基于STEM理念的物聯網項目式教學探索

周茂華 王國營 秦峰

【摘 要】本文基于掌控板、物聯網設計話筒跌落監測系統，開展項目式學習；融合科學、技術、數學等多學科知識，有效利用掌控板與物聯網平臺，搭建物聯網系統；探索利用物聯網解決實際問題的方法，培養學生發現、分析、解決問題的能力。

【關鍵詞】掌控板；物聯網；STEM；項目式學習

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）07-072-02

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》把物聯網實踐與探索列入課程模塊。物聯網以其全面感知、可靠傳輸、智能處理等特點，推動信息科技發展與普及，同時物聯網融合了科學、技術、工程、數學等學科知識。

掌控板是一款教學用開源硬件，自帶物聯模塊，實現了物聯網采集終端的低成本化，結合簡單易用的SIot、Esay Iot、阿里云、OneNet等物聯網平臺，能夠快速進行簡易物聯系統的設計與搭建，探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能，讓物聯網技術進入中小學課堂成為可能。并且通過便捷的數據采集方式，幫助學生通過“數據探究”的方式去研究科學問題[1]。

本文基于掌控板設計話筒跌落監測系統，采取STEM理念下的項目式學習方法，探索物聯網教學模式，以期更好地完成教學目標。

項目提出，界定問題

學生在文藝匯演中發現，無線話筒不慎跌落，撞擊地面的聲音被音響放大，會發出刺耳的聲音，引起聽眾不適。為解決這一問題提出設計項目，學生對其有一定的了解和認知。話筒跌落、音響涉及中學物理落體運動、電路結構、聲音傳播、電磁感應等知識。項目場景來源于學生的生活，涉及科學、技術、數學知識，具有一定的復雜性和挑戰性。

分解問題，抽象特征，提出解決方案

話筒跌落監測系統具有監測話筒跌落和控制音響靜音的功能。根據功能，將設計問題細化為以下幾個小任務，并抽象其關鍵特征，提出解決方案。

任務一：監測話筒跌落。無線話筒跌落過程中空氣阻力影響較小，可看作自由落體運動，其下落的加速度約為9.8m/s2。因此，用掌控板加速度傳感器作為物聯網的感知層，實時監測無線話筒的加速度值，判定無線話筒所處狀態。

任務二：數據的網絡傳輸。使用1956開發板構建物聯網網絡層，實現控制信號的傳輸，以及加速度數據的應用分析。

任務三：遠程控制音響靜音。音頻輸入控制器由掌控板和繼電器組成，作為物聯網的應用層。當掌控板接收到物聯網控制信號，控制繼電器的斷開或閉合，實現音響靜音或正常工作的切換。如圖1所示，通過各部分相互協作，實現了數據的交流通信。

圖1 ?話筒跌落監測系統

硬件組成與軟件設計

1.硬件組成

話筒跌落監測系統由兩個掌控板、1956開發板、固態繼電器、話筒、音響等組成。

1956開發板搭載人工智能和物聯網雙主控，結合板載集成的硬件和拓展接口，支持完成人工智能、物聯網、STEAM、創客教育等各類項目開發與制作。本文將1956開發板作為局域網服務器，搭建物聯網平臺，實現感知層和應用層的數據傳輸。在無互聯網環境下，也可以應用本系統。

固態繼電器是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關”。較之電磁繼電器可靠性更高，且無觸點、壽命長、速度快，對外界的干擾也小，已被廣泛應用[2]。

本文設計音頻控制器的電路原理如圖2所示。默認狀態下，繼電器閉合，音響正常工作。當掌控板收到音響靜音信號，通過P1口控制繼電器斷開，關閉音頻信號輸入，音響靜音。由此可見，繼電器連接著控制系統和被控制系統，發揮中介開關的作用。

圖2 ?音頻控制器電路原理圖

2.軟件設計

使用mPython進行編程，該軟件有圖形化編程和Python兩種模式，模塊種類多，提供代碼庫、通用傳感器等，新手很容易使用。程序編寫具體思路如下。（1）首先給系統供電，連接網絡，建立UDP連接，實現多對多物聯網，開始采集加速度值，若加速度值持續大于9.7小于10，則判定話筒處于落體運動狀態，紅燈警示；否則判定為正常狀態。將控制信息及采集的加速度數值上傳SIot服務器，進行數據分析測試（程序略）。（2）音頻控制器接收控制信號，若正常則繼電器執行閉合操作，音頻輸入正常。若落體運動，則繼電器執行斷開操作，切斷音頻輸入，音響靜音（程序略）。

系統的測試運行

硬件連接、程序編寫完成后，開始進入測試運行階段。除測試系統功能外，還需要測試系統的兩個重要指標。

一是系統響應速度，監測系統能否在話筒落地前完成靜音功能。二是誤報率，系統能否規避因人為劇烈晃動話筒使得掌控板誤判話筒跌落，導致音響靜音。如果存在問題，需要進一步分析原因，重新設定參數或者重新設計方案，再次建立模型系統并測試。

測試結果：程序響應時間約為0.6ms，在此時間內話筒自由下落的高度由h=gt2/2得出約為1.8*10-6m，響應速度快。根據上傳到SIot的加速度數據，測試發現話筒落體運動過程中加速度恒定，大小為9.8m/s2，與地面碰撞時加速度突然變大；人為晃動的加速度時間圖像沒有特定規律，加速度變化范圍較大。人為極難持續做出加速度大小恒等于9.8m/s2的運動。因此，可以調整加速度取值范圍及持續時間，作為無線話筒落體運動的判定條件，降低誤報率。

結 ?語

基于STEM理念的物聯網項目式學習具有學科融合性、情境性、趣味性、體驗性，著重培養學生解決實際問題的能力，更符合新時代素質教育的要求。通過話筒跌落監測系統的設計，學生可以認識加速度傳感器，理解物聯網是連接物理世界與數字世界的紐帶和媒介，有效利用掌控板與物聯網平臺搭建物聯系統，探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能，在解決項目設計問題中培養理解、分析、解決問題的思維方式，提升學生科學素養。

劉宜萍. 新課標中“物聯網技術”教學實施初探[J].安徽教育科研，2020（14）： 93-95.

周衛兵. 固態繼電器的特點及應用[J].山西電子技術，2010（1）：92-94.