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基于Gravity: 串口数据记录器观测风

digi_cow digi_cow 2022-05-20 13:35:46

前言 

        教育部义务教育阶段信息科技课程课标研制组组长熊璋教授在题为《信息科技课程标准解读》的专家报告中说道:“我的一个判断是,两三年以后,你不找其它学科融合,其它学科就会找你融合。我们的时机到了。”由于在数字化科学探究方面做过些许摸索,对此我深感共鸣。作为信息科技课标颁布后的粗浅实践案例,我觉得本项目在方向上与课标还是有几分契合的,权当抛砖引玉,希望更多老师投入到跨学科主题案例的积累和资源建设中来。

        我们学校的操场,有个童话里的名字,叫彼德理运动场。我是偶然在树丛中发现这块被花木掩映的 “铭牌”,才得知操场的昵称。 

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如果你细心观察,这个彼德理运动场每天都会给你呈现有趣的画面……

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比如这片述说着秋天故事的树叶

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比如这弯坠入篮筐的月亮
 

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比如某个“高手”尴尬的准头

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比如为啃不动塑料草皮郁闷的蚂蚱

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比如这只猫在树丛里的喵

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当然还有顶喜欢在操场撒欢的小朋友们

        在操场上散心兜圈的时候,我就在想,我们刚拥有正式课标的信息科技课程,能不能走出机房,甚至走出教室,把课堂搬到学生们喜爱的操场上?于是借着DF提供串口记录器试用的机会,实施了种草有年头的“观测风”项目。

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特别感谢DF的小伙伴,在上海因疫情被封城的情况下,依然安排了成都工厂发货提供新品测试。
 

步骤1 步骤1
布设跨学科实践的知识锚点

融合其它学科,就要找到该学科的知识锚点。翻看新版义务教育科学课程标准,在地球系统模块中,有学会使用仪器测量和记录气温、风力、风向、降水量等气象数据,并运用测量结果描述天气状况的要求。

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       我们再来看看科学教材上是如何让孩子们来测量风力的。以教育科学出版社三年级上册第5课《观测风》为例,教材介绍给学生观测风的办法,是通过制作风旗,观察风旗飘动情况来判断风速等级的。这种通过自制简单观测工具来实施观测实验的方法略显稚拙,但确实比较适合三年级小学生的年龄特点。

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       如果在高年级融合信息科技对这个主题进行项目化学习的改造呢?那么这种科学课上看起来稚拙的实验方法,反倒为信息科技的项目式学习设计预留了更大的发挥空间。

      《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》,是义务段第一次正式发布的信息科技课标。在这份具有里程碑意义的课标的信息意识部分,要求5~6年级的学生能够“体验物理世界与数字世界深度融合的环境。感受用信息科技获取与处理信息的优势。”

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       在计算思维学段目标中,要求3~4年级学生能“依据问题解决的需要,组织与分析数据,用可视化方式呈现数据之间的关系,支撑所形成的观点。”

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       在分析了课标后,我觉得将《观测风》这个项目以数字化科学探究的方式实施,不但可以让学生体验计算机通过传感器感知外部物理世界的过程,还可以进一步让学生实践对获取的数据进行可视化处理。这样的项目化教学,能比较充分地融合科学和信息科技的相关课标,尤其适合5、6年级作为信息科技学科的学段综合任务来实施。
 

步骤2 步骤2
准备跨学科实践器材

       理想的教学组织模式,应该将创客社团的学生分散到班级各小组,由孩子们自制数字化的探究工具。但是受制于器材数量,仪器制作部分在本次教学实践中由教师完成,学生仅参与观测实验与数据处理。在主控板选型上,考虑到与风速传感器的兼容性,采用了Arduino UNO。如果使用micro:bit、掌控板,需要用RS485转UART转换模块进行信号转换。传感器方面,除了风速传感器,还加入了DF提供测评的DHT20温湿度传感器,这样可以更全面地反应一段时间内操场小环境的气象条件。数据记录默认由Gravity:串口记录器完成,但我希望这套装置也提供将数据上传到物联网平台的选项,所以器材清单中添加了可选的Gravity: UART OBLOQ - IoT物联网模块。

材料清单 材料清单
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Arduino UNO
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Gravity: IO 传感器扩展板V7.1
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Gravity: 串口数据记录器
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Gravity:I2C温湿度传感器-DHT20
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Gravity: I2C SD2405 RTC 实时时钟模块
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Gravity: I2C OLED-2864 显示屏
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Gravity: 带LED灯的数字按钮
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JL-FS2三杯式风速传感器
1x
Gravity: UART OBLOQ - IoT物联网模块(可选)
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重点介绍下两个测评器材——DHT20和串口记录器

