制作物联网架构的开放式生态缸——微型智能温室课程.docx

制作物联网架构的开放式生态缸 微型智能温室的课程研究 第十届吉林省教师教育信息化论文大赛参赛制作物联网（IOT）架构的开放式生态缸 微型智能温室课程研究 关键词：物联网（IOT），生态缸，智能温室 摘要：本课程研究旨在开发出一套适应高中生的综合实践活动课程。高中生已有一定的知识基础，但是缺乏将理论用于实践能力，在高中阶段科学实践活动的开展势在必行。本课程内容紧跟时代需求，难度适中，实施容易，不会过多占用学生高考学习时间。本课程是为高中生量身定制的课程。 一、课程名称 制作物联网架构的开放式生态缸微型智能温室二、课程类型 装备课程资源三、适用年级高一，高二。四、课程说明 （一）课程目的： 物联网架构（IOT）的开放式生态缸的研究与制作是多学科参与的 STEAM 课程和创客活动，本课程可以促进学生对生物学，物理学，互联网技术，工程技术等的学习理解。通过对参观长春市农博会，设计制作物联网架构（IOT）的开放式生态缸，在智能温室维护中进行职业体验等活动方式，培养学生学习兴趣，优秀品质，提高学生创新，创造能力；学生能从中获得丰富的实践经验，形成并逐步提升对自然、社会和自我之内在联系的整体认识，具有价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等方面的意识和能力。为学生将来从事未来农业，太空生态等工作打下坚实的理论基础。吉林省是农业大省，本课程也为家乡培育农业人才的乡土教程。 （二）学习内容： 生态缸指在隔绝物质交换的空间内，依据生态学原理，将生态系统具有的基本成分进行组织，构建的人工微型生态系统。依据物质循环可分为封闭生态缸，开放生态缸。依据生态类型可分为生态工程农业缸，雨林缸，沙漠缸，水族缸等。物联网（IOT）是指在计算机互联网的基础上，利用传感器技术、无线数据通信技术等构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网，利用物联网技术架构的温室，可以随时随地监控温室的理化指标，可以远程控制浇水，通风等工作。查阅，收集相关知识，生态缸的搭建，包括材料的选择，框架结构搭建，生态系统建设，照明，灌溉，通风，施肥系统的设计和搭建；物联网架构设计搭建，包括ESP8266-NodeMCU 开发板系统的硬件组装，软件编程，Blynk 云平台的搭建。物10开放式生态缸ESP8266-NodeMCU 开发板执行器传感器手机Blynk 云 联网架构的开放式生态缸的研究与制作是多学科参与的 STEAM 课程，本课程引导学生学习到生物学，物理学，信息科学，景观设计等多门学科知识。 （三）活动方式： 1，考察探究 利用长春农博会的契机，在教师的指导下，考察参观现代化农业技术，智能温室；探究现代农业的原理。 2，设计制作 学生运用各种工具、工艺（包括信息技术）对物联网架构的开放式生态缸进行设计，并动手操作，将自己的创意物化。 3，职业体验 学生在模拟现代农业温室情境中见习、实习，体认职业角色 （四）相关学科认知背景，及在教学设计上的重大突破和亮点： 物联网架构的开放式生态缸的研究与制作是多学科参与的 STEAM 课程和创客活动，涉及到生物学，物理学，工程学，信息科学等多领域。研究内容是未来农业的雏形，课程选题适应高中学生学习需求，主题突出，具有引领性、创新性、示范性，凸显课程特色，贴近生产生活，有很高的实用性。 高中学生已经具有项目所涉及的知识基础和能力，课程所需的材料可容易获得，相关知识可以利用网络资源来学习。本课程实施容易，难度较小，所涉及学科多，参与面广，通过参观探究，设计制作，职业体验等活动方式，很好的培养了学生的多元能力和优良品质。同时项目内容可扩展以满足学有余力的学生的多元化需求。本课程具有较强的实用性、针对性，扩展性和易操作性，符合国家有关课程标准的各项要求， 本课程充分利用了学校的地缘优势，农博会，各类科技展馆，各级图书馆， 各种商品市场，这些都为课程实施提供了有力保证。 