基于STEM理念的物联网项目式教学探索

周茂华 王国营 秦峰

【摘 要】本文基于掌控板、物联网设计话筒跌落监测系统，开展项目式学习；融合科学、技术、数学等多学科知识，有效利用掌控板与物联网平台，搭建物联网系统；探索利用物联网解决实际问题的方法，培养学生发现、分析、解决问题的能力。

【关键词】掌控板；物联网；STEM；项目式学习

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）07-072-02

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》把物联网实践与探索列入课程模块。物联网以其全面感知、可靠传输、智能处理等特点，推动信息科技发展与普及，同时物联网融合了科学、技术、工程、数学等学科知识。

掌控板是一款教学用开源硬件，自带物联模块，实现了物联网采集终端的低成本化，结合简单易用的SIot、Esay Iot、阿里云、OneNet等物联网平台，能够快速进行简易物联系统的设计与搭建，探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能，让物联网技术进入中小学课堂成为可能。并且通过便捷的数据采集方式，帮助学生通过“数据探究”的方式去研究科学问题[1]。

本文基于掌控板设计话筒跌落监测系统，采取STEM理念下的项目式学习方法，探索物联网教学模式，以期更好地完成教学目标。

项目提出，界定问题

学生在文艺汇演中发现，无线话筒不慎跌落，撞击地面的声音被音响放大，会发出刺耳的声音，引起听众不适。为解决这一问题提出设计项目，学生对其有一定的了解和认知。话筒跌落、音响涉及中学物理落体运动、电路结构、声音传播、电磁感应等知识。项目场景来源于学生的生活，涉及科学、技术、数学知识，具有一定的复杂性和挑战性。

分解问题，抽象特征，提出解决方案

话筒跌落监测系统具有监测话筒跌落和控制音响静音的功能。根据功能，将设计问题细化为以下几个小任务，并抽象其关键特征，提出解决方案。

任务一：监测话筒跌落。无线话筒跌落过程中空气阻力影响较小，可看作自由落体运动，其下落的加速度约为9.8m/s2。因此，用掌控板加速度传感器作为物联网的感知层，实时监测无线话筒的加速度值，判定无线话筒所处状态。

任务二：数据的网络传输。使用1956开发板构建物联网网络层，实现控制信号的传输，以及加速度数据的应用分析。

任务三：远程控制音响静音。音频输入控制器由掌控板和继电器组成，作为物联网的应用层。当掌控板接收到物联网控制信号，控制继电器的断开或闭合，实现音响静音或正常工作的切换。如图1所示，通过各部分相互协作，实现了数据的交流通信。

图1  话筒跌落监测系统

硬件组成与软件设计

1.硬件组成

话筒跌落监测系统由两个掌控板、1956开发板、固态继电器、话筒、音响等组成。

1956开发板搭载人工智能和物联网双主控，结合板载集成的硬件和拓展接口，支持完成人工智能、物联网、STEAM、创客教育等各类项目开发与制作。本文将1956开发板作为局域网服务器，搭建物联网平台，实现感知层和应用层的数据传输。在无互联网环境下，也可以应用本系统。

固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。较之电磁继电器可靠性更高，且无触点、寿命长、速度快，对外界的干扰也小，已被广泛应用[2]。

本文设计音频控制器的电路原理如图2所示。默认状态下，继电器闭合，音响正常工作。当掌控板收到音响静音信号，通过P1口控制继电器断开，关闭音频信号输入，音响静音。由此可见，继电器连接着控制系统和被控制系统，发挥中介开关的作用。

图2  音频控制器电路原理图

2.软件设计

使用mPython进行编程，该软件有图形化编程和Python两种模式，模块种类多，提供代码库、通用传感器等，新手很容易使用。程序编写具体思路如下。（1）首先给系统供电，连接网络，建立UDP连接，实现多对多物联网，开始采集加速度值，若加速度值持续大于9.7小于10，则判定话筒处于落体运动状态，红灯警示；否则判定为正常状态。将控制信息及采集的加速度数值上传SIot服务器，进行数据分析测试（程序略）。（2）音频控制器接收控制信号，若正常则继电器执行闭合操作，音频输入正常。若落体运动，则继电器执行断开操作，切断音频输入，音响静音（程序略）。

系统的测试运行

硬件连接、程序编写完成后，开始进入测试运行阶段。除测试系统功能外，还需要测试系统的两个重要指标。

一是系统响应速度，监测系统能否在话筒落地前完成静音功能。二是误报率，系统能否规避因人为剧烈晃动话筒使得掌控板误判话筒跌落，导致音响静音。如果存在问题，需要进一步分析原因，重新设定参数或者重新设计方案，再次建立模型系统并测试。

测试结果：程序响应时间约为0.6ms，在此时间内话筒自由下落的高度由h=gt2/2得出约为1.8*10-6m，响应速度快。根据上传到SIot的加速度数据，测试发现话筒落体运动过程中加速度恒定，大小为9.8m/s2，与地面碰撞时加速度突然变大；人为晃动的加速度时间图像没有特定规律，加速度变化范围较大。人为极难持续做出加速度大小恒等于9.8m/s2的运动。因此，可以调整加速度取值范围及持续时间，作为无线话筒落体运动的判定条件，降低误报率。

结  语

基于STEM理念的物联网项目式学习具有学科融合性、情境性、趣味性、体验性，着重培养学生解决实际问题的能力，更符合新时代素质教育的要求。通过话筒跌落监测系统的设计，学生可以认识加速度传感器，理解物联网是连接物理世界与数字世界的纽带和媒介，有效利用掌控板与物联网平台搭建物联系统，探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能，在解决项目设计问题中培养理解、分析、解决问题的思维方式，提升学生科学素养。

刘宜萍. 新课标中“物联网技术”教学实施初探[J].安徽教育科研，2020（14）： 93-95.

周衛兵. 固态继电器的特点及应用[J].山西电子技术，2010（1）：92-94.