美国Rose-Hulman理工学院科技夏令营项目简介

夏令营（Operation Catapult）的目的之一就是提供让你自己调查一些物理现象、或者让你体验运用“科学方法”去调查或设计的机会。这种学习需要你去自学一些数学、物理等知识，并在实践过程中带着遇到的问题去向老师或同学请教；还会体验伴随着研究和设计的挫折感。

附录中包含了一些小项目，每个涉及的范围都很广泛，你先阅读，然后提出4个你最感兴趣的题目，我们鼓励你从不同的领域选择4个项目，通常尊重你的第一选择，并将3-4人分为一组（但项目中不允许有两名同校学生）。如果你想做自命题项目，符合夏令营章程，又能找到几个同感兴趣的同学和指导老师，那么你可以去调研。

调研的程序如下：

1. 通过与人讨论和图书馆查询，去研究现象和时机（opportunity），决定你能从中学到什么；

2. 找出你需要调查的工具和指标；

3. 写一篇有关项目问题和所涉实验的简要说明，包含你想要执行的措施或其它实验说明；

4. 向一名指导教师解释你的想法，获得同意后才能开展后续调研；

5. 要强调的是，一定要有描述文档来对最后的结果进行分析，得出结论和想法，并据此开展进一步调研；

6. 用一种文字处理软件来完成小组的项目报告并打印（报告和摘要撰写指南会提供给你）

7. 每个小组将在第三周的周六用海报形式展示该组最后结果。在海报中可以使用图表、照片，或其他视觉辅助工具。另外，每个小组的成员在海报展示过程中要准备一个“电梯演说”（即30秒内清晰达意），与此同时，其他同学要对展示组填写一份评价表。最后一个周六的下午，学生可以去查阅这些评价。

8. 每个学生最后会收到一份夏令营所有小组报告的摘要汇总。因为资料汇总整理需要时间，所以每个小组的摘要必须在夏令营规定的时间之前提交。

夏令营项目一览（2009年）

这个项目需要分成两个部分：（a）设计和构建一个测试绝缘材料的系统（b）用这个系统来比较各种各样的绝缘材料。

设计，构建和测试用来测量液体和气体流量的设备。你可能会需要使用单片机来测量。（the device(s) interface with a microcomputer.）

你注意到有些莲蓬头很通畅，水流很强劲而其它的一些则不行，有时候都没有将你淋湿？为什么会这样呢？你能自己改进家里的莲蓬头吗？在这个项目里，你需要预测莲蓬头或类似系统的表现，然后做出一个模型，测试它在不同的情况下的压力和速度。

有没有方法使用那些有害液体中的能量来将水加热，然后提供给我们洗漱和饮用呢？当然可以。只需要一个由简单的外壳和软管组成的热交换器。他们设计起来并不难。在这个项目中，你需要为特定的目的设计一个热交换器，猜测它的性能，最后制作并测试。

制作并测试一台人力冰箱。学习有关冰箱循环方面的知识，然后将其应用到一个人力的设备上。

我们的社会需要发展更多可以重复利用的原料，而不是像现在正在使用地那样“用完就扔”。让我们来看看我们可以尝试加工的几种复原和回收的材料（a）废弃的电动机润滑油（b）废弃的防冻剂（c）塑料。一定要考虑提出的处理方法的经济可行性，这个很重要。（你可以要求一次化学方面的课程。）

有用的聚合物例如塑料，尼龙是怎样制造出来的？有哪些因素影响聚合物的特性？什么新特性的聚合物会被制造出来？

两种不同的化学药品怎样分开呢？一个普遍的解决方法就是使用蒸馏。工业上也是使用蒸馏“生产”出了汽油和提取出一定浓度的工业化学药品。那么设计一个蒸馏过程需要哪些呢？为什么有的分裂蒸馏塔很高而有的则很低呢？我们接下来就会将实验和仿真软件结合起来一起来设计。

管道工厂在交通系统中处于一个必不可少的地位。你从平时的经验就可以得知，挤压花园中的橡胶管，水就会流动的快一些。但是水流动的速度随着压力怎样变化呢？例如，如果你的压力加倍，水流动的速度也加倍吗？同样的压力加到都是半英寸的玻璃管和铁管以及橡胶管上，产生的流速是相同的吗？水流经相同材料的半英寸的管子和四分之一英寸的管子，流速会差多少？

