1.1 课题背景与来源
新标准中明确指出，将小学科学课程起始年级从三年级提前至一年级，同时强调小学科学教育是以科学课为核心的跨学科学习课程[2]。这一举措旨在切实加强小学科学教育，提升科学教育水平，使广大教育工作者、学生和家长充分认识到科学教育的重要性。目前我国小学科学课程以培养学生科学素养为宗旨[3]。充分考虑到小学生年龄特点和认知规律，同时兼顾小学科学教育实际情况，提出小学科学课程的学习目标。涵盖科学、技术、社会与环境四个方面。重在培养学生对科学的兴趣、正确的思维方式和学习习惯。新标准中指出生命科学知识学段目标，如表 1.1 所示。由于不同学段小学生认知发展的不稳定性，使他们对于事物发展变化具有与生俱来的好奇心与求知欲。这将成为以趣味教学模式开展小学生命科学教育的基础。趣味教学模式不仅有利于激发小学生学习兴趣，提高教学效率，促进学生成长。同时适应了新课程改革下人才培养的需要。小学生命科学课堂利用趣味教学模式创建和谐适宜的学习环境，将学生兴趣的内在动机发挥到最大，促进学生积极参与和主动探究，为实现生命科学课程学段目标增添助推力。为了将生命科学知识以一种易于被接受的方式同化入学生的认知结构。本文以智能硬件和趣味学习相结合，让生命科学学习内容付诸实践，使学生获得与周围世界相关的科学知识，掌握科学实验的方法，体验科学活动的乐趣。
1.2 国内外儿童智能硬件发展
据全国第六次人口普查，我国 0-14 岁儿童数量已超过 2.2 亿，而自我国全面实施“二孩”政策，预估每年新增 250 万新生儿[4]。其中儿童消费占家庭总支出的 33%，并以每年 8.5%的幅度增长[5]。“二孩”政策的到来，儿童智能产品的丰富，以及物联网的发展，将造就巨大规模的儿童智能硬件市场。由于互联网与各行各业深度融合的成熟模式，目前儿童安全、教育、沟通、娱乐等方面都能通过智能硬件的方式来解决。在儿童智能硬件领域，由于人口红利和儿童市场消费能力的崛起，国内技术和市场发展速度遥遥领先于国外[6]。据统计，在全球共公开的 5800 多件儿童智能硬件专利中，66%的专利申请来源于中国，20%来源于美国[7]。其中包括智能玩具、智能空气净化器、智能手环、智能故事扣、儿童安全座椅、图灵机器人、智能童鞋和智能牙刷等。这些智能硬件产品涉及技术主要集中在系统平台构建、移动应用开发、大数据相关服务以及底层嵌入式软件开发等方面。根据目前国内市场调查研究，儿童领域智能硬件主要分为健康类、安全类和早教类。各个类别代表性产品有智能体温计、儿童定位器和智能故事机。同时以手表、手环和玩具等形式表现其产品形态，其中主要以儿童智能手表为主导。根据调研，儿童智能手表主要功能集中在实时定位、双向通话和语音对讲等，同时辅助心率检测、运动追踪以及娱乐休闲等功能。而在硬件定位的精度、材质、辐射、产品的安全性等方面有待完善。因此需继续加强技术方面的投入，在保证儿童健康安全和学习成长的同时，逐步提高用户粘性。
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第 2 章 儿童趣味教学孵蛋器管理系统的方案设计
2.1 用户调查研究分析
本节通过对广大儿童的年龄特征和用户心理进行调查与分析，精准掌握儿童用户真正需求，从而为趣味教学孵蛋器管理系统的设计提供参考依据。从皮亚杰的认知发展论中得知。儿童与成人思维在某种程度上存在着差异，这种差异分别表现在质量和数量等方面。儿童与成人不仅在信息量吸收方面存在差别，在对信息加工方面也存在不同[8]。儿童认知发展按次序分为四个不同阶段。参见表 2.1。基于皮亚杰的认知发展理论。认为 7—12 岁为一个比较独立的心智发展阶段[9]。因此本文以该年龄段的儿童作为趣味教学孵蛋器的目标用户，并确定 9 岁儿童作为典型用户，上下覆盖 2—3 岁的年龄差别。从儿童心理特征分析，儿童认为他人能以不同于自己的方式解决问题，但无法理解抽象事物，有分类和处理数字的能力，有时间和空间概念，能区分梦想和现实，能用已经学习的知识解决现有问题，并为将来做计划。因此在整个系统的设计过程中需考虑相关功能的存在。同时增加沟通交互的功能和虚拟现实结合的可能，以及设置学习孵蛋的环节，给儿童提供学习、记录和观察的平台。
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2.2 儿童趣味教学孵蛋管理系统硬件设计方案