五、课程目标 主题目标围绕四类目标维度（价值体认、责任担当、问题解决、创意物化） 具有可测量性，与主题评价有对应关系，与教学环节有明确逻辑关系。： 1. 价值体认：通过参观农博会，现代化农业，课程活动认识到科学进步对社会发展的深刻影响，提高学生学习热情，认识到现代化农业是中国实现伟大复兴重要环节，深化社会规则体验、国家认同、文化自信，初步体悟个人成长与职业世界、社会进步、国家发展和人类命运共同体的关系，增强根据自身兴趣专长进行生涯规划和职业选择的能力。吉林是一个农业大省，需要大量农业人才。本课程激发学生振兴家乡的雄心。 2. 责任担当：制作物联网架构的开放式生态缸是一个团队项目，参加项目的每一个人都承担着一定的任务。科学探究的每一个环节都关乎整体的成功与失败。学生在课程学习过程中会形成责任心，团队精神。在社团活动中增强社会责任意识和法治观念，形成主动服务他人、服务社会的情怀，理解并践行社会公德， 提高社会服务能力。 3. 问题解决：制作物联网架构的开放式生态缸的实践探索中，学生会遇到很多困难和问题，提出具有一定新意和深度的问题，综合运用知识分析问题，用科学方法开展研究，增强解决实际问题的能力。能及时对研究过程及研究结果进行审视、反思并优化调整，建构基于证据的、具有说服力的解释，形成比较规范的研究报告或其他形式的研究成果。 4. 创意物化：制作物联网架构的开放式生态缸的课程中需要学生积极参与动手操作实践，熟练掌握多种操作技能，综合运用技能解决生活中的复杂问题。增强创意设计、动手操作、技术应用和物化能力。形成在实践操作中学习的意识， 提高综合解决问题的能力。 六、实施条件 1. 长春市农博会的召开，各级图书馆； 2. 生态缸框架搭建需要：玻璃或亚克力板，pvc 管，栽培槽及加工工具等。生态系统建设需要：各种生态类型生物，土壤，肥水等 3. 物联网建构需要： 硬件部分，ESP8266-NodeMCU 开发板或 Arduino UNO 主控板+ESP8266-01 WIFI 模块；光敏传感器，温湿度传感器，继电器，风扇，水泵，补光灯， 加热器等。 软件部分，mixly 图形化编程软件，Blynk APP 等。 本课程所需材料容易获得，价钱便宜，性能稳定，加工安装容易；设备占地面积小，可利用走廊，拐角等闲余场地；安全风险小。 七、教学设计 课程计划分七阶段： 1. 查阅，收集相关知识 2. 设计生态缸方案，讨论修改定型 3. 购置所需材料，进行搭建 4. 控制系统安装，编写程序 5. 设备验证，调试，定型 6. 生态缸日常运行维护 7. 总结经验，编写项目报告，提出完善和进一步发展方案具体如下表： 教学设计 第一阶段 参观农博会，查阅，收集相关资料 教学重点 了解基于物联网的微型智能温室设计的原理，培养学生自主学习，获取信息的能力。认识到科学进步对社会发展的深刻影响，提高学生学习热情， 认识到现代化农业是中国实现伟大复兴重要环节，深化社会规则体验、国家认同、文化自信，初步体悟个人成长与职业世界、社会进步、国家发展和人类命运共同体的关系，增强根据自身兴趣专长进行生涯规划和职业选择的能力，激发学生振兴家乡吉林农业发展的雄心。培养学生自主学习，获取信息的能力 教学过程 1. 利用长春市每年举办农博会的机会，带领学生参观长春农博会，重点参观现代化温室设备，和无土栽培技术，和新奇特栽培品种。感受现代化农业的先进技术，学习智能温室的相关知识。了解最先进的农业技术，以及我国的现在农业水平和发达国家的差距。 2. 下发学习指南，指导学生充分利用吉林省图书馆，长春市图书馆和学校图书馆查阅相关书籍，文献，学会文献检索查阅的方法。利用互联网查阅相关资料，学会熟练运用各大搜索引擎网站，加入相关论坛网站学习，弄清微型温室结构，物联网控制系统，作物栽培等知识。网上信息鱼龙混杂，要提高分辨真伪信息的能力。 3. 