燃料电池已经作为一种未来的能源在出售。了解燃料电池怎么工作，然后设计，制作并测试你自己的燃料电池。看看你可以在电池中使用那些材料；电势和功率密度是怎样关联起来的。

我们从网上可以轻易获得美国航空与宇宙航行局（NASA）的卫星数据。特别是，SOHO卫星会拍摄太阳每天的图像。这些图像可以用来计算太阳的旋转周期和太阳关于黄道平面的倾斜度。

彩虹是怎样产生的呢？理论上，有很多种的彩虹，但是自然界中只有两种可以被看到。在实验室中，有可能看到第三种彩虹吗？在这个项目中，你将会揭开彩虹的神秘面纱，并自己动手设计实验来比较理论和现实。

针孔照相机，或者暗箱相机是一种古老的照相工具。我们将使用现代的电荷耦合器件来将武装针孔照相机，并用它来拍摄图像。需要调查的问题有：图像的放大倍数怎么被设定呢？针孔的最佳大小是多少？图像的质量依赖于波长吗？

许多影片都向我们讲述小行星或彗星撞击地球的可能。但是在真实世界里，这种事情发生的可能性微乎其微。天文学家收集有关小行星的数据来帮助研究太阳系的最初的情况和发展。在这个项目中，你将会操作一台自动望远镜来拍摄小行星。届时，你将是用你的数据来精确地找出小行星的位置和运动。采集的数据将会由从事天文物理学的哈佛-史密斯中心公布。

小行星并不是始终不变的。随着它们的旋转，它们的光亮也会跟着改变。在这个项目中，你将在晚上操作自动望远镜来拍摄一个小行星。白天则用拍摄的图像计算小行星的亮度和它的旋转周期。最终结果将会被提交给一份科学杂志发表。

我们从没有在Rose-Hulman天文台测定过变星的亮度。这个与小行星的光度测定有什么不同？有什么类型的变星？我们可以测定哪些类型？又在哪里怎样发表我们的发现？

通过Rose-Hulman天文台，我们可以看到数以百计的可见星系。但是并不是所有的信息都已经被记录的。这个项目就要求通过在档案图像中寻找现有行星图表中没有的星系。然后这个星系的位置将会被仔细的测量，并记录到我们自己的星系目录中。既然天文学家们很少看图上未标明的星系，那么这些地方将是一个寻找超新星的绝佳位置。

依靠提供相关的专业知识，科学家和工程师们经常参加一些公共政策的决定。这个项目将调查光污染，并与当地政府进行磋商，在Terre Haute和Vigo县发展和实施光污染管理。

运算放大器被广泛地应用于信号处理和模拟电子线路中的放大组件。他们可以将来自温度传感器、心电图电极、应变计很小的电压和电流放大。也可以在信号中进行加减乘除之类的数学运算。你的项目可能会演变成一个或几个如下的应用：（a）能进行各种数学运算的模拟计算器（b）心电图设备（c）电子温度计（d）响应眼睛运动的眼电图（e）电子秤

这个项目实际上是很多有趣、有挑战的项目的总称，但是他们有着共同的微处理器编程主线，这个在现在的很多工厂和自动的嵌入式控制的应用中很流行。

在开始项目工作之前，会有约三天的预备课堂教学，内容是关于实用实验室设备（数字电压表、欧姆计、信号发生器、直流电源、示波器），模拟和数字电子产品，以及基础C编程等方面的知识。虽然一些高级语言（C，Pascal或者Basic）编程方面的经验肯定不会有什么害处，但是这方面没有什么经验也是可以的。

（a） 智能汽车——一辆电动玩具汽车由连着一根“脐带”的单片机控制。当汽车接近关卡时，红外线和/或者传感器帮助汽车采取相应的躲闪行动。另外一种可能就是使用两个安装在汽车下面的光敏器件来让汽车自动沿着地面上的线行动。这个具体由各个项目小组来决定采用哪种“智能”。

（b） 超声波测距系统（盲人之眼）——利用雷达或者声纳的原理，系统使用一个或者两个超声换能器来测量1到10步之间的距离。实现的原理是通过发送40千赫兹的超声波并记录其接收附近的物体的反射的时间来判断。一堵墙的接近会转变成一个响声（离得越近，频率越高），这样向盲人提供引导的信息。这个充满挑战的项目会让你熟悉地使用运算放大器和振荡器电路以及计算机接口。