目前，孵蛋器设备种类繁多，有家用、教学、工厂等使用场景。图 2.1 展示教学和家用两种常用小型孵蛋器设备。其一为教学孵蛋器，体积和重量小，便于移动放置，但未完全实现自动化，鸡蛋孵化过程中需每天手动进行三次翻蛋，且小学生不易掌控翻蛋时间与翻蛋注意事项。其二为小型自动孵蛋器，基本实现自动化，有自动翻蛋功能，但由于有体积过大、移动困难、孵化数量较多和难于管理等问题。而在教学使用时只需几枚鸡蛋对比即可，因此家用孵蛋器会造成资源浪费，不适合作为儿童趣味教学孵蛋器。此外以上两种硬件设备均无法实现对孵蛋周期内数据的存储。因此在数据长期记录、对比与分析上存在缺陷，不利于学生对孵蛋过程长期观察和孵蛋知识的学习，以及教师教学工作的细致展开。结合上述孵蛋器硬件设备存在的优缺点，公司结构工程人员仿生小鸡破壳而出形态，设计出一种新型的趣味教学孵蛋器设备。该设备体积小，重量轻，可放 4 枚种蛋，实现全自动翻蛋，温湿度自动精确控制和蓝牙通信功能。便于实验台上移动放置，适合儿童趣味教学使用。故本文采用该孵蛋器作为趣味教学孵蛋器管理系统设计的硬件设备。其结构设计和外观分别如图 2.2 和 2.3 所示。
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第 3 章 趣味教学孵蛋器管理系统的硬件实现......13
3.1 硬件系统组成.....13
3.1.1 Android 智能手机.......... 13
3.1.2 趣味教学孵蛋器设备功能需求分析.......13
3.2 趣味教学孵蛋器电路设计..... 14
3.2.1 孵蛋器设计方案.... 14
3.2.2 孵蛋器电路图.........14
3.3 本章小结......15
第 4 章 趣味教学孵蛋器管理系统的软件设计......16
4.1 软件开发平台.....16
4.2 系统软件模块设计.......... 17
4.3 软件界面分析与设计...... 184
4.4 蓝牙操作......32
4.5 界面组件通信.....35
4.6 本地存储......40
4.7 云端数据存储.....42
4.8 本章小结......44
第 5 章 趣味教学孵蛋器管理系统的测试.......45
5.1 Android 软件测试内容与测试环境......45
5.2 趣味教学孵蛋器管理系统单元测试..........45
5.3 趣味教学孵蛋器管理系统系统测试..........47
5.4 第三方平台测试....... 50
5.5 本章小结......52
第 5 章 趣味教学孵蛋器管理系统的测试
5.1 Android 软件测试内容与测试环境
本节首先对趣味教学孵蛋器管理系统中每个程序单元进行测试，其次对整个产品系统进行测试，验证系统是否满足需求规定[51]。最后使用第三方测试平台对应用程序安装、启动、运行、卸载和各项性能进行测试。本节列举趣味教学孵蛋器管理系统在模块测试、系统测试和第三方平台测试内容。模块测试：分别对数据采集、数据传输、数据存储、登录、用户管理、曲线绘制和孵蛋器管理等七个模块进行测试，发现并解决各模块内部存在的问题。系统测试：将结合系统软硬件进行测试，通过应用程序与孵蛋器硬件设备进行蓝牙连接，测试蓝牙连接耗时和蓝牙连接稳定性等。第三方平台测试：选择阿里 MQC 移动测试平台和腾讯 GT 流畅度测试工具，对多种机型进行装机，测试其安装时间、启动时间、CPU 占用率和内存占用情况等。本应用软件测试平台由软硬件共同组成，软件测试环境与开发环境一致，包括Android Studio 和 SDK。硬件设备包括儿童趣味教学孵蛋器和智能手机。其中测试手机机型包括 MI 4LTE 和 Yu Long Coolpad 8297-T01。前者为测试机一，其配置信息参见章节 3.1.1Android 智能手机，以下给出后者测试机二具体配置信息，如表 5.1。
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总结
在完成本课题的过程中，本人通过阅读大量相关书籍、论文、Android 技术开发文档和 Git Hub 优秀项目工程。访问许多出色 Java 和 Android 开发者的博客。使自身专业知识水平得以提高。在导师的指导以及与其它伙伴的合作下，最终完成基于 Android 智能手机的儿童趣味教学孵蛋器管理系统的设计和开发。本人主要完成工作如下：
（1）阅读与 Android 技术相关论文和书籍，全面了解 Android 操作系统，并对Android 开发技术和方法进行了深入研究。
（2）针对儿童趣味教学孵蛋器管理系统的需求，实现了该管理系统的软件部分的设计与开发。
（3）对后端即服务思想进行学习，运用 Lean Cloud 和 Mob 第三方平台实现云存储和授权登录功能。
（4）结合孵蛋器设备，对整个系统进行测试。同时运用腾讯测试工具进行界面流畅度测试，运用阿里测试平台进行性能测试。测试结果表明可以满足用户使用。
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参考文献（略）
