基于农村小学的物联网教学研究

秦许峰 孙伟

● 引言

目前，进入学校的数字化理化实验设备，一般来说仅仅是围绕某个学科教学内容在中小学教学领域而装备的，作用单一、投入高、对环境要求高，很难装备到农村学校。而Arduino平台的出现，给农村学校提供了一个投入较少、方便教学的物联网环境，为了让农村的孩子享有与城市孩子一样的物联网学习环境，我们做了大量的探索实践和研究。

经过前期研究，我们根据农村学校的特点，以学生熟悉的种植为抓手，依托Arduino物联网平台，开展了农村小学物联网教学校园智能实践园研究。在研究的过程中，通过传感系统，构建了数字化种植、智能环境，为农村学生营造了良好的探究和体验环境，开辟了农村学校实验教学新模式。

● 校园智能实践园概述

1.校园智能实践园系统功能

校园智能实践园系统，通过种植、观测某种植物的生长情况，利用计算机及网络，对动植物生长的状态以及动植物所处环境状态进行实时监控并记录历史数据，数据被采集传输到计算机上进行数据存储与分析，输出实时数据。通过平台，师生可以共同交流种植经验，展示研究成果。通过遍布各地的微型校园物联网工作室系统，同时开展各种主题型、差异性、比对性等科学小实验，使合作性探究变为现实。

集长时间持续实验、户外实验、跨时间与跨地域的合作实验于一体的物联网工作室不仅能提供比手工采集高得多的精确数据，而且大大节省了传统实验数据的记录、计算、分析的时间，使科学探究的重心落在假设级探究活动上，并保证了探究的成功率。与此同时，校园智能实践园中个人的实验结论可以提供给他人应用，教师可以在线评价学生的实验报告，学校可建立校本的学生实验报告资源库，这为学校校本探究课程的建设、教师个性化实验设计都提供了保障。校园智能实践园建设也为学校“特色”实验教学提供了新方向。

2.具体方案剖析

校园智能实践园是由环境监测系统，光照、灌溉系统，视频监控系统等组成，对植物生长情况及环境进行实时数据的采集与传输，并通过网络实现在线观察和远程控制物联网工作室的光照、灌溉等。

（1）智能种植系统

环境监测系统包括温度传感器和湿度传感器。

温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器（如图1），本模块用于监测室内温度，随时调节适宜植物生长所需的环境温度。

湿度传感器为一个简易水分传感器，利用电阻变化测量水分、湿度。土壤越干燥，输出的电压越小越湿润，输出的电压越大。将本模块插入土中，通过AD转换电压信号，即可检测土壤水分。它可与Arduino、水泵连接，组成自动浇花系统（如上页图2）。

通过电位器调节土壤湿度控制阀值，可以自动对物联网工作室里的植物浇水，带有大功率继电器，可以控制大电流设备，小于设定湿度自动启动继电器吸合，大于设定湿度自动断开，并有延时功能，解决了无延时的湿度临界状态继电器不停闪烁的问题，是一个简易实用的土壤湿度控制系统。

（2）光照灌溉系统

光照设备。

光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，LED植物生长灯，依照植物生长对太阳光的需求，代替太阳光给植物提供更好的生长发育光环境的一种灯具。

LED植物灯的红、蓝灯色谱比例一般在4∶1～10∶1之间为宜，通常可选7～8∶1的比例。红光促进植物发芽、开花，蓝光促进植物生长，可以自主选择更合适的波长和颜色比例促进植物的生长。通过光敏、温度传感器及时间的设置，自动控制灯光系统（如图3）。

灌溉设备。

灌溉设备包括：20米长的9×12PVC管、25个平脚9/12三通、1个可调喷头、25个堵头、1个水泵、1个电源、1个过滤器、1.2米进水管（如图4）。

智能浇灌系统可以在没有自来水或使用自来水不方便的地方，利用水泵增压来吸小池的水或水桶的水。利用土壤湿度传感器，编写好对应程序就可以自动浇花、自动关闭。

（3）智能环境系统

智能环境系统利用网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等，对实践园进行智能化管理。

远程控制是智能环境的一项重要功能。在上下班、上学放学等出行期间，使用手机可以远程控制实践园中的智能设备，如打开或关闭空调器、电热水、灯具和窗帘等。其中，可视控制系统可实现远程监控摄像、定时摄影等功能。

智能窗帘与灯光系统是智能控制室内植物的光照，在光线较强时打开或关闭植物灯和窗帘。根据光敏传感器的工作原理，当光敏值小于500时（白天），窗帘自动打开，切断室内灯光设备电源；反之，当光敏值大于500时（黑夜），窗帘自动关闭，打开室内灯光设备电源。根据红外传感器的工作原理，通过一个遥控器实现控制室内所有的电光设备。

（4）工作原理

校园智能实践园组成与工作原理如下页图5所示。

● 校园智能实践园研究反馈

（1）趣味性

校园物联网智能实践园立足农村这一得天独厚的地理环境优势，利用身边资源，引进各式各样的农作物，使孩子们在教师的指导下能亲自动手，从育苗、移植入手，通过智能化管理、记录生长日记，这就有效地解决了枯燥无味的传感器知识学习问题。

（2）知识性

以兴趣为出发点，教师带领学生有序地进行了传感器知识的学习。从某一特定的传感器在实践园的应用入手，让他们了解该传感器在实践园中的作用，然后边学边玩，通过Audublock图形化的编程软件，编写该传感器在智能管理中的应用程序，在不知不觉中掌握该传感器的工作原理及其应用。

（3）低成本

物联网智能实践园以Arduino为平台构建，从硬件到软件都是开源的，程序的编写是图形化的Ardublock工具，学生很容易上手，小学五年级就可以开展社团学习，六年级就可以通过小组合作开展整班教学。

学生在边学边玩的过程中，深入了解并掌握智能种植及智能环境系统的核心技术，体验到了现代化的农业种植并不是人们想象中的那么辛劳和枯燥无味，并且从中感知到了生长的乐趣，不知不觉中培养了孩子们的动手能力、计算能力、逻辑思维能力等。