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手头攒齐了DHT系列的3款传感器,下图从左自右分别是DHT11、DHT22、DHT20。

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DFROBOT给出了产品参数对比,显然作为DHT11的升级款,采用I²C接口的的DHT20拥有更好的性能和稳定性。
 

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再来看一下新品Gravity: 串口数据记录器。其实DFROBOT之前也推出过需要插SD卡的串口记录器。两款产品用的是同一款主控芯片,但是新品板载了128MB Flash存储芯片,不再需要插SD卡了。
 

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上图为DF早期推出的Fermion: 串口数据记录器 

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板载128MB闪存芯片特写

出于好奇搜索了下闪存芯片的品牌,叫MK Founder (简称 "MK"),中文名米客方德。是一家专注于嵌入式存储和移动储存的高新技术企业,总部设在台湾省。名字来源很有意思,MK Founder源于“为创客制造之意”。

记录器采用的是Type-C接口,连上电脑就可以被识别为U盘读取文件。

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JL-FS2是DFROBOT推出的一款工业级风速传感器。外壳为铝合金材质,军工级PCB,防水航空插头,这样的配置显然瞄准的是户外恶劣的工作环境。

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从参数说明可以了解到,这个传感器的供电电压为12-24V。

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手头有个3节串联的18650电池盒,实测电压11.96V,“四舍五入”勉强用它来做电源了。

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步骤3 步骤3
线路连接

引脚对应关系

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连线示意图

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在实物连接时,配套线缆对应传感器一端的防水航空插头只要插入拧紧即可。

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连接主控板的另一端则要使用合适的接插件,根据接线说明进行改装。

接线说明:

红-12-24V;

黑-GND (与主控板电源共地);

黄-电压信号;

蓝-电流信号 (可悬空)

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由于本项目用到了DHT20、SD2405RTC 实时时钟模块、OLED-2864 显示屏三个I²C设备,IO扩展板上的两组I²C引脚已经不够用了,这里就找了一块小面包板配合排针,进行二次扩展。

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项目中的按钮用于控制记录的启停,配合串口记录器的“SAVE”按钮,可以根据需要将数据保存为独立文件,避免“拔插头”停记录的“野蛮操作”。按钮模块由最初的普通按钮换成了左边这种带LED的按钮模块。

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实际使用中发现这款带LED的按钮模块,除了外观更有质感,触发提示更直观外,还有更好的硬件消抖效果。

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最后将所有器件固定在一块亚克力底板上,以便于向学生展示和讲解自制仪器的组成和原理。

步骤4 步骤4
程序设计

本项目有两个程序。第一个程序用于校准SD2405时钟模块。因为模块自带长效电池,所以只要将下面的程序刷入Arduino,一次校准后就可长期给数据记录盖“时间戳”。

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时钟模块校准完毕后,再刷入下面的代码,便可以开展功能测试了。

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步骤5 步骤5
制作转接底座

完成程序调试后,想要将装置带去操场实验,还要解决一个小问题,那就是风速计的固定问题。总不能像托塔天王一样举着风速计吧?理论上风速计的安装是有高度要求的,不过我们这个装置主要用于替代科学教材中的风旗,实现操场小环境的风力大小检测,所以就不苛求安装高度了。

我考虑将其通过转接件安装在三脚架上,实现便携可移动。转接底座的设计就交给小米练手了。风速计说明书上有底座的尺寸参数,让我们省去了测量步骤,小米同学用Fusion 360几分钟就搞定了……还好还好,对于Fusion的掌握虽然已还给阿土老师九成功力,但多少还剩点。

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3D打印的转接底座采用螺栓与风速计连接,中间的孔位是预留给三脚架快装板的。

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我们的课程不仅仅是测量和记录,也包括借助检测装置让学生了解计算机通过传感器感知真实物理世界的流程。所以器件的呈现也很重要。参考风速计底座的制作思路,如法炮制,3D打印定制一个可以固定到三脚架的支架,让整个装置能和风速计并列呈现。

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步骤6 步骤6
课堂实践

拎起两个三脚架,就可以带着小朋友们去操场开展实验了。

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按下按钮,检测装置开始记录,OLED屏上也实时刷新着环境数据。

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每一次串口数据写入,记录器上的写入指示灯都会闪烁,可以由此判断其工作状况。按下SAVE按钮,可以保存当前文件,并新建一个文件用来存储接下来的数据。

学生们对于来操场上信息科技课本来就很兴奋,还有这新奇好玩的东西可以围观,自然氛围热烈。

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这些六年级学生,曾在四年级的时候使用micro:bit替代玻璃温度计测试过环境温度,留有用开源硬件进行数字化科学探究的种子,所以对于今天的体验,接受度是比较好的。

