基于物联网与智慧教学的案例设计与实现

范保玉

【摘 要】本文展示了学生运动监测物联网简易系统的设计和搭建的全过程，从项目的选题到实施都进行了详细介绍。在整个过程中，考虑了学生的特点、学校的条件和课标要求，将真实的问题转化为了一个可以学习、讨论和拓展的项目式学习案例。本案例聚焦物联网的数据分析与反馈，旨在促进学生对物联网概念的深入理解和应用。

【关键词】物联网；智慧校园；运动监测

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）07-074-02

物联网简易系统选型

简易系统搭建是在对物联网基本功能有所了解的基础上，进一步深入掌握“数据分析与反馈”核心概念的教学要求。物联网实践与探索是第四学段（7～9年级）的课程内容，定位是发挥物联网作为互联网感官与触手的独特作用，有目的地对采集、处理、反馈控制进行教学设计，发现其中的信息和规律，帮助人们决策和行动[1]。

该项目聚焦“基于物联网的数据分析与反馈”，通过在真实场景中学习和研究，更好地激发学生的学习积极性，培养他们“利用数据分析和解决问题的能力”，掌握在问题中学习解决问题的方法。

案例设计与实施过程

1.提出问题

为了更好地关注学生运动健康状况，提高学生的运动能力和兴趣，学校尝试利用智慧校园已有的环境，通过搭建物联网平台，监测学生在校的运动数据，为制订个性化的运动方案提供科学依据。

通常考虑到学生自律性问题和学校管理困难，学校不允许学生携带手机、手环、智能手表等通讯设备进入学校，这给数据采集带来了障碍。因此，我们需要寻找一种既能保证学生的安全和纪律，又能有效地记录和传输运动数据的方法[2]。

2.明确问题

在本项目开展之前，学生已经基本掌握了物联网基本概念和环境搭建的基础，教师引导学生按照“感知—采集—传输—反馈控制”物联网基本功能顺序，组织学生展开讨论，总结出该项目需要解决的具体问题，即需要解决的核心问题。

（1）需要通过一种方式标识并验证身份。

（2）采集运动信息，包括运动方式、运动量（距离）、运动时间、身体运动指标（血压、心率）。

（3）根据采集到的数据分析运动强度（速度）、运动路线，生成数据报告，可以是文字、表格或者图表。

3.分析问题

针对上一环节确定的核心问题，限于校园网络环境、学校管理制度，以及现有物联网教室的设备情况，组织学生进行头脑风暴，分析项目需要和能够采集的数据。身份识别方面由于学校禁止携带智能手环（表），人脸识别和指纹识别学校暂时没有足够的设备，最后确定使用同学们都有的RFID校园卡。运动量根据固定终端间的距离差计算。运动强度通过计算单位时间的运动量实现。最终，学生通过RFID校园卡可以在终端看到自己的运动情况。

根据头脑风暴的结果和课时总体要求，对项目进行分析，最后确定技术方案如下。

（1）主控选择1956开发板和乐动掌控板。

（2）由于全校学生都有校园卡且未加密，身份识别采用RFID标签技术。

（3）运动数据只采集位置和时间。

（4）使用1956开发板显示运动报告，包括运动量（位置差）和运动强度（速度）等。

实施部署原型简化，在学校不同位置固定安装乐动掌控采集位置信息，学生在校园内运动时使用校园卡触碰乐动掌控RFID模块，记录其到达时间，通过计算两次刷卡的位置差和时间差，得到运动量、运动强度。

4.项目计划

整个项目计划课时安排5周，每周一次课，每次课1.5小时。整体设计围绕物联网相关的课标和核心素养要求展开，注重培养信息意识（思考运动监测系统核心功能）、信息社会责任（通过技术解决真实世界问题可靠、高效）、计算思维（问题分解、界定及抽象，体验数据采集和自动化处理的过程）。第1次课重点是分析和明确问题，确定将身份识别、运动量（位置差）、运动强度（速度）作为核心问题。第2次课准备材料，搭建系统原型，在教室完成物联网组网，验证硬件方案。第3次课使用mPython编写程序，利用SIoT平台存储和使用数据，调试运行，根据数据制作分析报告。第4次课项目试运行并测试，调试并记录问题，进行总结。第5次课汇报展示，总结反思项目进行过程中的得失，交流分享经验。

5.项目实施

（1）终端分布规划。根据校园具体道路和房屋分布情况，提前放置多个终端（乐动掌控板）做好标识，估算终端距离并制作表格登記距离，表格要求是二维双向的，方便后期的程序编写。

（2）RFID传感器。RFID传感器是一种无线数据收发的电子设备，具有无线通信、自动识别和远程监测等功能。它采用射频技术，能够通过无线方式将数据传输到特定读写器，因此被广泛应用于各种场合中。智慧校园网络学生一卡通是一个基于RFID技术的应用，学生配备一个带有RFID芯片的一卡通，在校内食堂、图书馆实现多种应用[3]。

（3）本地数据保存。由于MQTT消息的订阅者模式，通常每次触发只能获取到最新的消息，为了获取历史记录，使用Python的requests库完成自定义数据读取。首先需要安装requests库，使用requests.get（）方法自定义请求的内容，注意使用json格式封装数据，返回值是一个字典，解析后可以使用[4]。

（4）数据报告展示。原始返回的数据直接显示不够明确，需要对其进行格式化并添加相应的文字说明，例如，运动量2000m，运动强度75m/min。这样就需要对原始数据进行数据类型转化、字符串拼接等处理。当然，为了显示友好，还可以增加姓名和性别等辅助信息[5]。

6.问题反思

这个项目充分利用了校园网的基础设施，包括校园电路、Wi-Fi网络、学生校园卡和物联网教室掌控板设备等，降低了开发和部署的难度，使其可以顺利完成教学。设计程序关键技术实现读取历史数据记录。然而也存在一些问题，如每次只能刷一人，出现排队情况；采集的数据简单，缺少血压、心率等数据，导致运动健康监测不准确。未来可更换智能设备，提升刷卡效率。例如，使用人工智能摄像头和增加心率、血压等身体数据传感器。还可以对保存时间较长的数据进行分析，得出运动与身体发育的关系，并接入小程序，让家长在家了解学生的学校运动情况。

结束语

本文以“学生运动监测的物联网简易系统”为例，聚焦“基于物联网的数据分析与反馈”，整个项目从设计到实施紧紧围绕物联网数据分析，层层深入，帮助学生掌握数据分析和解决问题的能力。教师可以利用本案例的经验，结合自己的教学需要进行教学设计与课程开发。

崔允漷. 如何开展指向学科核心素养的大单元设计[J].北京教育：普教版，2019（2）：11-15.

高万明，周飞，李峥. 基于物联网的学生体育测试监测系统[J]. 佳木斯大学学报：自然科学版，2021，39（2）.

高强. 基于物联网技术的学生活动轨迹分析与设计[D]. 保定：河北农业大学，2013.

赖思思，王倩，占晨龙，葛年明. 基于物联网的智能健康监测系统设计[J]. 现代工业经济和信息化，2021（7）：72-74.

王振亚. 基于物联网的体育课程管理系统设计[J]. 现代电子技术，2020（7）.