數字科學：Arduino機器人教學中的應用與探究

顏敏　尹愛青

汽車倒車時倒車雷達能發出警報（如圖1），當距離后面的障礙物較近時，倒車雷達系統發出滴滴的警報聲以警示駕駛員。下面，我們用Arduino來制作倒車雷達系統，在機器人車體倒車時發出滴滴的警報聲。在教學中，我們要以數據探究理論為指導，在數字環境下探究問題發生的本質及內在聯系，并創造新事物，讓探究成為學生探索生活和獲取知識的橋梁。

我們要探究的是制作倒車雷達系統，倒車雷達系統中最重要的一步就是測量車體與障礙物之間的安全距離范圍。如何測量障礙物的安全距離范圍？我們用Arduino來設計一個倒車雷達系統去測量它。

● 搭建實驗裝置

需要搭建的實驗裝置由Arduino機器人主控器、1個超聲波傳感器、1個蜂鳴器和若干個積木套件構成（如圖2）。超聲波傳感器和蜂鳴器用兩條通線線分別接到Arduino車體的超聲波端口和D2端口，用積木套件固定在車體上。

首次使用Arduino機器人需要安裝Arduino IDE的編程環境，安裝成功后需要配置端口（如下頁圖3），要求COM端口一致，查看設備管理器的端口是COM1還是COM14，在Arduino IDE中依次選擇工具、端口中的COM1或COM14;配置板卡類型選擇Arduino Uno。以上都配置好之后，進入工具中的ArduBlock編寫程序。

● 超聲波測距原理

超聲波傳感器能夠發射超聲波，超聲波是一種聲波，人耳是聽不見的。超聲波發送端發射這種超聲波，遇到障礙物后反射，接收端接收回波，根據發出和接收到的時間t來計算得到障礙物的距離S。S=Ct/2，C為超聲波波速。

把超聲波傳感器接到超聲波專用端口，在ArduBlock軟件環境中編寫超聲波傳感器程序來測試超聲波傳感器，并且在串口監視器中觀察由超聲波傳感器檢測到的距離數據。

● 編寫測距程序

編寫程序對實驗裝置進行測試，采用觀察串口監視器中的數據方法來測量安全距離范圍（如圖4），記錄并分析車體與障礙物的距離。

1.獲取數據

把車體帶有超聲波傳感器的一端距離障礙物遠一點，然后使車體慢慢靠近，同時打開串口監視器觀察超聲波傳感器收集到的實時更新的數值變化。

2.篩選數據

為了測量有效的安全距離范圍，教師引導學生測量車體與障礙物之間在最遠、適中、最近的三個距離段，并用表格的形式記錄下來，建立初始數據表，具體如下頁表1所示。

3.分析數據

超聲波傳感器能夠檢測到的距離也是有限的，超過最大距離發射出的超聲波無法到達障礙物，也就無法接收回波;距離障礙物很近，超聲波傳感器中的余震還沒結束也沒有辦法檢測到回波，最小距離也就是探測盲區。那么設計倒車雷達系統時，要設計系統安全距離的最低值dmin和最高值dmax，圍繞這個問題，方案各有不同：

a.直接觀察的辦法，把小車擺在離障礙物適當的距離的位置，將其作為最遠距離dmax。

b.采用折中的辦法，選擇6cm～86cm中間的數值46cm作為最遠距離dmax，可以dmax=46。

c.利用比例尺的方法，選擇實際車體本身作為標尺，用小車車體長度除以實際車體長度作為比例尺，即k=L小車/L實際。我們平時倒車的最遠安全距離一般會在150cm，見的出租車實際車身長度為428cm，小車的車身長度為35cm，則最遠距離dmax為=12cm。學生經過討論之后，不同的小組可以根據自己的實際情況，找到適合自己的dmax的確定方式。

● 應用數據編寫倒車雷達系統

車體在倒車時，一直判斷距離障礙物的距離大小：如果距離值大于安全距離的最高值dmax，說明沒有障礙物，小車繼續倒車;如果距離值小于或等于最高值dmax，表示后面有障礙物，蜂鳴器一直發出警報聲;如果距離值小于或等于安全距離的最低值dmin，小車停止倒車，蜂鳴器停止報警，代碼如圖5所示。

● 實驗結論

利用Arduino機器人車體、超聲波傳感器和蜂鳴器制作一個簡單的模擬倒車雷達系統的裝置，可以實現自動倒車的功能。如果倒車時蜂鳴器隨著距離的減小聲音越來越尖銳，還可使用可視化的LED燈來模擬倒車影像，在系統基本功能上添加了擴展功能，引導學生在實踐探索中創造新事物。在教學中應以數據探究理論為指導，科學地探索生活中常見的汽車倒車現象的本質及內在聯系，分析倒車雷達中的邏輯工作原理，培養學生運用科學的方法去探索真實世界的意識和能力。

在讓學生探究問題最優解決方案的過程中，開拓學生多種思維的途徑，引導學生發散性思維和開放性思維的形成，讓學生成為創新者。

參考文獻：

[1]項華.信息技術與中學物理教學整合[M].北京：北京師范大學出版社，2013.

[2]項華，羅樂.視頻分析方法運用于物理教學活動之簡介與探討[J].物理教師，2013（01）：13-14.

[3]吳俊杰，梁森山，項華.Ledong Scratch互動教學平臺的應用與研究——投票裝置[J].教學儀器與實驗，2011，27（02）：15-17..

[4]毛澄潔，李卓，于峰，等.基于探究理念的信息技術課程與教學創新——以“數字科學家”課程“反應時間的測量”教學為例[J].中小學信息技術教育，2015（04）：11-13.

[5]朱美霞，項華.生活中的數據探究——利用數碼相機和常用軟件測量出租車車速[J].物理教師，2015，36（07）：69-71.

本論文是中國教育技術協會“十三五”重大課題“互聯網+教育”背景下數字科學家計劃理論與實踐（課題編號P116）的研究子課題成果。

點? 評

這是一篇物理老師從“數據探究”的角度寫的開源硬件教學案例，其中涉及超聲波傳感器工作的物理原理，獲取超聲波傳感器有效工作范圍的科學實驗和超聲波傳感器的工程應用。應該說，20世紀是一個“不斷細分”的世紀，層出不窮的科學發現，讓我們在一個具體的領域不斷深挖，但卻忽視了學科之間的天然的聯系，21世紀以來，人們開始越來越重視“綜合”的力量，這種綜合體現在學科融合上，也體現在教師的專業發展上，可以預見，未來可以同時駕馭兩個學科以上教學的綜合型教師會不斷涌現。

（點評人：北京景山學校 吳俊杰）