【STEM 教育指南】如何用 Micro:bit 與 Grove 入門模組設計中小學 AIoT 程式課程？

文章聲明：本教案指南由台灣物聯科技（TAIWANIOT）教育推廣團隊設計，專為國中小資訊科技教師、資訊組長及創客社團指導老師打造。透過微型開源硬體 BBC micro:bit 與 Seeed Studio Grove 免焊接防呆生態系，協助學校在有限的課堂時間內，快速推動結合生活情境的 AIoT（人工智慧物聯網）跨領域課程。

本教案歡迎全台公私立中小學、大專院校及教育機構免費下載、教案引用或課堂教學使用，轉載請註明出處與原文連結。

一、 中小學推動 AIoT 資訊課的三大痛點與解方

在課綱強調「運算思維」與「專題實作」的趨勢下，許多學校嘗試在國中生、國小高年級導入物聯網（IoT）與人工智慧（AI）課程，但在實際課堂上往往面臨三大挑戰：

1. 接線繁雜與短路風險高： 傳統杜邦線與麵包板接線繁瑣，國中小學生容易插錯腳位，導致設備燒毀或耗費半堂課在「排查接線問題」。

2. 語法門檻高，打擊學習信心： 文本程式語言（C/C++ 或 Python）對初學者門檻較高，容易讓學生卡在錯字與標點符號，無法專註於「邏輯思考與問題解決」。

3. 缺乏真實生活場景連結： 單純點亮 LED 或讀取數值容易讓學生感到枯燥，課程需要結合智慧校園、環保監測或智慧農業等情境。

💡 解方：BBC micro:bit V2 + Seeed Grove 生態系

• Micro:bit V2 內建麥克風、蜂鳴器、加速度計與藍芽通訊，並支援圖像化積木程式（MakeCode），極適合做為邏輯啟蒙與感測控制主控板。

• Seeed Grove 擴充介面 採用專利 4-pin 防呆插拔線材，將感測器與致動器模組化（Plug-and-Play），學生只需「插上線」即可專注於程式邏輯編寫，將硬體故障率降低 80% 以上。

二、 課程軟硬體準備與環境建置

        【BBC micro:bit V2 主控板】
                   │
         【Grove for micro:bit 擴充板】
        ┌──────────┼──────────┐
        ▼          ▼          ▼
    【輸入感測】【顯示輸出】【無線上雲】
    光感 / 溫濕度  RGB LED   Wi-Fi / 藍芽
    超音波 / 氣體  OLED 螢幕  MakeCode IoT

1. 建議硬體清單（以 2 人一組為單位）

• 主控板： BBC micro:bit V2 開發板 × 1

• 擴充板： Seeed Grove for micro:bit 擴充板 × 1

• Grove 入門模組套件：

  • 輸入類： Grove 溫濕度感測器（DHT11）、Grove 超音波測距模組、Grove 光敏/聲音感測器、Grove 氣體感測器。

  • 輸出類： Grove RGB LED 燈條 / 蜂鳴器 / Servo 伺服馬達 / OLED 顯示器。

  • 通訊類： Grove UART Wi-Fi 模組（ESP8266/ESP8285）或利用 micro:bit 廣播功能。

2. 軟體環境

• 線上開發平台： Microsoft MakeCode for micro:bit（完全免費，無需安裝軟體，瀏覽器開啟即可）。

• 擴充套件積木（Extensions）： 在 MakeCode 搜尋加入 Grove 與 IoT 官方積木套件。

三、 6 週「智慧校園 AIoT 探索專案」單元教案設計

本教案以「智慧校園（Smart Campus）」為核心主題，每週 2 節課（共 90 分鐘），採用 PBL（Project-Based Learning）專案導向學習法，循序漸進引導學生從硬體控制邁向數據上雲與 AI 決策。

教案學習架構進程：
[W1] 運算思維基礎 ──> [W2] 環境感知與量測 ──> [W3] 智慧控制與執行 
                                                      │
[W6] 成果發表展覽 <── [W5] AI 圖像/語音決策 <── [W4] 無線通訊與數據上雲

