用行空板做浙江省编教材的“恒温箱实验”

  前言  

“恒温箱实验”是浙教版五下信息科技教材的期末综合任务。在上学期，我曾带着PCDC的小研究员结合省信息科技实验板、Mind+和行空板做过一个蚕宝宝智能育婴室项目。借助Mind+大屏数据面板，让这个项目成为了全校师生共同投入的参与性活动。

可能有老师会说，为什么要用两块主控板？一块行空板不能搞定一切吗？当然是可以的，行空板的功能足够应付恒温控制、物联网服务器、图像采集等所有该项目涉及的内容。之所以还坚持用省信息科技实验板做恒温控制子系统，一方面是为实验板写普及型案例的需求，另一方面也是因为当时行空板拓展板没有推出，不方便带动白炽灯作为热源给育婴室加热。得到了试用的行空板拓展板后，那问题就迎刃而解了。

不过，现在做“蚕宝宝智能育婴室”项目肯定是反季节操作了，所以，我们先看下行空板+实验板+Mind+数据面板的项目实施过程。在文章倒数第二部分，我再补充使用行空板拓展板的操作方案。

  项目需求分析  

PCDC工作台上运行的蚕宝宝智能育婴室受益面太窄。因为空间局促，除了项目组的小朋友可以直接参与外，只有3年级信息课后追着我要参观的几个好奇宝宝得到了“入场券”。

如果将这样的装置部署在走廊等公共区域，又面临管理和保护的难题。所以我决定参考上学期实践过的大屏校园气象站项目，利用物联网技术，将实验过程、实验数据通过天井大屏幕进行直播。通过这个方式可以将实验共享，扩大受益面，让项目的实施更具过程价值。
  工作流程分析
我们计划采用行空板、SIoT物联网服务器和Mind+数据面板配合达成上述需求。这套组合的组网方式一般有两种形式。一种形式是采用多块行空板，将数据采集客户端与SIoT服务器端进行分离配置。这种方法适合于复杂系统的数据多路采集需求，以及分组教学中多客户端部署的场景。客户端1可以替换为掌控板等其它支持MQTT协议的设备，以适应多样化的应用场景。

另一种形式是使用一块行空板采集数据，同时在该行空板部署SIoT服务器。类似于过去在web服务器本机访问页面的方式，这种方式简洁、实施成本低，适合我们这种小规模项目团队的需求。

   硬件连接   

我们的项目划分为恒温恒湿控制和物联网监控两个子系统，旨在实现与信息科技课程的无缝对接，并为大班课堂教学提供教学情境。在这个系统中，行空板作为“观察员”，承担物联网监控的职责。它连接了两个DHT11传感器，实时监测育婴室和外部环境的温湿度，同时，通过USB端口上连接的摄像头，实现对育婴室的图像记录。

摄像头是“李主任”从家里带来的网络摄像头，有个很魔性的名字叫“蓝色妖姬”。

生产日期是2016年，8年前的老产品了

百度了下，上市日期更早，是2010年，附赠江民杀毒软件……，古早味儿浓郁。写到这里，我翻箱倒柜找出了瑞星98，连带一众有年代感的软盘，勾起一波回忆……

接入行空板，实测效果良好，说明行空板对老摄像头的兼容性不错。

    程序设计   

代码要实现的功能主要是5个方面

1.读取传感器数据：读取PIN23、PIN24的温湿度传感器数据。

2.显示数据：在行空板LCD屏上显示温湿度数据

3.数据传输：通过MQTT协议发送温湿度度数据至SIoT服务器。

4.实况画面传输：将摄像头拍摄到的画面以Base64编码格式发送至SIoT服务器。

5.存储画面：将摄像头拍摄到的画面存储在行空板本地
其中前3项功能的技术达成在《基于云雀气象仪与Mind+数据面板的大屏可视化校园气象站》一文中已详细讲解，这里不再赘述。下面重点讲解下不少老师感兴趣的4、5两项。

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    实况画面传输  
  
  

本项目的图传流程如下图：



下面编写程序

1.加载“base64”用户库
点击Mind+的扩展按钮，点击“用户库”选项卡，在搜索框输入关键词“base64”，搜索并添加base64用户库

添加后,Mind+会新增下面两个积木块

2.加载OpenCV库
再次点击“扩展”按钮，在官方库中找到并添加OpenCV库

3.编写程序

初始化VideoCapture对象：

涉及base64编码和画面传输的代码片段：

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    存储画面  
  
  

下面展示的是保存画面到本地的子线程。有关照片预览和下载的方法会在后面的章节详解。


在调试过程中，可以通过远程桌面预览行空板上的显示效果，感兴趣的老师也可以在之前的文章中找到相应操作方法。

  配置服务器
SIoT的友好性很大程度体现在部署的便捷性上，浏览器地址栏输入行空板的IP地址，点击应用开关选项卡，启动SIoT服务器。

根据程序代码，新建项目所需的Topic

只要网络通畅，代码和服务器后台的Topic命名格式规范、字符一致，新手也基本可以一次成功。
   布局数据面板  
Mind+的数据面板是集成在Mind+编辑器中的，点击下图位置的可视化面板按钮，可以新建或导入面板。

数据面板的基础编辑方法和做PPT差不多，主要是通过拖放、插入对象等方式进行布局。不过视频直播还是需要用点技巧才能实现的。直播画面实际上是数据面板拉取SIoT服务器上base64编码的Topic消息进行解码生成的，通过提高画面刷新率，比如0.5秒一帧，就获得了动态的直播画面。添加“网络图片组件”

