顏敏　尹愛(ài)青

汽車倒車時(shí)倒車?yán)走_(dá)能發(fā)出警報(bào)（如圖1），當(dāng)距離后面的障礙物較近時(shí)，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)發(fā)出滴滴的警報(bào)聲以警示駕駛員。下面，我們用Arduino來(lái)制作倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，在機(jī)器人車體倒車時(shí)發(fā)出滴滴的警報(bào)聲。在教學(xué)中，我們要以數(shù)據(jù)探究理論為指導(dǎo)，在數(shù)字環(huán)境下探究問(wèn)題發(fā)生的本質(zhì)及內(nèi)在聯(lián)系，并創(chuàng)造新事物，讓探究成為學(xué)生探索生活和獲取知識(shí)的橋梁。

我們要探究的是制作倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中最重要的一步就是測(cè)量車體與障礙物之間的安全距離范圍。如何測(cè)量障礙物的安全距離范圍？我們用Arduino來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)去測(cè)量它。

● 搭建實(shí)驗(yàn)裝置

需要搭建的實(shí)驗(yàn)裝置由Arduino機(jī)器人主控器、1個(gè)超聲波傳感器、1個(gè)蜂鳴器和若干個(gè)積木套件構(gòu)成（如圖2）。超聲波傳感器和蜂鳴器用兩條通線線分別接到Arduino車體的超聲波端口和D2端口，用積木套件固定在車體上。

首次使用Arduino機(jī)器人需要安裝Arduino IDE的編程環(huán)境，安裝成功后需要配置端口（如下頁(yè)圖3），要求COM端口一致，查看設(shè)備管理器的端口是COM1還是COM14，在Arduino IDE中依次選擇工具、端口中的COM1或COM14;配置板卡類型選擇Arduino Uno。以上都配置好之后，進(jìn)入工具中的ArduBlock編寫程序。

● 超聲波測(cè)距原理

超聲波傳感器能夠發(fā)射超聲波，超聲波是一種聲波，人耳是聽不見(jiàn)的。超聲波發(fā)送端發(fā)射這種超聲波，遇到障礙物后反射，接收端接收回波，根據(jù)發(fā)出和接收到的時(shí)間t來(lái)計(jì)算得到障礙物的距離S。S=Ct/2，C為超聲波波速。

把超聲波傳感器接到超聲波專用端口，在ArduBlock軟件環(huán)境中編寫超聲波傳感器程序來(lái)測(cè)試超聲波傳感器，并且在串口監(jiān)視器中觀察由超聲波傳感器檢測(cè)到的距離數(shù)據(jù)。

● 編寫測(cè)距程序

編寫程序?qū)?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，采用觀察串口監(jiān)視器中的數(shù)據(jù)方法來(lái)測(cè)量安全距離范圍（如圖4），記錄并分析車體與障礙物的距離。

1.獲取數(shù)據(jù)

把車體帶有超聲波傳感器的一端距離障礙物遠(yuǎn)一點(diǎn)，然后使車體慢慢靠近，同時(shí)打開串口監(jiān)視器觀察超聲波傳感器收集到的實(shí)時(shí)更新的數(shù)值變化。

2.篩選數(shù)據(jù)

為了測(cè)量有效的安全距離范圍，教師引導(dǎo)學(xué)生測(cè)量車體與障礙物之間在最遠(yuǎn)、適中、最近的三個(gè)距離段，并用表格的形式記錄下來(lái)，建立初始數(shù)據(jù)表，具體如下頁(yè)表1所示。

3.分析數(shù)據(jù)

