学生使用 Arduino 构建智能设备和科学仪器

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Opensource.com

最近，美国国家工程院公布了 21 世纪的十四项重大工程挑战。看一看，这是一个很好的清单——促进环境可持续性、人类健康和增强人们能力的信息技术。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。

作为公立高中的科学教师，我可能无法获得购买所有我需要的科学仪器的资金。如果能以更低的成本构建这些仪器岂不是更好？作为一名遗传学教师，我看到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工具，使科学家能够更好地了解自然世界？一种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。像 Arduino 这样的开源工具在这方面很有价值。

Three students working with Ardunio in science class

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，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建的地震传感器、pH 计和各种机器人。

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在我们的教室中，学生们改造了机械臂，创建了新的人机游戏界面，为汽车添加了传感器，并开发了一种可穿戴空气污染监测器，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，原型设计这些设备在技术上可能具有挑战性。幸运的是，我不需要在他们项目开发的每一步都指导学生，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现实世界。

“没有连接，许多带电的电线就会变成死线”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，由 Google 的 NCSSM 校友慷慨捐赠。这些是 Arduino Mega 和 Due 板的修改版本。谷歌一直是开源技术的长期支持者。经过几周的原型设计，学生们有了可用的设备！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 Googlers 展示了这些项目。

Two students working with Arduino in science class

在北卡罗来纳州农业课程中推广 Arduino

最近，我们的教员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（经济刺激资金在发挥作用！）资助。我工作的一部分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来推动农业改进的各种方式时，我意识到所有这些技术都可以通过 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，以便在加州特大干旱期间节约用水。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 的社区使用开源 ArduCopter 和 MissionPlanner 催化的。使用无人机进行遥感在农业领域产生了巨大的期望（红帽的创始人 Bob Young 正在 PrecisionHawk 追求这一点。）

显然，现在是培训今天的农业学生开发 Arduino 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已获得知识共享许可并向所有人开放，在线。看一看。今年，我已经开始培训其他教师和社区成员使用 Arduino，我希望今年再招募一批学生，启动温室自动化、无线传感器网络、无人机和机器人技术领域的农业项目！我们的目标很简单——用更少的资源种植更多的食物。我说的更少是指更少的水、肥料、杀虫剂和耕作。每种投入都很昂贵，并且每种投入都会产生一些负面的环境后果。精准农业——由开源技术驱动！

Two students working with Arduino in science class