生成式人工智能和Ａｒｄｕｉｎｏ在物理實驗中的應用

宋定飛　謝姣娣

摘? ?要：生成式人工智能正在帶來巨大的生產力變革，已具備向教育行業應用的潛力。以聲速的測量為例，利用生成式人工智能服務和Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發平臺，設計并實施物理實驗教學，獲得了較為精確的實驗結果。借助這種方式，不僅能使學生更好地掌握相關物理知識，更深刻地體驗人工智能等前沿技術，也能使教師充分利用并發揮人工智能產品及服務在協同教學、個性化教學中的作用。

關鍵詞：人工智能；Ａｒｄｕｉｎｏ；物理實驗；聲速測量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）11-0064-4

作為人工智能的一個分支，生成式人工智能（ＡＩＧＣ）是指基于人工智能算法、模型和規則生成文本、代碼、圖片、聲音、視頻等內容的技術［１］。近年來，隨著Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ 架構在自然語言處理（ＮＬＰ）領域的重大突破，大規模訓練成為可能。生成式人工智能迎來新時代，已經涌現出強大的學習能力，正以雷霆之勢改變著越來越多行業的理念和邏輯。

教育被認為是人工智能落地最好的應用場景之一。在教育改革持續深化的背景下，打破傳統學科的壁壘和界限，實現跨學科融合成為趨勢［２］。《義務教育物理課程標準（2022年版）》中提到：“從多學科角度觀察、思考和分析問題，挖掘、選取有教育意義的素材，將其改造成跨學科實踐的問題或任務。”［３］因此，跨學科融合開展物理教學勢在必行，這既可以激發學生的好奇心和學習興趣，也可以在前沿技術的賦能下提高教學效率和質量。采用現代化教學手段，能有效促進物理概念的建構和知識的深入理解［４］。這里，嘗試以聲速的測量為例，利用生成式人工智能服務和Ａｒｄｕｉｎｏ等電子硬件，開展物理實驗設計、操作等教學工作，向學生科普生成式人工智能和電子開發平臺等科技知識，鍛煉其動手實踐能力和跨學科思維能力。

１? ? 生成式人工智能服務和Ａｒｄｕｉｎｏ的簡要介紹

１．１? ? 生成式人工智能服務

當前，主流的生成式人工智能服務有ＣｈａｔＧＰＴ、文心一言、通義千問等。ＣｈａｔＧＰＴ是ＯｐｅｎＡＩ公司于２０２２年１１月發布的利用大語言模型訓練的通用對話系統，它以聊天的方式進行交互，自然語言處理能力突出，可用于問答、文本摘要生成、機器翻譯、代碼生成等。２０２３年，ＯｐｅｎＡＩ發布了最新的ＧＰＴ－４生成式人工智能模型，具備文本、視頻、圖像等多類型輸出能力。在各類專業測試中，其輸出內容的質量已經接近或超出人類現有水平。文心一言是百度公司于２０２３年３月發布的全新一代知識增強大語言模型，能夠通過自然語言與人類對話互動，具備寫作、推理、生圖等多模態輸出能力。從已披露的信息看，文心一言能較好地理解人類意圖，其輸出內容也具備較強的準確性、邏輯性和流暢性。通義千問是阿里巴巴開發的通用大語言模型，具備多輪對話功能，支持多種語言，可用于文學創作、數理推理等，也可根據各行業需要生成專有的模型，解決其現實問題。這里，使用生成式人工智能服務ＣｈａｔＧＰＴ的國內第三方接口進行實驗設計。

１．２? ? Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發平臺簡介

Ａｒｄｕｉｎｏ是全球最流行的開源電子開發平臺之一。其硬件電路板和軟件ＩＤＥ歷經多次升級，是設計智能控制硬件的首選工具。Ａｒｄｕｉｎｏ配有一組數字和模擬Ｉ／Ｏ引腳，可簡單地與傳感器及各式各樣的電子組件連接，進而實現特定功能的擴展［４］。因此，Ａｒｄｕｉｎｏ可顯著降低物理實驗的門檻，其測量精度也能達到足夠高的水平，在豐富物理教學資源的同時，也能讓學生親身體驗前沿科學技術［５］。這里，使用一塊Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ電路板和一塊超聲波傳感器擴展板進行實驗設計。

