基于思維可視化的物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計與研究

【摘 要】本文借助樹莓派實踐物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計，使得學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)項目，設(shè)計解決方案并付諸實施，激發(fā)學(xué)生對信息科技的興趣，全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)的同時，培養(yǎng)學(xué)生從小關(guān)注生活與創(chuàng)新實踐能力，樹立社會責(zé)任意識。筆者借助樹莓派以“智能電梯”人臉識別為例，讓學(xué)生通過簡單的物聯(lián)網(wǎng)項目實驗，過一把智慧物業(yè)的“癮”。

【關(guān)鍵詞】圖形化編程；思維可視化；物聯(lián)網(wǎng)

【中圖分類號】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）012-081-02

樹莓派是由英國樹莓派基金會開發(fā)的一款用于促進(jìn)學(xué)校電腦科學(xué)教育的單板機(jī)電腦。近年來，通過樹莓派提升兒童對編程的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，成為了國外學(xué)者關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一。與此同時，在小學(xué)2020年浙江攝影出版社出版的最新教材中，六年級下冊第一單元出現(xiàn)了“萬物互聯(lián)”的學(xué)習(xí)章節(jié)[1]?？梢姡梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)于生活的理念已經(jīng)進(jìn)入小學(xué)生的學(xué)習(xí)生活中，在小學(xué)高段開發(fā)并落實物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)計與研究有實際意義。

小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)項目實踐教學(xué)的現(xiàn)狀

隨著核心素養(yǎng)觀念的構(gòu)建與完善，小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)計在實踐中越來越廣泛，同時也存在著一些亟待解決的問題。

1.示范教學(xué)下的硬件不足

設(shè)備花費較大，設(shè)計的章節(jié)學(xué)習(xí)主題內(nèi)容少，硬件不足以成為常規(guī)普及的教學(xué)用具。大多數(shù)學(xué)校只配備幾個硬件作為展示教學(xué)使用，學(xué)生真實應(yīng)用實踐的幾率低，創(chuàng)客的成果少，學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)計缺少真實的實踐經(jīng)歷。

2.知識視角下的實踐缺失

小學(xué)高段初次接觸物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容，教材中略講了物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)并配上相關(guān)的案例，學(xué)生面對陌生的物聯(lián)網(wǎng)理論知識非常困惑，教師往往為了解決學(xué)生的疑惑花費大量的時間做理論知識方面的解釋，效果甚微，但是卻占據(jù)了大量的實踐設(shè)計時間，降低了學(xué)生初次接觸物聯(lián)網(wǎng)的興趣，導(dǎo)致實踐缺失。

3.技能局限下的創(chuàng)新匱乏

物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)的是“服務(wù)”功能，實現(xiàn)“物”控制“物”的現(xiàn)代信息化便捷生活理念。學(xué)生們剛剛接觸物聯(lián)網(wǎng)會受到固有生活已知的信息化產(chǎn)品影響，在提出創(chuàng)新智能服務(wù)產(chǎn)品方面?zhèn)涫芫窒?。所以，小學(xué)高段物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)就會受到創(chuàng)新思維的影響，僅僅就已有的現(xiàn)代信息化產(chǎn)品做物聯(lián)網(wǎng)實踐上的理論分析和重復(fù)實踐，強調(diào)物聯(lián)的技術(shù)，缺乏物聯(lián)為生活服務(wù)的創(chuàng)新。

樹莓派與物聯(lián)網(wǎng)教育的匹配性

樹莓派與各種其他微型硬件相比較，具有明顯的高兼容性、靈活小巧、性價比高等優(yōu)點。樹莓派作為物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的載體，能夠真實地還原電腦大型主機(jī)的功能，同時在物聯(lián)網(wǎng)教育中樹莓派小巧靈活的特點將創(chuàng)客的美感和便捷理念充分體現(xiàn)出來，學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)客作品更加生動形象，具有可觀賞性，可最大限度地還原學(xué)生大膽的思維創(chuàng)新理念。

借助樹莓派開展小學(xué)高段物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計，以學(xué)生的計算思維、實踐興趣、創(chuàng)新思考為起點，明確物聯(lián)網(wǎng)實踐設(shè)計內(nèi)容和具體活動，通過作品檢驗與展示增強物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計的成就感，培養(yǎng)學(xué)生利用物聯(lián)網(wǎng)知識解決實際生活問題的思維和意識。

