物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)

李宏亮　王世達(dá)

教學(xué)背景

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與應(yīng)用，各種國(guó)產(chǎn)品牌智能家居系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)在人們的日常生活中，是智慧生活中不可或缺的一環(huán)，為人們的生活提供極大便利。本節(jié)課基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合智能硬件童芯派與圖形化編程軟件慧編程，以設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)這一真實(shí)問(wèn)題情境，以燈光控制為切入點(diǎn)，從按鈕控制到語(yǔ)音識(shí)別控制，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合，軟硬件結(jié)合、層層遞進(jìn)，讓學(xué)生體驗(yàn)更真實(shí)的編程應(yīng)用場(chǎng)景，經(jīng)歷問(wèn)題解決的完整過(guò)程。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 了解物聯(lián)網(wǎng)的原理與常見(jiàn)應(yīng)用，區(qū)別發(fā)送端與接收端的任務(wù)與需求，掌握物聯(lián)網(wǎng)模塊及下屬積木的使用，熟悉人工智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。

過(guò)程與方法 通過(guò)對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行程序邏輯分析，學(xué)會(huì)如何解決問(wèn)題，提升計(jì)算思維。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 感受物聯(lián)網(wǎng)這一新技術(shù)給生活帶來(lái)的便利，更好地適應(yīng)信息化社會(huì)，提升探究能力、信息素養(yǎng)，學(xué)會(huì)從程序的使用者轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦虻脑O(shè)計(jì)者。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 了解物聯(lián)網(wǎng)的定義、工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域;學(xué)會(huì)對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行程序邏輯分析。

教學(xué)難點(diǎn) 發(fā)送端與接收端的功能與需求的區(qū)分;物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的綜合運(yùn)用。

教學(xué)準(zhǔn)備

學(xué)生端：計(jì)算機(jī)、童芯派（含遙桿、光線傳感器、麥克風(fēng)、帶有Wi-Fi和藍(lán)牙的ESP32、全彩顯示屏、2個(gè)按鈕、揚(yáng)聲器、陀螺儀、加速度計(jì)、RGB燈帶5顆）、USB Type-C數(shù)據(jù)線、慧編程軟件、“物聯(lián)網(wǎng)模塊使用”微視頻。

教師端：路由器（用于搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）、智能家居系統(tǒng)教具及相關(guān)微視頻、極域電子教室軟件、“智能家居”教學(xué)演示文稿、慧編程軟件等。

教學(xué)過(guò)程

一、情境導(dǎo)入，引出概念

1.播放視頻，激發(fā)興趣

教師通過(guò)極域電子教室軟件投屏播放一段“物聯(lián)網(wǎng)智能家居”視頻，讓學(xué)生直觀感受智能家居的魅力，同時(shí)提出問(wèn)題，開(kāi)始構(gòu)建情境。

問(wèn)題一：你家中是否有這樣的智能家居？和你的日常生活相比，視頻中的智能家居有什么優(yōu)勢(shì)？

問(wèn)題二：視頻中的智能家居系統(tǒng)控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間通過(guò)什么傳輸指令？比如風(fēng)扇是怎么接收到童芯派發(fā)出的打開(kāi)命令的？

學(xué)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的思考與討論后，交流、分享討論結(jié)果：智能家居相對(duì)傳統(tǒng)家居，能為人們的生活提供更多的便利，控制器與執(zhí)行器之間可能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、路由器、Wi-Fi進(jìn)行指令傳輸。隨后，教師引出物聯(lián)網(wǎng)概念。

2.頭腦風(fēng)暴，暢所欲言

師：同學(xué)們知道什么是物聯(lián)網(wǎng)嗎？物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)這一概念的定義、未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)世界進(jìn)行簡(jiǎn)單的猜測(cè)與暢想，探討并交流、分享。師生共同討論物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確定義及常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域，初步認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)未來(lái)世界的重要性。

教師總結(jié)：物聯(lián)網(wǎng)就是各種信息傳感設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連，將物體上的信息、標(biāo)簽等數(shù)據(jù)通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行交換和通信，給物體賦予智能，實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的溝通交流。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括本課重點(diǎn)探究的智能家居、智慧健康（通過(guò)智能設(shè)備收集人的心率、血氧、血壓等數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而得知身體的健康情況）、工業(yè)檢測(cè)（通過(guò)傳感器收集溫度、壓力、速度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，判斷機(jī)器的工作狀態(tài)）、智慧交通（結(jié)合人工智能、云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸最優(yōu)路線的實(shí)時(shí)決策）。

二、探究原理，實(shí)踐操作

1.分析程序，厘清思路

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)智能家居系統(tǒng)中的“智能燈光控制系統(tǒng)”進(jìn)行程序邏輯分析，厘清思路，利用排序的方法梳理整個(gè)智能燈光控制流程，著重區(qū)分發(fā)送端與接收端的任務(wù)，如圖1。

2.觀看視頻，自主學(xué)習(xí)