（c） 家庭安全系统——可以想象，这个系统会接收到各种各样的闯入探测器（磁力弹簧开关、红外线偏振光束、红外传感器等等）、烟雾和一氧化碳探测器的信号，并发出警报或者打一个电话来报告情况。

（d） 电脑和人比赛遥控赛车——电脑通过赛道周围的位置探测器来控制一辆赛车。人可以尝试使用老式的手柄去与电脑比赛。输的一方要支付赢的一方一美元。电脑赢得的所有的钱将捐给位于Key West的老教授之家基金会。

（e） 电脑控制的自动贩卖机——先使用按钮模拟硬币探测器的输出。用发光二极管来模拟分配螺旋管和改变分配螺旋管。如果时间比较充足，可以设计出真正的隐蔽探测器、产品和螺旋管。

（f） 计算机化的心电图采集/显示系统——电脑必须将资料数字化并存储成心电图。系统甚至要通过分析数字波形来读取脉搏和查看可能的身体不适。

（g） 暗处信息棒——七个发光二极管被紧凑地放置在棒子上。当棒子在昏暗的房间中被挥动时，发光二极管随着发出的信息开和关。对于一些想要得到的信息的规则要被定下来。如果时间允许，一些可以周期更新显示信息的自动挥棒系统也可以添加进来。

一个完整的机器人可以向任何方向移动同时还能控制其转动的速度。底座有三个万向轮的机器人将会被应用到这个项目中。万向轮允许机器人自由地转动，并且向想要的方向移动。机器人是卡内基梅隆大学机器人研究所设计的Palm Pilot Robot Kit的一部分。一个单片机用来驱动机器人。可以安装探测器来使机器人表现出想要的动作。

乐器数字接口（MIDI）和音乐合成器已经出现了。这个项目就是希望将它们综合起来。先前的编程经验（任何语言）会对你有所帮助。

你曾经想要过一台能自动跟踪视野中任何移动物体的摄像机吗？（这个在安全相机、鸟类拍摄或者跟踪机场附近的飞机等等有很好的应用前景。）我们已经有一个摄影机, 已内置录像带，倾斜的，并且有缩放控制的。你只需要向其中添加软件来让他识别图像中什么在运动，并告诉相机要看什么。

设计并制作一个在遥控玩具汽车赛道上定时的系统。这个系统能够追踪单个赛道（最多99个），比赛总共的时间以及最快的的赛道。系统可以单独运行或者连接到电脑上。这个项目需要一些器件和电脑编程。

学习怎样使用前置放大器制作一个简单高质量的麦克风。通过制作各种定向麦克风如鸟枪麦克风、抛线式麦克风或一个麦克风阵列来学习声学。学习定向模式来看哪一个更适合侦查（混在我们中间的坏蛋）。

你想知道你电脑的调制解调器是怎么工作的吗？当你拨号进入时，为什么他会发出那些有趣的声音？你将会通过空气（使用声音代替电话线作为一个信道）为调制解调器编程来了解这些声音对电脑来说意味着什么。通过使用Matlab，你可以轻松的编写需要的函数，同时能够找到为什么当别人拿起听筒时，你上网就会出现错误。你将学到调制解调器是怎么工作的，并完成一个音频调制解调器。

他们到底对你的Mp3文件做了什么，致使其他人能区分你从哪里拷贝的？最近在新闻界水印和隐藏已经受到相当多的关注。学一下你是怎么水印一个声音文件，然后它从标记的文件中找到并删除它。探究怎样隐藏和显示一个文件，使别人看到时让图像看上去不一样。以前编程的经验会对你有帮助。

学习人类运动的基本生物力学方面的定理。用两到三个人类运动空间分析技术来最优化人类的行为。

骨折为什么（怎么）会发生？骨折有哪些不同的种类？骨折固定的设备是怎样被设计的？学习这些所有的，并自己设计和创建一个固定骨折处的方法。

你想知道肌肉是怎么工作的吗？为什么（怎么）肌肉的运动缓慢而有节奏？学习这些所有的，然后自己设计，制作并测试一个独立的设备，最后用来测试肌肉的运动。

什么是人工关节植入？为什么要用它们？他们是怎么被设计的？拿一个关节，并设计你自己的人工关节植入技术来治疗受伤。

也许你已经注意到了力（或能量）会是一个物体变形——挤压一个球，反弹一块跳水板，拉伸一个弹簧等等这些。但是当被施压的这些物体被松开以后，有多少的能量会被恢复？这个比率就叫做恢复系数。有关恢复系数的学习方面的问题有：（1）如果比率小于另一个，那么剩余的能量会产生什么作用？（2）如果一个网球从肩膀的高度下落能弹起两英尺高，一个橡胶球也能弹起一样高吗？为什么？（3）通过比较不同质量的乒乓球，高尔夫球和手球的恢复系数，可以得到他们的高度吗？保龄球呢？

