基于Arduino物联网的实验教学探索

曹刚

摘要：本文阐述了笔者在探索物联网实验教学过程中积累的一些经验，同时也对其进行了深入剖析。

关键词：物联网；实验教学；Arduino

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）12-0067-02

1995年比尔·盖茨在《未来之路》中提到了“物联网”，2010年温家宝在政府工作报告中提出“加快物联网的研发应用”。物联网被认为是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。中学信息技术课程设置的初衷是“为学生适应信息化社会的学习、工作、生活与竞争的需要提供支持”，所以中学阶段进行物联网相关知识与技能的教学就显得尤为重要。以下是笔者根据这两年课题研究的进展和计算机社团实践的积累所总结的经验，以期与同行共享。

教学内容的选择

物联网涉及的内容很多，对于中学物联网教学内容的选择应该从小处着眼，从我们身边的事例着手，这样教师的教、学生的学都比较容易上手。

1.硬件平台——Arduino UNO

物联网的基础设备是各种传感器，硬件平台的作用就是将这些传感器数据汇集到一起，然后再根据具体需要进行下一步动作，控制一些外围设备。这样的一种硬件平台其实是一块电路板，在这块电路板上有数字接口、模拟接口或者串口等常见接口。之所以选择Arduino作为物联网教学的硬件平台，原因有三：一是Arduino是开源的，可以得到关于它的很多资料；二是Arduino板子接口丰富，价格便宜；三是Arduino的编程方式简单，且硬件调试方便，一根USB线连接到计算机即可完成。现在用的Arduino板子是最新的版本：Arduino UNO。

2.外围设备——传感器、执行器等

如果将Arduino看作是物联网的大脑，那么传感器就是物联网的眼睛、耳朵、鼻子和全身的神经系统，负责从外界搜集信息传送给大脑；还有一些外围设备被称之为执行器，可以看作是它的手和脚，如LED灯、继电器、PWM电机等。笔者将按照教学的先后顺序介绍几种常用的外围设备及相应的实验项目。

（1）第一个实验——点亮LED灯

LED灯又称为发光二极管，是一种很简单的元器件，之所以第一个实验要做它，原因有三：一是实验简单，学生容易产生成就感；二是由于外设简单，主要的精力可放在了解Arduino UNO和Arduino IDE（编程环境）上；三是驱动LED灯的原理虽然简单，但是与驱动其他执行器的方法大同小异，可为学习其他复杂执行器打好基础。

（2）第二个实验——光敏传感器控制LED灯的亮灭

“有光”、“没光”这两种状态会使光敏传感器向Arduino UNO发送不同的信号，根据不一样的信号，Arduino UNO再控制LED灯的亮或灭。绝大多数传感器感应外部环境再去控制执行器的原理是一样的，且硬件的连接与软件的编程都是类似的，不同的仅是有的传感器输出的是数字信号，而有的输出的是模拟信号。

（3）一系列的实验

基于Arduino物联网可开展的实验有很多，在实验的选择上应遵循生活化原则，实验的设计要和生活相关，这样教学内容能很好地纳入学生原有的认知结构，且以原有生活为基础也利于学生的创新，同时在实验设计上也要兼顾到学生的兴趣。例如，土壤湿度传感器和蜂鸣器组合制作“花卉浇水提醒系统”；温度传感器和液晶显示屏组合制作“温馨水杯”等。这样的组合还有很多，学生完全可以自己去设计和创新。

3.无线通信模块——WiFiShield

物联网的基础是传感器和网络，网络中又以无线网络为物联网的最优配置。基于Arduino的无线网络技术有很多，如WiFi、ZigBee、红外线等。之所以选择WiFi来进行教学，是因为WiFi所用的无线标准是现在无线网络的主流标准，利于物联网与互联网传递信息，且Arduino官方有现成的WiFi连接库，设计者不必把精力花在WiFi连接上，而只需把精力花在物联网的功能设计上。这部分内容对于学生学习而言有一定难度，可作为拓展知识来进行学习。

教学活动的安排

1.教学的组织形式

物联网的内容还没有纳入中学信息技术课程的常规教学，这方面的教学活动只能在兴趣小组或社团活动中开展。由于物联网的实验项目需要多人合作完成，所以学生的学习也多以小组合作的形式展开，小组人员以4～6人为宜，设一组长，协调分工与合作。在完成实验项目的过程中，需要一台计算机用以编程，需要一个大的工作台用来组装Arduino UNO及其相关的元器件，这时，传统的计算机房已不能满足要求，所以可以考虑与通用技术合用实验室。

2.教师的教学方式

课堂教学中教师的讲授仍然是教学的主要形式，只是由于授课内容的不同，还会采用一些别的教学方式，如研讨式、实践活动式，而这两种恰恰又是物联网实验教学最适合的方式。物联网的很多教学内容都需要以实验的形式展开，这样的实践活动主要分两种，一种是模仿教师的操作完成规定的实验项目，另一种是在原有实验项目的基础上进行创新。对于第二种实践活动学生一个人的力量有时是完成不了的，需要学生与学生或者是学生与教师围绕活动要求进行讨论与思考，互相学习、互相启发，共同完成这个任务。

3.学生的学习方法

创新是物联网发展的生命力，但是创新不能是无源之水、无本之末，创新需要大量知识的积累，需要学生自发地去学习新的知识。所以，教师在教学的过程中也应该传授给学生自主学习的方法，跟学生讲教师自己是如何学习新知识的。在物联网的学习过程中，突出学生的主体地位，教师不妨成为学生学习的助手，辅助他们完成自己想要达成的学习目标。

评价指标的制定

自从有了课堂就有了评价，课堂评价可以见证学生的发展，评价教学实施的质量。评价的方式有很多，评价的策略也不少，但是最核心的应该是评价的指标。制定了评价的指标，才能选择最优的评价方式、最适合的评价策略，甚至于还能优化教学设计。不同的教学内容，评价的指标是不一样的，但是评价的方向是一致的，物联网课堂学习效果的评价可以从知识学习的效果、技能掌握的水平、学习习惯的养成、创新精神和实践能力的提升等四个方面展开。

例如，实验项目“温馨水杯”的实现方法是通过温度传感器将温度示数显示在液晶屏上，其课堂评价的评价表如上表所示。

科技改变生活，物联网的发展也会影响我们的行为习惯，提高我们的生活质量。在这次信息产业发展的浪潮中，作为信息技术教师应该责无旁贷，积极地参与其中，积极探索出一套基于Arduino物联网的实验教学模式，做好学生物联网学习的领路人，使他们在以后工作生活中能更好地运用物联网，甚至能为物联网的发展做出贡献。

参考文献：

[1]Michael McRoberts.Arduino从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2013：195-201.

[2]温江涛，张煜.物联网智能家居平台DIY[M].北京：科学出版社，2014：28-29.

[3]覃兵.课堂评价策略[M].北京：北京师范大学出版社，2010：119-149.