ArduinoWiFi小車在青少年科技活動中的運(yùn)用研究

摘 要 結(jié)合青少科技活動開展的目的和意義，提出在青少年科技活動中應(yīng)用Arduino WiFi小車。首先對小車的來源構(gòu)造與技術(shù)核心進(jìn)行闡述，然后列舉在青少年科技活動中的應(yīng)用實(shí)例，最后對青少年科技活動的現(xiàn)狀提出個人的一些看法。

關(guān)鍵詞 Arduino；WiFi；科技創(chuàng)新

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）04-0017-03

在青少年當(dāng)中開展科技活動，能夠促進(jìn)各個學(xué)科之間、科學(xué)和技術(shù)之間的有效融合，彌補(bǔ)傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)中學(xué)生知識面不廣、學(xué)科之間聯(lián)系薄弱和知識儲備匱乏的缺點(diǎn)?？萍蓟顒拥膬?nèi)容能夠貼近生活，源自社會，所解決問題的基本模式也和人們在社會中解決實(shí)際問題的情境和過程相同。這也符合八年級物理課本所提出的STS理念，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、社會（Society）。因此，青少年科技活動的推廣對培養(yǎng)適合當(dāng)今社會需求的復(fù)合型人才具有重要的意義。

經(jīng)合組織在2012年發(fā)布了PISA（Programme for Inter-

national Student Assessment，國際學(xué)生評估項(xiàng)目）的第18份專題報(bào)告《如果學(xué)校提供課外活動，學(xué)生的參與度是否會更高？》。從調(diào)查數(shù)據(jù)來看，只有48%的學(xué)校鼓勵學(xué)生參加課外科技項(xiàng)目，42%的學(xué)校組織過科技展覽，41%的學(xué)校擁有科學(xué)俱樂部。根據(jù)31個經(jīng)合組織國家、17個伙伴國和經(jīng)濟(jì)體的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在大部分國家（地區(qū)），學(xué)校開展的課外科技活動越多，學(xué)生的科學(xué)成績就越好[1]。

本文探討在青少年科技活動中引入Arduino WiFi小車（以下簡稱小車），根據(jù)中學(xué)生好奇好動、求知欲強(qiáng)的特點(diǎn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生對小車的使用與學(xué)習(xí)，既可以培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣，點(diǎn)燃他們的科學(xué)熱情之火，還可以幫助他們從小養(yǎng)成良好的科學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)慣

1 Arduino WiFi小車的來源構(gòu)造與技術(shù)核心

來源與構(gòu)造 Arduino是由意大利一所高科技設(shè)計(jì)學(xué)校的教師Massimo Banzi和其他人一起發(fā)明的一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino包含硬件（各種型號的arduino板）和軟件（arduinoIDE）。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。而小車則利用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)載體，通過控制數(shù)據(jù)、音視頻雙向數(shù)據(jù)交換而達(dá)到控制小車和視頻監(jiān)控等功能。

從構(gòu)造上來說，筆者所使用的小車主要由小車固定底盤、小車車輪、萬向輪、直流減速電機(jī)、超聲波模塊、藍(lán)核atmeg168、WiFi模塊、18650電池、云臺、小車控制主板、USB攝像頭、9V/2A電源等器材組裝而成。小車的運(yùn)作過程如圖1所示。

技術(shù)與核心

1）根據(jù)搭載不同類型的傳感器，小車可以有各種各樣的應(yīng)用。例如：搭載光電阻傳感器的小車可以根據(jù)光源位置不同來改變小車的運(yùn)動軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對小車的智能引導(dǎo)；搭載超聲波傳感器的小車則可以對大幅的平面進(jìn)行靜止測距，從而實(shí)現(xiàn)繞過障礙物通行。

2）小車的動力裝置是采用雙直流電機(jī)加萬向輪的驅(qū)動方式，通過控制左右直流電機(jī)來控制小車的前進(jìn)、后退或左右轉(zhuǎn)向。

3）小車速度的控制則是通過利用紅外線遇黑線被吸收、遇白線被反射的原理，在小車兩路車軸上分別設(shè)計(jì)兩組紅外反射式傳感器，將小車的轉(zhuǎn)速和位移以脈沖的方式反饋給Arduino控制器?？刂破鲗⒚}沖信號在單位時間計(jì)數(shù)后，就可以得到小車的實(shí)際速度。將實(shí)際速度和設(shè)計(jì)輸出速度相比較后，可以實(shí)時調(diào)節(jié)小車的速度[3]。

