—本篇文章摘自《中小学信息技术教育杂志》2022年第12期
基于项目式教学开展物联网实践与探索—— 以“物联网与智慧社区”为例
-李琦
【摘要】
义务教育信息科技课程中“物联网实践与探索”模块的教学需具备工具性、实践性和创新性，这使得该模块适合采用项目式教学。对于项目式教学中确定项目任务、制订项目计划、组织项目实施、检查评估总结、交流分享等环节，不仅需要紧扣课标要求，还要求教师具备较强的项目组织与引导的能力，并在整个过程中注重对学生核心素养的培养。
【关键词】
项目式教学；物联网；掌控板
【中图分类号】
G434 【文献标识码】B
【论文编号】
1671-7384（2022）012-064-03
【作者单位】
浙江诸暨市海亮实验中学
研读课程标准，把握模块特点
《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中，“物联网实践与探索”模块要求学生能通过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，体验物联网、大数据及人工智能的关系，并要求学生了解身边的物联设备及其对塑造网络虚拟身份的作用，有意识地保护个人隐私，进行安全防护。针对该部分课标内容的落实，在教学设计和教学过程中需具备工具性、实践性和创新性。
1.工具性
一方面，物联系统的设计与搭建依赖于各种软硬件工具的支持；另一方面，在核心素养培养和课标内容落实上，核心对象始终是人，因此不能只强调工具的引入。
2.实践性
无论是探索物联网中数据采集、处理、反馈控制的基本内容，还是体验物联网、大数据及人工智能的关系，都会涉及程序设计、硬件搭建、传感器使用等方面内容的教学，而这些都需要学生动手实践才能真正掌握。
3.创新性
物联网是继互联网之后的新型信息基础设施，是推动大数据和人工智能等信息科技发展与普及不可或缺的重要组成部分。因此，需特别注重培养学生利用物联网技术创造性解决问题的能力。
结合“物联网实践与探索”模块的教学特点以及课标中所提倡的“倡导真实性学习”的课程理念，本模块宜采用由真实问题或项目驱动的项目式教学来落实该部分内容，教师引导学生在真实情境中学习工具的运用，在体验实践过程中建构知识，最终提升解决问题的能力[1]。
确定项目任务，制定项目计划
项目式教学遵循确定项目任务、制订项目计划、组织项目实施、检查评估总结、交流分享等环节[2]。其中第一个环节便是根据真实情境下的具体问题来确定项目任务。对项目式教学而言，项目任务并不是随意确定的。要确定准确、合适的项目任务，需经历聚焦领域、发现问题、整理需求等过程。
1.聚焦领域
聚焦领域的目的是共情，即确定真实的情境领域，在学生中形成同理心，以便教师在教学过程中可以更好地引导学生共同前行。智慧社区是指利用物联网等各种数字技术为社区居民提供安全、舒适、便利的现代化、智慧化生活的社区，是近年来国家所提倡的新型社区管理形态。选择聚焦智慧社区中的某一方面内容开展项目式教学，既容易贴近学生的生活实践，也可以让学生领略物联网技术的创新应用。
2.发现问题
在确定聚焦领域后，教师可引导学生通过头脑风暴法、同理心地图法、实地调研法等方法来发现身边存在的实际问题。如在小区“通知公告”窗口张贴的纸质公告存在信息传达不方便、不及时的问题；火警报警装置一般只安装在楼道口，在家中无人的时候发生火灾，很难及时察觉；住户出门小区楼层越来越高，电梯等待时间也越来越长；小区内空巢老人遇到意外难以及时被发现等。
3.整理需求
项目式教学的任务导向是解决问题，因此需要将汇总的问题整理成项目需求。以便在后序教学过程中围绕着这些项目需求开展探究，最终回到实际问题的解决上。针对问题引导学生利用所学的物联网相关知识，确定搭建“智慧社区物联系统”项目来解决以上问题。
针对纸质公告存在信息传达不方便、不及时的问题，可以将包含显示屏的信息终端安装到每户家庭内部，并通过订阅不同消息主题，实现社区、小区分级显示；针对家中无人时发生火灾很难及时察觉的问题，可以在每个家庭信息显示终端上集成烟雾传感器来感知火灾警情，并通过声音发出火灾报警，若发出火灾提醒一段时间内还无人响应，则自动将火灾信息上传到物业消控报警终端；针对电梯等待时间长的问题，可以增加电梯按键执行终端，当住户准备出门时只要在信息终端按下按键就会远程控制电梯按键按下；针对空巢老人遇到意外难以及时被发现的问题，可以在信息终端设置“一键报警”按钮，按下该按钮后社区工作人员可及时收到求助信息，还可以通过程序自动分析住户出门时间，若长期未出门，则自动发出预警。
在确定项目任务后，就需要制订项目计划。在本案例中，教师可引导学生围绕“智慧社区物联系统”项目需求，从人员分工、项目时间周期等方面制订合理的项目计划。考虑到本项目较为综合，教师可将学生分多个学习小组分别分配任务，并尽量考虑小组之间任务难度和任务量的均衡。可参考表1所示的任务分配。
表1 “智慧社区物联系统”项目任务分配表
选择合适设备，开展项目实施
选择合适设备，开展项目实施项目实施的环节主要分为硬件选型和连接、开发平台选择、程序编写几个部分。根据“智慧社区物联系统”项目的任务划分，教师可根据不同的任务目标引导不同组别的学生开展项目实施。其中值得强调的是引导，而不是简单的技能教授。
1.硬件选型和连接
