高中信息技术课程中的传感与控制实验

    谢作如

    信息系统要发挥作用，必须与外部世界进行联系。在基于传统网络的信息系统中，这种联系需要以人为中介进行——由人来理解和转换外部世界的需求，将其输入信息系统;同时，也是由人来理解信息系统的输出结果，然后去操作实物。例如图书管理系统，用户往往只能通过系统进行查询，了解某本书的出借情况及存储位置，而系统却不能直接将书取出并放到用户手里。

    随着物联网和人工智能的发展，信息系统逐渐可以通过传感技术自动获取外部信息（如温度、亮度、卡片、人脸等），也可以通过一定的机制实现对外部物体的直接控制。例如地铁售票系统，不仅可以扫描手机上的二维码信息，完成自动扣款，还能够直接打开闸机。简而言之，新的信息系统不仅可以感知世界，还将实现控制万物。

    ● 课标中对“传感与控制”的要求

    高中信息技术新课标中的必修模块2“信息系统与社会”，包括“信息社会特征”“信息系统组成与应用”“信息安全与信息社会责任”三部分内容，强调学生利用信息系统解决问题的过程与方法，提升信息安全和社会责任意识。其中关于“传感与控制”部分的描述如下：

    2.3 通过分析物联网应用实例，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制。

    为落实这一目标，课标的“教学提示”中指出，要利用信息技术实验室创设真实的问题情境，为学生提供从信息系统的设计规划到软硬件操作的实践体验机会，提高学生对信息系统价值的认识以及利用信息系统解决问题的能力，如在信息技术实验室中，通过“远程控制系统”实验，指导学生合作或独立完成一个信息系统的硬件搭建和软件安装。

    ● 实验准备工作

    开源硬件“虚谷号”是一个板载单片机的迷你电脑，很适合用来完成高中信息技术课程中的“传感与控制”的实验。虚谷号的工作原理如图1所示。

    从图1中可以看出，虚谷号其实由两个部分组成，对传感器和执行器的连接，都是通过板载的ATmega328单片机（Arduino UNO同款芯片）来完成。Arduino相当于是一个“代理”，它和虚谷号的底层Linux系统之间的通讯借助标准的串口协议来连接。目前绝大多数的单片机与电脑连接都是用串口协议的，这方面的案例资源非常丰富，技术非常也很成熟。

    为了帮助Python的初学者编写传感与控制方面的代码，虚谷号提供了名为“xugu”的Python库。这个库中有Pin（引脚）、Servo（舵机）和SerialMgt（串口）等几个常用的类。借助这个库，几行代码就能完成基本的输入输出控制，即GPIO（General-purpose input/output）。

    ● 传感实验

    1.实验目标

    能编程读取开源硬件的指定引脚的电平状态，通过常见的数字、模拟传感器获取物理世界的各种环境信息。

    2.实验器材

    ①虚谷号*1;②虚谷号厚物扩展板*1，或者Arduino UNO扩展板*1;③按钮传感器*1，光线传感器*1。

    3.装置搭建

    将扩展板插入虚谷号，然后把按钮传感器接到扩展板D4，把光线传感器接到扩展板A0。

    4.实验过程

    给虚谷号设置Wi-Fi信息，然后访问Jupyter服务。新建一个Python文件，输入相关代码，再运行代码查看效果，在网页上查看虚谷号的串口信息，如图2所示。

    （1）数字输入，参考代码如图3所示。

    （2）模拟输入，参考代码如图4所示。

    在虚谷号的系统中，已经提供了用Jupyter写的学习笔记，在网页上即可完成传感实验的所有操作。

    ● 控制实验

    1.实验目标

    能编程控制开源硬件的指定引脚输出高低电平信号，能够驱动LED灯、蜂鳴器和舵机之类的执行器。

    2.实验器材

    ①虚谷号*1;②虚谷号厚物扩展板*1，或者Arduino UNO扩展板*1;③LED灯*1，有源蜂鸣器*1，180度舵机*1。

    3.装置搭建

    将扩展板插入虚谷号，然后把LED灯接到扩展板D6，有源蜂鸣器接到扩展板D10，舵机接到D4。

    4.实验过程

    给虚谷号设置Wi-Fi信息，然后访问Jupyter服务。新建一个Python文件，输入相关代码，再运行代码查看效果。

    （1）数字输出，参考代码如上页图5所示。

    （2）模拟输出，参考代码如上页图6所示。

    （3）舵机控制，参考代码如图7所示。

    注意：①有源蜂鸣器的控制和LED基本一致，在代码中修改引脚号即可。②Jupyter提供了网页小控件，如文本框、选择框和滑杆等，可以借助小控件来控制执行器的动作。③控制实验中的参考代码，在Jupyter中要分段执行，才能看清楚效果，如图8所示。

    ● 总结

    新课标中提出，信息技术实验室是学生学习信息技术、实践信息技术的重要场所。相对于普通机房而言，信息技术实验室除了必备的电脑外，还要配置一些供学生做各种信息技术实验的器材，如摄像头、开源硬件、常见的传感器和执行器等。

    对于信息技术实验室的建设，学校可以在原机房等基础上改造，也可以新建。相对来说，在普通机房增加类似虚谷号、掌控板之类的开源硬件，完成新课标中规定的“传感与控制”的实验，无论从经费投入还是技术难度来说，门槛都是很低的。

    需要强调的是，虚谷号的系统中已经提供了用Jupyter写的学习笔记（如图9），在网页上即可完成“传感与控制”实验的所有操作。此外，虚谷号还提供了通过U盘模式执行Python代码的功能，哪怕没有Wi-Fi，也能够完成常见的信息技术实验。

    本文是江苏省教育科学“十三五”规划专项课题“江苏省高中STEM教育基地实验项目的设计与实践研究”阶段性成果，课题批准文号：C-a/2018/02/19。