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回到教室后,通过USB线缆将串口数据记录器与电脑连接,系统识别出一个新的磁盘驱动器。

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任务栏也提示有一个名为”Serial Data Logger”的U盘出现。


 

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磁盘根目录下有一个名为FILE的文件夹,内部包含一个名为“CONFIG.TXT”的配置文件以及一些TXT格式的数据记录。

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可通过修改CONFIG.TXT修改模块的通讯波特率和文件存储名。

Baud: 串口通讯波特率选择(00对应2400波特率,01对应4800波特率),模块波特率与主控串口打印波特率匹配才能正常存储数据。

FIleNum: 下一次新建文件的文件序号(FileNum=0019,下一个生成的文件名为FILE0019.txt),如果该文件已经存在,将跳过该文件,继续往后搜寻。 打开数据记录文件,可以看到一大串操场上的实验数据记录。我们采用分号作为分隔符,以提高可读性,每一行的数据依次为时间、温度、湿度、风力。

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作为数据可视化的教学素材,将记录文件发送给学生,孩子们就可以导入EXCEL生成图表了。

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学生们回到机房处理数据 

小结

虽然本项目在教学实施环节,受制于材料、时空条件,对于项目化学习的展开还不够充分,教学设计本身还要打磨改进,但作为信息科技课标颁布后的粗浅实践案例,在方向上还是有几分契合的。

1.实现了基于跨学科主题的双向奔赴

熊璋教授在解读新课标时说:“我们不要关起门来办信息科技,而应该主动地把信息科技的方法手段与其它各科融合。”

从科学课的角度而言,这个项目适合替代科学课的简易实验装置,满足科学新课标中用仪器进行观察记录的要求。即便三年级的学生可能缺乏自己制作该仪器的能力,我们也可以创新教学组织形式,由高年级学生完成综合任务后通过跨学段支持的方式,为低年级的学生提供实验仪器和使用指导,并由此埋下“创中学”的种子。

从信息科技学科而言,该项目带给学生的是一场数字化科学探究的真实体验。如果材料数量充裕,我会安排学生探究“如何制作一个可以观测风的数字化仪器?”这是一个基于科学课真实需求的驱动性问题。在第二个环节,分析和处理自己亲历的科学实验中由自制数字化仪器记录的数据,又是一个体验性和代入感极强的学习内容。

信息科技需要融合其它学科创设真实、新颖、有趣的情境;其它学科也需要信息科技提供新的模式、方法、手段完成课程改革,我们需要基于跨学科主题的双向奔赴。

 

2. 优化了信息科技课堂的第四要素

我们常说教学有三要素,即“教师、学生、课程”,但还有一种说法,认为除了这三要素外,还要加上“环境”。我非常赞同后者的观点,因为课堂环境是学习的物理空间,也是学习的心理空间。虽然教学可以在任何地方发生,但更应该在最合适的环境中发生。

在本项目的实施过程中,我们的教学流程是先在操场采集数据,之后再回到机房处理和验证。如果缺少“操场”这一走出机房的环境要素,这场教学活动就缺失了让学生体验和实践通过自制仪器获取真实数据的物理空间,更缺失了研究身边熟悉的事物所带来的亲切感、投入感、成就感。

或许是由于数据来自孩子们日常撒欢奔跑的操场而多了几分温度,参与项目的每个学生都特别在意用图表呈现数据这一任务的完成度,在数据处理阶段表现出了强大的内驱力。

3. 可轻松进阶为物联网实践与探索

新课标第四学段(7-9年级)的第二个模块是物联网实践与探索,要求学生“能在信息科技与其他学科的学习中,有效利用基本物联网设备与平台;能设计并实现具有简单物联功能的数字系统。”内容上与之相对应的跨学科主题就是“在线数字气象站”。

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本项目稍加调整即可成为“在线数字气象站”的原型。我们的材料清单中包含有可选的OBLOQ网络模块,要改用在线记录的方式,只需写入以下程序,将连接到串口记录器的插头插入OBLOQ模块,即可实现通过物联网记录数据。如果使用I²C接口的Gravity: WIFI IoT模块,还可腾出串口通信引脚保留串口记录器的连接,同时实现在线和本地数据记录。

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至于在线数字气象站的记录平台,推荐使用虚谷号搭建SIoT服务器实现。目前我们学校教学楼已实现WIFI覆盖,为这类物联网项目的校园实践提供了更加便捷的网络环境。

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我也尝试了以在线记录的方式在学校4楼廊桥“观测风”,效果良好。当然,既然叫“气象站”了,就要满足长时间观测的需求,有必要在装置的结构、防水、供电、安装位置等方面进行更周密更科学的部署,尚需经历多轮迭代加以完善。

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虚谷号集成的SIoT服务器的后台数据记录


 

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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