編程工具和物聯(lián)網(wǎng)平臺可以降低項目開發(fā)難度。

在本項目中，智能硬件部分代碼可以采用與掌控板配套的mPython編程軟件編寫；針對社區(qū)端空巢老人長期未出門預(yù)警程序，考慮到需要數(shù)據(jù)分析，因此可以選擇Python作為編程語言；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信一般基于消息訂閱，MQTT協(xié)議就是一種常用的基于消息發(fā)布-訂閱的物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議。想要使用MQTT協(xié)議，可以在本地搭建MQTT服務(wù)器，也可以利用現(xiàn)成的MQTT平臺。在本案例中，選擇了盛思MQTT平臺，該平臺不僅提供基于公網(wǎng)的MQTT消息訂閱與轉(zhuǎn)發(fā)，還提供了數(shù)據(jù)導(dǎo)出的API接口。在盛思MQTT平臺上注冊賬號，并創(chuàng)建名稱為“智慧社區(qū)物聯(lián)系統(tǒng)”的項目，并在該項目下添加主題：“社區(qū)消息發(fā)布訂閱”“小區(qū)消息發(fā)布訂閱”“出門按鍵消息訂閱”和“物業(yè)消控消息訂閱”。

此外，還需要在MQTT平臺上添加物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。要演示本教學(xué)案例，至少需添加3個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，分別為“家庭信息終端”“電梯執(zhí)行終端”“物業(yè)消控終端”，在實際教學(xué)中，也可以讓學(xué)生添加多個設(shè)備來更真實地模擬實際場景。

3.程序編寫

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體功能需要通過程序?qū)崿F(xiàn)。在此過程中，教師可以先和學(xué)生一起描述算法，再讓學(xué)生將算法轉(zhuǎn)化為程序代碼，應(yīng)著重落實對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

針對本項目中家庭信息終端的程序編寫，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，用文字或圖的形式理清各數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)方向，再讓學(xué)生用自然語言描述不同事件下智能硬件需要處理的事情，讓學(xué)生編寫代碼。

（1）當(dāng)智能硬件啟動時：a.完成WiFi連接；b.配置MQTT服務(wù)器參數(shù)并連接服務(wù)器；c.初始化變量warned用于表示預(yù)警狀態(tài)（warned=0表示沒有預(yù)警，0lt;warnedlt;60表示本地預(yù)警，warnedgt;=60表示遠(yuǎn)程報警）；d.啟動定時器，每隔1秒鐘觸發(fā)。

（2）當(dāng)定時器觸發(fā)時：a.判斷煙霧傳感器的讀數(shù)，如果大于某個閾值則warned變量增加1，并顯示報警信息；b.判斷warned值是否大于等于60，若是則發(fā)布“warn”消息到物業(yè)消控主題。

（3）當(dāng)按鍵A被按下時：判斷warned值是否為0，若為0則通過發(fā)布“open”消息到出門按鍵主題來遠(yuǎn)程控制電梯按鈕按下；否則將“warned”值置0以取消本地報警。

（4）當(dāng)按鍵B被按下時：發(fā)布“help”消息到物業(yè)消控主題和社區(qū)消息主題，使得物業(yè)和社區(qū)都可以收到報警信息。

（5）當(dāng)收到社區(qū)訂閱消息時：OLED屏第1、2行顯示社區(qū)發(fā)布信息。

（6）當(dāng)收到小區(qū)訂閱消息時：OLED屏第3、4行顯示小區(qū)發(fā)布信息。

（7）當(dāng)數(shù)據(jù)接口獲取的某設(shè)備最后一次上報數(shù)據(jù)時間超過一天時：程序發(fā)出空巢老人未預(yù)警等。

評估交流分享，延伸拓展項目

當(dāng)項目完成后，教師可以組織學(xué)生以小組為單位從任務(wù)目標(biāo)、實現(xiàn)方式、遇到的困難和解決方案等角度進(jìn)行分享與交流。由于每個小組的任務(wù)不同，相互之間的分享可以促進(jìn)學(xué)生更全面地了解整個項目是如何實現(xiàn)的。此外，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考本項目還存在哪些不足，請學(xué)生提出改進(jìn)方案。

在課標(biāo)中，“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊還要求學(xué)生了解身邊的物聯(lián)設(shè)備及其對塑造網(wǎng)絡(luò)虛擬身份的作用，有意識地保護(hù)個人隱私，進(jìn)行安全防護(hù)。而在物聯(lián)網(wǎng)中由于數(shù)據(jù)無處不在，看似無關(guān)緊要的數(shù)據(jù)也會造成個人隱私的泄露。在本項目中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考哪些數(shù)據(jù)容易泄露隱私。

如住戶每次開門時，會向“出門按鍵”主題發(fā)送“open”消息，若有人拿到服務(wù)器上的所有消息記錄，就可以通過數(shù)據(jù)分析的方法分析出該住戶每天幾點出門，從而進(jìn)一步得到住戶的生活習(xí)慣。

在該環(huán)節(jié)中，教師一方面可以讓學(xué)生通過觀察圖表來猜測該用戶的生活習(xí)慣，從而強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的重要性，另一方面也可以從數(shù)據(jù)分析及可視化的角度讓學(xué)生體會物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)結(jié)合的價值。

結(jié)" 語

本文以“智慧社區(qū)物聯(lián)系統(tǒng)”為例介紹了“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊中項目式教學(xué)的一般過程。項目經(jīng)歷“提出項目任務(wù)”“確定項目計劃”“項目實施”“評估交流與拓展”等環(huán)節(jié)，對應(yīng)了項目式教學(xué)中問題分析、抽象計算、迭代創(chuàng)造、評估遷移的過程。在整個項目式教學(xué)中，教師的作用是組織、引導(dǎo)學(xué)生逐步推進(jìn)項目，在項目推進(jìn)的過程中讓學(xué)生完成從知識掌握到知識運用再到知識遷移的蛻變。

參考文獻(xiàn)

劉景福，鐘志賢.基于項目的學(xué)習(xí)（PBL）模式研究[J].外國教育研究，2002（11）.

馬寧，趙若辰，張舒然.項目式學(xué)習(xí)： 背景、類型與核心環(huán)節(jié)[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2018（5）.

作者單位：浙江諸暨市海亮實驗中學(xué)