数字科学：Arduino机器人教学中的应用与探究

    颜敏　尹爱青

    

    

    

    汽车倒车时倒车雷达能发出警报（如图1），当距离后面的障碍物较近时，倒車雷达系统发出滴滴的警报声以警示驾驶员。下面，我们用Arduino来制作倒车雷达系统，在机器人车体倒车时发出滴滴的警报声。在教学中，我们要以数据探究理论为指导，在数字环境下探究问题发生的本质及内在联系，并创造新事物，让探究成为学生探索生活和获取知识的桥梁。

    我们要探究的是制作倒车雷达系统，倒车雷达系统中最重要的一步就是测量车体与障碍物之间的安全距离范围。如何测量障碍物的安全距离范围？我们用Arduino来设计一个倒车雷达系统去测量它。

    ● 搭建实验装置

    需要搭建的实验装置由Arduino机器人主控器、1个超声波传感器、1个蜂鸣器和若干个积木套件构成（如图2）。超声波传感器和蜂鸣器用两条通线线分别接到Arduino车体的超声波端口和D2端口，用积木套件固定在车体上。

    首次使用Arduino机器人需要安装Arduino IDE的编程环境，安装成功后需要配置端口（如下页图3），要求COM端口一致，查看设备管理器的端口是COM1还是COM14，在Arduino IDE中依次选择工具、端口中的COM1或COM14;配置板卡类型选择Arduino Uno。以上都配置好之后，进入工具中的ArduBlock编写程序。

    ● 超声波测距原理

    超声波传感器能够发射超声波，超声波是一种声波，人耳是听不见的。超声波发送端发射这种超声波，遇到障碍物后反射，接收端接收回波，根据发出和接收到的时间t来计算得到障碍物的距离S。S=Ct/2，C为超声波波速。

    把超声波传感器接到超声波专用端口，在ArduBlock软件环境中编写超声波传感器程序来测试超声波传感器，并且在串口监视器中观察由超声波传感器检测到的距离数据。

    ● 编写测距程序

    编写程序对实验装置进行测试，采用观察串口监视器中的数据方法来测量安全距离范围（如图4），记录并分析车体与障碍物的距离。

    1.获取数据

    把车体带有超声波传感器的一端距离障碍物远一点，然后使车体慢慢靠近，同时打开串口监视器观察超声波传感器收集到的实时更新的数值变化。

    2.筛选数据

    为了测量有效的安全距离范围，教师引导学生测量车体与障碍物之间在最远、适中、最近的三个距离段，并用表格的形式记录下来，建立初始数据表，具体如下页表1所示。

    3.分析数据

    超声波传感器能够检测到的距离也是有限的，超过最大距离发射出的超声波无法到达障碍物，也就无法接收回波;距离障碍物很近，超声波传感器中的余震还没结束也没有办法检测到回波，最小距离也就是探测盲区。那么设计倒车雷达系统时，要设计系统安全距离的最低值dmin和最高值dmax，围绕这个问题，方案各有不同：

    a.直接观察的办法，把小车摆在离障碍物适当的距离的位置，将其作为最远距离dmax。

    b.采用折中的办法，选择6cm～86cm中间的数值46cm作为最远距离dmax，可以dmax=46。

    c.利用比例尺的方法，选择实际车体本身作为标尺，用小车车体长度除以实际车体长度作为比例尺，即k=L小车/L实际。我们平时倒车的最远安全距离一般会在150cm，见的出租车实际车身长度为428cm，小车的车身长度为35cm，则最远距离dmax为=12cm。学生经过讨论之后，不同的小组可以根据自己的实际情况，找到适合自己的dmax的确定方式。

    ● 应用数据编写倒车雷达系统

    车体在倒车时，一直判断距离障碍物的距离大小：如果距离值大于安全距离的最高值dmax，说明没有障碍物，小车继续倒车;如果距离值小于或等于最高值dmax，表示后面有障碍物，蜂鸣器一直发出警报声;如果距离值小于或等于安全距离的最低值dmin，小车停止倒车，蜂鸣器停止报警，代码如图5所示。

    ● 实验结论

    利用Arduino机器人车体、超声波传感器和蜂鸣器制作一个简单的模拟倒车雷达系统的装置，可以实现自动倒车的功能。如果倒车时蜂鸣器随着距离的减小声音越来越尖锐，还可使用可视化的LED灯来模拟倒车影像，在系统基本功能上添加了扩展功能，引导学生在实践探索中创造新事物。在教学中应以数据探究理论为指导，科学地探索生活中常见的汽车倒车现象的本质及内在联系，分析倒车雷达中的逻辑工作原理，培养学生运用科学的方法去探索真实世界的意识和能力。

    在让学生探究问题最优解决方案的过程中，开拓学生多种思维的途径，引导学生发散性思维和开放性思维的形成，让学生成为创新者。

    参考文献：

    [1]项华.信息技术与中学物理教学整合[M].北京：北京师范大学出版社，2013.

    [2]项华，罗乐.视频分析方法运用于物理教学活动之简介与探讨[J].物理教师，2013（01）：13-14.

    [3]吴俊杰，梁森山，项华.Ledong Scratch互动教学平台的应用与研究——投票装置[J].教学仪器与实验，2011，27（02）：15-17..

    [4]毛澄洁，李卓，于峰，等.基于探究理念的信息技术课程与教学创新——以“数字科学家”课程“反应时间的测量”教学为例[J].中小学信息技术教育，2015（04）：11-13.

    [5]朱美霞，项华.生活中的数据探究——利用数码相机和常用软件测量出租车车速[J].物理教师，2015，36（07）：69-71.

    本论文是中国教育技术协会“十三五”重大课题“互联网+教育”背景下数字科学家计划理论与实践（课题编号P116）的研究子课题成果。

    点? 评

    这是一篇物理老师从“数据探究”的角度写的开源硬件教学案例，其中涉及超声波传感器工作的物理原理，获取超声波传感器有效工作范围的科学实验和超声波传感器的工程应用。应该说，20世纪是一个“不断细分”的世纪，层出不穷的科学发现，让我们在一个具体的领域不断深挖，但却忽视了学科之间的天然的联系，21世纪以来，人们开始越来越重视“综合”的力量，这种综合体现在学科融合上，也体现在教师的专业发展上，可以预见，未来可以同时驾驭两个学科以上教学的综合型教师会不断涌现。

    （点评人：北京景山学校 吴俊杰）