4）基于openwrt系統(tǒng)的WiFi模塊可以使用電腦通過WiFi環(huán)境對小車進(jìn)行控制，由于小車配備有USB攝像頭，可以在移動監(jiān)控和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面有各種各樣的應(yīng)用。

5）通過互聯(lián)網(wǎng)上正在不斷開發(fā)更新的編程擴(kuò)展庫，小車在控制直流電機(jī)、伺服電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、液晶顯示、獲取溫度與濕度等方面都有非常廣闊的應(yīng)用。

3 Arduino WiFi小車在青少年科技活動中的應(yīng)用實(shí)例

中學(xué)物理探究實(shí)驗(yàn) 以2012人教版八年級物理新教材第八章“運(yùn)動和力”當(dāng)中的牛頓第一定律的探究實(shí)驗(yàn)為例，可以用小車代替普通小車從軌道上滑落到粗糙程度不同的介質(zhì)表面，利用小車搭載的攝像頭可以記錄下滑過程中的第一人稱視角，讓學(xué)生可以通過電腦實(shí)時感受在粗糙程度不同表面上車子逐漸慢下來的過程，小車還可以將車子運(yùn)動的相關(guān)數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳送到電腦上，讓學(xué)生進(jìn)行分析和探討。

小車不僅可以極大提高學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，同時可以讓教師的教學(xué)創(chuàng)新教學(xué)能力得到擴(kuò)展與發(fā)揮的空間。法拉第曾經(jīng)說過：“沒有觀察，就沒有科學(xué)?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)誕生于仔細(xì)的觀察之中?！毙≤囂峁┝艘粋€另類視角讓學(xué)生去認(rèn)真觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造火花。利用小車進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生求異質(zhì)疑，激勵學(xué)生多提問題，鼓勵他們以研究者和創(chuàng)造者的姿態(tài)去獨(dú)立思考。讓學(xué)生興趣盎然地投入學(xué)習(xí)，大膽地進(jìn)行創(chuàng)造性思維。

基于物聯(lián)網(wǎng)的科技探究活動 按照國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品到物品（Thing to Thing，T2T）、人到物品（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human，H2H）之間的互連[3]。將傳感器材安裝在小車上，可在任意時間、地點(diǎn)用電腦或手機(jī)等信息技術(shù)處理設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)感知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作狀況，并遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)器材來采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如溫度、溫度、力、壓力、壓強(qiáng)、流量、物位、轉(zhuǎn)速等），將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和分析后的結(jié)果傳遞給實(shí)驗(yàn)者，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材全天候?yàn)閷W(xué)生服務(wù)的目標(biāo)。

以主題為環(huán)保的青少年科技活動為例，小車可以搭載傳感器探測河湖的水質(zhì)，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析；也可以搭載傳感器探測不同位置空氣的質(zhì)量，收集數(shù)據(jù)分析空氣受到污染的程度和原因，進(jìn)而提出有效的環(huán)保措施。這些數(shù)據(jù)都可以借由小車所搭配的WiFi模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)時將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)與小組成員進(jìn)行分享與分析，借由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)所支撐的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，會使得作為成果的環(huán)保小論文遠(yuǎn)比空喊口號式的文章要來得更加實(shí)際。

整合電子線路的學(xué)習(xí)與研究 小車的組裝過程本身對學(xué)生就是一種巨大的挑戰(zhàn)，能夠?qū)⑿≤囃暾亟M裝起來，就已經(jīng)能夠給學(xué)生帶來巨大的成就感。在組裝過程教會學(xué)生辨識各種芯片與接口，也是一種非常寶貴的學(xué)習(xí)資源。當(dāng)學(xué)生熟悉各種芯片的原理以后，就可以讓學(xué)生動手挑戰(zhàn)增加各種其他的模塊，在逐步的深入了解過程中慢慢摸索電子線路的世界。

