創客教育材料漫談

陳染

談到電子創客，我們的第一印象往往是形形色色的傳感器和交互裝置。誠然，它們最吸引眼球，也最有表現力，但我們常常忽略了電子創客作品的導線和開關。如果沒有導線和開關，我們幾乎無法制作任何電子創客作品。這一期的創客教育材料漫談，我們就談談這2種最基礎的電子元件怎樣成為了創客作品的主角。

我們都知道，導線是由銅或者鋁制成，用來傳遞電流；開關是控制電路連通或斷開的電子元件。但為什么導線能夠傳遞電流呢？單靠導體和絕緣體等概念的解釋是不夠的。作為創客教育教師，我們不僅要讓學生知道它能怎么用，還要讓學生知道它為什么能用，只有從本質層面認識材料，才能深入理解材料的特征，并靈活地創作出作品。

根據導電率的不同，物質可分為導體、半導體和絕緣體3種，在微觀層面，導電率的表現是電荷移動的能力。與非金屬不同，金屬原子的原子核對外層電子的束縛能力不強，電子傾向于脫離，形成自由電子。自由電子成為電流的載流子，為金屬帶來優良的導電性。而在眾多金屬中，金、銀、銅等金屬導電性是最好的，通常我們用銅制作導線，在特殊情況下，我們還會使用銀甚至金制作導線。

宏觀現象能在微觀層面得到解釋，運用科學知識，我們就能讓普普通通的導線和開關在創客課堂中作出精彩表演。下面，我們通過幾個創客教育案例，看看低調的導線和開關是怎樣成為電子創客作品主角的吧！

科技學堂創客教育作品“電流急急棒”把低調的導線變成游戲性的一部分。電流急急棒是一種游樂場常見的游戲設施，參與者將頭部有環的金屬棒套在金屬線上，從起點走到終點，期間金屬環不能碰觸到路線，否則挑戰失敗。隨著游戲的進行，路線的難度會逐漸增加，對參與者的心理是一個很大的考驗。電流急急棒由1枚1.5V的紐扣電池驅動，串聯著1枚蜂鳴器。電路的一端連接著折繞復雜的銅絲，另一端用銅絲做成頭部帶著環的電流棒，并用絕緣膠布纏繞制成把手。參與者手持電流棒進行游戲，若電流棒觸碰到銅絲，電路連通，蜂鳴器發出聲音，表示游戲結束。在這個制作中，手持的電流棒和銅絲是電路中的2根導線，而它們是否接觸則成了1個開關。它們也能成為創客作品的主角。

導線和開關還可以以各種不同的方式出現在創客作品中，Mini Gear的作品“吞錢小怪獸”

（Robot FaceBankBOX）是一個有趣的存錢罐，當你把硬幣放在小怪獸手上的盤子里時，小怪獸就會張開嘴，把硬幣吞進去。這個制作并沒有用到任何傳感器，而是巧妙地利用了硬幣的導電性。作者在小怪獸的體內安裝了電池和小馬達，并用鐵絲做成往復運動機構，當馬達轉動1圈時，小怪獸的嘴巴完成1次開合，同時手也會抬起。在小怪獸手上的盤子上粘貼了2片獨立的導電膠帶，分別連接到電源的正極和負極。當使用者將硬幣放到盤子上時，電路連通，在馬達的帶動下，小怪獸嘴部張開，雙手同時上抬，將硬幣吞進去。當硬幣離開盤子，電路斷開，在重力的作用下，小怪獸嘴巴閉合，雙手放下，等待下一次投幣。

創客作品中的導線和開關，不僅能夠增加作品的游戲性和交互性，還能夠展現特別的人文關懷。科技學堂的創客教育作品“中秋賀卡”就用開關巧妙地表達了中秋團圓的涵義。中秋賀卡由卡面和內襯2部分組成，內襯排布了電源和導電膠布，房子中藏著1顆LED燈，電路連通就會亮起。賀卡的左半邊有個手柄，轉動手柄，月亮從一輪彎月變成中秋的圓月，房子的燈就亮了，家就團圓了。

中秋賀卡的秘密就在月亮的背后，我們在月亮背后粘貼了1塊鋁箔紙，當手柄撥動的時候，鋁箔紙接觸到連接著正負極的2塊導電膠布，電路連通，LED燈就亮了。

導線和開關不僅可以用金屬做成，用其他材料制成的導線和開關往往會產生令人驚艷的交互效果。科技學堂的作品“紙板吉他”是用創客教育硬件做成的。我們一手握住上方白色鱷魚夾，另一只手輕按吉他上紅色或黃色的點，就能演奏出好聽的音樂了。我們用導電膠布在紙板吉他的表面粘貼出電路，不同的線路在按鍵處相匯而不相交，再用4個不同顏色的鱷魚夾連接不同的電路，鱷魚夾的另一端連著主控板和發音模塊。紙板吉他將人體作為導線，演奏時，電流穿過我們的身體，觸碰不同的按鍵，主控板收到不同的信號，根據信號的不同，發音模塊發出不同的音高。

有時候，導線和開關還可以做成簡易的傳感器，前面我們已經提到了基于離子的導電性原理設計的土壤濕度傳感器，這里我們再介紹一個更加簡單的傾側檢測傳感器——水銀開關。水銀開關的結構很簡單，它由2根導線和1滴封裝在玻璃管中的水銀組成。我們可以將水銀開關垂直安裝在創客作品中，一旦裝置傾倒，水銀就會滾動到玻璃管一端，電路自動連通，就可以傳遞裝置傾倒的信號了。另一種可以感測磁性的開關是干簧管。干簧管由2片軟磁性材料制成，封裝在玻璃管中，2片軟磁性材料（稱為簧片）端部重疊，平時保持常開或常閉的狀態。一旦感測到磁場，就會讓簧片閉合或打開，形成通路或開路，就能讓電路傳遞出磁場變化的信號了。

在更多的創客教育作品中，導線和開關是低調的角色，但低調不等于隨便選，接下來我們介紹一下幾種創客教育中常用的導線和開關。

如果你進行的是比較基礎的創客教育，學生對電路不熟悉，就可以選擇用導電膠布或導電膠帶制作紙電路。導電膠布易貼易撕，方便學生修改，前面介紹的幾個案例或多或少都用到了導電膠布，這里不再贅述。與導電膠布相比，膠帶黏性更好、更薄，也意味著不容易修改，適合制作電子賀卡。此外，我們還能用導電墨水畫出電路，讓創客教育變得更加方便快捷。

如果你使用開源硬件設計創客作品，對杜邦線一定不陌生。杜邦線是由杜邦公司生產的一種排線，分為公母2種接線頭，可以很方便地將它插在開發版的串口上。選擇杜邦線的時候，要注意導線是公對公、公對母，還是母對母，選錯導線可就無法安裝了。

創客教育中用到較多的開關有船形開關、旋鈕開關、自鎖開關和無鎖開關等幾類。船形開關是我們日常生活中最常見的開關類型，有單刀單擲、單刀雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲4種類型；旋鈕開關是一種單刀多擲的開關，常用于檔位調節；自鎖開關和無鎖開關通常是按鈕或按鍵，區別在于按下之后是否會自動彈起。我們可以根據實際需要選擇合適的開關，制作出不同的創客作品。