学校物联网平台对信息技术实验课的支持——以《搭建智能充电桩》教学设计为例

陈莉 江苏省南京市人民中学

● 引言

随着信息技术的发展，大数据、物联网、人工智能等新技术正逐渐改变着人们的生活方式，在教育领域，很多学校也运用大数据、物联网等技术促进精准教学和高效管理。例如，笔者所在学校每一间教室的空调都做了智能改造，增加了网关、温度传感器和红外控制器，温度传感器每分钟都会将捕捉到的教室温度传递给网关，一旦教室温度值超出健康范围，网关就会给红外控制器发出指令，重新设置空调的温度。又如，学生放学忘关空调、计算机会造成能源浪费及安全隐患，通过使用物联网，班主任可以在手机上查看自己班级的设备是否正常关闭，如果未关闭，可以通过手机远程操作。再如，物联网平台上保留了每一台设备每一个时间点的各种数据，学校每个月都会从平台上导出各班能耗，以此为依据评比节能标兵，对学生进行节能教育。此外，学校的物联网平台在建成后，根据实际需要能随时添加新设备，实现更多智能管理。

● 物联大平台，创意小课堂

学校的物联网平台除了能接入设备，还能开展多项教学活动，如笔者就借助学校的互联网平台设计了一个“虚拟实验室”（如图1），专门用于信息技术课的教学，学生在这里可以体验“智能充电桩”“漫水报警”等应用场景。下面，笔者就以《搭建智能充电桩》一课为例，谈谈如何使用学校物联网平台支持信息技术教学。

1.教学背景

本课是高中信息技术必修二“信息系统与社会”中的“信息系统组成与应用”部分的内容，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》要求通过分析物联网应用实例，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制。

2.教学策略

依托学校物联网平台，笔者设计了“搭建智能充电桩”实验课，引导学生在实验中认识传感器，记录传感器捕捉的物理环境数据，利用数据设计智能联动，解决实际问题。

3.教学过程

（1）情境引入

师：生活中电瓶车充电安全事故频发，危及人们的生命财产安全，现在很多小区都建立了集中充电点，有的还安装了智能充电桩，学校也希望利用物联网技术智能管控充电桩，接下来我们就通过“搭建智能充电桩”实验测评物联网充电桩能否实现安全充电。

（2）问题分析

学生通过自主研学，了解电瓶车充电安全事故中的主要原因，思考要想管控充电桩需要解决什么问题。

（3）实验1——系统搭建

①认识设备。

网关：网关即智能控制主机，相当于物联网系统的大脑中枢，它负责整个系统的数据与平台之间的传递，还负责将平台的指令下发到具体的执行设备上。

充电桩：每个小组都有一个智能插座，即实验模拟的充电桩（如图2）。向学生展示一个拆解的智能插座（如图3）和普通插座图片，经过对比，学生发现智能插座里多了一块电路板，其具有探测电路参数和控制电路的作用。

用电器：每组都有两个用电器，可以模拟需要充电的电动车；小功率的台灯或电扇，用来模拟正常充电的电动车；大功率的电吹风或取暖器，用来模拟充电电路异常时的电动车。

②系统搭建。

安装网关：如果教室本身就有物联网系统，那么网关已安装好，向学生指明其安装的位置即可；如果教室没有安装物联网系统，可现场演示安装，其他参数事先调试好，课堂内只要接通电源、连入网线即可。

安装充电桩：每个小组都配有模拟充电桩的智能插座，由学生插入指定的电源插座。

登录平台：学生根据本组充电桩上的账号登录到物联网平台，只要平台提示本组充电桩状态正常，即为本组系统搭建成功。

（4）实验2——评测充电桩

虽然智能充电桩系统搭建好了，但是它能否实现预期的功能，解决实际问题，还需要经过实验的测评。实验步骤如下。

远程控制充电桩：学生把小台灯插入充电桩时灯并没有亮，充电桩未供电；学生在平台上点击相关按钮可远程控制充电桩的工作状态。

设计意图：在现实生活中，并不是任何人的电动车都能随意接入学校充电桩，只有通过扫码等方式认证的电动车才可以正常充电。如果是在小区等公共场所，则要认证身份并开始计费后才能进行供电。

控制充电时长：当接入用电器、通过身份认证、正常供电后，电路开始计时，学生在充电平台上可以观察倒计时数据；当充电完成后，可以观察台灯是否自动关闭，电路是否自动断电。

设计意图：充电计时的功能很重要，生活中导致电动车充电事故发生的一个很重要的原因就是长时间过度充电，因此充电系统需要具有控制充电时长的功能。

异常熔断控制：在充电桩正常供电、用电器正常使用的状态下，引导学生观察并记录充电平台上的各类数据，指导学生在平台管理模式下，完成触发联动脚本的设置，即当充电电路中电流达到或超过某个值时，就自动熔断电路，切断隐患。每组学生在将插在充电桩上的常规用电器换成大功率用电器（电吹风或取暖器）后，观察并记录充电平台上的各类数据，同时观察平台是否有报警显示，电路是否自动阻断。

设计意图：“异常熔断控制”环节，让学生亲自设置电流过载值，并体验电流过载时电路的报警、熔断过程，从而了解智能充电桩的主要功能及工作原理。

实验报告：笔者提供了具体的报告，如右表所示。

（5）归纳总结

通过本节课“搭建智能充电桩”实验，我们了解到：①智能充电桩系统主要具备的功能有远程控制、充电时长控制、电流过载熔断等；②物联系统靠传感技术、识别技术和嵌入式系统技术来感知并获取物理世界的信息；③物联系统靠程序来实现智能控制。

● 技术促进管理，装备支持教学

物联网技术被称为信息产业的第三次革命性创新，与大数据、云计算、人工智能等技术一起共同改变着人们的生活方式，学校建设的物联网平台起初只是为了解决管理上的痛点，但在实际应用中逐渐发现物与物的相连也促进了管理理念和工作方式的改变。《搭建智能充电桩》一课让笔者深刻地体会到，信息技术教学与学校信息化建设有着紧密联系。信息技术课程把最新的技术带到学生身边也带进学校建设，促进了学校装备的提升，而学校的建设项目也是最好的教学素材和案例。

小组编号实验环节 实验记录远程控制充电桩本组接入充电桩的用电器是：远程打开充电桩开关后观察到的现象是：可以远程控制充电桩的供电，在实际生活中有怎样的意义：充电时长控制该电路有没有用电时长的限制：在实际生活中，对充电桩限制充电时长的意义是：记录用电器数据此时用电器电流为（A）：该用电器实际功率为（W）：平台上可以获取用电器的即时电流，还能计算其用电量，在实际生活中具有怎样的意义：控制大电流你在管理平台中设置的充电桩的最大电流是（A）：此时你接入的用电器是：该用电器工作后的即时电流是（A）：该用电器的实际功率是：该用电器超过限制电流后，电路有没有自动阻断：该用电器超过限制电流后，平台有没有报警提示：此时该电路有没有实现电流过载的自动保护功能：思考创新 通过本实验的体验，你觉得类似的电路控制还可以用在什么地方：

本节课的创新之处是案例新颖，而且投资成本较低，整节课使用的平台和网关等主要设备都是学校已有的，只增加了几个智能插座，但学生的体验效果却很好。