连接到SIoT，选择相应的Topic即可实现

项目实景

数据面板动态效果

数据面板在天井一体机上的显示效果

查看延时摄影记录
如何查看保存在行空板上的照片？有两种方法，一种是在Mind+中打开mindplus\cache\中的缓存文件

可以下载，也可以双击预览

但是如果图片很多，鉴于行空板内置了Samba服务，还是建议采用访问共享文件的方法批量下载。

如果计算机的网络共享处于关闭状态，首先要启用网络共享。在地址栏输入板子网络地址，格式为\\行空板ip地址\，输入用户名和密码root,dfrobot

进入root\mindplus\cache\，就可以批量下载图片了

下面的动图，就是基于下载的图片合成的。

  用行空板拓展板实现  

参考下图连接白炽灯和锂电池

外接电源后，扩展板的VM指示灯会亮起

电机接口有输出时，对应的白色信号指示灯也会闪烁。

育婴室内不再需要实验板

在行空板的程序里增加一个控制加热的子线程即可替换原先的实验板

   拓展与延伸   

在众筹蚕卵的时候，我们曾向三年级的小朋友们承诺，一旦蚕卵孵化成功，就会将新生的蚕宝宝分发给他们。现在，到了我们兑现承诺的时刻。最初，三年级的科学老师只计划让那些未能成功孵化蚕卵的小朋友来领取蚕宝宝，但没想到整个年级的孩子们都热情地加入了领取队伍，使得队伍排得非常长，形成了里三层外三层的壮观场面。

好在那两天产量颇丰，每个小朋友都分享到了我们的成果。
我们自己也留存了10几条蚕宝宝饲养。那么问题来了，如何喂饱这些嗷嗷待哺的小家伙？

操场边上倒是有棵桑树，但是跳起来能够得着的地方，桑叶早已薅秃了。于是我们向科学老师借来了DIY的摘桑叶工具——一根绑着美工刀的杆子，使用后发现不太顺手，那就创客化改造下，激光切割了一个小部件，用扎带横向固定美工刀，并将其命名为“桑戈”。

拥有神器，桑叶管饱。经过一段时间的悉心照料，蚕宝宝们陆续开始结茧了（能认出下图盒子原来装什么的，说明是创客老炮）。

他们落在一群创客手里，当然有个创客化的宿命——制成mini蚕丝扇

煮一壶热水缫丝

丝线的头部比想象中容易找

手工绕丝是不可能的，上电钻

这是脱丝后的蚕蛹，像极了法棍

做好的小扇子很有质感，适合当书签。

同学们做了各式各样的蚕丝扇，作为小礼物送给了老师和家长。

这让整个项目形成了从蚕卵众筹到过程共享再到成果分享的闭环。

   小结与反思   

1、大班教学的情境前置
本项目在信息科技教材中的锚点是五下最后一课《恒温箱实验》，但蚕宝宝的孵化时间一般在3、4月，待到临近期末已过养蚕时机。

所以我安排了PCDC的小研究员，在项目进行过程中，利用信息课，给五年级的同学做了项目介绍，并号召同学们日常多关注大屏幕上的数据和进展。

虽然无法让所有同学直接参与项目，但通过这种方式，可以让学生了解项目原理，并与PCDC的小伙伴们一同经历一个用恒温箱解决真实问题的过程，为后续的课堂教学营造了真实的情景要素。期末上到最后一课时，我明显感受到了学生切入主题非常自然和迅速，且在实验操作过程中表现出了极强的内驱力。

2、跨年级的跨学科学习

对于基于真实问题的跨学科学习，很难做到支撑项目的恰好是同一年级多门学科的教学内容。例如本项目整合的就是三年级科学学科的《动物的一生》与五年级信息科技学科的《控制系统中的计算》单元。

尽管这种跨学科学习项目在表面上看起来与同一年级的多门学科教学内容不完全吻合，但它实际上允许学生在高年级阶段重新审视并应用低年级学到的知识，从而实现了深度学习和综合能力的提升。从学生能力发展和知识深度构建的角度来看，这种学习活动具有极高的教育价值。我们甚至可以尝试让不同年级的学生合作，利用他们的不同知识和技能来共同解决问题，这可以增加项目的多样性和深度。

3、期待更好的教学范式

可能有人会说，兄de，你开头口口声声说瞄准的是新课标提出的跨学科项目学习，可参与这个项目的明明只有部分社团活动的学生啊！课标可不是给个别学生设立的。首先，我得承认，全程参与这个项目的学生确实只有一个4人小组。虽然通过本文的共享实验模式尽可能地扩大了效果，但我对项目的惠及面依然是不满意的。无奈的是，对于这样为期一个月的长程项目，如果要让一个年级的学生进行实打实的项目化学习，那么以四人小组为单位，一个班级需要10套装置，一个年级就要40套装置，有哪所学校在不“演戏”的前提下能提供一个教室，可长期不受打扰地摆放和运行这40套装置？这还没算上额外的课时以及教师的精力局限。想来想去，或许只有小班化教学，在自然班教室做好留白，才能营造出理想的教学空间。我们必须认识到，教育工作本身也需要科学精神。这是一个复杂且敏感的话题，但我们必须直面它。长程项目的育人价值毋庸置疑，但是放到大班教学在时空条件上会有很大的障碍。如果您有更好的方法破解，欢迎留言分享！