基于物联网与智慧交通的教学设计与实现

胡秋萍 王玉英 季文霞

【摘 要】本文通过分析生活中的智能停车收费系统实例，围绕数据和网络逻辑主线，模拟搭建停车收费简易系统，形成以数据为核心的主题单元教学案例。实验探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等功能和基本原理，体验物联网、大数据及人工智能的关系，培养学生信息科技学科核心素养。

【关键词】物联网；简易系统；单元教学

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）07-070-02

以数据为核心的物联网教学

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》提出了“以数据为核心”的理念。数据流动和数据共享正是物联网应用探索最值得关注和思考的核心问题，建议教师聚焦分析生活中的典型物联网应用，设计并搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的简易物联网系统，帮助学生更好地认识物联网实现万物互联的基本原理，体验物联网、大数据及人工智能的关系，发展学生学科核心素养。

模拟停车收费的简易系统设计

智能停车场是生活中最常见的物联网系统，通过摄像头、传感器等智能设备的联动，提供更加智能、便捷、高效和安全的停车服务。整个过程由车辆识别、自动计费、数据统计和车位管理等多个子系统组成，其中最能体现教学需要的是停车收费子系统。

1.核心功能分析

本案例聚焦数据的处理流程，设计并实现具有“感知—采集—传输—反馈—控制”完整功能的智能停车收费简易系统，所需核心功能包括：（1）车辆驶入时，数字设备智能识别车牌，记录驶入时间和车牌信息；（2）车辆驶出时，识别车牌，获取出场时间，计算收费金额；（3）反馈收费金额，模拟缴费过程，车辆驶出。

收费标准模拟显示：（1）停车场每小时收费10元；（2）30分钟内免费，超过30分钟按1小时计算。

2.核心任务分解

依据系统“输入—处理—输出”（IPO）的工作方式和物联网的三层构架来理解。智能停车收费的物联网简易系统可以被拆分为如下子任务：（1）使用数字设备采集车辆进入和驶出时的车牌号和时间数据；（2）物联网服务平台存储车牌号和入场时间数据，提供MQTT订阅服务；（3）按需求处理数据，使用数字设备反馈收费信息。

3.教学实验设备的选择

考虑到教学环境的Wi-Fi覆盖范围和真实云平台应用存在账号登录、数据管理等问题，使用内置Wi-Fi与MQTT服务的1956开发板快速搭建局域物联网服务环境；使用计算机自带和外接的摄像头，结合车牌识别的人工智能技术，实现将采集到的出入车辆的车牌图片信息转化为文本信息，上传到物联网平台。mPython软件具备图形和Python代码编程两种模式，内部配置了常用的Wi-Fi模块、物联网模块与摄像头识别等多个应用模块，支持MQTT消息队列遥测传输协议的订阅主题服务，是编程实现的主阵地。掌控板（乐动掌控）主要用在出口处，摄像头识别车牌后，程序订阅平台入场记录，计算停车时间，按照收费标准计算出收费金额，车主缴费后车辆驶出。停车收费简易系统设计如图1所示。

图1  停车收费简易系统设计示意图

4.关键问题分析与程序实现

（1）车牌数据的采集及传输。mPython软件启动SIoT-Python模式和车牌识别扩展应用，笔记本使用外接摄像头，方便车牌扫描识别，设置启动1956开发板的Wi-Fi和SIoT物联服务。有车辆驶入时，智能车牌识别模块采集车牌数据，通过互联网传输到物联网平台的mPython/in主题中。

（2）获取车辆入场数据，计算收费金额，给出缴费提示信息。有车辆驶出时，笔记本自带摄像头和智能车牌识别模块采集车牌数据，通过互联网传输到物联网平台的mPython/out主题中，同时订阅获取该车牌的入场时间，按收费标准计算出收费金额，反馈提示收费等相关信息。

基于简易系统案例的教学单元设计

1.前序知识要求

本单元教学非零起点，需要学生已经了解和掌握以下前序知识：（1）掌握了一些常用传感器的原理及使用方法；（2）熟悉了mPython软件的基本使用方法；（3）了解Python中列表和字典的基本功能和用法；（4）了解物联网的基本原理。

2.确定单元目标

（1）通过设计规划模拟停车收费系统，深刻理解物联网的原理和作用。（2）通过分析现实停车收费系统，体验问题分析、分解、抽象的基本方法。（3）通过采集车牌数据、发送到物联网平台并实现自动收费的功能，掌握从物联设备中读取、发送、接收和使用数据的基本方法。（4）体验利用计算机自动解决现实问题的方法，提升计算思维。（5）通过模拟停车收费系统的拓展应用，拓展思路，达到知识迁移应用的目的，提升学习成就感，体会技术给人们的生活带来的美好变化，提升信息意识和社会责任感。

3.单元课时安排

依据项目要求及学生的认知规律，重点结合停车收费系统中数据的流动过程，我们将本单元设计为4课时完成。

第一课时，学生在教师的引导下总结、分析观察到的停车收费实际场景，学会分析、分解问题并对实际问题进行合理抽象。学生围绕观察到的停车收费现象和问题，进行分析、规划和试验。

第二课时，学生分组，在教师的引导下各组依据所使用的开源硬件及软件（mPython）的特点开始进行项目实施。主要完成以下任务：根据前期分析停车场入口、出口的功能绘制程序实现的过程图；根据过程图编写程序，实现采集车牌数据、上传物联网平台，并实现计费功能。

第三课时，拓展应用，对系统反思、优化，达到知识迁移。分组实现个性化的停车计费系统。学生可以根据前期的分析，分组实现个性化停车收费系统功能，如空车位显示、限行提示、剩余車位信息等；设置不同场景的不同计费形式；完善程序实现跨天收费等。

第四课时，展示分享，自评互评。教师发放自评、互评评价表，学生分组进行展示、自评、互评。教师引导学生对项目过程及问题进行共同研讨，学生在自评、互评及共同研讨过程中达到深刻理解物联网中数据的采集、传输、处理等功能的实现过程，达到取长补短、共同提高的目的。

教学建议

为保证教学效果，教师可以提前引导学生观察并记录自己身边的停车场（库）出入及计费情况，依据同学们观察到的不同计费场景功能将学生分成不同的小组。这样既可以满足不同学生的兴趣，也可以体现现实问题的多样性，从而最大限度地激发学生的学习兴趣。

在教学过程中，教师要更加关注问题的分析与分解过程，引领学生从复杂的实际问题中抽象梳理车辆入口及出口的设备动作流程，画出流程图，依据清晰的流程图编写程序实现功能。这样学生可以避免非关键因素的干扰，从而达到顺利完成项目的目的。

在归纳总结、自评互评环节，教师要引领学生思考停车收费系统中数据的采集、存储、处理及应用的过程，深刻理解物联网在实际生活中的作用，以及物联网三层架构的基本功能，引导学生感受技术给生活带来的便捷，激发学生学习信息技术、负责任地使用信息技术的意识和责任感。