學(xué)生打開(kāi)“物聯(lián)網(wǎng)模塊使用”微視頻，自主學(xué)習(xí)慧編程軟件物聯(lián)網(wǎng)模塊的發(fā)送賬號(hào)云廣播、當(dāng)接收賬號(hào)云廣播等積木的使用;熟練掌握慧編程軟件基本操作及容易出錯(cuò)的自檢要點(diǎn)。

3.基于問(wèn)題，實(shí)踐操作

教師組織學(xué)生分組開(kāi)展項(xiàng)目活動(dòng)，結(jié)合程序分析結(jié)果與自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，2人一組2套設(shè)備，編程實(shí)現(xiàn)“用童芯派A的按鈕控制童芯派B的燈光開(kāi)關(guān)”功能。同時(shí)，教師提出問(wèn)題“賬號(hào)云廣播發(fā)送內(nèi)容與接收內(nèi)容是否必須是文字內(nèi)容，試試別的數(shù)字或字母是否會(huì)影響結(jié)果”，引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題開(kāi)展實(shí)踐，在實(shí)踐中解決問(wèn)題。

學(xué)生完成任務(wù)后，展示成果，如圖2。師生相互交流，得出“只要發(fā)送內(nèi)容和接收內(nèi)容對(duì)應(yīng)，不同發(fā)送內(nèi)容之間能區(qū)分即可，發(fā)送內(nèi)容是文字還是數(shù)字形式都不影響結(jié)果，因此可以盡量簡(jiǎn)化發(fā)送內(nèi)容”的結(jié)論。

三、小組合作，拓展探究

1.自主添加、設(shè)計(jì)功能

教師在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出“想用物聯(lián)網(wǎng)讓LED燈帶能夠有不同顏色的變換”的情境需求，引導(dǎo)學(xué)生自主添加、設(shè)計(jì)更多的功能。經(jīng)過(guò)10分鐘左右的自主實(shí)踐活動(dòng)后，學(xué)生基本掌握物聯(lián)網(wǎng)的使用，能實(shí)現(xiàn)自己的想法，并簡(jiǎn)單地交流、展示自己的作品。

2.結(jié)合教具，迭代更新

教師使用智能家居系統(tǒng)教具演示用“語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)”進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的控制，給予學(xué)生最直觀的感受，提出進(jìn)一步嘗試“語(yǔ)音識(shí)別控制燈光并設(shè)計(jì)更多相關(guān)功能”的情境需求。

學(xué)生思考討論結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，程序可能需要用到的模塊，并思考在原程序的基礎(chǔ)上哪些地方需要修改，從而實(shí)現(xiàn)人工智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用。此外，學(xué)生已有了自主添加、設(shè)計(jì)功能的經(jīng)驗(yàn)，并且有自學(xué)內(nèi)容的支撐（教師提前錄制好相關(guān)微視頻），在這一環(huán)節(jié)可以獨(dú)立完成為智能家居系統(tǒng)添加通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)控制燈光開(kāi)關(guān)的功能，如圖3。

四、總結(jié)交流，拓展深化

1.展示交流，總結(jié)歸因

教師組織學(xué)生進(jìn)行作品的展示交流，師生一起點(diǎn)評(píng)，對(duì)共性問(wèn)題共同討論（如有學(xué)生混淆發(fā)送端、接收端的程序）。教師與學(xué)生共同總結(jié)課堂出現(xiàn)的問(wèn)題，如有學(xué)生在編程中調(diào)用了“語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果”這一變量，卻沒(méi)提前設(shè)置識(shí)別語(yǔ)音這一功能，使得程序出錯(cuò)。

2.拓展探究，合作設(shè)計(jì)

經(jīng)歷物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的小試牛刀后，學(xué)生以小組為單位，結(jié)合自己生活中的真實(shí)需求進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，完成智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)表（如下表）。

本課引導(dǎo)學(xué)生對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行探究，以智能家居系統(tǒng)中的“智能燈光控制”為主要切入點(diǎn)，結(jié)合智能硬件，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制智能家居功能。學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)完整的問(wèn)題解決的過(guò)程：頭腦風(fēng)暴—程序分析—自主學(xué)習(xí)—實(shí)踐操作—添加功能—迭代更新—總結(jié)交流。項(xiàng)目任務(wù)層層遞進(jìn)，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新素養(yǎng)。

李宏亮 上海市金鼎學(xué)校信息科技教師。曾指導(dǎo)學(xué)生獲得第二十二屆全國(guó)學(xué)生信息素養(yǎng)提升實(shí)踐活動(dòng)二等獎(jiǎng)，第三十九屆世界頭腦奧林匹克中國(guó)區(qū)決賽三等獎(jiǎng)，2021年全國(guó)青少年科技模型網(wǎng)絡(luò)系列競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，第十八屆上海未來(lái)工程師大賽“輕量座椅”項(xiàng)目一等獎(jiǎng)，中國(guó)·上海第四屆青少年人工智能創(chuàng)新大賽暨全國(guó)邀請(qǐng)賽“AI樂(lè)享無(wú)人機(jī)”項(xiàng)目三等獎(jiǎng)。