近期，美国国家工程院公布了21世纪的十四项重大工程挑战。不妨看一看，这是一份很棒的清单—— 旨在促进环境可持续性、人类健康以及赋能于人的信息技术。但清单上的最后一项对我来说最引人注目——工程化科学发现的工具。
作为一所公立高中的科学教师，我可能无法获得购买所有所需科学仪器的资金。如果能以更低的成本构建这些仪器岂不是很好？作为一名遗传学教师，我目睹了像机器人测序仪这样的创新仪器如何加速了许多物种基因组的研究。测序方法的进步甚至已经超越了摩尔定律。我们如何培养下一代工程师来创造工具，使科学家们能够更好地理解自然世界？一个答案是激励他们去构想这样的项目，并在更年轻的时候就为他们提供完成这些项目的工具。像 Arduino 这样的开源工具，在这方面非常有价值。
将开源硬件交到学生手中
Arduino 是一款用于电子设备原型设计的开源微控制器。它可以连接到各种廉价传感器来收集数据。这些数据可以保存到 SD 卡、传回 PC，或上传到云端以进行进一步处理。Arduino 可以驱动电机，创建既能移动又能感应的科学仪器。正如 Arduino 的联合发明人 Massimo Banzi 在他的 TED 演讲 中展示的那样，中小学生完全有能力使用 Arduino 创建科学仪器。他举例说明了学生们创造的地震传感器、pH 计以及各种各样的机器人。
在我们的课堂上，学生们破解了机械臂，创建了新的人机交互界面，为汽车添加了传感器，并开发了一种可穿戴式空气污染监测器，用于众包整个城市的臭氧水平。
现在，我是一名受过训练的生物学家，而不是工程师，而原型设计这些设备可能在技术上具有挑战性。幸运的是，我不需要在学生项目开发的每一步都进行指导，因为开源社区已经提供了示例、Arduino 代码和文档来帮助他们入门。学生们能够采用现有的代码，对其进行修改，并用自己的创造力扩展先前的成果。我认为 Arduino 是一个理想的教学平台。它要求学生学习编写代码，但他们的代码不仅仅是移动像素。他们的代码将使现实世界中的设备栩栩如生，这些设备可以感知和移动，这些设备可以帮助我们更多地了解真实的世界。
“没有连接的带电导线就如同死了一般” 是一句我喜欢的格言。为了构建我们的项目，我们使用了 Google ADK，这是北卡罗来纳州科学与数学学院 (NCSSM) 在 Google 的校友慷慨捐赠的。这些是 Arduino Mega 和 Due 开发板的修改版本。Google 一直是开源技术的长期支持者。经过几周的原型设计，学生们就有了可以工作的设备！在快速致电美国运输安全管理局 (TSA)，告知他们我们将携带带有电线和电路板的奇怪设备上飞机后，学生们在山景城向 Google 员工 展示了 这些项目。
在北卡罗来纳州农业课程中推广 Arduino
近期，我们学院的教职员工被要求为北卡罗来纳州创建一个以工程为重点的课程，该课程由“力争上游”计划资助（经济刺激资金正在发挥作用！）。我的工作内容是一系列新的农业科学和生物技术课程。在阅读关于自动化如何通过机器人、无人机、无线传感器网络和温室控制等各种方式推动农业进步时，我意识到这些技术中的每一项都可以通过 Arduino 实现自动化。此外，Arduino 实际上被用于开发这些设备新一代的原型。
加州大学戴维斯分校实验室的成员正在使用 Arduino 开发科学仪器和无线传感器网络，以便在加州极端干旱期间节约用水。他们的同事 正在开发农业机器人，以在加州劳动力短缺期间协助农场工人。现代四轴飞行器的发展是由 DIYDrones 社区使用开源 ArduCopter 和 MissionPlanner 推动的。在农业领域，使用无人机进行遥感已经产生了巨大的期望（红帽的创始人 Bob Young 正在 PrecisionHawk 从事这项工作。）
显然，现在是培训当今农业专业的学生使用 Arduino 进行开发的绝佳时机。北卡罗来纳州科学与数学学院的农业课程，以及其他学科的课程，均已获得知识共享许可并向所有人开放，在线。不妨看一看。今年，我已经开始培训其他教师和社区成员使用 Arduino，并且我希望今年能够招募另一批学生来启动温室自动化、无线传感器网络、无人机和机器人技术方面的农业项目！我们的目标很简单——用更少的投入种植更多的食物。我所说的更少，是指更少的水、肥料、杀虫剂和耕作。这些投入中的每一项都很昂贵，并且每一项都会对环境产生一些负面影响。精准农业——由开源技术驱动！
教学方法本质上是开源的
我喜欢说教学是开源的——我们教师一直都在分享教案、演示文稿和活动指南。年长的教师用这些材料的存档帮助年轻的教师（而年轻的教师用新鲜的想法和最新的技术技能帮助年长的教师）。开源工具非常适合教育——它们是免费的、可共享的、开放探索和破解的，最重要的是，它们有强大的用户社区作为后盾。
Arduino 用户社区利用这款小型开源开发板及其开源 IDE，以及获得 CC 许可的代码和文档，创建了一个通用的原型设计平台，可以帮助实现工程领域最后也是最重大的挑战之一 —— 工程化科学发现的工具。如果您是一位需要新仪器的科学教师，请考虑自己制作。开源社区随时为您提供帮助。
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