开源硬件（Arduino）学习实验箱

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项目作品案例名称： 开源硬件（Arduino）学习实验箱 作品案例类别：  教具（学具）
作者：  隋杰峰（隋小白）
单位：  乳山市畅园学校
涉及学科或专业领域：Lasermaker设计、开源硬件


一、项目作品概述
以下是创作背景，是创作过程中经历的一下事情，废话较多，可以忽略~
带学生参加科技类的比赛已经多年，直到有一天，学校给了我一个社团（一个小透明的三不管社团），于是，我想，要不要带孩子们玩Arduino呢，毕竟，造物可能比电脑绘画更有趣一点呢~
由于，我是从Arduino UNO R3+面包板+散件开始入门的，于是，也带学生从面包板开始玩，毕竟，也能顺带着学习学习电路知识嘛（其实，主要还是木有钱，散件还是便宜多了），结果自然是惨不忍睹，我觉得很简单的，自以为说的很明白的电路和欧姆定律，学生压根没兴趣听，学生在意的还是创作最初的想法、实现创意的过程和最后的结果，虽然，最终也带出娃儿三两个，对于，这一年的社团活动来说，自然是失败的。。。
于是，我想，要不要换套件，让我们社团课程的入门更简单一些，然先后看过、尝试过一些套件，最终也都没采用（不是不好，是觉得贵，其实，还是因为木有钱）。。。
18年，第一次认识吴老师，认识高程老师，在北京见到了高程老师为S4A设计的一款学具，利用螺丝螺母将UNO 和常见的传感器执行器都固定到了一块激光切割的亚克力板上，恰好，同年夏天，在青岛爱智作匠创空间参与了创客教育普惠行动的一次培训，亲手组装了一套，突然，萌生了一个想法，要不，我也设计一款玩玩？然，当时木有激光切割机，很快抛之脑后，后来自己花钱买了激光切割机，也把这事忘了。。。
不过，在青岛的这几天收获巨大，与一众巨佬好友更为熟稔，（尴尬的是，也收获了痛风，因此，与一些大佬不仅成了好友，也成了病友，哈哈哈哈哈哈哈哈），自此，常跟随吴老师和棚哥（河南省创客教育研究院、17创客空间的肖棚）到处面基，创客的世界果然好玩~
不久之后，也可能是挺久之后，我又一次去到北京面基，应该是创客教育普惠行动的关于虚谷号的培训，这次与棚哥的相逢，好基友居然碰撞出了火花（灵感的），宅男腐女请自觉面壁~晚上，基友相见，自然相谈甚欢，棚哥说，小白，我有个想法，我想用个亚克力做一个盒子（箱子？），把Arduino和所有常见的传感器集成进去，这样的套件，学生学习起来应该很容易吧，刚好，那会，我带了虚谷号和一块笔记本显示屏，我想做一个虚谷号的笔记本，或者，找个箱子（带提手的那种工具箱），把虚谷号和显示屏固定在里面，加上电源，虚谷号所有管脚引出，接上常见的各种元件，打开之后，既是一个笔记本，又是一个可以学习开源硬件的套装，与棚哥的想法不谋而合，然后，我们深入讨论了半夜，觉得，这俩创意可行~
回来之后，我开始断断续续做虚谷号的箱子，然而，为琐事所扰，进度缓慢，用洞洞板焊的扩展板刚出来没多久，就止步于此，项目就此烂尾。。。而此时，我们申请的课题（Arduino校本课程开发方面的）也陷入困境，我们仍苦恼于社团娃儿们Arduino入门的问题，把娃儿们困在入门上的课程开发出来有毛用。。。由于课题研究所需，我们自己丢进去探路的钱也不少了，怎么也得让学校支持一下，当时我们找校长死缠烂打，申请了大概4000块，给我们买了45套左右的散件（我们自定的套件），少是少了点，依然感激学校的支持，散件虽然对学生不太友好，我们也不能扔那不用，毕竟，还是经费太过紧张，每一分钱都要用到刀刃上，能掰三半花，绝不掰两半花，于是，我们开始改良棚哥的方案，做一个开源硬件（Arduino）学习实验箱作为课程入门的教具（学具）~
我们对这个盒子的预期如下：
1.盒子作为一个教具（学具），能够降低学生学习Arduino的入门难度；
2.盒子用Arduino UNO R3作为主控，合理利用 UNO的20个管脚（18个，0和1不用），将常见的传感器和执行器集成到一起；
3.盒子采用便宜的奥松板，合理利用我们之前采购的电子件，在方面学生观察、学习和使用的前提下，尽最大可能降低成本；
4.电子件用螺丝螺母或尼龙铆钉固定，方便拆解更换和维修；
5.盒子结构简单、体积合适、学生上课使用方便，方便分发和收纳。

