胡秋萍 王玉英 季文霞
【摘 要】本文通過分析生活中的智能停車收費系統實例，圍繞數據和網絡邏輯主線，模擬搭建停車收費簡易系統，形成以數據為核心的主題單元教學案例。實驗探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等功能和基本原理，體驗物聯網、大數據及人工智能的關系，培養學生信息科技學科核心素養。
【關鍵詞】物聯網；
簡易系統；
單元教學
【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】B
【論文編號】1671-7384（2023）07-070-02
以數據為核心的物聯網教學
《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出了“以數據為核心”的理念。數據流動和數據共享正是物聯網應用探索最值得關注和思考的核心問題，建議教師聚焦分析生活中的典型物聯網應用，設計并搭建具有數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯網系統，幫助學生更好地認識物聯網實現萬物互聯的基本原理，體驗物聯網、大數據及人工智能的關系，發展學生學科核心素養。
模擬停車收費的簡易系統設計
智能停車場是生活中最常見的物聯網系統，通過攝像頭、傳感器等智能設備的聯動，提供更加智能、便捷、高效和安全的停車服務。整個過程由車輛識別、自動計費、數據統計和車位管理等多個子系統組成，其中最能體現教學需要的是停車收費子系統。
1.核心功能分析
本案例聚焦數據的處理流程，設計并實現具有“感知—采集—傳輸—反饋—控制”完整功能的智能停車收費簡易系統，所需核心功能包括：（1）車輛駛入時，數字設備智能識別車牌，記錄駛入時間和車牌信息；
（2）車輛駛出時，識別車牌，獲取出場時間，計算收費金額；
（3）反饋收費金額，模擬繳費過程，車輛駛出。
收費標準模擬顯示：（1）停車場每小時收費10元；
（2）30分鐘內免費，超過30分鐘按1小時計算。
2.核心任務分解
依據系統“輸入—處理—輸出”（IPO）的工作方式和物聯網的三層構架來理解。智能停車收費的物聯網簡易系統可以被拆分為如下子任務：（1）使用數字設備采集車輛進入和駛出時的車牌號和時間數據；
（2）物聯網服務平臺存儲車牌號和入場時間數據，提供MQTT訂閱服務；
（3）按需求處理數據，使用數字設備反饋收費信息。
3.教學實驗設備的選擇
考慮到教學環境的Wi-Fi覆蓋范圍和真實云平臺應用存在賬號登錄、數據管理等問題，使用內置Wi-Fi與MQTT服務的1956開發板快速搭建局域物聯網服務環境；
使用計算機自帶和外接的攝像頭，結合車牌識別的人工智能技術，實現將采集到的出入車輛的車牌圖片信息轉化為文本信息，上傳到物聯網平臺。mPython軟件具備圖形和Python代碼編程兩種模式，內部配置了常用的Wi-Fi模塊、物聯網模塊與攝像頭識別等多個應用模塊，支持MQTT消息隊列遙測傳輸協議的訂閱主題服務，是編程實現的主陣地。掌控板（樂動掌控）主要用在出口處，攝像頭識別車牌后，程序訂閱平臺入場記錄，計算停車時間，按照收費標準計算出收費金額，車主繳費后車輛駛出。停車收費簡易系統設計如圖1所示。
圖1 ?停車收費簡易系統設計示意圖
4.關鍵問題分析與程序實現
（1）車牌數據的采集及傳輸。mPython軟件啟動SIoT-Python模式和車牌識別擴展應用，筆記本使用外接攝像頭，方便車牌掃描識別，設置啟動1956開發板的Wi-Fi和SIoT物聯服務。有車輛駛入時，智能車牌識別模塊采集車牌數據，通過互聯網傳輸到物聯網平臺的mPython/in主題中。
（2）獲取車輛入場數據，計算收費金額，給出繳費提示信息。有車輛駛出時，筆記本自帶攝像頭和智能車牌識別模塊采集車牌數據，通過互聯網傳輸到物聯網平臺的mPython/out主題中，同時訂閱獲取該車牌的入場時間，按收費標準計算出收費金額，反饋提示收費等相關信息。
基于簡易系統案例的教學單元設計
1.前序知識要求
本單元教學非零起點，需要學生已經了解和掌握以下前序知識：（1）掌握了一些常用傳感器的原理及使用方法；
（2）熟悉了mPython軟件的基本使用方法；
（3）了解Python中列表和字典的基本功能和用法；
（4）了解物聯網的基本原理。
2.確定單元目標
（1）通過設計規劃模擬停車收費系統，深刻理解物聯網的原理和作用。（2）通過分析現實停車收費系統，體驗問題分析、分解、抽象的基本方法。（3）通過采集車牌數據、發送到物聯網平臺并實現自動收費的功能，掌握從物聯設備中讀取、發送、接收和使用數據的基本方法。（4）體驗利用計算機自動解決現實問題的方法，提升計算思維。（5）通過模擬停車收費系統的拓展應用，拓展思路，達到知識遷移應用的目的，提升學習成就感，體會技術給人們的生活帶來的美好變化，提升信息意識和社會責任感。
3.單元課時安排
依據項目要求及學生的認知規律，重點結合停車收費系統中數據的流動過程，我們將本單元設計為4課時完成。
第一課時，學生在教師的引導下總結、分析觀察到的停車收費實際場景，學會分析、分解問題并對實際問題進行合理抽象。學生圍繞觀察到的停車收費現象和問題，進行分析、規劃和試驗。
第二課時，學生分組，在教師的引導下各組依據所使用的開源硬件及軟件（mPython）的特點開始進行項目實施。主要完成以下任務：根據前期分析停車場入口、出口的功能繪制程序實現的過程圖；
根據過程圖編寫程序，實現采集車牌數據、上傳物聯網平臺，并實現計費功能。
第三課時，拓展應用，對系統反思、優化，達到知識遷移。分組實現個性化的停車計費系統。學生可以根據前期的分析，分組實現個性化停車收費系統功能，如空車位顯示、限行提示、剩余車位信息等；
設置不同場景的不同計費形式；
完善程序實現跨天收費等。
第四課時，展示分享，自評互評。教師發放自評、互評評價表，學生分組進行展示、自評、互評。教師引導學生對項目過程及問題進行共同研討，學生在自評、互評及共同研討過程中達到深刻理解物聯網中數據的采集、傳輸、處理等功能的實現過程，達到取長補短、共同提高的目的。
教學建議
為保證教學效果，教師可以提前引導學生觀察并記錄自己身邊的停車場（庫）出入及計費情況，依據同學們觀察到的不同計費場景功能將學生分成不同的小組。這樣既可以滿足不同學生的興趣，也可以體現現實問題的多樣性，從而最大限度地激發學生的學習興趣。
在教學過程中，教師要更加關注問題的分析與分解過程，引領學生從復雜的實際問題中抽象梳理車輛入口及出口的設備動作流程，畫出流程圖，依據清晰的流程圖編寫程序實現功能。這樣學生可以避免非關鍵因素的干擾，從而達到順利完成項目的目的。
在歸納總結、自評互評環節，教師要引領學生思考停車收費系統中數據的采集、存儲、處理及應用的過程，深刻理解物聯網在實際生活中的作用，以及物聯網三層架構的基本功能，引導學生感受技術給生活帶來的便捷，激發學生學習信息技術、負責任地使用信息技術的意識和責任感。
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