学生组内讨论分享学习到的知识，完成教师布置的调查问卷。 评价设计 1. 建立学习档案袋： 每名同学建立学习档案袋，随时记录学习情况以及学习的亲身体验和感受，作为学生自我评价、同伴互评、教师评价学生的重要依据。 2. 根据学生所进行的知识交流和展示，教师对学生的学习成果，学习态度等进行多方面的评价。 3. 设置调查问卷，对学生自学情况进行考核 建议课时 2 课时 第二阶段 设计生态缸方案，讨论修改定型 教学重点 在了解智能温室原理的基础上，设计生态缸方案，讨论修改定型，提出具有一定新意和深度的问题，综合运用知识分析问题，用科学方法开展研究，增强解决实际问题的能力。学会设计生态缸方案，并及时对研究过程及研究结果进行审视、反思并优化调整，建构基于证据的、具有说服力的解释， 形成比较规范的研究报告或其他形式的研究成果。学生在课程学习过程中要形成责任心，团队精神。培养学生工程思维，创新能力 教学过程 1. 本节课以小组为单位进行，学生可自愿结合组成若干小组，要求选出小组长负责本组的方案汇总。 2. 确定所要培养的生态类型，选择合适的栽培品种及数量；确立项目目标。指导学生利用图画和文字描绘设计方案，学会方案的编写，学会画简单工程图纸。方案要具体到材料的选择，水电路的铺设，工具的使用，搭建的步骤，所花费的资金成本和所需时间。分析讨论每组学生方案的合理性，科学性，可操作性、优点以及局限性，在此基础上进行修改定型。 评价设计 1. 形成小组成员分工合作表：由组长总结填写活动期间小组成员分工合作表，小组成员应分工明确 ，通力合作，各司其职，各展风采。又相互合作，体现团队精神。小组评价将依据每个成员在研究过程的表现和贡献的大小等予以评价。同时是否具有协作精神、态度，也是评价的内容。 2. 提交方案：各小组提交修改定型后的方案，教师针对该方案的完善程度以及可操作性能等方面进行综合评价。 建议课时 3 课时 第三阶段 购置所需材料，进行搭建 教学重点 积极参与动手操作实践，体验搭建微型智能温室的过程，熟练掌握安装实验装置等多种操作技能，并综合运用技能解决生活中的复杂问题。增强创意设计、动手操作、技术应用和物化能力。形成在实践操作中学习的意识， 提高综合解决问题的能力。提高学生的技术意识、工程思维、动手操作能力等。在活动过程中，鼓励学生手脑并用，灵活掌握、融会贯通各类知识和技巧，提高学生的技术操作水平、知识迁移水平，体验工匠精神等。 设计制作的关键要素包括：创意设计；选择活动材料或工具；动手制作；交流展示物品或作品，反思与改进。 教学过程 1. 在网络或商店购买智能温室所需材料，提出多种备选材料，通过性能对比，选择出合适的材料，学会如何选购商品，要货比多家，选出质优价廉商品和信誉好的商家。精确计算用量，不要浪费。发扬创客精神尽可能使用已有材料，废物再利用。 2. 各小组按照自己的方案进行安装和搭建，在搭建前要先进行工具使用规范培训。避免出现安全事故，和工具的损坏。利用创客工具加工材料，进行微型温室的搭建，合理下料，避免浪费。老师在学生操作过程中给予引导。 评价设计 1. 成果展示：各小组展示搭建好的设备： 对每组选用材料的性价比进行评价 对每组搭建的温室实用性，美观性等进行评价考核 对学生的动手能力进行考核通过教师评价、学生自评和组内互评相结合，对该阶段学生的学习进行综合评价。避免评价过程中只重结果、不重过程的现象。要对学生作品进行深入分析和研究，挖掘其背后蕴藏的学生的思想、创意和体验，杜绝对学生的作品随意打分和简单排名等功利主义做法。 2. 填写活动记录单：教师指导学生客观记录参与活动的具体情况，包括持续时间、所承担的角色、任务分工及完成情况等，及时填写活动记录单， 并收集相关事实材料，如活动现场照片、作品、研究报告等。让学生及时获得关于学习过程的反馈，改进后续活动。 建议课时 3 课时 第四阶段 进行控制系统硬件的安装，程序编写 教学重点 通过控制系统硬件的安装，程序编写，促进学生进行信息技术学习以适应新时代的需求。 