经过一次次设计、试验，我们不断改进，直至第7版，单个盒子的物料成本压缩至100元以内，话不多说，下面放图~
第5版（超声波测距模块在侧面），在后来的社团活动教学中大大地降低了学生的入门难度，取得了不错的效果~

第6版，使用点阵屏时蜂鸣器可能会响，大概是这个问题，记不太清了。。。

第7版，赠与吴老师的特别版~用它来参加科技创新大赛的科技辅导员项目，不过成绩不咋地，止步于威海。。。不知道在别的省会咋样，我们山东，竞争格外激烈呀。。。


二、项目作品创作过程
（一）创意来源
高程老师为S4A设计的教具，以及与棚哥的讨论，并在最终为解决社团活动（大班教学）中遇到的学生入门难的问题而做出的改进。
（二）设计理念
能降低学生学习Arduino的入门难度，成本低，简单好用，方便拆解维修，方便分发收纳。
（三）问题分析/可行性分析
1.有高程老师设计的S4A教具的先例，我们的盒子也能设计出来，但需要考虑到这么多电子件高度集成之后的供电问题；
2.奥松板做的方形盒子，成本比亚克力低得多，强度也足够（如果真使劲往地上磕也是会碎的）；
3.散件没有固定的尺寸和孔位标准，这还需要借助游标卡尺一个个量；
4.电子件裸露在外，是为了方便学生观察，但难免磕磕碰碰，损坏后，必须要能更换。
（四）创作实现过程
1.电路的可行性
将各种电子件集成到一起，首先，我们应该考虑的就是电路的问题，经过，反复试验，如果第5版的直流电机转速过快，盒子上传程序时板子可能会连接不上电脑，经过试验，在DC口那里接2接18650电池供电即可解决，为此，我们在后续的改进中，更换了电流更小的电机，同样解决了这个问题~UNO扩展板各脚的连接方式如：
2脚：触摸开关
3脚：蓝色LED
4/5脚：超声波测距模块（4-Trig/5-Echo）
6/7脚：L9110控制直流电机
8脚：舵机
9/10/11脚：DS1302（9-RST/10-DAT/11-CLK）
12脚：喇叭
13脚：12位全彩LED
A0脚：光线传感器
A1脚：声音传感器
A2脚：B10K旋钮电位器
A3脚：DHT11温湿度模块
IIC：OLED12864
以下是第7版的电路连接，其他版本就不一一提供了（主要是，找不到了）~另外，硬件清单也找不到了，参考下图即可~

2.设计图纸
手绘图早就扔了，遗憾的是，手机里也木有照片，就不提供了。。。
图纸的设计，从最开始，大致有7个版本，会放在附件中，第4版和第6版找不到了，而且，第6版本身也有点问题，丢失也无关大雅。。。
下图是第5版的图纸

