Arduino就是所谓的嵌入式计算机平台，这意味着它是一个交互式系统，可以通过硬件和软件与它的环境进行互动。Arduino可以与LED、点阵显示器、按钮、旋钮、小电机、温度传感器、压力传感器、超声波传感器、GPS接收机、以太网卡或者其他能够输出数据或被控制的任何器材相连接。

Mixly，中文名为米思齐，全称为Mixly_Arduino，是一款由北京师范大学教育学部创客教育实验室傅骞教授团队开发的用于Arduino的图形化编程软件。

找准STEM项目，解决真实问题

学生在学习Arduino的时候问道：“我们为什么要学习Arduino，为什么要学技术？”笔者回答：“为了解决问题。”学生接着问：“全球踩踏事件时有发生，比如景区、体育场、音乐会，甚至学校，如何解决呢？”笔者反问：“踩踏事件的本质因素是什么？”学生说：“距离太近、拥挤，有没有什么技术可以自动监测人与人之间的距离，然后及时提醒呢？”笔者知道是时候让学生学习超声波传感器了，就说有一种传感器可以自动测距，到互联网上查一下，再到器材盒子里找一找，下一个STEM项目就是研发防踩踏智能穿戴设备——自动测距并提醒。

借助Arduino硬件，进行工程设计

在本例中，所需实验器材如图1所示：一块Arduino主控板，一根USB连接线，一个超声波传感器，四根杜邦公母线，一个无源蜂鸣器，两根杜邦公公线，一个LED灯。

图1

我们先使用杜邦线中的四根公母线，将超声波传感器连接到Arduino主控板上的四个接口，使用杜邦线中的两根公公线，将无源蜂鸣器连接到Arduino主控板上的两个接口，完成硬件搭建。其中超声波传感器上的VCC表示5V电源脚，连接Arduino主控板5V正极；超声波传感器上的GND表示地端，连接Arduino主控板负极GND；超声波传感器上的Trig表示触发控制端，Echo表示接收端，均连接Arduino主控板数字或模拟端口。无源蜂鸣器上的正极表示控制端，连接Arduino主控板数字或模拟端口；无源蜂鸣器上的负极表示地端，连接Arduino主控板负极GND。如图2所示：

图2

通过Mixly编程，形成批判性思维

智能提醒的核心是使用条件语句，

即条件成立，即时提醒，并且持续提醒。根据指导思想，学生编写程序如图3所示：

图3

此程序中的“超声波测距”表示超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离。参数20（单位：厘米）是在实验中反复测得比较符合实际情况的数值。

经过实验尝试，学生发现提醒声反复发布，只有拔掉电源或蜂鸣器等非正常处理，才能强制关闭声音。经过小组探讨，同学们都认为必须改进这个程序，也就是说，智能提醒设备应该在人与人之间的距离小于20厘米的条件下即时提醒；人与人之间的距离大于或等于20厘米，停止提醒。如图4所示：

图4

问题又来了，如果周围声音嘈杂，又该如何解决？

经过讨论，大多数同学比较认可增加一个LED灯，声音提醒的同时，灯也亮起来。学生还发现，可以设置一个变量，将超声波测距的值赋予这个变量，需要的时候随时调用。硬件搭建如图5所示，具体程序如图6所示。

图5

图6

有学生进一步提出，能否将智能提醒调整为：超声波传感器监测到人与人之间的距离越近，提醒的声音越大，LED灯也越亮呢？全班协商后，根据之前学过的映射知识点，解决了这个问题。具体程序如图7所示。

图7

经历研发过程，养成合作与创新习惯

硬件搭建、程序编写和调试都已经完成，现在要将智能电子与材料结合，完成智能穿戴设备研发。

有学生想到，可以利用废旧纸盒结合准备丢弃的游戏腰带来设计一款智能腰带。先用直尺量出超声波传感器直径，求半径，用圆规画圆，用美工刀刻出超声波孔洞，同样方法刻出蜂鸣器、LED灯孔洞。还有团队合作将Arduino智能电子置入书包中，这样背着书包就能监测后方情况，也有团队完成了智能臂包的产品研发。更有团队正在研究如何用3D打印完成实际尺寸的测量与创意设计，再用切片软件Cura打印成品，真正实现智能穿戴设备一体化，目前仍在不断完善。

从创新到STEM数字图书馆，再到STEM数字博物馆

当然在本例中，同样用这些实验器材，还有学生想到，可以用超声波测距的方式，为爱低着头写作业的同学研发一枚智能胸针，眼睛与胸针之间的距离小于设定的参数值，就开始提醒，直到头抬起来，停止提醒。也有些团队想到，为一年级新生研发一款智能马甲，刚进校列队的时候穿上，用超声波测距来提醒小朋友的站位，而不用老师反复叮嘱，形成位置感觉之后脱下智能马甲，养成自身良好习惯。

对于好的作品，我们希望通过STEM数字图书馆的方式保留下来，书写全套说明文档，并录制相应视频，全部开源分享，让每一个拿到产品的人都知道怎么做出相同的一个产品，或者根据这个原型，创新不一样的产品。目前，我校就在作这样的尝试，六年级学生设计的产品，放在网上售卖，超出成本价的部分全部捐赠给乡村学校。对于经典的作品，我们希望通过STEM数字博物馆的方式流传下去，或者不断精进，不断迭代。

学生主动创意构思，主动用学到的知识来解决真实问题，主动设计研发产品，不断丰富自我体验，不断感受获得感与驾驭感，自我评价体系趋向更好，学习内动力更强，这样回归生活、释放想象力与创造力的教育，不正是STEM教育的初衷吗？

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