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)核心進行闡述，然后列舉在青少年科技活動中的應(yīng)用實例，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，能夠促進各個學(xué)科之間、科學(xué)和技術(shù)之間的有效融合，彌補傳統(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?？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)生評估項目）的第18份專題報告《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、求知欲強的特點，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、超聲波模塊、藍核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動軌跡，從而實現(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行靜止測距，從而實現(xiàn)繞過障礙物通行。

2）小車的動力裝置是采用雙直流電機加萬向輪的驅(qū)動方式，通過控制左右直流電機來控制小車的前進、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數(shù)后，就可以得到小車的實際速度。將實際速度和設(shè)計輸出速度相比較后，可以實時調(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)控和記錄實驗數(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)更新的編程擴展庫，小車在控制直流電機、伺服電機、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)用實例

中學(xué)物理探究實驗 以2012人教版八年級物理新教材第八章“運動和力”當(dāng)中的牛頓第一定律的探究實驗為例，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動的相關(guān)數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)實時傳送到電腦上，讓學(xué)生進行分析和探討。

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)。科學(xué)發(fā)現(xiàn)誕生于仔細的觀察之中?！毙≤囂峁┝艘粋€另類視角讓學(xué)生去認(rèn)真觀察物理實驗現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造火花。利用小車進行啟發(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)去獨立思考。讓學(xué)生興趣盎然地投入學(xué)習(xí)，大膽地進行創(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、地點用電腦或手機等信息技術(shù)處理設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)感知實驗系統(tǒng)的工作狀況，并遠程控制實驗器材來采集實驗數(shù)據(jù)（如溫度、溫度、力、壓力、壓強、流量、物位、轉(zhuǎn)速等），將實驗數(shù)據(jù)進行加工和分析后的結(jié)果傳遞給實驗者，實現(xiàn)實驗器材全天候為學(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，實時將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)與小組成員進行分享與分析，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)保小論文遠比空喊口號式的文章要來得更加實際。

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)為機器人教育是“錢堆出來的噱頭”。機器人器材動輒幾千元，競賽器材更是進入萬元大關(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）無限的擴展性?，F(xiàn)行的教育機器人在二次開發(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行組裝與設(shè)置，華麗的外殼封裝的不僅僅是機器人，還禁錮了學(xué)生的發(fā)散思維。Arduino開源平臺的無限擴展性可以給學(xué)生廣闊的想象空間，讓知識更多元化，讓實踐更實體化，讓創(chuàng)新更持續(xù)化。

3）外觀千變?nèi)f化。筆者曾經(jīng)到機器人競賽場地進行參觀，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，都受到機器人競賽“重制作、輕設(shè)計”大環(huán)境影響，學(xué)生所缺乏的是經(jīng)歷設(shè)計、驗證、調(diào)整設(shè)計、再驗證的循環(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）上，就可以用來航拍或者進行空中數(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)（實驗）》進行編寫的廣州市《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)包實現(xiàn)編程，簡單快捷。Arduino的編程器可以在互聯(lián)網(wǎng)上免費下載，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)驗和間接經(jīng)驗，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、堅強意志的形成。

參考文獻

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