基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧生活的案例設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】本項目在設(shè)計與實施過程中，以項目式學(xué)習(xí)為主，通過國產(chǎn)開源硬件掌控板連接數(shù)字世界與物理世界，以實踐為主線，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強學(xué)生與社會實際的聯(lián)系，在項目的設(shè)計與實施中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、計算思維和創(chuàng)新能力?！娟P(guān)鍵詞】項目式學(xué)習(xí)；設(shè)計思維；計算思維；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用義務(wù)教育信息科技課標(biāo)倡導(dǎo)真實學(xué)習(xí)，鼓勵教師創(chuàng)新教學(xué)方式，通過真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷數(shù)字化工具應(yīng)用過程、計算思維過程和原理運用過程，建構(gòu)知識、提升高階素養(yǎng)。信息科技課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊的教學(xué)需要有效利用基本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與平臺，設(shè)計并實現(xiàn)具有簡單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。項目設(shè)計本案例聚焦物聯(lián)網(wǎng)在生活中的應(yīng)用，借助mPython平臺的IOT應(yīng)用，以遠程寵物喂養(yǎng)為實踐載體，以項目驅(qū)動，基于設(shè)計思維下的項目學(xué)習(xí)框架（圖1），設(shè)計掌控板的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決實際生活問題的流程，并在具體實施過程中，不斷完善，進而形成可供分享或推廣的典型案例或教學(xué)模式。項目實施流程與具體過程1.項目引入，問題驅(qū)動設(shè)計思維學(xué)習(xí)框架可以幫助我們從用戶的角度出發(fā)，了解問題的根源，并引導(dǎo)我們提出創(chuàng)新的解決方案。本項目采用斯坦福設(shè)計研究院開發(fā)的EDIPT模型，從設(shè)計思維的角度貫穿任務(wù)的實現(xiàn)（圖2），以“如何遠程照看家里的寵物”為驅(qū)動問題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的實際問題，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行解決。圖2

設(shè)計思維下的項目實現(xiàn)路徑2.任務(wù)分解，知識建構(gòu)項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)容來自真實的生活情境，其問題是開放的且非良構(gòu)的，強調(diào)學(xué)生對真實問題的識別和解決。深入了解用戶的需求和痛點，可以引導(dǎo)我們設(shè)計出更加實用、更好體驗的項目，并通過同理心—需求—創(chuàng)想—原型—測試的設(shè)計思維流程，創(chuàng)作出有價值的項目成果，從而學(xué)習(xí)知識、獲得技能、提升素養(yǎng)。3.技術(shù)引領(lǐng)，過程實踐技術(shù)實踐是設(shè)計思維和計算思維能用于解決實際生活問題的必備條件。本項目技術(shù)實踐從流程上來說包括原型和測試兩個版塊，從操作層面來說包括相互協(xié)作、問題解決等，從素養(yǎng)層面來說還涉及編程、外觀設(shè)計、創(chuàng)新等核心能力。具體實踐過程如下。第一，明確目標(biāo)。設(shè)計制作一款寵物喂食器，可以采用定時投食，也可以是寵物靠近，通過傳感器感知，進行定量的投食（圖3）。本項目希望通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)寵物與主人間的異地交互，從而緩解寵物長時間獨自在家的寂寞，也給主人的生活帶來樂趣。圖3

寵物喂食器的整體設(shè)計框架第二，確定需求。基于自主可控和硬件開源，我們選擇掌控板進行項目實施。由于不選擇定時投食，而是要讓主人了解寵物（案例中以小貓為例）的狀態(tài)，乃至于形成主人與寵物的互動，項目實際上升級成了一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例。首先，我們要解決的是對小貓信息的采集，這里采用AI攝像頭模塊，捕捉小貓的畫面，考慮兩種情況，一是小貓恰好路過遠程寵物喂食器（以下簡稱“設(shè)備”），二是小貓駐足在設(shè)備前一段時間。我們認為第二種情況可能是小貓孤單了或是餓了，這里就需要物聯(lián)網(wǎng)另一端的主人進行反饋了。為了能夠采集小貓信息，我們一定要做好識別和訓(xùn)練，識別是利用AI攝像頭模塊學(xué)習(xí)小貓圖像，訓(xùn)練是主人在家喂食的時候，一定要將小貓面向AI攝像頭模塊，然后讓機器喂食，讓小貓知道餓了就得盯住AI攝像頭模塊。其次，我們要解決的是數(shù)據(jù)的傳遞，這里采用mPython的IOT，進入平臺的項目管理，我們可以新建兩個項目，分別用來做物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應(yīng)用層，并為其創(chuàng)建對應(yīng)的“主題”和“設(shè)備”，這里的感知層指的是設(shè)備本身，應(yīng)用層則是主人控制的掌控板。最后，我們利用激光切割、3D打印完成設(shè)備結(jié)構(gòu)的制作，這里用360度舵機控制貓食的投喂。第三，編寫程序，完善功能。編寫完整程序之前，我們先完成基礎(chǔ)程序的調(diào)試。例如，我們需要測試360度舵機轉(zhuǎn)動多長時間，出來的貓食符合小貓每次的進食量。在交互部分，我們的設(shè)想是，喂食的時候利用語音合成播放“貓咪，該吃飯了”3次，如果主人想寵物，按下自己手上的掌控板發(fā)送消息到設(shè)備，并語音合成“貓咪，在哪里呀”3次。以上功能都可以先做測試，并做一個最簡單的信息雙向交互。然后，我們依照圖4的功能實現(xiàn)，分別給設(shè)備和主人的掌控板編寫程序。圖4

設(shè)備主要功能及實現(xiàn)框架第四，組裝測試。將程序?qū)?，我們先進行近距離測試，驗證掌控板IOT平臺收發(fā)的信息是否準(zhǔn)確，如果沒有問題，再更改網(wǎng)絡(luò)配置，進行遠距離測試。4.作品展示及評價我們借助PPT對小組設(shè)計的作品進行描述和展示，闡述設(shè)計思路及特點、小組分工及每個人的貢獻、在設(shè)計制作過程中遇到的問題及小組的問題解決方案。整個展示則側(cè)重于自身作品特征，有