教学过程 1.控制系统硬件的安装连接，绘制硬件连接电路图纸，选择合理的硬件安装位置和走线，保证传感器监控到有效数据，设备运行安全。 2.控制程序和物联网程序的编写，学用 mixly 图形编程软件，规范程序中变量名称和注解，要能实现自动控制和通过云平台手动控制。完成软件的总体结构设计和模块设计、编码和调试、程序联调和测试。下载 blynk 云平台 app，学习 blynk 云平台设置，搭建智能温室项目。 评价设计 1.对每组硬件安装布线的合理性，安全性，整洁性进行对比评价。 2.对程序的稳定性，简洁性对比评价。 建议课时 3 课时 第五阶段 设备验证，调试，定型 教学重点 在实践中能够发现实际问题，综合运用知识分析问题，用科学方法开展研究，增强解决实际问题的能力。培养严谨的科学态度。能及时对研究过程及研究结果进行审视、反思并优化调整，建构基于证据的、具有说服力的解释，形成比较规范的研究报告或其他形式的研究成果。 教学过程 设备搭建完以后，要分项调试，对照明，通风，加温，灌溉，施肥，物联网分别进行验证，调试，定型。并记录相关参数。然后还要对设备整体运行进行一段时间的观察和检测，及时发现问题，在小组讨论与交流，教师指导与查阅资料的基础上提出解决问题的方案，根据方案对设备进行优化和调整。 评价设计 1. 对在设备验证，调试过程中学生的表现予以评价。 2. 对设备进行验收评价。 建议课时 1 课时 第六阶段 生态缸日常运行维护 教学重点 将生态缸应用于生产生活，掌握生态缸日常运行与维护的相关技能，进行职业体验，增强社会责任意识和法治观念，形成主动服务他人、服务社会的情怀，理解并践行社会公德，提高社会服务能力。 教学过程 将定型后的设备应用于生产生活，对设备进行持续的观察和检测，监控作物生长情况，每天要填写工作日志。能够及时发现问题并给予维护。同时为后续研究设想和进一步升级优化做准备。 评价设计 1. 对各组设备运行日志编写，记录进行对比评价：检查各组对设备运行情况的定时记录、维护与反思。 2. 对设备运行的情况进行对比评价：观察和检测各组设备的运行过程中的安全性、功能性与稳定性。 建议课时 3 课时 第七阶段 总结经验，编写结题报告 教学重点 能及时对智能温室的研究过程及研究结果进行审视、反思并优化调整， 建构基于证据的、具有说服力的解释，形成比较规范的研究报告或其他形式的研究成果；明确进一步的探究方向，深化主题探究和体验。通过编写项目结题报告，对学生的知识相能力进行一次全面的考核。同时对学生进行科学研究基本功的训练，培养学生综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。 教学过程 整理开展课程以来所有的资料，总结经验，编写课程结题报告。并提出完善和进一步发展方案 评价设计 1. 对各组结题报告进行评价：在动手实践之后，撰写结题报告，包括研究目的与方法，研究过程，研究结果，分析与讨论，研究体会，后续研究设想等多个环节，教师根据研究报告的完成情况进行评价。教师指导学生学会通过撰写研究报告，提升个体经验，促进知识建构，并根据同伴及教师提出的反馈意见和建议查漏补缺，明确进一步的探究方向，深化主题探究和体验。 2. 对每位学生的活动档案袋进行评价，将评价结果纳入学生综合素质档案。 建议课时 1 课时 八，学习单 制作物联网架构的开放式生态缸微型智能温室课程学习单 学习阶段 学习任务 课时安排 一，查阅， 收集相关 资料 1. 参观长春农博会，重点参观现代化温室设备，和无土栽培技术，和新奇特栽培品种。感受现代化农业的先进技术，学习智能温室的相关知识。了解最先进的农业技术，以及我国的现在农业水平和发达国家的差距。 2. 根据学习指南，充分利用吉林省图书馆，长春市图书馆和学校图书馆查阅相关书籍，文献，学会文献检索查阅的方法。利用互联网查阅相关资料，学会熟练运用各大搜索引擎网站，加入相关论坛网站学习，弄清微型温室结构，物联网控制系统，作物栽培等知识。