超聲波傳感器能夠檢測(cè)到的距離也是有限的，超過(guò)最大距離發(fā)射出的超聲波無(wú)法到達(dá)障礙物，也就無(wú)法接收回波;距離障礙物很近，超聲波傳感器中的余震還沒(méi)結(jié)束也沒(méi)有辦法檢測(cè)到回波，最小距離也就是探測(cè)盲區(qū)。那么設(shè)計(jì)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)時(shí)，要設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全距離的最低值dmin和最高值dmax，圍繞這個(gè)問(wèn)題，方案各有不同：

a.直接觀察的辦法，把小車擺在離障礙物適當(dāng)?shù)木嚯x的位置，將其作為最遠(yuǎn)距離dmax。

b.采用折中的辦法，選擇6cm～86cm中間的數(shù)值46cm作為最遠(yuǎn)距離dmax，可以dmax=46。

c.利用比例尺的方法，選擇實(shí)際車體本身作為標(biāo)尺，用小車車體長(zhǎng)度除以實(shí)際車體長(zhǎng)度作為比例尺，即k=L小車/L實(shí)際。我們平時(shí)倒車的最遠(yuǎn)安全距離一般會(huì)在150cm，見(jiàn)的出租車實(shí)際車身長(zhǎng)度為428cm，小車的車身長(zhǎng)度為35cm，則最遠(yuǎn)距離dmax為=12cm。學(xué)生經(jīng)過(guò)討論之后，不同的小組可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，找到適合自己的dmax的確定方式。

● 應(yīng)用數(shù)據(jù)編寫倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

車體在倒車時(shí)，一直判斷距離障礙物的距離大?。喝绻嚯x值大于安全距離的最高值dmax，說(shuō)明沒(méi)有障礙物，小車?yán)^續(xù)倒車;如果距離值小于或等于最高值dmax，表示后面有障礙物，蜂鳴器一直發(fā)出警報(bào)聲;如果距離值小于或等于安全距離的最低值dmin，小車停止倒車，蜂鳴器停止報(bào)警，代碼如圖5所示。

● 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用Arduino機(jī)器人車體、超聲波傳感器和蜂鳴器制作一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒車的功能。如果倒車時(shí)蜂鳴器隨著距離的減小聲音越來(lái)越尖銳，還可使用可視化的LED燈來(lái)模擬倒車影像，在系統(tǒng)基本功能上添加了擴(kuò)展功能，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐探索中創(chuàng)造新事物。在教學(xué)中應(yīng)以數(shù)據(jù)探究理論為指導(dǎo)，科學(xué)地探索生活中常見(jiàn)的汽車倒車現(xiàn)象的本質(zhì)及內(nèi)在聯(lián)系，分析倒車?yán)走_(dá)中的邏輯工作原理，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的方法去探索真實(shí)世界的意識(shí)和能力。

在讓學(xué)生探究問(wèn)題最優(yōu)解決方案的過(guò)程中，開拓學(xué)生多種思維的途徑，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散性思維和開放性思維的形成，讓學(xué)生成為創(chuàng)新者。

參考文獻(xiàn)：

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本論文是中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)“十三五”重大課題“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃理論與實(shí)踐（課題編號(hào)P116）的研究子課題成果。

點(diǎn)? 評(píng)

這是一篇物理老師從“數(shù)據(jù)探究”的角度寫的開源硬件教學(xué)案例，其中涉及超聲波傳感器工作的物理原理，獲取超聲波傳感器有效工作范圍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和超聲波傳感器的工程應(yīng)用。應(yīng)該說(shuō)，20世紀(jì)是一個(gè)“不斷細(xì)分”的世紀(jì)，層出不窮的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓我們?cè)谝粋€(gè)具體的領(lǐng)域不斷深挖，但卻忽視了學(xué)科之間的天然的聯(lián)系，21世紀(jì)以來(lái)，人們開始越來(lái)越重視“綜合”的力量，這種綜合體現(xiàn)在學(xué)科融合上，也體現(xiàn)在教師的專業(yè)發(fā)展上，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)可以同時(shí)駕馭兩個(gè)學(xué)科以上教學(xué)的綜合型教師會(huì)不斷涌現(xiàn)。

（點(diǎn)評(píng)人：北京景山學(xué)校 吳俊杰）