有多少材料可以从一个矩形的横梁中去除掉而不改变横梁的强度，5%吗？为什么？什么样的形状可以做出最有强度的横梁，为什么？强度意味着什么？这个项目将让你了解在设计横梁的过程中有哪些决定因素，并会带你一起从不同形状（长条型，箱型等）的横梁的反应的求得一个计算的准则。（代数和基本的对数将会在数学的数据分析中用到。）

桁架，一种由两个受力成员组成的三角形结构，是人类已知的最通用的机械系统。这个项目将会带你去设计，构建，分析，测试轻型的木制架构。我们将会提供工程力学方面的极佳的介绍，来为后续设计课程建立基础。

设计并制作一个能尽可能地将高尔夫球扔的又远又准的投石机。设计出来的产品必须能很方便的放在桌面上。投石机的大小不得超过3英尺。

Python是一门强大的编程语言，而且学起来也很容易。它发展很快，在一些复杂的任务中被选择，有时甚至被作为第一语言来使用。我们鼓励两类学生选择这个项目。第一类是从没有编过程的同学，这个项目很适合你！我们将在最初的几天里针对那些没有或有较少基础的学生进行一些Python编程的课堂实验培训。第二类是你知道Python编程语言，但是你的学校并不提供你学习的条件，那么这将是学习这门语言的绝佳机会，如果你愿意你可以比那些没有基础的学生学的更快。下面的程序都是可以用Python实现的，或者你可以自己拟定一个题目。如果你最终加入了Python编程项目，那么在你学了有一定程度的Python的特性之后，你可以选择一个指定的程序。一旦你们加入到这个项目中，你可以和那些与你水平相当的同学组成一个小组。

策略游戏——编写一个程序来让别人来玩你最喜欢的棋盘游戏，例如四子棋，Boggle，拼字游戏。然后添加一个电脑玩家来与人类玩家对下。也许我们可以让多个电脑玩家一起来战斗。

动作游戏——编写一个向那些经典的游戏如Asteroids、PacMan，Frogger，或者太空侵入者。组成一个网络来让多个玩家可以远程加入进来。

智力测验——编写一个程序来玩一个游戏或解决一个普遍的问题，例如Scrabble，Jumble，Sudoku，或者Cryptoquip。

计算机网络——这个项目需要基本的客户端/服务器架构，并要求编写一个连接机器的程序。编写一个聊天程序或者一个网络游戏，你自己的浏览器，文件传输或者你自己想到的关于网络编程的程序。

搜索引擎——研究一种策略，以使搜索引擎在大量网页中快速搜索到与搜索条目有关的网页。用其中一种策略来实现你的搜索引擎。

文件压缩技术——在通过Internet传输大量的信息时，在发送前要先将文件进行压缩，再在接收端将文件解压，这一点至关重要。这个项目将带你一起探索文件压缩技术，最后要求编写一个包含多种技术的程序。

模拟随机过程——自然界中的许多过程遵循着某种规律，但是看上去又好像受到某种限制而表现出一种随机性。马尔科夫链提供了一个这种机制的迷人的仿真，产生带有某些文学作品风格的随机语句。

拍卖网站——编写一个客户/服务器程序来允许人们来登出一些促销广告，竞价以及方便人们之间进行交易等等。

数据库应用——学习编写一种Java程序来建造和维护一个数据库。要求能包含你的CD收集目录，组织主要的联盟棒球队的资料，管理你的你学校年级现有学生的信息或者你自己收集的一些爱好，或者模拟一个收集喜欢的项目在线信息目录。

拼写检查和提示——很多拼写检查工具都能在你文件中有拼写错误时，提供一些文字提示。但是有时你有一些简单的拼写错误（遗漏或多加一个字母，两个临近的字母位置调换了）而电脑却没有给你指出，这是否让你感到困惑？你可以自己做一个更好的。