２? ? 實驗原理及設計

２．１? ? 實驗原理

顧名思義，聲速是指聲音在介質中的傳播速度。通過物理實驗測量聲速，具有顯著的現實意義，也需要具備較強的綜合能力。在實驗開始前，教師要引導學生對相關知識進行必要的回顧，對將要用到的軟硬件平臺做必要的鋪墊，使學生能更好地理解實驗原理。

實驗中，超聲波傳感器在Ａｒｄｕｉｎｏ電路的控制下，向外發送超聲波，電路同時啟動計時器。超聲波與障礙物接觸后反射回來，被超聲波傳感器接收，計時器停止。刻度尺顯示，超聲波傳感器與障礙物相距ｓ，計時器從開始到停止的時間為ｔ，則超聲波以空氣為介質的傳播速度ｖ＝２ｓ／ｔ。Ａｒｄｕｉｎｏ的控制程序代碼，由ＣｈａｔＧＰＴ生成。具體原理如圖１所示。

２．２? ? 實驗設計

滬科版第三章第一節“科學探究：聲音的產生與傳播”介紹了聲速大小，教師常采用熟記的方法引導學生記憶，不利于學生的認知過程。借助多媒體軟件進行聲速的測量，發揮人機的交互性功能，將增強實驗現象的可視化和實驗數據釆集的實時化［６］。與傳統的聲速測量方法不同，實驗設計基于生成式人工智能服務、Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發平臺及相關拓展板。具體步驟設計如下：

（1）引導學生用文字詳細描述實驗原理，描述中應該包括一些設定的實驗條件，比如超聲波發生器和障礙物的距離，以及希望Ａｒｄｕｉｎｏ電路實現什么功能。

（2）在生成式人工智能平臺中輸入上述文字，平臺會給出具體的操作步驟和程序代碼，教師引導學生檢查實驗步驟和程序代碼，并做必要的修正。

（3）準備計算機、Ａｒｄｕｉｎｏ電路板、超聲波傳感器、障礙物、刻度尺等實驗器具，按照程序代碼的指示連接線路。

（4）在Ａｒｄｕｉｎｏ編程環境中輸入上述程序代碼，編譯上傳。

（5）收集Ａｒｄｕｉｎｏ電路輸出的數據，統計并繪制圖表，得到實驗結果。

在具體實踐中，可以多次改變超聲波傳感器和障礙物的距離，重復上述步驟，觀察實驗結果的變化。

３? ? 實驗操作流程

３．１? ? 編寫提示語

提示語是人類與生成式人工智能服務交流用的語言。提示語要具體且有針對性，能清楚地概述對話的目標和期望，以獲得高質量的輸出和回復。

在實驗中，通過提示語將實驗原理和條件告訴生成式人工智能平臺，希望其生成實驗步驟與相關代碼。典型的提示語如下：“利用Aｒｄｕｉｎｏ和超聲波傳感器測量聲音在空氣中的傳播速度，假定障礙物和傳感器相距２０厘米，超聲波傳感器發射聲波的同時開始計算時間，接觸障礙物后立即返回，超聲波傳感器接收到反射波時停止計算時間。根據上述距離和時間計算聲音傳播速度。請給出連接方式和示例程序。” 存在提示語差異是正常現象，教師可引導學生在實驗中留意觀察，不同的提示語是否以及如何改變實驗結果。

３．２? ? 與生成式人工智能互動

將前述提示語輸入到ＣｈａｔＧＰＴ生成式人工智能的對話界面中，得到的回復的部分截圖如圖２所示。

生成式人工智能輸出的示例程序摘錄要點如圖３所示。

需要注意的是，生成式人工智能服務輸出的程序代碼存在一些錯誤。示例程序中，測量的聲速數值已出現在程序中，并被用來計算聲波的傳播距離。按照實驗設定，此距離本應該是已知條件。因此，教師應向學生說明人工智能并不完美，并逐個檢查學生得到的程序代碼，引導其做必要的修改。