基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)項目實驗教學(xué)探索

如何利用信息科技教育發(fā)展學(xué)生的技術(shù)意識、算法思維、數(shù)據(jù)處理能力和批判性分析能力？如何為社會培養(yǎng)更多可以適應(yīng)21世紀(jì)工作、生活、職業(yè)新挑戰(zhàn)的新公民？這些追問已經(jīng)成為小學(xué)高段信息科技教學(xué)中要思考和實踐的方向[2]?！爸悄茈娞荨笔菍πW(xué)高段六年級信息科技第一單元“萬物互聯(lián)”主題的物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計教學(xué)實踐，筆者將以它為例，探究基于樹莓派思維可視化的物聯(lián)網(wǎng)項目實驗設(shè)計與研究。

1.聚焦生活問題，發(fā)現(xiàn)技術(shù)痛點

物聯(lián)網(wǎng)對學(xué)生們來說是陌生的，物聯(lián)網(wǎng)運行程序?qū)W(xué)生來說是抽象的，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生感知物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的廣泛與便利，并在分步實踐中分解物聯(lián)網(wǎng)項目實踐設(shè)計的難度，在可視化的程序?qū)嵺`和硬件結(jié)合操作中實現(xiàn)自己的思考與創(chuàng)意。

（1）鏈接生活觀察，挖掘生活問題

激發(fā)學(xué)生的實踐興趣是降低難度的根源，初步設(shè)計任務(wù)單，驅(qū)動學(xué)生進(jìn)一步在生活中發(fā)現(xiàn)與思考，通過問卷的方式反饋學(xué)生思考的結(jié)果。

（2）搜集已有實踐，判斷問題價值

根據(jù)學(xué)生們提出的生活問題，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有的問題都是生活中亟待解決或優(yōu)化的問題，需要進(jìn)一步分析與判斷問題的實際價值與實踐意義。

（3）優(yōu)化生活問題，發(fā)散創(chuàng)新想法

學(xué)生們對疫情以來電梯內(nèi)封閉空間個人防護(hù)的安全問題進(jìn)行了發(fā)散的討論，發(fā)現(xiàn)居民小區(qū)的門崗進(jìn)出系統(tǒng)、銀行的人臉識別等工具已經(jīng)涉及到了人臉是否有遮蓋物，電梯內(nèi)的人臉識別是否有口罩遮蓋的識別應(yīng)用價值較低。筆者在課程中安排學(xué)生完成一個簡單的項目：利用智能技術(shù)，幫助物業(yè)管理人員實現(xiàn)對電梯進(jìn)入人員的實時監(jiān)測分析，并在住戶端有相應(yīng)的反饋，解決不同人群安全乘梯的難題。

2.組建創(chuàng)作小隊，設(shè)計制作方案

學(xué)生自愿組隊，1～3人一組，設(shè)計制作方案，梳理硬件清單?！爸悄茈娞荨毕到y(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)模型[3]，主要包括感知層﹑網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，技術(shù)架構(gòu)分別為全面感知、連接傳輸和智能計算。

3.展開模型制作，可視化編寫程序

（1）樹莓派連接，登錄可視化編程平臺

“樹莓派+攝像頭”的連接不采用熱插拔形式。如果采用“樹莓派+多功能擴(kuò)展板”的方案[4]，擴(kuò)展板上已經(jīng)有集成接口，如“樹莓派+數(shù)碼管”，學(xué)生可以省去搭建的步驟。在連接實踐的過程中會出現(xiàn)一個常見的問題，端口連接正確但是放在智能電梯模型中不夠美觀，需要動腦優(yōu)化線路。

（2）物聯(lián)網(wǎng)通信原理方法及傳輸反饋

作品分三個小項目，分別是“人臉識別”“數(shù)碼管顯示樓層”和“下樓”。人臉識別后，拍攝照片將通過物聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)送到對應(yīng)樓層的用戶端[5]，接收端即喚醒物聯(lián)網(wǎng)程序進(jìn)行監(jiān)聽。

4.實踐檢驗優(yōu)化，成果宣傳推廣

在智能電梯運行的過程中，在功能方面，人臉識別的距離需要不斷檢測優(yōu)化，調(diào)整到舒適距離。同時，物聯(lián)網(wǎng)項目還可以不斷拓展，例如，如果希望用戶在自己家下樓，該怎么做呢？除此之外，智能電梯外觀的優(yōu)化，可以從顏色舒適、大小靈活等方面進(jìn)一步改造。

智能電梯的創(chuàng)作是學(xué)生在小學(xué)階段首個物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意實踐設(shè)計，對設(shè)計成果進(jìn)行宣傳與推廣是學(xué)生獲得成就感的來源。學(xué)生通過撰寫產(chǎn)品說明書、拍攝產(chǎn)品使用說明視頻、申請校級發(fā)明專利、申報區(qū)級“科技小院士”榮譽稱號等方式進(jìn)行宣傳，將創(chuàng)新思維先后用圖形化、技術(shù)化和語言化的可視化方式展示出來。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：浙江杭州市錢塘區(qū)文思小學(xué)