STEM外展：合作伙伴关系使学生能够控制机器人潜水器
编者按：这是Ideation杂志关于威廉玛丽学院各种STEM推广计划的系列故事之一，这些计划走出校园，增加对科学、技术、工程和数学等STEM学科的理解和欣赏。完整的系列报道请点击这里。
弗吉尼亚海洋科学研究所和历史悠久的约克镇的水兵博物馆合作，为当地三所学校的学生提供了一个深入了解殖民历史的机会。
这个由国家科学基金会资助的stem推广项目，允许学生驾驶无人潜艇，试图监测康沃利斯勋爵在1781年约克镇战役（美国独立战争的最后一场主要战役）中击毁的船只的保护状况。
领导这个项目的是VIMS自主系统佳博体育的负责人Mark Patterson和水兵博物馆馆长David Niebuhr。这些学生分别来自纽波特纽斯的Point Option高中、威廉斯堡蒙特梭利中学和格洛斯特的皮斯利中学。作为VIMS GK-12合作伙伴关系的一部分，VIMS研究生Jennifer Elliott也将参与其中。
该项目利用了最近在约克河发现的两艘来自约克镇战役和围攻的新沉船。之前的考古工作已经发现了其他九艘沉船的存在，包括HMS Betsy，它是20世纪70年代和80年代深入研究的目标。这些残骸被列在弗吉尼亚地标登记和国家史迹登记上。
帕特森说，这项计划让中学生和高中生学习研究生水平的野外机器人技术，同时还会“偷偷地”学习考古学、历史、数学和海洋科学。这些体验将科学学习与实践培训以及两种潜艇的实际操作结合在一起，一种是通过脐带电缆与控制装置连接的远程操作潜艇，另一种是自由游泳的潜艇，即“自主”潜艇。
学生们执行任务
自2012年初以来，学生们一直在约克镇的一个码头上执行沉船任务。帕特森说，“真正科学”的经验教训包括螺旋桨被称为水怪的海洋生物污染，以及两个道具被碎片（可能来自沉船本身）剪掉的例子。
帕特森说：“孩子们正在学习许多有趣的技能，包括导航和模块化算法，他们需要这些技能来帮助收集有关沉船现场洋流的宝贵数据。”这两艘纽约河沉船是由开创性的海洋考古学家约翰·布罗德沃特（John broadwater）在为弗吉尼亚州历史资源部进行的一次调查中发现的。帕特森还在他的佳博体育开发的自主水下航行器Fetch I的一次任务中独立发现了其中一艘沉船。两位探险家都使用格洛斯特海洋声波技术公司制造的侧扫声纳装置进行了发现。这些声纳单元可以从船上操作，或者部署在诸如Fetch之类的机器人潜艇上。
研究人员认为，康沃利斯船只的残骸是在最近的热带风暴中被强大的洋流揭开的。他们担心它们暴露在海湾地面上可能会导致它们迅速退化。通过绘制沉船的轮廓图，学生将帮助维修人员监测沉船的状况，并在必要时采取预防措施。
帕特森说：“让学生在具有国家意义的海洋考古地点使用先进的机器人技术是第一次。”“把这些工具交到学生手中，让他们监测开始侵蚀沉积物的沉船，这是让他们对科学感兴趣的好方法。”
“这些孩子是第一批探索这些沉船的人，作为他们科学课的一部分，”1999年在VIMS获得博士学位的尼布尔补充说。“他们被介绍给真正的问题——这不是假装，这是真实的。在大多数学校课程中，你很少能做到这一点。”
将海洋科学与历史相结合
有很多东西要学，所以经验被分成几课，每课建立在最后一课的基础上。
“在第一次旅行中，”尼布尔说，“我们谈论了船只，以及它们是如何在18世纪建造的。我们还通过对水流和浑浊度进行简单的实验来了解约克河的生态系统。这有助于学生们了解约克是一个具有挑战性的实地考察地点，如果他们碰巧从底部激起一堆粘液，他们将遇到声纳和视频图像的困难。”
在第二节课中，Patterson和Elliott向学生们介绍了机器人——VIMS自主系统佳博体育的两台fetch级auv和一台从海洋声波技术借来的VideoRay ROV（远程操作车辆）。
“‘fetch’级潜艇配备了一套高科技传感器，”帕特森说。“学生们将学习侧扫声纳、高清视频，以及测量水温、盐度、叶绿素、浊度、溶解氧和ph值的传感器。”
最后，学生们将他们的知识付诸行动，在水工码头附近的指挥站部署了VideoRay和其中一个Fetch auv。学生们将继续对沉船进行重新调查，并使用侧扫声纳记录它们的状况，如果能见度允许，还会使用高清视频。
数据分析
“学生们放飞技术，分析数据，”帕特森说。“除了在真实的考古遗址工作的兴奋之外，学生们还将有机会了解海洋环境，自主水下航行器，以及与低能见度水下研究相关的许多创造性问题解决机会。”
水兵博物馆成立于1981年，是为了纪念约克镇战役200周年。它的目标是承认切萨皮克湾商业渔民和其他航海工人的遗产。博物馆提供大量的动手教育活动，包括一个造船项目，在这个项目中，当地的学生使用传统技术建造历史上精确的船只。康沃利斯项目是博物馆与VIMS的第一次合作。
对于Patterson来说，这个项目是一系列涉及海洋机器人学生的外展活动中最新的一个，这些活动包括VIMS的海洋科学日、国际机器船比赛、SeaCAMEL项目和JASON XI远征。2010年，他获得了弗吉尼亚州高等教育委员会颁发的“科技教学”奖，以表彰他“在使用创新教育/教学技术方面取得的卓越成就”。
