ArduinoWiFi小车在青少年科技活动中的运用研究

摘 要 结合青少科技活动开展的目的和意义，提出在青少年科技活动中应用Arduino WiFi小车。首先对小车的来源构造与技术核心进行阐述，然后列举在青少年科技活动中的应用实例，最后对青少年科技活动的现状提出个人的一些看法。

关键词 Arduino；WiFi；科技创新

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）04-0017-03

在青少年当中开展科技活动，能够促进各个学科之间、科学和技术之间的有效融合，弥补传统学科教学中学生知识面不广、学科之间联系薄弱和知识储备匮乏的缺点。科技活动的内容能够贴近生活，源自社会，所解决问题的基本模式也和人们在社会中解决实际问题的情境和过程相同。这也符合八年级物理课本所提出的STS理念，即科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）。因此，青少年科技活动的推广对培养适合当今社会需求的复合型人才具有重要的意义。

经合组织在2012年了PISA（Programme for Inter-

national Student Assessment，国际学生评估项目）的第18份专题报告《如果学校提供课外活动，学生的参与度是否会更高？》。从调查数据来看，只有48%的学校鼓励学生参加课外科技项目，42%的学校组织过科技展览，41%的学校拥有科学俱乐部。根据31个经合组织国家、17个伙伴国和经济体的数据可以发现，在大部分国家（地区），学校开展的课外科技活动越多，学生的科学成绩就越好[1]。

本文探讨在青少年科技活动中引入Arduino WiFi小车（以下简称小车），根据中学生好奇好动、求知欲强的特点，激发他们的学习兴趣。通过学生对小车的使用与学习，既可以培养学生对科学的兴趣，点燃他们的科学热情之火，还可以帮助他们从小养成良好的科学学习习惯

1 Arduino WiFi小车的来源构造与技术核心

来源与构造 Arduino是由意大利一所高科技设计学校的教师Massimo Banzi和其他人一起发明的一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino包含硬件（各种型号的arduino板）和软件（arduinoIDE）。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。而小车则利用WiFi无线网络为数据载体，通过控制数据、音视频双向数据交换而达到控制小车和视频监控等功能。

从构造上来说，笔者所使用的小车主要由小车固定底盘、小车车轮、万向轮、直流减速电机、超声波模块、蓝核atmeg168、WiFi模块、18650电池、云台、小车控制主板、USB摄像头、9V/2A电源等器材组装而成。小车的运作过程如图1所示。

技术与核心

1）根据搭载不同类型的传感器，小车可以有各种各样的应用。例如：搭载光电阻传感器的小车可以根据光源位置不同来改变小车的运动轨迹，从而实现对小车的智能引导；搭载超声波传感器的小车则可以对大幅的平面进行静止测距，从而实现绕过障碍物通行。

2）小车的动力装置是采用双直流电机加万向轮的驱动方式，通过控制左右直流电机来控制小车的前进、后退或左右转向。

3）小车速度的控制则是通过利用红外线遇黑线被吸收、遇白线被反射的原理，在小车两路车轴上分别设计两组红外反射式传感器，将小车的转速和位移以脉冲的方式反馈给Arduino控制器。控制器将脉冲信号在单位时间计数后，就可以得到小车的实际速度。将实际速度和设计输出速度相比较后，可以实时调节小车的速度[3]。

4）基于openwrt系统的WiFi模块可以使用电脑通过WiFi环境对小车进行控制，由于小车配备有USB摄像头，可以在移动监控和记录实验数据等方面有各种各样的应用。

5）通过互联网上正在不断开发更新的编程扩展库，小车在控制直流电机、伺服电机、网络通信、液晶显示、获取温度与湿度等方面都有非常广阔的应用。

3 Arduino WiFi小车在青少年科技活动中的应用实例

中学物理探究实验 以2012人教版八年级物理新教材第八章“运动和力”当中的牛顿第一定律的探究实验为例，可以用小车代替普通小车从轨道上滑落到粗糙程度不同的介质表面，利用小车搭载的摄像头可以记录下滑过程中的第一人称视角，让学生可以通过电脑实时感受在粗糙程度不同表面上车子逐渐慢下来的过程，小车还可以将车子运动的相关数据通过WiFi网络实时传送到电脑上，让学生进行分析和探讨。

小车不仅可以极大提高学生对物理的学习兴趣，同时可以让教师的教学创新教学能力得到扩展与发挥的空间。法拉第曾经说过：“没有观察，就没有科学。科学发现诞生于仔细的观察之中。”小车提供了一个另类视角让学生去认真观察物理实验现象，激发学生的好奇心和创造火花。利用小车进行启发式教学，引导学生求异质疑，激励学生多提问题，鼓励他们以研究者和创造者的姿态去独立思考。让学生兴趣盎然地投入学习，大胆地进行创造性思维。

