物联网智能家居系统

李宏亮　王世达

教学背景

随着信息技术的发展以及物联网技术的普及与应用，各种国产品牌智能家居系统、设备出现在人们的日常生活中，是智慧生活中不可或缺的一环，为人们的生活提供极大便利。本节课基于物联网技术，结合智能硬件童芯派与图形化编程软件慧编程，以设计智能家居系统这一真实问题情境，以灯光控制为切入点，从按钮控制到语音识别控制，将物联网技术与人工智能技术进一步融合，软硬件结合、层层递进，让学生体验更真实的编程应用场景，经历问题解决的完整过程。

教学目标

知识与技能 了解物联网的原理与常见应用，区别发送端与接收端的任务与需求，掌握物联网模块及下属积木的使用，熟悉人工智能语音识别技术的应用。

过程与方法 通过对观察到的现象进行程序逻辑分析，学会如何解决问题，提升计算思维。

情感态度与价值观 感受物联网这一新技术给生活带来的便利，更好地适应信息化社会，提升探究能力、信息素养，学会从程序的使用者转变为程序的设计者。

教学重点与难点

教学重点 了解物联网的定义、工作原理及应用领域;学会对观察到的现象进行程序逻辑分析。

教学难点 发送端与接收端的功能与需求的区分;物联网与人工智能技术的综合运用。

教学准备

学生端：计算机、童芯派（含遥杆、光线传感器、麦克风、带有Wi-Fi和蓝牙的ESP32、全彩显示屏、2个按钮、扬声器、陀螺仪、加速度计、RGB灯带5颗）、USB Type-C数据线、慧编程软件、“物联网模块使用”微视频。

教师端：路由器（用于搭建无线网络）、智能家居系统教具及相关微视频、极域电子教室软件、“智能家居”教学演示文稿、慧编程软件等。

教学过程

一、情境导入，引出概念

1.播放视频，激发兴趣

教师通过极域电子教室软件投屏播放一段“物联网智能家居”视频，让学生直观感受智能家居的魅力，同时提出问题，开始构建情境。

问题一：你家中是否有这样的智能家居？和你的日常生活相比，视频中的智能家居有什么优势？

问题二：视频中的智能家居系统控制器与执行机构间通过什么传输指令？比如风扇是怎么接收到童芯派发出的打开命令的？

学生经过简单的思考与讨论后，交流、分享讨论结果：智能家居相对传统家居，能为人们的生活提供更多的便利，控制器与执行器之间可能是通过网络、路由器、Wi-Fi进行指令传输。随后，教师引出物联网概念。

2.头脑风暴，畅所欲言

师：同学们知道什么是物联网吗？物联网的应用领域有哪些？

学生对物联网这一概念的定义、未来的物联网世界进行简单的猜测与畅想，探讨并交流、分享。师生共同讨论物联网的准确定义及常见应用领域，初步认识物联网对未来世界的重要性。

教师总结：物联网就是各种信息传感设备通过网络相连，将物体上的信息、标签等数据通过信息传播媒介进行交换和通信，给物体赋予智能，实现物与物、人与物的沟通交流。物联网的应用领域包括本课重点探究的智能家居、智慧健康（通过智能设备收集人的心率、血氧、血压等数据传输到云端进行数据分析，从而得知身体的健康情况）、工业检测（通过传感器收集温度、压力、速度等数据传输到服务器，判断机器的工作状态）、智慧交通（结合人工智能、云计算，实现交通运输最优路线的实时决策）。

二、探究原理，实践操作

1.分析程序，厘清思路

教師引导学生对智能家居系统中的“智能灯光控制系统”进行程序逻辑分析，厘清思路，利用排序的方法梳理整个智能灯光控制流程，着重区分发送端与接收端的任务，如图1。

2.观看视频，自主学习

学生打开“物联网模块使用”微视频，自主学习慧编程软件物联网模块的发送账号云广播、当接收账号云广播等积木的使用;熟练掌握慧编程软件基本操作及容易出错的自检要点。

3.基于问题，实践操作

教师组织学生分组开展项目活动，结合程序分析结果与自主学习内容，2人一组2套设备，编程实现“用童芯派A的按钮控制童芯派B的灯光开关”功能。同时，教师提出问题“账号云广播发送内容与接收内容是否必须是文字内容，试试别的数字或字母是否会影响结果”，引导学生带着问题开展实践，在实践中解决问题。

学生完成任务后，展示成果，如图2。师生相互交流，得出“只要发送内容和接收内容对应，不同发送内容之间能区分即可，发送内容是文字还是数字形式都不影响结果，因此可以尽量简化发送内容”的结论。

三、小组合作，拓展探究

1.自主添加、设计功能

教师在实践的基础上，提出“想用物联网让LED灯带能够有不同颜色的变换”的情境需求，引导学生自主添加、设计更多的功能。经过10分钟左右的自主实践活动后，学生基本掌握物联网的使用，能实现自己的想法，并简单地交流、展示自己的作品。

2.结合教具，迭代更新

教师使用智能家居系统教具演示用“语音识别技术”进行智能家居系统的控制，给予学生最直观的感受，提出进一步尝试“语音识别控制灯光并设计更多相关功能”的情境需求。

学生思考讨论结合语音识别技术，程序可能需要用到的模块，并思考在原程序的基础上哪些地方需要修改，从而实现人工智能语音识别技术与物联网的融合应用。此外，学生已有了自主添加、设计功能的经验，并且有自学内容的支撑（教师提前录制好相关微视频），在这一环节可以独立完成为智能家居系统添加通过语音识别技术控制灯光开关的功能，如图3。

四、总结交流，拓展深化

1.展示交流，总结归因

教师组织学生进行作品的展示交流，师生一起点评，对共性问题共同讨论（如有学生混淆发送端、接收端的程序）。教师与学生共同总结课堂出现的问题，如有学生在编程中调用了“语音识别结果”这一变量，却没提前设置识别语音这一功能，使得程序出错。

2.拓展探究，合作设计

经历物联网应用的小试牛刀后，学生以小组为单位，结合自己生活中的真实需求进行智能家居系统的项目设计，完成智能家居系统设计表（如下表）。

本课引导学生对智能家居系统进行探究，以智能家居系统中的“智能灯光控制”为主要切入点，结合智能硬件，利用物联网技术实现远程语音控制智能家居功能。学生经历了一个完整的问题解决的过程：头脑风暴—程序分析—自主学习—实践操作—添加功能—迭代更新—总结交流。项目任务层层递进，培养了学生的计算思维和创新素养。

李宏亮 上海市金鼎学校信息科技教师。曾指导学生获得第二十二届全国学生信息素养提升实践活动二等奖，第三十九届世界头脑奥林匹克中国区决赛三等奖，2021年全国青少年科技模型网络系列竞赛一等奖，第十八届上海未来工程师大赛“轻量座椅”项目一等奖，中国·上海第四届青少年人工智能创新大赛暨全国邀请赛“AI乐享无人机”项目三等奖。