对中学物联网教学项目的探究与实践

【摘要】为更好地完成中学信息技术课程中物联网部分的教学内容，让学生通过了解常见的传感器及其工作原理、控制机制以及物联网的通信技术等知识，从而进一步理解信息系统与外部现实世界的连接方式，培养学生的信息意识和计算思维。本文提出了在校园内组建物联网，教师通过项目设计与教学探索，利用传感器智能测试温度、湿度与光照，从而实现自动浇灌。实践探索的结果表明，教师在校园内引领学生动手操作进行物联网组网及程序编写调试，有利于信息技术教师的专业成长和提高物联网相关知识与技能的教学实效，能有效完成物联网部分的教学任务。

【关键词】物联网  信息技术  传感器  计算思维  教学实效

【中图分类号】G633.67   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）34-0067-02

1.引言

物联网作为新一代信息技术的重要组织部分，其相关知识与内容已悄然出现在了中学信息技术教科书中。如何实现对物联网相关知识与技能进行有效教学，很有现实意义，也值得每一位中学信息技术教师深入思考与探索。

本文通过探究“校园智能浇灌”物联网教学项目的设计与实践[1]，目的是起到一个抛砖引玉的作用，与中学信息技术教师共同探索物联网知识与技能的有效教学。

2.物联网教学项目的设计

本项目以实现“校园智能浇灌”为例，为有效实施本物联网教学项目，同时兼顾教学成本，项目选用开源的硬件“虚谷号”[2]。

2.1项目设计思路

（1）本项目有别于面向农田、园林、设施农业等领域的日常灌溉控制和管理系统，主要是从实验的角度，满足教学及学生探究的需要，充分体现以学生为中心的教学理念，通过教师的引导让学生能动手体验物联网相关软硬件的联接，从而理解物联网相关概念与工作原理。

（2）以十组植物花卉为例，既要有种植空间，又要有供十组学生进行操作的空间。可在校园内选择一户外大约100平方米的植物园或是空地，能容纳50个学生分10个小组进行实验操作。

（3）采用大盆景花卉种植，每一盆景作为一个小组的实验场景，也是该“校园智能浇灌”物联网教学项目的一个节点。考虑到花盆需要防水、防腐、耐用，还要美观，可采用铝合金花盆，大小为800×400×600（单位：毫米）。

2.2软硬件环境

（1）校园内约100平米的植物园或空地上种植本地常见的花卉植物10盆，并且要通电通水。

（2）光照、空气温湿度、土壤温湿度传感器各10个，分别用于测试日照光线强度、空气的温度与湿度以及土壤的温湿度。

（3）开源的硬件“虚谷号”10块，其相当于一个无显示器的迷你电脑主机，用于通过程序控制传感器工作和收集相关数据。

（4）无线网络（wifi）及相应的网络设备，用于构建物理联接。

（5）电脑一台，用于操作相应的网络连接与配置、采集与查看相应的设置与数据。

（6）Windows系统加Python3.8集成开发环境。

相应的硬件如图1所示：

3.物联网教学探究与实践

本项目是物联网知识的一个实践活动，可与劳动实践教育活动相结合[3]。通過开源硬件卡片计算机（“虚谷号”）、传感器搭建智能花卉养护系统，实现实时采集空气温湿度，土壤温度，光照强度等数据，从而实施自动浇灌。采用Python语言设计，完成各环节的控制。

3.1系统环境搭建（2课时）

（1）花卉种植：从实验成本的角度考虑，通常选择当地常见且易于种植的花卉品种，如杜鹃、朱槿、一串红、栀子花等，各选两到三组方便对照。也要因地制宜，根据花盆所在位置光照不同选择花卉。

（2）布置水电：电管采用DN15的PVC管，总电源通过漏电保护开关后进入数据采集中心防水盒，然后通过开关连接至各花盆端口处。电线采用户外防水安防电线，总线单线面积2.5平方毫米，支线单线面积1.5平方毫米。水管采用DN15的 UPVC给水管，进水处安装总闸，每出口处加装三角阀。水、电管埋于地下10厘米深处，保持一定距离并行至花盆处，出口高出地面30厘米。

（3）建立数据采集中心：由于本系统采用无线模式进行数据传输，所以各花盆与采集中心相对位置要合适，如果采集中心在室外还要考虑防水、防高温及无线信号传递问题。

3.2虚谷号开源硬件的安装与调试（2课时）

（1）安装设备防水盒。在花盆旁的水电管出口处安装固定170×220×110（单位：毫米）的带透明盖防水盒，用来放置虚谷号主控板及对应的掌控板。并事先根据传感器的线路打好对应的进出孔。

（2）安装浇灌套件。打开进水总闸，连接电磁阀套件并安装好雾化滴喷套件，打开三角阀，测试连接处是否有漏水现象。若无漏水方可安装下一个端口，十组全部完成后关闭进水总闸，进入下一步。

（3）安装控制套件。在防水盒内适当位置固定主控板，安装掌控板，继电器模块，连接各种传感器和电磁阀套件。

（4）调试设备。十组设备均安装完成后，上电调试主控板。启动虚谷号，导入系统，再导入相应的传感器调试代码，逐一测试。若正常再接入电磁阀电源，打开三角阀，进行浇灌测试。

（5）准备连接服务器。设置好本机无线网络配置，准备连入服务器。

安装好的硬件如图2所示：

3.3 Python语言编程与调试（1课时）

（1）学习如何使用Python语言编写自动浇灌程序。让学生了解pingpong库的使用，能够根据监测的土壤湿度进行自动浇水，这也是学习物联网的第一个程序（附python源代码如图3所示）[4]。

（2）学习通过sfarm来进行消息的订阅，掌握sub⁃scribe功能（附部分Python源代码如图4所示）。

3.4环境数据的采集与系统调试运行（2课时）

（1）架设服务器。连接好显示器、键盘、鼠标，安装好系统，配置好网络，连接路由器。安装好数据采集分析软件。

（2）接入所有终端，采集数据。将可正常运行的终端系统复制到其他终端，分别进行测试，若正常就接入服务器，待全部终端接入服务器后检查数据的采集是否正常，与安装调试好的终端进行通信测试，上传采集数据。

（3）导出数据。一段时间后，测试导出相关数据。

（4）运行维护。

4.结束语

以项目化教学设计与实施理念对中学信息技术教学内容中的物联网教学项目进行教学探索[5]，将劳动实践与信息技术学科教学相结合，对充分体现以学生为中心，让学生通过真实情境的体验，从而达到对物联网相关知识和物联网相关软硬件的工作原理的理解具有现实意义。

参考文献：

[1]祝智庭，樊磊. 高中信息技术（必修1：数据与计算）.北京： 人民教育出版，2019

[2]卢华军，谢作如.开源智慧农场项目支持下的高中物联网课程设计[J].中国信息技术教育，2021（15）：18-20.

[3]黄春云.项目驱动的信息技术课程教学改革[J].福建电脑，2020（12）：219-220

[4]谢作如.用Python写一个基于Web的物联网应用程序[J].中国信息技术教育，2021（9）：78-80.

[5]PBL项目式学习是什么.https：//www.zhihu.com/question/21033333