基于物联网的科技探究活动 按照国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物品到物品（Thing to Thing，T2T）、人到物品（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human，H2H）之间的互连[3]。将传感器材安装在小车上，可在任意时间、地点用电脑或手机等信息技术处理设备通过网络感知实验系统的工作状况，并远程控制实验器材来采集实验数据（如温度、温度、力、压力、压强、流量、物位、转速等），将实验数据进行加工和分析后的结果传递给实验者，实现实验器材全天候为学生服务的目标。

以主题为环保的青少年科技活动为例，小车可以搭载传感器探测河湖的水质，收集数据进行相关的分析；也可以搭载传感器探测不同位置空气的质量，收集数据分析空气受到污染的程度和原因，进而提出有效的环保措施。这些数据都可以借由小车所搭配的WiFi模块与互联网连接，实时将数据上传到网络与小组成员进行分享与分析，借由无线传感器网络的相关技术所支撑的物联网数据，会使得作为成果的环保小论文远比空喊口号式的文章要来得更加实际。

整合电子线路的学习与研究 小车的组装过程本身对学生就是一种巨大的挑战，能够将小车完整地组装起来，就已经能够给学生带来巨大的成就感。在组装过程教会学生辨识各种芯片与接口，也是一种非常宝贵的学习资源。当学生熟悉各种芯片的原理以后，就可以让学生动手挑战增加各种其他的模块，在逐步的深入了解过程中慢慢摸索电子线路的世界。

与传统的机器人教育教学相比，小车具有无可比拟的优势。

1）价格低廉，唾手可得。很多教师在交流的过程中普遍认为机器人教育是“钱堆出来的噱头”。机器人器材动辄几千元，竞赛器材更是进入万元大关。而一套完整的小车装置总价也就在400元左右，如此亲民的价格可以让每个有兴趣涉足这个领域的学生都能够轻易开始学习。

2）无限的扩展性。现行的教育机器人在二次开发和功能拓展方面非常单一，甚至困难重重，学生在使用过程中无非就是照搬固有的模式进行组装与设置，华丽的外壳封装的不仅仅是机器人，还禁锢了学生的发散思维。Arduino开源平台的无限扩展性可以给学生广阔的想象空间，让知识更多元化，让实践更实体化，让创新更持续化。

3）外观千变万化。笔者曾经到机器人竞赛场地进行参观，发现参赛的作品外观都大同小异，相似度非常高。无论是指导教师还是参赛学生，都受到机器人竞赛“重制作、轻设计”大环境影响，学生所缺乏的是经历设计、验证、调整设计、再验证的循环过程。小车的外观可以千变万化，Arduino平台放到飞行器（如模型直升飞机）上，就可以用来航拍或者进行空中数据的采集；也可以加上履带变身成为坦克，在相对比较恶劣的地面环境中进行工作。千变万化的外型可以极大地激发学生的创新意识与设计能力。

了解丰富多彩的编程世界 编程对于中学生来说并不是一件遥不可及的事。依据《中小学信息技术课程指导纲要》和《信息技术课程标准（实验）》进行编写的广州市《信息技术》（初中第二册）教科书中第2章“程序设计初步”就有关于Visual Basic的初步教学。

有了VB编程基础的学生可以进一步容易掌握和使用Arduino的编程器。对于复杂的编程功能，学生可以通过直接调用已有函数或SDK开发包实现编程，简单快捷。Arduino的编程器可以在互联网上免费下载，学生在入门的过程中可以先将网上开发好的SDK开发包和ADK工具包应用到小车中，通过逐步的熟悉与摸索，慢慢尝试自己进行编写。

创新意识来源于后天养成，直接受制于人们所受的教育。让学生自主尝试编程的技巧不仅有利于营造轻松和平等的环境与氛围。把学生从被动地接受知识传授中解放出来，使学生的学习积极性充分发挥，从而培养学生积极的创新意识和创新精神。

4 结束语

青少年科技活动的开展不应该是功利性或带有目的性的，有的学生在接触小车的过程中也许只是把它当作一个玩具，并没有什么靠谱的成果论文。但是笔者在推广和使用小车的过程中，更注重的不是活动是否达到了预期的效果，而是看重学生对这活动的反应和收获，学生得到了哪些直接经验和间接经验，学生创造性思维能力有没有得到培养等。通过引导学生在玩乐中学习，笔者认为小车能够促进学生科学素养、创新能力的培养和良好习惯、坚强意志的形成。

参考文献

[1]高光.PISA专题报告探讨课外科技活动在科学教育中的角色[J].素质教育大参考，2012（24）：20.

[2]崔才豪，张玉华，杨树财.利用Arduino控制板的光引导运动小车设计[J].自动化仪表，2011，32（9）：5-7.

[3]沈苏彬，范曲立，宗平，等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29（6）：1-11.

[4]翁宗琮.初中计算机机房管理现状与思考[J].中国现代教育装备，2012（20）：10-11.

[5]翁宗琮.无线局域网在校园中的应用[J].中国现代教育装备，2013（14）：17-18.