最近，美国国家工程院公布了 21 世纪的十四项宏大工程挑战 。看看这个列表，它列得很好——促进环境可持续性、人类健康以及赋能于人的信息技术。但列表中最后一项对我来说最引人注目——工程化科学发现的工具。
作为公立高中的科学教师，我可能没有资金购买我需要的所有科学仪器。如果能够以更低的成本构建这些仪器，那岂不是很好吗？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 超越了 摩尔定律。我们如何培养下一代工程师来创造能够帮助科学家更好地理解自然世界的工具？一个答案是激励他们设想这样的项目，并在更年轻的时候为他们提供完成这些项目的工具。开源工具，例如 Arduino，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以收集数据。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，从而创建既能移动又能感知的科学仪器。正如 Arduino 的联合发明人 Massimo Banzi 在他的 TED 演讲 中展示的那样，中小学生能够使用 Arduino 熟练地创建科学仪器。他举例说明了学生们创建的地震传感器、pH 计和各种机器人。
在我们的 课堂上，学生们已经破解了机械臂，创建了全新的人机游戏界面，为汽车添加了传感器，并开发了一款可穿戴的空气污染监测器，可以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，并利用自己的创造力扩展先前的工作。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。他们的代码将使真实世界中的设备动起来，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世界。
“没有连接，许多带电的电线都会变成死线”是一句我最喜欢的格言。为了构建我们的项目，我们使用了 Google ADK，这是由 Google 的 NCSSM 校友慷慨捐赠的。这些是 Arduino Mega 和 Due 板的修改版本。长期以来，Google 一直是开源技术的支持者。经过几周的原型设计，学生们有了可以工作的设备！在快速致电 TSA，告知他们我们将携带带有电线和电路板的奇怪设备登上飞机后，学生们 向 Mountain View 的 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
最近，我们学院的成员被要求创建一个以工程为中心的北卡罗来纳州课程，该课程由“力争上游”计划（经济刺激资金在起作用！）资助。我的工作是开设一系列新的农业科学和生物技术课程。在阅读有关自动化通过机器人、无人机、无线传感器网络和温室控制等各种方式推动农业改进的文章时，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 实际上用于开发这些设备新一代的原型。
这个 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，以便在加利福尼亚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，以在劳动力短缺期间协助加利福尼亚州的农场工人。现代四轴飞行器的发展是由 DIYDrones 的社区在使用开源 ArduCopter 和 MissionPlanner 的基础上推动的。在农业中使用无人机进行遥感已经产生了巨大的期望（红帽公司的创始人 Bob Young 正在 PrecisionHawk 追求这一点。）
显然，现在是培训当今农业学生使用 Arduino 进行开发的好时机。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采用知识共享许可，并向所有人开放，在线。看看吧。今年，我已经开始培训其他教师和社区成员使用 Arduino，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。我说的更少，指的是更少的水、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档案帮助年轻的教师（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、开放的，可以进行探索和破解，最重要的是，它们得到了用户组成的强大社区的支持。
Arduino 用户社区采用了这个小型开源板及其开源 IDE 以及 CC 许可的代码和文档，并创建了一个通用的原型设计平台，可以帮助实现宏大工程挑战中的最后一项——工程化科学发现的工具。如果您是一名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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