基于物联网与智慧生活的案例设计与实现

杜涛

【摘 要】本项目在设计与实施过程中，以项目式学习为主，通过国产开源硬件掌控板连接数字世界与物理世界，以实践为主线，应用物联网技术，加强学生与社会实际的联系，在项目的设计与实施中培养学生的设计思维、计算思维和创新能力。

【关键词】项目式学习；设计思维；计算思维；物联网应用

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）07-076-02

义务教育信息科技课标倡导真实学习，鼓励教师创新教学方式，通过真实问题或项目驱动，引导学生经历数字化工具应用过程、计算思维过程和原理运用过程，建构知识、提升高阶素养。信息科技课标中“物联网实践与探索”模块的教学需要有效利用基本物联网设备与平台，设计并实现具有简单物联功能的数字系统。

项目设计

本案例聚焦物联网在生活中的应用，借助mPython平台的IOT应用，以远程宠物喂养为实践载体，以项目驱动，基于设计思维下的项目学习框架（图1），设计掌控板的物联网应用解决实际生活问题的流程，并在具体实施过程中，不断完善，进而形成可供分享或推广的典型案例或教学模式。

项目实施流程与具体过程

1.项目引入，问题驱动

设计思维学习框架可以帮助我们从用户的角度出发，了解问题的根源，并引导我们提出创新的解决方案。本项目采用斯坦福设计研究院开发的EDIPT模型，从设计思维的角度贯穿任务的实现（图2），以“如何远程照看家里的宠物”为驱动问题，让学生发现生活中的实际问题，利用物联网技术进行解决。

图2  设计思维下的项目实现路径

2.任务分解，知识建构

项目式学习的内容来自真实的生活情境，其问题是开放的且非良构的，强调学生对真实问题的识别和解决。深入了解用户的需求和痛点，可以引导我们设计出更加实用、更好体验的项目，并通过同理心—需求—创想—原型—测试的设计思维流程，创作出有价值的项目成果，从而学习知识、获得技能、提升素养。

3.技术引领，过程实践

技术实践是设计思维和计算思维能用于解决实际生活问题的必备条件。本项目技术实践从流程上来说包括原型和测试两个版块，从操作层面来说包括相互协作、问题解决等，从素养层面来说还涉及编程、外观设计、创新等核心能力。具体实践过程如下。

第一，明确目标。设计制作一款宠物喂食器，可以采用定时投食，也可以是宠物靠近，通过传感器感知，进行定量的投食（图3）。本项目希望通过物联网技术，实现宠物与主人间的异地交互，从而缓解宠物长时间独自在家的寂寞，也给主人的生活带来乐趣。

图3  宠物喂食器的整体设计框架

第二，确定需求。基于自主可控和硬件开源，我们选择掌控板进行项目实施。由于不选择定时投食，而是要让主人了解宠物（案例中以小猫为例）的状态，乃至于形成主人与宠物的互动，项目实际上升级成了一个物联网应用案例。首先，我们要解决的是对小猫信息的采集，这里采用AI摄像头模块，捕捉小猫的画面，考虑两种情况，一是小猫恰好路过远程宠物喂食器（以下简称“设备”），二是小猫驻足在设备前一段时间。我们认为第二种情况可能是小貓孤单了或是饿了，这里就需要物联网另一端的主人进行反馈了。为了能够采集小猫信息，我们一定要做好识别和训练，识别是利用AI摄像头模块学习小猫图像，训练是主人在家喂食的时候，一定要将小猫面向AI摄像头模块，然后让机器喂食，让小猫知道饿了就得盯住AI摄像头模块。其次，我们要解决的是数据的传递，这里采用mPython的IOT，进入平台的项目管理，我们可以新建两个项目，分别用来做物联网的感知层和应用层，并为其创建对应的“主题”和“设备”，这里的感知层指的是设备本身，应用层则是主人控制的掌控板。最后，我们利用激光切割、3D打印完成设备结构的制作，这里用360度舵机控制猫食的投喂。

第三，编写程序，完善功能。编写完整程序之前，我们先完成基础程序的调试。例如，我们需要测试360度舵机转动多长时间，出来的猫食符合小猫每次的进食量。在交互部分，我们的设想是，喂食的时候利用语音合成播放“猫咪，该吃饭了”3次，如果主人想宠物，按下自己手上的掌控板发送消息到设备，并语音合成“猫咪，在哪里呀”3次。以上功能都可以先做测试，并做一个最简单的信息双向交互。

然后，我们依照图4的功能实现，分别给设备和主人的掌控板编写程序。

图4  设备主要功能及实现框架

第四，组装测试。将程序导入，我们先进行近距离测试，验证掌控板IOT平台收发的信息是否准确，如果没有问题，再更改网络配置，进行远距离测试。

4.作品展示及评价

我们借助PPT对小组设计的作品进行描述和展示，阐述设计思路及特点、小组分工及每个人的贡献、在设计制作过程中遇到的问题及小组的问题解决方案。整个展示则侧重于自身作品特征，有针对性地展示重点。

结  语

将设计思维融入项目式学习全过程，是创新人才培养的有效路径。当学生面对各种生活中的真实问题时，可以通过设计思维以及开源软硬件的应用来寻找最佳解决方法，从而培养计算思维能力。