于晓雅 博士，北京教育学院副教授，创客教育研究中心主任，综合实践课程系主任，党支部书记。美国弗吉尼亚理工大学STEM教育研究组访问学者。“中小学教师专业发展标准”课题组信息技术学科负责人，主编有《中小学教师专业发展标准及指导：信息技术》一书。担任北京教育学院重点课题“中小学生创新能力培养实践研究——STEM教育理念下的创客教育实践探索与研究”负责人。

设计依据
 

随着物联网技术的逐步成熟与广泛应用，物联网已经走入人们的生活。基于物联网技术的智能家居产品不断发展、普及，逐渐走入普通家庭，为人们带来更方便的生活体验。智能家居系统中，家居照明智能控制系统是重要组成部分之一。本项目希望通过简单的智能流水灯软硬件系统的设计和搭建，让学生体验智能家居的技术特点，理解物联网的内涵。
 

课例特色
 

本实践活动通过搭建Arduino Nano主控板、蓝牙模块和LED灯，模拟家居照明系统，通过App Inventor手机应用程序与蓝牙模块的通信，借助Arduino Nano主控板处理并输出控制LED灯按设计需求点亮与熄灭，达到模拟智能控制家居照明目的。整个实践活动以工程技术驱动的STEM教育理念引导学生思考，培养学生在解决真实情境问题中的动手实践能力、计算思维以及创新创造能力。
内容呈现
 

一、创设真实问题情境
 

教师通过介绍诸如比尔·盖茨未来屋等物联网技术在智能家居的应用，以及利用手机控制很多家居产品的案例，引导学生产生联想，为自己创设智能家居中智能灯光控制系统的情境。
 

学生通过调研、阅读、研讨、交流，了解什么是物联网，物联网和智能家居是什么关系，哪些产品或功能体现了家居的智能特性。并且小组进行协作，通过联想、调研、交流和分析，谈谈家中哪些产品已经具有或可以通过加载智能功能达到家居的智能特性。
 

二、问题聚焦
 

教师引导学生认识到物联网是建立在智能互联基础上的概念，了解本次实践活动中实现智能互联的硬件模块：Arduino Nano主控板、主从一体蓝牙模块、LED灯以及它们在智能系统中的功能。
 

学生思考智能家居系统中，包含哪些产品、技术和方法，例如智能照明、智能电饭锅、扫地机器人等，都是通过什么技术、方法或途径实现的。

三、观察思考设计
 

教师播放流水灯视频，演示自己制作的流水灯手机App控制系统，引导学生通过观察各种流水灯的形状和变换顺序等，根据给定组件，设计自己的灯光变换模式。

学生观察各种流水灯的形状和变换顺序等，根据给定组件，设计自己的灯光变换模式（如表1）。
 

四、对比探究

教师引导学生观察组件上面每个引脚的名称、用途、连接注意事项等，并绘制硬件系统连接图（如图1）。
 

学生独自绘制硬件系统连接图；熟悉各个引脚的名称和功能。
 

五、动手操作

1.搭建硬件系统

教师引导学生根据功能设计连接图，搭建硬件系统。LED灯引脚很多，蓝牙模块引脚的对应关系也比较复杂，教师要引导学生注意不同模块组件引脚的对应关系，不要插反，以免烧坏模块。
 

学生按照连接图，搭建流水灯系统的硬件系统（如图2），在搭建过程要注意不同模块组件引脚的对应关系，了解Arduino Nano的编程和烧制。
 

思考探究：绘制系统信号传送和处理方向，观察本次实践活动实现的软硬件系统中，蓝牙模块的数据传输方向，是双向还是单向，为什么，是什么功能需求决定了这样的传输方向，并思考上面设计拓展中应用的数据传输是单向还是双向。
 

2.编制软件程序
 

教师引导学生认识Google公司的图形编码程序App Inventor编程环境，利用App Inventor编制手机控制LED变化的应用程序。教师要引导学生按照自己设计的功能方案进行编码，例如：教师告诉大家，如果发送10*为LED1灭，11*为LED1灯亮。依次类推，80*就是LED8灯灭，81*就是LED8灯亮。根据这个信息，首先进入程序设计第一阶段：厘清自己设计的变换方式，也就是需求分析，设计自己的界面。
 

学生打开Google浏览器，在地址栏键入app.gzjkw.net，用自己账号注册登录，进入App Inventor编程环境，新建项目开始编程，或者导入教师给的半成品项目文件，编制手机应用程序。
 

3.调试程序

教师提醒学生安装手机应用程序AI伴侣MIT AI2 Companion，可以方便在手机和电脑之间调试App程序。

学生在手机端安装手机AI伴侣，通过 “连接-AI伴侣”命令弹出的二维码窗口，将编制好的程序传至手机端测试；启动手机上安装的AI伴侣MIT AI2 Companion，通过“scan QR code”命令扫描电脑屏幕二维码；获得6位二维码后，通过“connect with code”命令进入手机App客户端进行程序功能调试。
 

学生按照前面软件功能设计，补全以下程序并说出其实现的功能：
 

该模块功能是：                                  
 

该模块功能是：

                                  

该模块功能是： 

                               
4.发布手机应用程序

教师发布时命名App为“流水灯”，测试完成系统实现,注意引导学生总结软件调试的方法，有针对性地排查程序设计问题。
 

学生调试发布手机App程序，命名为自己的个性化名称，并在手机上安装运行，实现流水灯效果。

5.测试运行

运行整个系统，测试各项功能，并进行功能和结构评价。
 

6.技术总结文档整理
 

教师分析流水灯系统功能设计图，引导学生认识物联网的功能组成、软硬件实现、智能系统组成，了解软件工程的各个环节；引导学生关注系统设计、功能测试和软件调试的过程和方法；引导学生总结基于项目学习的步骤，总结系统开发进程和软件生命周期。
 

学生总结整理整个项目从需求分析、编码实现、运行测试到发布使用全过程；体验工程设计与实现的步骤。
 

实践反思

1.通过小组交流、阅读材料、资料搜索等方式，积极设计简单流水灯系统，思考该系统还可以用来做什么。2.分析整个项目系统，观察信号传输方向，思考它与系统功能的关系。设想：增加功能是否会增加信号传输程序的复杂性。3.知晓物联网智能互联多种方式的技术原理、优缺点及适用场合。
拓展提升
 

设计拓展：思考现有的硬件系统，除了智能控制家居照明，还可以用于哪些场景中。补全表2，也可添加新的场景及相应功能描述。
 

提出新问题：除了利用蓝牙传输数据，还有哪些传输数据的方式？

思考：回归真实情境，硬件和软件系统如何应用在真正的照明系统中？

教学点评

本项目在设计过程中，紧紧抓住基于STEM理念的课程教学中最关注的三个问题：一是解决真实情境问题，二是以学生为中心，三是注重学生自主活动的支撑材料设计。在以学生为中心的活动中，以真实情境问题为引导，培养学生发现问题、解决问题的关键能力，在小组合作学习、突破难点、科学探索中，培养学生发展的必备品格。（点评人：王振强，北京教育科学研究院基础教育教学研究中心信息技术教研室主任）