第 1 週：AIoT 探索第一步 —— micro:bit 與 Grove 初體驗

• 單元主題： 智慧校園歡迎燈與環境音量警示器

• 核心概念： 數位/類比輸入輸出、事件驅動程式設計（Event-Driven）。

• 實作內容：

  1. 認識 micro:bit V2 內建元件（LED 陣列、Sound Sensor）。

  2. 使用 Grove 擴充板連接 Grove – Button 按鈕模組與 Grove – RGB LED。

  3. 設計「校園噪音警示燈」：當內建麥克風偵測音量超過門檻值時，RGB LED 閃爍紅燈警告。

• 素養指標： 能理解感測器（Sensor）與致動器（Actuator）的基本互動原理。

第 2 週：校園環境大搜查 —— 多感測器採集與顯示

• 單元主題： 智慧圖書館溫濕度與光照監測站

• 核心概念： 變數運用、I2C 通訊協定、數據格式化。

• 實作內容：

  1. 接設 Grove – DHT11 溫濕度感測器與 Grove – Light Sensor 光敏模組。

  2. 使用 MakeCode 讀取環境溫度、濕度與光照數值。

  3. 將多組感測數據交替顯示於 micro:bit 5×5 LED 燈網或外接 Grove OLED 螢幕上。

• 素養指標： 能將現實世界的物理量轉換為數位資料，並進行初步資料整理。

第 3 週：自動化反饋控制 —— 智慧避障與自動化設施

• 單元主題： 智慧教室自動開關窗與無障礙避障門禁

• 核心概念： 邏輯判斷（if-then-else）、PWM 馬達控制、超音波反射原理。

• 實作內容：

  1. 接設 Grove – Ultrasonic Ranger 超音波感測器與 伺服馬達。

  2. 情境 A（智慧自動門）： 當超音波偵測有人靠近（距離 < 15 cm）時，伺服馬達旋轉 90 度開啟門鎖，5 秒後自動關閉。

  3. 情境 B（自動降溫窗）： 當溫度 > 28°C 且有人時，啟動馬達模擬開窗。

• 素養指標： 能運用條件判斷，設計多條件組合的自動化控制流程。

第 4 週：萬物互聯 —— 無線廣播與 IoT 雲端儀表板

• 單元主題： 全校空氣品質與溫濕度聯防網

• 核心概念： 無線射頻廣播（Radio）、MQTT 協定、Cloud Dashboard 上雲。

• 實作內容：

  1. 本地廣播群組： 使用 micro:bit 內建 Radio 功能，設定 Group 1，將教室 A 的感測數據發送給走廊的中央接收節點。

  2. 數據上雲： 結合 Grove UART Wi-Fi 模組，將接收到的環境數據傳送至 ThingSpeak 或 Adafruit IO 等免費雲端 IoT 平台，繪製即時數據折線圖。

• 素養指標： 理解物聯網「感知層-傳輸層-應用層」的三層架構與數據遠端傳播。

第 5 週：邊緣 AI 決策 —— 人臉辨識與語音控制升級

• 單元主題： 智慧防盜門禁與手勢辨識開關

• 核心概念： 人工智慧機器學習（Machine Learning）、模型訓練與影像決策。

• 實作內容：

  1. 使用網頁端 Teachable Machine 或 HuskyLens AI 視覺鏡頭 訓練簡單的人臉辨識（學生/外來訪客）或手勢模型。

  2. 將 AI 模型判斷結果透過 Serial 串口發送訊號給 micro:bit。

  3. 當 micro:bit 接收到「辨識成功（訪客）」訊號時，蜂鳴器播放歡迎音樂並驅動綠燈；「不明人物」則發出警報並傳送訊息至雲端。

• 素養指標： 理解 AI 模型的訓練、推論過程，並將 AI 視覺結果應用於硬體控制。

第 6 週：創客專題發表與 PBL 成果展示

• 單元主題： 「我們的智慧校園」解決方案設計競賽

• 實作內容：

  1. 分組專案實作： 學生自由組合（2-3 人一組），挑選校園痛點（如：花圃智慧澆水系統、垃圾桶滿載警示、圖書館人流統計器）。

  2. 海報與動態展示： 撰寫專案運作流程圖（Flowchart），現場展示軟硬體連動過程。

  3. 同行評審（Peer Review）： 各組互相測試並提出優化建議。

• 素養指標： 培養團隊合作、系統思維（Systems Thinking）與口頭簡報表達能力。

四、 教師教學建議與評量方式

1. 課堂管理小技巧

• 模組色塊分類法： 教導學生識別 Grove 模組的接頭顏色（藍色=數位、黃色=類比、黑色=I2C、白色=UART），減少插錯孔位的機率。

• 同儕互助隊長制： 每組指定一位「硬體除錯官」，課堂中遇到未連線問題先進行清單排查（1. 線材有無插緊？ 2. 腳位設定是否一致？ 3. 電源供電是否足夠？）。

2. 多元評量矩陣（Evaluation Matrix）

📥 課堂教材與軟硬體採購資源

• [官方授權經銷] 台灣物聯科技 TAIWANIOT – STEM 套件專區

(版權所有 © 台灣物聯科技 TAIWANIOT)