总机电话:010-64522026   编辑部:010-62178764   邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:16.00

[NSTA专栏]远程数据——使用物联网技术进行科技创新实验

文_Seth Van Doren Lisa Hardy Colin Dixon Sherry Hsi 翻译_刘世珩

2023-12/总第333期

阅读数3

早在《新一代科学教育标准》(NGSS)正式确立前,传感器和其他科学设备就已经帮助学生介入到科学与工程实践中了(Metcalf和Tinker,2004)。基于现代物联网(IoT)技术的新一代科学设备正在开始扩展学生合作和进行科学研究的方式(Bondaryk、Hsi和Van Doren,2021)。

正如现代科学家团队遍布全球合作,利用大规模、分布式传感器网络生成地理和环境数据(Fang等,2014),或远程监控、管理实验室设备(Perkel,2017),学生基于传感器的实验室体验已经不再仅局限于使用教室中的电脑。利用物联网技术,数据驱动的调查活动可以在学校内外进行,也可以在二者之间的任何地方进行。当不能在学校进行教学活动的时候,这一特性就显得尤为重要。正如我们所看到的,野火、自然灾害、恶劣天气、流行病和基础设施故障都能迫使学校场所长期停用,但教师和学生可以通过使用物联网技术继续共同从事科技活动,即使他们并不共处一室。


物联网

物联网是新一代设备通过互联网持续交流的技术。你或许在家中已经使用了物联网设备,比如智能恒温器,或者可以自动订购咖啡豆的咖啡机。物联网设备主要有两种类型:可以对周围环境进行监控并创造数据的传感器,以及可以执行任务的致动器,比如开灯、开风扇。传感器将数据上传到云端后,软件将处理这些数据并根据数据告诉致动器如何操作。在不通过人与设备直接交互的情况下,这种运转的能力意味着任何使用物联网系统的人都可以远程收集数据,并对来自系统其他部分的自动响应进行编程。部分物联网系统包括用户界面,用户可以在界面中查看数据并修改运行程序。各个领域的科学家已经开始使用物联网技术。


通过计算思维增强综合科学实践(InSPECT)

“通过计算思维增强综合科学实践”(InSPECT)是一个在美国国家科学基金会支持下的、以物联网技术为支点的项目,用来为科学课堂创造下一代工具。目前,InSPECT硬件套装(图1)包括可编程继电器,二氧化碳、光、氧气、温度和湿毒传感器,最多可以将6个设备连接到可以无线连接到互联网并传输数据至云端的中央枢纽。InSPECT的软件Dataflow,是一个可以运行并绘制实时传感器数据流的线上平台。使用Dataflow的学生可以控制并运行数据的整个生命周期。学生可以决定收集什么数据,如何修改或转换这些数据;如果该数据将用于启动继电器,学生可以决定如何存储数据,以及如何查看数据。

让学生自由地混合并搭配成组可以扩大他们可进行的调查数量。例如,一个学生将多个二氧化碳传感器连接到同一个集线器,用来检查各个传感器的个体差异,而另一名学生则可以使用3个二氧化碳传感器同时检测3个不同系统中的气体水平。

InSPECT还涵盖7节课程活动,可以让高中生物课学生参与到他们自己亲自设计的、真实的科学调查中。为了鼓励学生思考数据和数据收集,我们首先给学生提供二氧化碳和光照等级的图表,这些数据都是学生在课堂中自己收集的,并且为他们提供制作图表的传感器。我们向学生展示了一些目前的研究,这些研究表明超过1 000 ppm浓度的二氧化碳是不健康的。学生被要求找出自己在课堂中可能处于不健康状态的时间,并在数据中寻找他们感兴趣的特征,并利用在学校学到的知识进行解释。我们用图表作为起点讨论二氧化碳在教室中的浓度水平,并开始以下提问:“是什么产生了二氧化碳?有什么在消耗它们吗?我们能做什么以保持浓度水平处在健康状态?我们如何使用传感器网络解决二氧化碳浓度水平不健康的问题?”

接下来,学生收集自己的数据,监控教室中的二氧化碳浓度,并学习设置InSPECT硬件和软件。在刚开始,一些学生使用提供的说明书,但是很多学生沉浸于探索并发展自己对于InSPECT套件的理解。作为一门课程,我们讨论了测量值的变化,以及造成这些变化的原因(例如传感器本身、测量噪声或实际二氧化碳水平的变化等)。然后,学生使用InSPECT继电器并编写一个程序点亮一盏灯,当课堂中的二氧化碳浓度超过1 000 ppm并变得不健康时,灯可以自动提示我们。

回到影响二氧化碳浓度的问题。课堂上大家通过头脑风暴列举了一系列我们认为在全球范围内影响二氧化碳浓度的因素。学生指出了二氧化碳的生产者和消耗者,比如树木、工厂和汽车。我们对此提出了一系列想法:“为什么工厂、汽车和人类会生产二氧化碳?他们以某种方式在做同样的事情吗?我们对植物了解多少呢?它们是如何影响二氧化碳的?光线与此相关吗?”然后,学生分成小组讨论如何使用传感器了解光是如何影响植物消耗二氧化碳的。他们在下一堂课进行关于植物和动物光合作用和细胞呼吸相关的研究,挑战进行自己的研究并收集数据,这有助于促进学生对于生物学关键内容学习目标的理解。


洞悉InSPECT课堂

当我们观察到1位2年级教师W女士在旧金山湾区公立高中的9年级生物课上使用InSPECT时,我们得出了物联网系统如何改变科学课堂的3个关键见解。

1. 物联网提供了认识世界的新途径

使用物联网系统,学生可以了解在不同地点同时发生的现象。在一项InSPECT活动中,学生使用二氧化碳传感器调查教室中的二氧化碳浓度。他们能够使用传感器数据查看和创建数据集,还可以访问并收集其他组的数据。在不同小组报告显著的二氧化碳浓度差异后,学生被要求思考如此之多的数值不同的原因,并提出可能影响各组周围环境中二氧化碳浓度的因素。由于学生可以与整个传感器网络进行互动,一组学生进行了一项“传感器间谍”活动,他们登录用户界面并根据传感器的输出猜测谁在操作每个传感器。物联网活动不仅让学生有机会思考收集科学数据的新方式,同样也可以用来引发学生之间关于数据隐私和其他与公共传感器数据相关问题的重要严肃对话。

中国科教工作者协会会员专属文章,

以下平台可使用同一账号密码登录,点击开始同步密码

确认