盧華軍 謝作如

● 課程開設(shè)的背景

滬科版（2017）必修2第三單元項(xiàng)目七《探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)——了解物聯(lián)網(wǎng)》中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)做了簡(jiǎn)單的介紹，但是對(duì)于教學(xué)說(shuō)，并無(wú)具體可操作的案例，學(xué)生缺少真實(shí)的體驗(yàn)。只有親手搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，學(xué)生才能真正了解傳感器、執(zhí)行器的工作原理，掌握物聯(lián)網(wǎng)的傳感和控制的機(jī)制及應(yīng)用。

與面向園林、農(nóng)田、農(nóng)業(yè)設(shè)施等領(lǐng)域的日常灌溉控制和管理系統(tǒng)不同，教材中的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要是從實(shí)驗(yàn)的角度，滿足教學(xué)及學(xué)生研究的需要，在校園生物園內(nèi)種植本地常見(jiàn)的花卉植物，建立一個(gè)便于實(shí)踐操作的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的調(diào)查和比較，我們選擇了謝作如老師主導(dǎo)設(shè)計(jì)的開源智慧農(nóng)場(chǎng)（Sfarm）方案。

通過(guò)部署好的Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)，完成項(xiàng)目七的教學(xué)任務(wù)后，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)很感興趣，意猶未盡，因此有了將部署Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)的過(guò)程，結(jié)合選修模塊《開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)》的課程標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)一門名為《設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)》校本課程的想法。讓學(xué)生通過(guò)開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程，既可以自主編程，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，也能深度參與開源項(xiàng)目系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，還可以利用各種數(shù)據(jù)進(jìn)行鄉(xiāng)土地理和生物生態(tài)融合研究，可謂一舉多得。

● 課程的設(shè)計(jì)

1.課程目標(biāo)

新課標(biāo)中的選修模塊6《開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)》體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科發(fā)展的最新進(jìn)展。在確定課程目標(biāo)時(shí)，以選修模塊6的課程內(nèi)容要求為依據(jù)，將目標(biāo)定在以下幾點(diǎn)：①針對(duì)給定的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行需求分析，明確需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。②運(yùn)用基本算法設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的方案，能使用Python編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)這一方案。③針對(duì)不同功能模塊設(shè)計(jì)合適的算法，利用Python編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各模塊功能。④完善項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行開源與知識(shí)分享的精神理解，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的意義。

相應(yīng)的學(xué)業(yè)要求如下：①知道基于開源硬件進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一般流程，能將其應(yīng)用于智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目中。②能利用開源硬件與軟件實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目方案。③能根據(jù)不同的功能模塊需求，設(shè)計(jì)合適的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。④理解自覺(jué)進(jìn)行開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)的理念與知識(shí)、分享的精神，理解保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的意義。

2.教學(xué)環(huán)境的配置

軟件清單：SIoT——MQTT服務(wù)器，含自主開發(fā)的“智慧農(nóng)場(chǎng)”插件;Jupyter Netbook——可以在線編寫Python程序的網(wǎng)絡(luò)筆記本;Node-RED——可視化的物聯(lián)網(wǎng)工具，能夠以流程圖的方式管理物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。

硬件清單：拿鐵熊貓，虛谷號(hào)，掌控板，各類傳感器、執(zhí)行器、繼電器、電磁閥等。

3.課程內(nèi)容和教學(xué)計(jì)劃

根據(jù)開源智慧農(nóng)場(chǎng)及虛谷號(hào)的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，筆者共設(shè)計(jì)了12個(gè)專題實(shí)驗(yàn)（共18個(gè)課時(shí)），基本能滿足校本選修課《設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)》一個(gè)學(xué)期的課程開設(shè)。具體安排如下表所示。

● 教學(xué)案例展示

1.專題2：數(shù)據(jù)采集和消息發(fā)送

本專題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)（1課時(shí)）：

①學(xué)習(xí)如何使用Python語(yǔ)言編寫自動(dòng)澆灌程序（如圖1）。本活動(dòng)的目的是讓學(xué)生了解pingpong庫(kù)的使用，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤濕度進(jìn)行自動(dòng)澆水。這也是學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的第一個(gè)程序。

②學(xué)習(xí)通過(guò)Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與消息的發(fā)送（如圖2）。學(xué)生通過(guò)此活動(dòng)了解訂閱（publish）功能，能夠連接并訪問(wèn)Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)。

2.專題3：消息訂閱和執(zhí)行器控制

本專題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)（2課時(shí)）：

①學(xué)習(xí)通過(guò)Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)來(lái)訂閱消息（核心代碼如下頁(yè)圖3所示），掌握發(fā)布（subscribe）功能。

②學(xué)習(xí)通過(guò)Sfarm智慧農(nóng)場(chǎng)來(lái)控制執(zhí)行器（核心代碼如下頁(yè)圖4所示）。發(fā)送澆水指令時(shí)控制電磁閥開始澆水。

③硬件安裝與軟件配置。

在學(xué)校生物園內(nèi)配置水、電設(shè)施及連接電磁閥，測(cè)試驗(yàn)收合格后，盡量讓學(xué)生以小組為單位，自己動(dòng)手安裝虛谷號(hào)與各傳感器。具體操作步驟如下。