下图是第7版的图纸

3.材料清单

这是第5版的清单，制作的比较早，应该会遗漏点小东西，比如，貌似漏了R3080尼龙铆钉，所以，仅供参考，电子版会放在附件里

4.工具清单
切割：激光切割机
电子元件的处理：电烙铁、焊锡、剥线钳、热缩管（尴尬。。。这个好像不是工具。。。）等
组装：十字螺丝刀
5.组装过程
组装是个很让人头大的问题，但这里，我不想多写，只要有耐心，总会组装起来的。。。我们学校的40多套，我陆陆续续组装了能有两个月，组装到想吐，能坚持下来，估计可能是因为爱。。。总归还是我的设计不够完美的。。。
大致顺序是这样的：
首先是对一些电子件的处理，比如，LED小灯、全彩LED、旋钮电位器等，都需要焊上杜邦线；
然后，组装的是正面和侧面，在相应孔位上固定相应的传感器，在图纸上，都标注了各个电子件的位置，用尼龙铆钉或螺丝螺母一一固定即可，并接上杜邦线，扩展板最后插，这一步最费时费力，需要耐心；
最后，将盒子组装好，注意四角的固定，在4个角附近留的3mm孔是用M3*50尼龙铆钉+螺丝固定盒子用的。
三、作品的展示与评价
展示就丢个第7版的视频吧，具体教学视频就不放了，毕竟，我讲课那么差，从来不录的。。。

至于评价，毕竟，在教学中用了也有半年了，一点点感受还是有的，也顺带着在这总结一下吧。。。
自己付出心血的设计，怎么也得先给自己吹吹牛，说说优点：
1.在社团活动大班教学中，确实很好用，很方便，课前，学生进教室，自己在柜子里取，课后，自己放回去，省却分发收集整理器材的烦恼；
2.成本低，物料成本不到100块，农村学校只要不是超级贫困的应该都玩得起；
3.极大地降低了学生Arduino入门的难度，配合图形化编程（Mixly）很好用，Mind+也可以，附件中有大概20个案例的程序，两个平台的都有，需要说一下，这仅仅是个学生入门的教具（学具），如果真要开设Arduino课程，必须有后续的关于电路的课程，一学年的课程结构如下：第一阶段，以这个盒子作为学具，开设入门课，第二阶段，讲电子电路，再配合Laserblock搭建作品，第三阶段，以创客马拉松等形式，组织学生自行设计项目。经过我们研究的相关课题（已结题）的实践，我们发现，这种课程结构的社团活动教学效果还是不错的。
然后就是不足：
1.确实设计水平有限，为了控制成本，盒子确实设计的复杂了些，组装是真费功夫；
2.盒子表面的传感器固定在表面是为了方便学生观察，尤其是声音传感器，咪头容易碰掉，然后，螺丝螺母固定的，不能太紧，有的螺母可能会掉，建议，上完螺母，滴点热熔胶，防止螺母脱落；
3.供电问题，第5版的盒子，部分案例单靠数据线供电会不够，需要用7.4V锂电池接DC口供电。
最后是展望
设计这个盒子的初心有两个，一是，解决学生Arduino入门难的问题，二是，降低成本，解决经费不足学校开设Arduino课程学生入门难的问题；
所以，希望喜欢它的人遵循开源协议：CC-BY-NC-SA，成本看得见，不要用它来收人智商税。。。我这么说是不是有点自大，有点道德绑架了。。。
最后是附件：
PS，创作视频就不提供了，主要是，组装过程挺费时间的，不想再组装了，没录。。。
所以，只提供了，图纸，清单，还有盒子的Mixly和Mind+的各大概20个示例程序
开源硬件（Arduino）学习实验箱资料.zip (2.82 MB, 下载次数: 348)

2020-10-6 22:36 上传

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唐西岳

王者归来，心路历程好评

陈付军

始终强大，小白哥

zhouzhuofeng

楼主真厉害

suijf585

zhouzhuofeng 发表于 2020-10-9 21:09
楼主真厉害

我这是穷折腾

忧伤的琴弦

我也爱在“信泰微电子”买arduino的配件，价格便宜，另外“都会明武电子”的小车配件很便宜，麦克纳姆轮带底盘才50多一套。

suijf585

唐西岳 发表于 2020-10-8 09:43
王者归来，心路历程好评

要不要写写我与基友们的故事

suijf585

陈付军 发表于 2020-10-9 17:15
始终强大，小白哥

看朋友圈，国庆你们又面基去了。。。我出不去。。。

suijf585

忧伤的琴弦 发表于 2020-10-10 16:34
我也爱在“信泰微电子”买arduino的配件，价格便宜，另外“都会明武电子”的小车配件很便宜，麦克纳姆轮带 ...

对啊对啊，质量虽说一般，但做作品完全够用，物美价廉

文哥仔

这成本确实很适合经费不多的学校进行普及