网上信息鱼龙混杂，要提高分辨真伪信息的能力。3.学生组内讨论分享学习到的知识，完成教师布置的调查问卷。 2 二，设计生态缸方案， 讨论修改 定型 1. 学生可自愿结合组成若干学习小组，选出小组长负责本组的方案汇总。 2. 完成生态系统的设计，包括生态类型，物种选择，物质循环方式，栽培方式（推荐无土栽培，气雾法） 3. 利用图画和文字描绘设计方案，学会方案的编写，学会画简单工程图纸。方案要具体到材料的选择，工具的使用，搭建的步骤，所花费的资金成本和所需时间。 4. 分析讨论每组学生方案的创新性，科学性，可行性、优点以及局限性，在此基础上进行修改定型。 3 三，购置所1.在网络或商店购买智能温室所需材料，提出多种备选材料，3 需材料，进行搭建 比较性价比，选择出合适的材料，学会如何选购商品，要货比多家，选出质优价廉商品和信誉好的商家。精确计算用量，不要浪费。发扬创客精神尽可能因陋就简，废物再利用。 2.各小组按照自己的方案进行安装和搭建，在搭建前要先进行工具使用规范培训。避免出现安全事故，和工具的损坏。利用创客工具加工材料，进行微型温室的搭建，合理下料，避免浪费。在教师的指导下操作。 四，进行控制系统硬 件的安装， 程序编写 1. 绘制硬件连接电路图纸，选择合理的硬件安装位置和走线， 保证传感器监控到有效数据，设备运行安全。 2. 编写控制程序和物联网程序，学用 mixly 图形编程软件， 规范程序中变量名称和注解，要能实现自动控制和通过云平台手动控制。完成软件的总体结构设计和模块设计、编码和调试、程序联调和测试。下载 blynk 云平台 app，学习 blynk 云平台设置，搭建智能温室项目。 3 五，设备验证，调试， 定型 1. 设备搭建完以后，分项调试，对照明，通风，加温，灌溉， 施肥，物联网分别进行验证，调试，定型。并记录相关参数。 2. 然后还要对设备整体运行进行一段时间的观察和检测，及时发现问题，在小组讨论与交流，教师指导与查阅资料的基础上提出解决问题的方案，根据方案对设备进行优化和调整。 1 六，生态缸日常运行维护 1. 将定型后的设备应用于生产生活，对设备进行持续的观察和检测，监控作物生长情况，每天要填写工作日志。 2. 及时发现问题并给予维护。同时为后续研究设想和进一步升级优化做准备。 3 七，总结经验，编写项目报告 1. 整理开展课程以来所有的资料，对智能温室的研究过程及研究结果进行审视，总结经验，编写课程结题报告。 2. 在本次课题的基础上，提出完善和进一步发展方案，深化主题探究和体验。 1 九，评价表 制作物联网架构的开放式生态缸微型智能温室课程评价表 学习阶段 评价内容 等第 （A 优秀，B 良好， C 合格，D 不合格） 一，查阅，收集相关资料 1.农博会参观心得 2.自学内容调查问卷 3.在知识交流展示中的表现 二，设计生态缸方案，讨论修改定型 1.小组成员分工合作表 2.生态缸设计方案 创新性 可行性 完善程度 3.活动档案袋的建立情况 三，购置所需材料，进行搭建 1. 对搭建好的温室进行综合评价 实用性 美观性 性价比 2.活动记录单的填写情况 四安装控制系统，编写程序 1.硬件安装布线的合理性，安全性，整洁性 2.程序的稳定性，简洁性，规范性 五设备验证，调试，定型 1 设备调试过程中学生的表现 2 设备验收情况 六生态缸日常运行维护 1.各组设备运行日志的编写情况 2.设备运行的情况，对其运行过程中的安全性、功能性与稳定性进行综合评价 3 生态系统生长情况 七总结经验，编写项目报告，提出完善和进一步发展方案 1.各组结题报告 2.活动档案袋的记录情况 十、学习资源 参考网址：DF 创客社区 无土栽培网 爱 上 米 思 齐 http:/mixly.org/ Ultirobot： 大棚蔬菜种植网 十一、课题成果 通过本课程的学习学生达到所设的课程目标。并在省市相关比赛中取得优异成绩。