第一步：安裝虛谷號(hào)及控制套件。在防水盒內(nèi)適當(dāng)位置固定主控板，安裝擴(kuò)展板、繼電器模塊，連接各種傳感器和電磁閥套件。

第二步：調(diào)試系統(tǒng)。各傳感器安裝好后進(jìn)行小組交叉檢查，正確無(wú)誤后上電，啟動(dòng)虛谷號(hào)，逐一測(cè)試。若正常再接入電磁閥電源，打開三角閥，進(jìn)行澆灌測(cè)試。

● 課程特色

校本課程《設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)和智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)》的最大特色在于其擁有一個(gè)正在真實(shí)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，課程的各個(gè)專題實(shí)驗(yàn)和Sfram無(wú)縫結(jié)合。課程帶領(lǐng)學(xué)生逐步剖析、分解這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的奧秘，并逐步完善、豐富其功能。

1.與2017版課標(biāo)選擇性必修課程無(wú)縫銜接

本課程充分結(jié)合高中信息技術(shù)選修模塊6的內(nèi)容要求，讓學(xué)生進(jìn)行開源硬件項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試和運(yùn)行的完整過(guò)程。通過(guò)此課程，學(xué)生能熟悉開源硬件的基本使用方法，了解基于開源硬件的信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)，以實(shí)例為依托，鼓勵(lì)學(xué)生交流與合作，踐行開源與知識(shí)分享的精神。

2.結(jié)合校情開發(fā)有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的校本課程

在學(xué)校生物園內(nèi)建設(shè)好智慧農(nóng)場(chǎng)的項(xiàng)目之后，可結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況進(jìn)行完善，開發(fā)有一定特色的課程。在完善環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，可設(shè)計(jì)較為開放的任務(wù)，給學(xué)生充分的想象與創(chuàng)新空間。例如，使用WebAPI開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)終端插件（siot插件），可直接在網(wǎng)頁(yè)上使用按鈕進(jìn)行灌溉操作，也可通過(guò)Rime庫(kù)的開發(fā)使用，使用手機(jī)直接訪問(wèn)此系統(tǒng)。手機(jī)通過(guò)掃描二維碼方式在校內(nèi)訪問(wèn)或通過(guò)動(dòng)態(tài)域名在互聯(lián)網(wǎng)上訪問(wèn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控環(huán)境。在增加攝像功能后，還能夠通過(guò)ffmpeg庫(kù)進(jìn)行視頻推流，完成視頻監(jiān)控的功能。

3.結(jié)合生物生態(tài)和鄉(xiāng)土地理進(jìn)行勞動(dòng)實(shí)踐與研究性學(xué)習(xí)

在校園智慧農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用與開發(fā)過(guò)程中，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程性、體驗(yàn)性、探究性和創(chuàng)造性。整個(gè)智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目的開發(fā)涵蓋了生物、地理、信息技術(shù)和勞動(dòng)實(shí)踐四個(gè)學(xué)科。將鄉(xiāng)土地理環(huán)境、植物生長(zhǎng)特性、種植實(shí)踐活動(dòng)和硬件系統(tǒng)搭建，軟件功能調(diào)試，創(chuàng)意程序開發(fā)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以項(xiàng)目為載體，以實(shí)踐過(guò)程為主線，為學(xué)生的拓展性學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理、分析，可以為生物和地理學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)提供支持。

“萬(wàn)物互聯(lián)”的時(shí)代正漸行漸近，作為一個(gè)開源硬件項(xiàng)目系統(tǒng)，校園智慧農(nóng)場(chǎng)Sfarm的出現(xiàn)，不僅讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入了校本課程，還提供了一種數(shù)據(jù)采集方式，學(xué)生可以使用“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學(xué)問(wèn)題，從而極大地滿足學(xué)校信息技術(shù)教學(xué)和學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的需要。

后記：最近的人工智能技術(shù)的發(fā)展仰賴于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及之后人們大量貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法，使得機(jī)器可以更好地學(xué)習(xí)和理解人的各種物理特征，如我們的形象對(duì)應(yīng)著人臉識(shí)別技術(shù)、我們的聲音對(duì)應(yīng)著語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、我們發(fā)表的文字配合的表情包對(duì)應(yīng)著自然語(yǔ)言理解技術(shù)。但是機(jī)器目前理解的還只是人，對(duì)人和人之間的相互作用構(gòu)成的人類社會(huì)還不夠了解。因此，我們要獲得更有用的人工智能訓(xùn)練成果，需要提供更復(fù)雜的人類社會(huì)的數(shù)據(jù)，這需要有更多的自動(dòng)設(shè)備的參與，這些設(shè)備很多是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。相信物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及應(yīng)用，能夠更好地讓人類社會(huì)的行為“數(shù)字化”，創(chuàng)造出更加高效和智慧的社會(huì)治理形式。在這個(gè)過(guò)程中，反壟斷、網(wǎng)絡(luò)安全和國(guó)家安全的各種擔(dān)憂始終是這一領(lǐng)域頂頭上的“一朵烏云”，而國(guó)產(chǎn)芯片和自研物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的“自主可控”、開源文化和社區(qū)的“創(chuàng)意分享”以及國(guó)家教材結(jié)合地方教材的“技術(shù)民主化”，是其中的重要基石。