學生利用 Arduino 製作智慧型設備與科學儀器

本文翻譯自 opensource.com，原作者為 Jon Davis：https://opensource.com/life/14/9/tools-scientific-discovery-open-hardware

最近美國國家工程學院 (National Academy of Engineering) 公佈了 14 個 21 世紀的巨大工程挑戰。這個清單看起來很不錯，從推展環境永續性、人類健康，到加強人類能力的資訊技術。不過最引起我注意的，是清單的最後一項，建造科學發現的工具。

作為一名公立高中的科學教師，購買我需要的所有科學儀器，或許已超出我能運用的經費之外，如果用少量經費，就能打造這些儀器那不是很棒嗎？而身為一名遺傳學老師，我了解到，像機器人定序儀 (robotic sequencing machines) 已經加速許多物種的基因組研究。定序方法的進展甚至超越了摩爾定律。我們要如何訓練出能夠建造工具，協助科學家了解自然界的下一代的工程師？其中一個答案是，鼓舞年輕人去想像這樣的計劃，並給予他們完成計劃的工具。在這方面的努力中，Arduino 這樣的開源工具相當具有價值。

Arduino 是作為電子設備原型開發的一款開源微控制器，它可以連接到種類廣泛的低價感測器以收集資料。這些資料可以儲存在 SD 卡，傳回個人電腦或上傳到雲端做後續處理。Arduino 可以起動馬達，建造可以移動且感測的科學儀器。正如 Arduino 共同發明人 Massimo Banzi 在他的 TED 演說中所展示，初中與高中生有能力透過 Arduino 建造科學儀器。在他的例子裡，有學生建構了地震感測器、酸度計，以及各式各樣的機器人。

在我們的教室中，學生在黑客機器人手臂，打造新的人機遊戲介面，為車輛加裝感測器，並且開發能眾包全城臭氧水準的穿戴式空氣污染監測器。

現在，我是一名訓練有素的生物學家，而非工程師，於是製作這些設備的原型在技術上是一大挑戰。幸運的是，在專案開發過程中，我不需要步步引導學生，因為開源社群已經提供了讓他們起步的範例、Arduino 程式碼、文件。學生可以取得現有的程式碼，加以修改，利用他們的創意延伸先前的成果。我認為 Arduino 是個理想的教學平台。它可以讓學生學習寫程式，不過他們的程式碼所做的不只是移動螢幕像素。他們的程式碼會為現實世界中能夠移動、感測，協助我們學習更多有關大自然一切的裝置賦予生命。

為了建構我們的專案，我們使用由 Google 北卡羅萊納科學與數學中學 (NCSSM，North Carolina School of Science and Mathematics) 校友慷慨捐贈的 Google ADK，這是 Arduino Mega 與 Due 的修改版本。Google 是長期的開源技術支持者。歷經數周的原型開發，學生們做出了可以動作的裝置！之後學生們在山景城將專案展示給 Google 員工。

最近我們系上老師被要求開設以工程為重點的課程。我的部分是一系列的新農業科技與生物科技課程。在讀到透過機器人、無人駕駛載具、無線傳感器網路、溫室控制等各種方式，自動化正在推動農業改革時，我發現以上每一種技術都可以用 Arduino 進行自動化。此外，Arduino 事實上正用來作為這些新一代裝置的原型開發。

加州大學戴維斯分校一間實驗室 的成員，正使用 Arduino 開發科學儀器與無線感測網路，在加州的極端乾旱期間節約用水。他們的同事開發農業機器人，在勞工短缺時協助加州農場工人。DIYDrones 的社群使用開源 ArduCopter 與 MissionPlanner，推動了現代四軸飛行器的發展。在農業上使用無人機作為遠端感測，獲得外界很大的期望。

顯然，目前正是訓練農業學生熟悉 Arduino 開發的絕佳時刻，NCSSM 的農業課程和其他學科的課程一樣，都採用創用 CC 授權在線上開放給大眾。請參考。今年我開始把 Arduino 的使用推廣給其他教師與社群成員，我希望今年能招募到另一批學生，著手開始溫室自動化、無線傳感器網路、無人飛行器、機器人方面的農業專案。我們的目標很簡單，以更少投入種植出更多糧食。更少的投入，我指的是，較少的水、肥料、農藥和耕作。這些投入每一項都很昂貴，同時會對環境造成一些負面影響。這就是開放源碼技術帶來的精密農業！

我總是說教學就是開放源碼，我們老師一直在分享課程計劃、投影片、活動指南。資深教師提供歷史教材協助新進教師，而新進教師則以新穎的想法和最新的技術協助資深教師。開源工具非常適合應用在教育上，因為其自由、可供分享、開放探索與改進，更重要的是，有強大的用戶社群支援。

Arduino 用戶社群以這塊小小的開源電路板，加上開源的 IDE，以及創用 CC 授權的程式碼和文件，創造了一套多樣化的原型開發平台，協助實現了巨大工程挑戰的最後一個項目，也就是建造科學發現的工具。如果你是位需要新儀器的科學教師，請考慮自行製作。開源社群會在這裡協助你。