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“物联网与大数据创意实验”课程的 重新设计

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  ● 缘起
  早在2014年,我们就尝试设计了“物联网与大数据创意实验”课程,期望通过这门课程的学习,学生可以动手完成各种物联网实验,并对物联网产生的大量数据进行科学分析与有效处理。然而,在课程实施的后期我们遇到了瓶颈,主要体现在两方面:①找不到能够支持无线、价格低廉且编程容易的开源硬件;②找不到适用于大班教学的物联网平台。
  缺少适宜的硬件和平台支撑,我们设计的课程注定不具备可复制性。而随着课程标准的修订,“数据与计算”在信息技术和数学课程标准中都不断被强调,“物联网技术”也多次出现在信息技术标准中。同时,国产ESP系列物联芯片的成熟,使得智能终端设备成本降至几百块,于是,我们结合虚谷号、掌控板,又重新设计了“物联网与大数据创意实验”这门课程。
  ● 设计
  1.课程目标
  本课程的授课对象是高中学生,课程以虚谷号为核心器材,掌控板及手机等作为辅助器材,通过搭建各种应用实验,运用Mind+软件或mPython中图形化编程与纯文本代码编程二者相混合的方式,实现各种物联功能。在这个过程中,要求学生对物联网应用有比较深入的了解,能够运用物联网技术收集生活中息息相关的数据,再配合Python去读取与分析数据,并选用合适的工具和方法对数据进行可视化,在完整的获取数据、分析处理与可视化显示数据的过程中,了解大数据处理的基本思想与架构,从实际生活中发现数据应用的价值,认识有效的数据处理对提高数据价值的重要意义。
  2.课程思路
  本课程按照信息感知、信息传输、智能控制和数据分析这四个流程进行,知识领域方面涉及单片机、网络技术、人工智能和数据科学等。物联网平台选择SIoT,虚谷号自带了SIoT服务,启动即可工作,而SIoT和阿里云IoT平台、10086平台、EasyIoT平台一样都支持MQTT协议,在SIoT上编写的所有代码或者应用,都可以无缝迁移到其他物联网平台。
  3.教学内容
  该课程每个专题安排一至两个实验,课程初步设计课时为18课时,设计意图和课时安排如下页表所示。
  4.教学案例
  课例:“植物种植背后的数据秘密”(2课时)。
  (1)教材分析
  本课是本课程的第十五课。它前面有一课的内容为《设计智能种植机》,本节课以智能种植机收集到的数据为基础,进行数据的初步分析处理与可视化表达。教学重点为数据的可视化表达,难点为多途径分析数据。
  (2)教学目标
  了解大量数据的处理思路;掌握Python处理数据的一般方法;选择合适的方式,多途径多角度进行数据可视化。
  (3)教学过程
  ①引入新课。
  教师活动:展示不同地区、同一时间种植、同一时间拍摄的两株蓝莓的照片。提出问题:这两株蓝莓从外观上看有什么不一样?你觉得是什么原因影响了这两株蓝莓的生长?你准备如何去探究?
  学生活动:四人一组进行讨论。可使用以前制作的智能种植机,采集这两株蓝莓的温湿度和实时照片,并对采集的数据进行分析。
  ②讲解数据处理与可视化的基本思想与方法。
  教师活动:明确在处理大量数据时,一般采用分治思想,即把一个复杂的问题分成多个相同或相似的子问题,找到求这几个子问题的解法后,再找出合适的方法把它们组合成求整个问题的解法。(要求学生了解数据可视化的基本方法)提问:对于你要研究的问题,是否可以分成小问题去逐一解决?你准备用什么手段去处理与显示?
  学生活动:上网查找大量数据处理的相关内容。拓展:根据教师提供的智能种植机采集的数据,四人一组进行头脑风暴,确定组内研究主题。在确定主题之后,确定数据处理及可视化的方法,如对应上述主题,可采用Python编程处理数据。
  ③教师演示。
  介绍如何利用SIoT的WebAPI服务,读取特定时间的数据。
  ④学生实验。
  教师讲解实验内容和要求,学生尝试使用Python编程对数据进行分析处理,并调用matplotlib模块绘图;选择使用excel完成数据计算,并以图表形式显示出来;比较两种方式的优劣,感受技术的魅力。
  ⑤课堂总结(略)。
  5.课程所需器材清单
  核心器材:虚谷号(创客版)*1、掌控板(2.0)*1。
  扩展器材:Arduino扩展板*1、pisces扩展板*1。
  电子模块:温度传感器、湿度传感器、声音传感器、LED模块*2、数字大块头按钮、舵机、蜂鸣器模块、直流电机风扇、通用开关控制模块、红外热释电模块。
  其他模块:带麦克风摄像头、带声卡小音箱、Wi-Fi全彩灯泡。
  可选模块:模拟旋钮传感器、土壤湿度传感器、继电器模块、电磁锁模块、风速传感器。
  ● 反思
  本课程是一门开源硬件与信息技术的实验课程,教学对象是高一学生。该年级段的学生,参与课程的积极性高,但动手完成各种物联网实验,对物联网产生的大量数据进行分析处理的能力有待提升。这就要求教师在课程设计、课堂教学过程中,对实验要进行由易到难的层层分解,供学生不断完成以提升自我。
  本课程在教学难度上,环環相扣,小梯度螺旋式上升。在教学方式上,以学生讨论为主,以教师讲解为辅,鼓励学生大胆提出自身观点并予以实验验证。如果有图形化的Python编程IDE,本课程的扩展性将会进一步加强,在小学高年级施教也指日可待。
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