與傳統(tǒng)的機(jī)器人教育教學(xué)相比，小車具有無可比擬的優(yōu)勢。

1）價格低廉，唾手可得。很多教師在交流的過程中普遍認(rèn)為機(jī)器人教育是“錢堆出來的噱頭”。機(jī)器人器材動輒幾千元，競賽器材更是進(jìn)入萬元大關(guān)。而一套完整的小車裝置總價也就在400元左右，如此親民的價格可以讓每個有興趣涉足這個領(lǐng)域的學(xué)生都能夠輕易開始學(xué)習(xí)。

2）無限的擴(kuò)展性?，F(xiàn)行的教育機(jī)器人在二次開發(fā)和功能拓展方面非常單一，甚至困難重重，學(xué)生在使用過程中無非就是照搬固有的模式進(jìn)行組裝與設(shè)置，華麗的外殼封裝的不僅僅是機(jī)器人，還禁錮了學(xué)生的發(fā)散思維。Arduino開源平臺的無限擴(kuò)展性可以給學(xué)生廣闊的想象空間，讓知識更多元化，讓實(shí)踐更實(shí)體化，讓創(chuàng)新更持續(xù)化。

3）外觀千變?nèi)f化。筆者曾經(jīng)到機(jī)器人競賽場地進(jìn)行參觀，發(fā)現(xiàn)參賽的作品外觀都大同小異，相似度非常高。無論是指導(dǎo)教師還是參賽學(xué)生，都受到機(jī)器人競賽“重制作、輕設(shè)計(jì)”大環(huán)境影響，學(xué)生所缺乏的是經(jīng)歷設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證的循環(huán)過程。小車的外觀可以千變?nèi)f化，Arduino平臺放到飛行器（如模型直升飛機(jī)）上，就可以用來航拍或者進(jìn)行空中數(shù)據(jù)的采集；也可以加上履帶變身成為坦克，在相對比較惡劣的地面環(huán)境中進(jìn)行工作。千變?nèi)f化的外型可以極大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與設(shè)計(jì)能力。

了解豐富多彩的編程世界 編程對于中學(xué)生來說并不是一件遙不可及的事。依據(jù)《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要》和《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》進(jìn)行編寫的廣州市《信息技術(shù)》（初中第二冊）教科書中第2章“程序設(shè)計(jì)初步”就有關(guān)于Visual Basic的初步教學(xué)。

有了VB編程基礎(chǔ)的學(xué)生可以進(jìn)一步容易掌握和使用Arduino的編程器。對于復(fù)雜的編程功能，學(xué)生可以通過直接調(diào)用已有函數(shù)或SDK開發(fā)包實(shí)現(xiàn)編程，簡單快捷。Arduino的編程器可以在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)下載，學(xué)生在入門的過程中可以先將網(wǎng)上開發(fā)好的SDK開發(fā)包和ADK工具包應(yīng)用到小車中，通過逐步的熟悉與摸索，慢慢嘗試自己進(jìn)行編寫。

創(chuàng)新意識來源于后天養(yǎng)成，直接受制于人們所受的教育。讓學(xué)生自主嘗試編程的技巧不僅有利于營造輕松和平等的環(huán)境與氛圍。把學(xué)生從被動地接受知識傳授中解放出來，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性充分發(fā)揮，從而培養(yǎng)學(xué)生積極的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。

4 結(jié)束語

青少年科技活動的開展不應(yīng)該是功利性或帶有目的性的，有的學(xué)生在接觸小車的過程中也許只是把它當(dāng)作一個玩具，并沒有什么靠譜的成果論文。但是筆者在推廣和使用小車的過程中，更注重的不是活動是否達(dá)到了預(yù)期的效果，而是看重學(xué)生對這活動的反應(yīng)和收獲，學(xué)生得到了哪些直接經(jīng)驗(yàn)和間接經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)造性思維能力有沒有得到培養(yǎng)等。通過引導(dǎo)學(xué)生在玩樂中學(xué)習(xí)，筆者認(rèn)為小車能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和良好習(xí)慣、堅(jiān)強(qiáng)意志的形成。

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