３．３? ? 硬件連接

在此步驟中，教師應指導學生準備計算機、Ａｒｄｕｉｎｏ電路板、超聲波傳感器、障礙物、刻度尺等實驗器具，并按照程序代碼的指示連接線路，實物圖如圖４所示。其中，障礙物處于超聲波傳感器的正前方，且直線距離與前述步驟中描述的一致。

在進行下一步實驗前，教師引導學生進行開放式思考。例如，讓學生思考，如果改變環境溫度，或者超聲波傳感器與障礙物之間的介質，會對實驗結果有怎樣的影響。結合具體實驗操作，學生將更全面地理解影響聲音傳播速度的各種因素。

３．４? ? Ａｒｄｕｉｎｏ編程

將修改后的程序代碼粘貼到Ａｒｄｕｉｎｏ 編程環境，再次調試無誤后編譯并上傳至Ａｒｄｕｉｎｏ電路板中。可以看到，Ａｒｄｕｉｎｏ能持續輸出運行結果，如圖５所示。部分學生因硬件連接或軟件程序等原因，無法獲得預期結果，教師應引導學生逐步排查，克服困難并調試成功。

３．５? ? 收集整理數據

成功獲得輸出結果的學生，收集２０組輸出數據，繪制成散點圖。圖６為其中一個范例，數據點均值為３３９．８５米／秒，標準差為０．６６米／秒。即超聲波在室溫（約２１攝氏度）、空氣介質中的傳播速度約為３３９．８５米／秒。實驗完成后，教師除要求學生提交實驗報告外，還可要求其通過回顧實驗全流程深刻思考和總結，充分體會科學探究過程的樂趣。

４? ? 結束語

將生成式人工智能技術、Ａｒｄｕｉｎｏ可編程電子開發平臺與物理實驗相結合，測量了超聲波在空氣中的傳播速度。不僅獲得了較為精確的實驗結果，也展現了一種全新的物理實驗設計和實施方式。結果表明，依賴科學技術的賦能，物理實驗教學可以更生動、更高效。在這個過程中，學生不僅能更好地掌握相關物理知識，也能更深刻地體驗前沿技術。需要注意的是，盡管生成式人工智能技術有了長足進步，但其輸出結果仍然存在一定的瑕疵。另外，人工智能缺乏人類的想象力和創造力，無法突破現有的知識框架，也無法像人類一樣，在教學過程中傳遞價值觀和道德觀。因此，教師應該充分發揮主觀能動性。在具體操作上，應利用專業知識去識別并彌補這些瑕疵。在思想認識上，應重視并關注人工智能技術的發展，努力探索其在協同教學、個性化教學等方面的積極作用。

參考文獻：

［１］中國信息通信研究院，京東探索研究院． 人工智能生成內容（ＡＩＧＣ）白皮書［Ｒ／ＯＬ］．［２０２２－０９］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｉｃｔ．ａｃ．ｃｎ／ｋｘｙｊ／ｑｗｆｂ／ｂｐｓ／２０２２０９／ｔ２０２２０９０２＿４０８４２０．ｈｔｍ．

［２］任雪梅． 跨學科融合開展中學物理實驗教學［Ｊ］．新智慧，２０２２（８）：９-１１．

［３］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學出版社， ２０２２．

［４］謝曉琳，周少娜．例談Ｍｏｄｅｌｌｕｓ軟件在物理教學中的應用——以機械振動和機械波主題為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２３，４１（5）：６６－７0．

［５］趙瀾斌．Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺在高中物理實驗教學中的應用［Ｊ］．物理通報，２０２２（４）：８－11．

［６］滕帆帆，牛慧君，王群，等．基于 Ａｒｄｕｉｎｏ的光敏電阻實驗改進及其應用探究［Ｊ］．物理通報，２０２１（７）：１０７－１10．

（欄目編輯? ? 賈偉堯）

收稿日期：2023-08-30

基金項目：２０２２年泉州市基礎教育教學改革專項課題“跨學科的項目化學習活動的實踐研究”（ＱＪＹＫＴ２０２２－５４）；２０２３年福建省電化教育館教育信息技術研究課題“信息技術環境下高中物理實驗教學的研究”（ＫＴ２３０４５）。

作者簡介：宋定飛（１９７３-），男，中學高級教師，主要從事初中物理教學及研究工作。