基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧教學(xué)的案例設(shè)計與實現(xiàn)

范保玉

【摘 要】本文展示了學(xué)生運動監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)簡易系統(tǒng)的設(shè)計和搭建的全過程，從項目的選題到實施都進行了詳細介紹。在整個過程中，考慮了學(xué)生的特點、學(xué)校的條件和課標要求，將真實的問題轉(zhuǎn)化為了一個可以學(xué)習(xí)、討論和拓展的項目式學(xué)習(xí)案例。本案例聚焦物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與反饋，旨在促進學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)概念的深入理解和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園；運動監(jiān)測

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-074-02

物聯(lián)網(wǎng)簡易系統(tǒng)選型

簡易系統(tǒng)搭建是在對物聯(lián)網(wǎng)基本功能有所了解的基礎(chǔ)上，進一步深入掌握“數(shù)據(jù)分析與反饋”核心概念的教學(xué)要求。物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索是第四學(xué)段（7～9年級）的課程內(nèi)容，定位是發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)感官與觸手的獨特作用，有目的地對采集、處理、反饋控制進行教學(xué)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)其中的信息和規(guī)律，幫助人們決策和行動[1]。

該項目聚焦“基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與反饋”，通過在真實場景中學(xué)習(xí)和研究，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們“利用數(shù)據(jù)分析和解決問題的能力”，掌握在問題中學(xué)習(xí)解決問題的方法。

案例設(shè)計與實施過程

1.提出問題

為了更好地關(guān)注學(xué)生運動健康狀況，提高學(xué)生的運動能力和興趣，學(xué)校嘗試利用智慧校園已有的環(huán)境，通過搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺，監(jiān)測學(xué)生在校的運動數(shù)據(jù)，為制訂個性化的運動方案提供科學(xué)依據(jù)。

通?？紤]到學(xué)生自律性問題和學(xué)校管理困難，學(xué)校不允許學(xué)生攜帶手機、手環(huán)、智能手表等通訊設(shè)備進入學(xué)校，這給數(shù)據(jù)采集帶來了障礙。因此，我們需要尋找一種既能保證學(xué)生的安全和紀律，又能有效地記錄和傳輸運動數(shù)據(jù)的方法[2]。

2.明確問題

在本項目開展之前，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了物聯(lián)網(wǎng)基本概念和環(huán)境搭建的基礎(chǔ)，教師引導(dǎo)學(xué)生按照“感知—采集—傳輸—反饋控制”物聯(lián)網(wǎng)基本功能順序，組織學(xué)生展開討論，總結(jié)出該項目需要解決的具體問題，即需要解決的核心問題。

（1）需要通過一種方式標識并驗證身份。

（2）采集運動信息，包括運動方式、運動量（距離）、運動時間、身體運動指標（血壓、心率）。

（3）根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析運動強度（速度）、運動路線，生成數(shù)據(jù)報告，可以是文字、表格或者圖表。

3.分析問題

針對上一環(huán)節(jié)確定的核心問題，限于校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、學(xué)校管理制度，以及現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)教室的設(shè)備情況，組織學(xué)生進行頭腦風暴，分析項目需要和能夠采集的數(shù)據(jù)。身份識別方面由于學(xué)校禁止攜帶智能手環(huán)（表），人臉識別和指紋識別學(xué)校暫時沒有足夠的設(shè)備，最后確定使用同學(xué)們都有的RFID校園卡。運動量根據(jù)固定終端間的距離差計算。運動強度通過計算單位時間的運動量實現(xiàn)。最終，學(xué)生通過RFID校園卡可以在終端看到自己的運動情況。

根據(jù)頭腦風暴的結(jié)果和課時總體要求，對項目進行分析，最后確定技術(shù)方案如下。

（1）主控選擇1956開發(fā)板和樂動掌控板。

（2）由于全校學(xué)生都有校園卡且未加密，身份識別采用RFID標簽技術(shù)。

（3）運動數(shù)據(jù)只采集位置和時間。

（4）使用1956開發(fā)板顯示運動報告，包括運動量（位置差）和運動強度（速度）等。

實施部署原型簡化，在學(xué)校不同位置固定安裝樂動掌控采集位置信息，學(xué)生在校園內(nèi)運動時使用校園卡觸碰樂動掌控RFID模塊，記錄其到達時間，通過計算兩次刷卡的位置差和時間差，得到運動量、運動強度。

