ArduinoWiFi小車在青少年科技活動中的運用研究

摘 要 結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用Arduino WiFi小車。首先對小車的來源構造與技術核心進行闡述，然后列舉在青少年科技活動中的應用實例，最后對青少年科技活動的現狀提出個人的一些看法。

關鍵詞 Arduino；WiFi；科技創新

中圖分類號：G434 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）04-0017-03

在青少年當中開展科技活動，能夠促進各個學科之間、科學和技術之間的有效融合，彌補傳統學科教學中學生知識面不廣、學科之間聯系薄弱和知識儲備匱乏的缺點?？萍蓟顒拥膬热菽軌蛸N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（Science）、技術（Technology）、社會（Society）。因此，青少年科技活動的推廣對培養適合當今社會需求的復合型人才具有重要的意義。

經合組織在2012年發布了PISA（Programme for Inter-

national Student Assessment，國際學生評估項目）的第18份專題報告《如果學校提供課外活動，學生的參與度是否會更高？》。從調查數據來看，只有48%的學校鼓勵學生參加課外科技項目，42%的學校組織過科技展覽，41%的學校擁有科學俱樂部。根據31個經合組織國家、17個伙伴國和經濟體的數據可以發現，在大部分國家（地區），學校開展的課外科技活動越多，學生的科學成績就越好[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），根據中學生好奇好動、求知欲強的特點，激發他們的學習興趣。通過學生對小車的使用與學習，既可以培養學生對科學的興趣，點燃他們的科學熱情之火，還可以幫助他們從小養成良好的科學學習習慣

1 Arduino WiFi小車的來源構造與技術核心

來源與構造 Arduino是由意大利一所高科技設計學校的教師Massimo Banzi和其他人一起發明的一款便捷靈活、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境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。而小車則利用WiFi無線網絡為數據載體，通過控制數據、音視頻雙向數據交換而達到控制小車和視頻監控等功能。

從構造上來說，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。

技術與核心

1）根據搭載不同類型的傳感器，小車可以有各種各樣的應用。例如：搭載光電阻傳感器的小車可以根據光源位置不同來改變小車的運動軌跡，從而實現對小車的智能引導；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計兩組紅外反射式傳感器，將小車的轉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后，就可以得到小車的實際速度。將實際速度和設計輸出速度相比較后，可以實時調節小車的速度[3]。

4）基于openwrt系統的WiFi模塊可以使用電腦通過WiFi環境對小車進行控制，由于小車配備有USB攝像頭，可以在移動監控和記錄實驗數據等方面有各種各樣的應用。

5）通過互聯網上正在不斷開發更新的編程擴展庫，小車在控制直流電機、伺服電機、網絡通信、液晶顯示、獲取溫度與濕度等方面都有非常廣闊的應用。

3 Arduino WiFi小車在青少年科技活動中的應用實例

中學物理探究實驗 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數據通過WiFi網絡實時傳送到電腦上，讓學生進行分析和探討。

小車不僅可以極大提高學生對物理的學習興趣，同時可以讓教師的教學創新教學能力得到擴展與發揮的空間。法拉第曾經說過：“沒有觀察，就沒有科學?？茖W發現誕生于仔細的觀察之中。”小車提供了一個另類視角讓學生去認真觀察物理實驗現象，激發學生的好奇心和創造火花。利用小車進行啟發式教學，引導學生求異質疑，激勵學生多提問題，鼓勵他們以研究者和創造者的姿態去獨立思考。讓學生興趣盎然地投入學習，大膽地進行創造性思維。

基于物聯網的科技探究活動 按照國際電信聯盟（ITU）的定義，物聯網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處理設備通過網絡感知實驗系統的工作狀況，并遠程控制實驗器材來采集實驗數據（如溫度、溫度、力、壓力、壓強、流量、物位、轉速等），將實驗數據進行加工和分析后的結果傳遞給實驗者，實現實驗器材全天候為學生服務的目標。

以主題為環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，收集數據進行相關的分析；也可以搭載傳感器探測不同位置空氣的質量，收集數據分析空氣受到污染的程度和原因，進而提出有效的環保措施。這些數據都可以借由小車所搭配的WiFi模塊與互聯網連接，實時將數據上傳到網絡與小組成員進行分享與分析，借由無線傳感器網絡的相關技術所支撐的物聯網數據，會使得作為成果的環保小論文遠比空喊口號式的文章要來得更加實際。

整合電子線路的學習與研究 小車的組裝過程本身對學生就是一種巨大的挑戰，能夠將小車完整地組裝起來，就已經能夠給學生帶來巨大的成就感。在組裝過程教會學生辨識各種芯片與接口，也是一種非常寶貴的學習資源。當學生熟悉各種芯片的原理以后，就可以讓學生動手挑戰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。

與傳統的機器人教育教學相比，小車具有無可比擬的優勢。

1）價格低廉，唾手可得。很多教師在交流的過程中普遍認為機器人教育是“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。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域的學生都能夠輕易開始學習。

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

3）外觀千變萬化。筆者曾經到機器人競賽場地進行參觀，發現參賽的作品外觀都大同小異，相似度非常高。無論是指導教師還是參賽學生，都受到機器人競賽“重制作、輕設計”大環境影響，學生所缺乏的是經歷設計、驗證、調整設計、再驗證的循環過程。小車的外觀可以千變萬化，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據的采集；也可以加上履帶變身成為坦克，在相對比較惡劣的地面環境中進行工作。千變萬化的外型可以極大地激發學生的創新意識與設計能力。

了解豐富多彩的編程世界 編程對于中學生來說并不是一件遙不可及的事。依據《中小學信息技術課程指導綱要》和《信息技術課程標準（實驗）》進行編寫的廣州市《信息技術》（初中第二冊）教科書中第2章“程序設計初步”就有關于Visual Basic的初步教學。

有了VB編程基礎的學生可以進一步容易掌握和使用Arduino的編程器。對于復雜的編程功能，學生可以通過直接調用已有函數或SDK開發包實現編程，簡單快捷。Arduino的編程器可以在互聯網上免費下載，學生在入門的過程中可以先將網上開發好的SDK開發包和ADK工具包應用到小車中，通過逐步的熟悉與摸索，慢慢嘗試自己進行編寫。

創新意識來源于后天養成，直接受制于人們所受的教育。讓學生自主嘗試編程的技巧不僅有利于營造輕松和平等的環境與氛圍。把學生從被動地接受知識傳授中解放出來，使學生的學習積極性充分發揮，從而培養學生積極的創新意識和創新精神。

4 結束語

青少年科技活動的開展不應該是功利性或帶有目的性的，有的學生在接觸小車的過程中也許只是把它當作一個玩具，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期的效果，而是看重學生對這活動的反應和收獲，學生得到了哪些直接經驗和間接經驗，學生創造性思維能力有沒有得到培養等。通過引導學生在玩樂中學習，筆者認為小車能夠促進學生科學素養、創新能力的培養和良好習慣、堅強意志的形成。

參考文獻

[1]高光.PISA發布專題報告探討課外科技活動在科學教育中的角色[J].素質教育大參考，2012（24）：20.

[2]崔才豪，張玉華，楊樹財.利用Arduino控制板的光引導運動小車設計[J].自動化儀表，2011，32（9）：5-7.

[3]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報：自然科學版，2009，29（6）：1-11.

[4]翁宗琮.初中計算機機房管理現狀與思考[J].中國現代教育裝備，2012（20）：10-11.

[5]翁宗琮.無線局域網在校園中的應用[J].中國現代教育裝備，2013（14）：17-18.