写出你自己的程序——设计并编写出一个富有想象力的令人激动的电脑应用程序，让你的朋友大吃一惊。你可以选择其中一个，或者用你自己想到的方案。

那些表面光滑圆柱形家伙总是在水里面悄悄地行动。潜艇操作的基本原则是什么？潜艇的沉浮箱应该多大？怎么防止潜艇翻转？我们能预测潜艇上升和下沉的速度吗？设计时哪些因素会影响到潜艇的最大下潜深度？

太阳能可以被用来给家里加热和制冷。尤其是第三世界国家，可以很好地得益于廉价的太阳灶。我们希望能在阳光充足的情况下将一夸脱的冷水在30分钟内煮沸。这个系统应该简单，结实，便于携带而且价格低廉。

喷气式飞机要在足够高的能溶解金属的温度下建造。那它们怎么避免融化呢？利用一个风洞，一个对温度敏感的涂层和一部数字相机来检测飞机中的传热。

你能设计一个方法来让我们观察到随着月亮位置的改变而产生的重力的变化吗？在岸上，你可以看到潮汐，但是我们怎么在印第安纳州的Terre Haute观察到重力的变化呢？

设计，建造然后测试一个小型的水翼船。它的最大尺寸应该不超过24英寸。在操作过程中，你的作品应该能够控制（启动，停止，转弯），而且要有一个能运输1/4英寸物体的平台。它只能使用一个小型的电动机。并且在螺旋桨周围要有一个安全保护措施。

1.1. 铁轨勇者

设计一个铁轨奔跑着要能够打败放在C-115房间外面轨道上的那个Willy Coyote。这个设备要能够爬上楼梯铁轨，在横向轨道的顶部行动（run around the horizontal rail at the top），冲下来也不会撞毁。如果有不止一个组参与这个项目，那么我们可能会举办一个计时的比赛，获胜队伍每人会得到一个油炸方圈。

利用我们三个风洞中的一个来测量不同的物体的升力和阻力，包括飞机，滑翔翼，宇宙飞船，汽车，运动球等等。

你可以简单地朝着墙或一张可弯曲的网扔出一个球，然后自己接住。但是如果你想要接住一个飞盘，那你可能就要一个助手或者你要花费很多的时间来追着飞盘跑。这个项目的目的就是设计一个飞盘发射器。这个设备应该能始终地将飞盘朝着某个方向扔出一定距离（15m）。一个可选的特性是有一个设备能够接住飞盘并把飞盘传递回来。

机器已经发展到可以将由CAD制作的3-D模型用塑料制作出来。这个项目的目标就是要探究在Rose-Hulman里的快速制作模型的能力和特性。学生们将学习使用Solid Edge来描述他们的作品。真实作品的一部分将会被限制。

设想出一个自然方面技术的并且在印第安纳州是合法的产品，看你在我们夏令营期间通过卖这个能赚多少钱！（有记录的是每个人94美元。）

1.2. 脉冲能量效应的演示

脉冲载入的设计指南告诉我们，最好的设计就是所有的脉冲同时下降。这是真的吗？制作并测试设备的构件来阻止脉冲的载入。这个项目测试时会需要一些破坏。

1.3. 仪器混合

选择一个包含一个或多个我们已有的测量系统的测量计划，需要的测量的有：压力，温度，空速，力量，空气升力和阻力，流体流速，旋转速度等等。

确定当一个人骑自行车时的阻力是多少。自己制作一个整流罩，并用它来比较笔直地坐着和弯腰骑车的阻力。使用你所选择的自行车。

我们每年都会给夏令营的学生一些机会来与我们学校的大一新生进行比赛。这个春天，他们被要求将一定数量的米运到斜坡上，再只使用两升的水利用势能将米运到接受的储物箱中。你能击败这个设计吗？

在最近的一些文章中，总可以看到一个要“让风力发电厂远离地面”的计划，即将风力发电厂放到空中而不是零乱地放在乡下。这个想法提出，发射一个风筝，然后随着它上升获取它的能量。一旦达到它的最大高度，风筝就可以改变它的形状捕捉少量的风，并使用比它产生的少得多的能量来维持它的情况。系统有两个这样的风筝，一个用来上升，另一个这用来将其拉回。这样的系统可以产生出稳定的电流。