4.項目計劃

整個項目計劃課時安排5周，每周一次課，每次課1.5小時。整體設(shè)計圍繞物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的課標和核心素養(yǎng)要求展開，注重培養(yǎng)信息意識（思考運動監(jiān)測系統(tǒng)核心功能）、信息社會責任（通過技術(shù)解決真實世界問題可靠、高效）、計算思維（問題分解、界定及抽象，體驗數(shù)據(jù)采集和自動化處理的過程）。第1次課重點是分析和明確問題，確定將身份識別、運動量（位置差）、運動強度（速度）作為核心問題。第2次課準備材料，搭建系統(tǒng)原型，在教室完成物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，驗證硬件方案。第3次課使用mPython編寫程序，利用SIoT平臺存儲和使用數(shù)據(jù)，調(diào)試運行，根據(jù)數(shù)據(jù)制作分析報告。第4次課項目試運行并測試，調(diào)試并記錄問題，進行總結(jié)。第5次課匯報展示，總結(jié)反思項目進行過程中的得失，交流分享經(jīng)驗。

5.項目實施

（1）終端分布規(guī)劃。根據(jù)校園具體道路和房屋分布情況，提前放置多個終端（樂動掌控板）做好標識，估算終端距離并制作表格登記距離，表格要求是二維雙向的，方便后期的程序編寫。

（2）RFID傳感器。RFID傳感器是一種無線數(shù)據(jù)收發(fā)的電子設(shè)備，具有無線通信、自動識別和遠程監(jiān)測等功能。它采用射頻技術(shù)，能夠通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教囟ㄗx寫器，因此被廣泛應(yīng)用于各種場合中。智慧校園網(wǎng)絡(luò)學(xué)生一卡通是一個基于RFID技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生配備一個帶有RFID芯片的一卡通，在校內(nèi)食堂、圖書館實現(xiàn)多種應(yīng)用[3]。

（3）本地數(shù)據(jù)保存。由于MQTT消息的訂閱者模式，通常每次觸發(fā)只能獲取到最新的消息，為了獲取歷史記錄，使用Python的requests庫完成自定義數(shù)據(jù)讀取。首先需要安裝requests庫，使用requests.get（）方法自定義請求的內(nèi)容，注意使用json格式封裝數(shù)據(jù)，返回值是一個字典，解析后可以使用[4]。

（4）數(shù)據(jù)報告展示。原始返回的數(shù)據(jù)直接顯示不夠明確，需要對其進行格式化并添加相應(yīng)的文字說明，例如，運動量2000m，運動強度75m/min。這樣就需要對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化、字符串拼接等處理。當然，為了顯示友好，還可以增加姓名和性別等輔助信息[5]。

6.問題反思

這個項目充分利用了校園網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括校園電路、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、學(xué)生校園卡和物聯(lián)網(wǎng)教室掌控板設(shè)備等，降低了開發(fā)和部署的難度，使其可以順利完成教學(xué)。設(shè)計程序關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)讀取歷史數(shù)據(jù)記錄。然而也存在一些問題，如每次只能刷一人，出現(xiàn)排隊情況；采集的數(shù)據(jù)簡單，缺少血壓、心率等數(shù)據(jù)，導(dǎo)致運動健康監(jiān)測不準確。未來可更換智能設(shè)備，提升刷卡效率。例如，使用人工智能攝像頭和增加心率、血壓等身體數(shù)據(jù)傳感器。還可以對保存時間較長的數(shù)據(jù)進行分析，得出運動與身體發(fā)育的關(guān)系，并接入小程序，讓家長在家了解學(xué)生的學(xué)校運動情況。

結(jié)束語

本文以“學(xué)生運動監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)簡易系統(tǒng)”為例，聚焦“基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與反饋”，整個項目從設(shè)計到實施緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，層層深入，幫助學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析和解決問題的能力。教師可以利用本案例的經(jīng)驗，結(jié)合自己的教學(xué)需要進行教學(xué)設(shè)計與課程開發(fā)。

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