在硬件选型阶段，针对家庭信息终端开发子任务，教师可引导学生从项目实际需求出发，通过回顾已学内容、上网查阅资料等方式列举出所需物联网主控制器以及其他所需的传感器、执行器等，如表2所示。
表2 家庭信息终端的硬件功能列表
综合考虑，可选择自带WiFi模块、OLED显示屏和按键模块的掌控板作为主控制器，并配合自带蜂鸣器的拓展板以及外接的空气质量传感器来作为家庭信息终端的硬件；电梯执行终端可以利用掌控板结合拓展板来连接舵机，并通过舵机输出转动角度来模拟人按下电梯按键；物业消控报警终端只需要掌控板和拓展板即可实现报警。
选择合适的硬件后，还需要将主控制器与传感器、执行器进行连接。在此过程中，教师需要向学生强调物联网实验的操作规范，为了防止电路短路引起故障，可让学生进行交叉检查。
2.开发平台选择
在简易物联网系统项目中，开发平台选择主要包括编程工具的选择和物联网平台的选择。尽管不同的编程工具和物联网平台功能上大同小异，但选择简单易上手的编程工具和物联网平台可以降低项目开发难度。
在本项目中，智能硬件部分代码可以采用与掌控板配套的mPython编程软件编写；针对社区端空巢老人长期未出门预警程序，考虑到需要数据分析，因此可以选择Python作为编程语言；物联网系统的数据通信一般基于消息订阅，MQTT协议就是一种常用的基于消息发布-订阅的物联网通讯协议。想要使用MQTT协议，可以在本地搭建MQTT服务器，也可以利用现成的MQTT平台。在本案例中，选择了盛思MQTT平台，该平台不仅提供基于公网的MQTT消息订阅与转发，还提供了数据导出的API接口。在盛思MQTT平台上注册账号，并创建名称为“智慧社区物联系统”的项目，并在该项目下添加主题：“社区消息发布订阅”“小区消息发布订阅”“出门按键消息订阅”和“物业消控消息订阅”。
此外，还需要在MQTT平台上添加物联网设备。要演示本教学案例，至少需添加3个物联网设备，分别为“家庭信息终端”“电梯执行终端”“物业消控终端”，在实际教学中，也可以让学生添加多个设备来更真实地模拟实际场景。
3.程序编写
物联网系统的具体功能需要通过程序实现。在此过程中，教师可以先和学生一起描述算法，再让学生将算法转化为程序代码，应着重落实对学生计算思维的培养。
针对本项目中家庭信息终端的程序编写，教师可以引导学生从物联网数据的角度出发，用文字或图的形式理清各数据的流转方向，再让学生用自然语言描述不同事件下智能硬件需要处理的事情，让学生编写代码。
（1）当智能硬件启动时：a.完成WiFi连接；b.配置MQTT服务器参数并连接服务器；c.初始化变量warned用于表示预警状态（warned=0表示没有预警，0<warned<< span="">60表示本地预警，warned>=60表示远程报警）；d.启动定时器，每隔1秒钟触发。
（2）当定时器触发时：a.判断烟雾传感器的读数，如果大于某个阈值则warned变量增加1，并显示报警信息；b.判断warned值是否大于等于60，若是则发布“warn”消息到物业消控主题。
（3）当按键A被按下时：判断warned值是否为0，若为0则通过发布“open”消息到出门按键主题来远程控制电梯按钮按下；否则将“warned”值置0以取消本地报警。
（4）当按键B被按下时：发布“help”消息到物业消控主题和社区消息主题，使得物业和社区都可以收到报警信息。
（5）当收到社区订阅消息时：OLED屏第1、2行显示社区发布信息。
（6）当收到小区订阅消息时：OLED屏第3、4行显示小区发布信息。
（7）当数据接口获取的某设备最后一次上报数据时间超过一天时：程序发出空巢老人未预警等。
评估交流分享，延伸拓展项目
当项目完成后，教师可以组织学生以小组为单位从任务目标、实现方式、遇到的困难和解决方案等角度进行分享与交流。由于每个小组的任务不同，相互之间的分享可以促进学生更全面地了解整个项目是如何实现的。此外，教师还应引导学生思考本项目还存在哪些不足，请学生提出改进方案。
在课标中，“物联网实践与探索”模块还要求学生了解身边的物联设备及其对塑造网络虚拟身份的作用，有意识地保护个人隐私，进行安全防护。而在物联网中由于数据无处不在，看似无关紧要的数据也会造成个人隐私的泄露。在本项目中，教师可以引导学生思考哪些数据容易泄露隐私。
如住户每次开门时，会向“出门按键”主题发送“open”消息，若有人拿到服务器上的所有消息记录，就可以通过数据分析的方法分析出该住户每天几点出门，从而进一步得到住户的生活习惯。
在该环节中，教师一方面可以让学生通过观察图表来猜测该用户的生活习惯，从而强调物联网数据隐私保护的重要性，另一方面也可以从数据分析及可视化的角度让学生体会物联网与大数据结合的价值。
结语
本文以“智慧社区物联系统”为例介绍了“物联网实践与探索”模块中项目式教学的一般过程。项目经历“提出项目任务”“确定项目计划”“项目实施”“评估交流与拓展”等环节，对应了项目式教学中问题分析、抽象计算、迭代创造、评估迁移的过程。在整个项目式教学中，教师的作用是组织、引导学生逐步推进项目，在项目推进的过程中让学生完成从知识掌握到知识运用再到知识迁移的蜕变。@
参考文献
【1】刘景福，钟志贤.基于项目的学习(PBL)模式研究[J].外国教育研究，2002（11）.
【2】马宁，赵若辰，张舒然.项目式学习:背景、类型与核心环节[J].中小学数字化教学，2018（5）.