人工智能在中学物理实验教学中的应用探究

吴燕 周颖华 秦松

摘   要：随着人工智能的迅速发展，编程教育越来越受到各界人士的重视，未来编程教育也将进一步融入中小学课堂中。文章着重探究人工智能在中学物理实验中的应用：结合Arduino开源平台和软件编程，利用PWM制作智能调光灯，通过测量LED灯的电压和电流值验证“欧姆定律”。文章通过直观的实验现象让学生更加近距离地感受并理解物理知识，提高学生学习物理的积极性，融入新颖的编程知识能够激发学生对新事物的求知欲，同时培养学生对科技的兴趣。

关键词：人工智能;编程;Arduino开源平台;PWM智能调光灯;欧姆定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0070-3

1    引  言

随着信息时代的爆炸式发展，新一轮的科技革命正在迅猛崛起，人工智能是未来发展的必然趋势，人工智能编程教育也越来越受到全世界各行业人员的重视[1-2]。物理在中学阶段扮演着非常重要的角色，在高考中的地位举足轻重。而传统的物理教学方式以教师为主，学生为辅，課堂上学生只是被动地接收枯燥无味的知识，学习兴趣不高。在人工智能的新时代，若将新颖的编程知识融入到物理课堂中，会不会碰撞出不一样的火花呢？

本文将如今最火的Arduino编程融入中学物理课堂。Arduino电路板与电脑客户端通过下载线完成通信，用电脑客户端的编程软件来控制Arduino硬件电路板，并执行相关操作。我们利用PWM将电位器的阻值变化的模拟信号电平进行数字编码，并输出数字电压值。此外，将Arduino电路板的 PWM接口外接LED灯。最终我们将看到：电位器不同的阻值变化会产生不同的PWM信号，通过控制PWM信号的占空比使得LED灯电压、电流和亮度产生相应的变化。此实验使学生能够更加直观地感受物理现象，以现代化新颖的编程方式获得精准的测试数据，自主总结物理规律。本实验设计思路新颖且通俗易懂，Arduino系统成本较低，为人工智能应用到中学物理教学中开拓了新的思路。

2    实验基本原理介绍

2.1    脉冲宽度调制原理

脉冲宽度调制 （Pulse Width Modulation， PWM）是一种利用微处理器的数字输出对模拟信号电平进行数字编码的方法。因为计算机只能输出0 V或5 V的数字电压值，所以这里利用方波的占空比（指的是高电平的时间占整个周期的比例）编码模拟信号[3]。电压或电流源是以一种要么导通（ON）、要么断开（OFF）的周期性的脉冲序列加载到负载上。导通时，直流供电加载到负载上，电压最大;断开时，供电被断开，电压为零。输出的电压值是通过导通和断开的时间计算的。

2.2    Arduino开源电子平台简介

Arduino是一种简易的智能硬件电子平台，包括Arduino电路板和Arduino IDE编程软件[4]两部分。学生使用时只需在Arduino IDE中编写程序代码，并上传至Arduino电路板中，电路板便执行操作，从而实现设定的功能。本实验中我们用到的是一种高性能、低电压的基于ATmega328单片机的Arduino电路板。它的最大工作电压为5 V，总共有32个管脚接口可连接外围电路，这里我们将使用到：（1）模拟输入接口A0，连接电位器;（2）PWM数字输入/输出接口D9，连接LED灯;（3）液晶显示屏接口，连接液晶显示屏。另外，电路板的工作电压由电脑提供，如图2所示。

2.3    PWM智能调光灯验证欧姆定律

由电脑、下载线、Arduino电路板、电位器（R2，接模拟输入口A0）、LED灯（R1，接PWM数字输出口D9）、电流表、电压表、液晶显示屏等组成简易电路，原理图如图2所示。

电脑通过下载线与Arduino电路板相连，并为电路板提供5 V直流电源，电位器R2接模拟输入接口A0，旋转电位器产生变化模拟信号，利用Arduino电路板的PWM对该模拟信号编码成数字信号并输出至PWM数字输出接口D9。LED灯R1一端连接D9，另一端串联电流表并接地，电压表与LED灯并联。另外，液晶显示屏连接Arduino电路板的液晶接口，通过编程可输出数字电压。根据欧姆定律[5]：在同一电路中，通过某段导体的电流和这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。

I1= （2）

在不超过LED灯的额定电压时，由于LED灯R1阻值保持不变，当电压U 越小时，电流I1就越小，而LED灯的亮度则由实际消耗的功率决定：P1= =I  R ，因此LED亮度越暗;反之，当电压U 越大时，电流I1越大，LED灯越亮。因此，只要旋转电位器R2，就能改变LED灯R 的电压和电流，使LED灯的亮度发生变化。

3    实验过程

实物电路连接图如图3所示。我们用电脑、连接线、Arduino的硬件电路板、电位器、LED灯、液晶显示屏、数字万用表和程序控制软件编写程序来实现实验目的。

这里我们用到的控制软件是Mixly，是一款由北京师范大学米思琪团队开发的专门用于中小学编程的实用性图形化编程工具。本实验步骤如下：（1） 初始化液晶显示屏;（2）读取A0口的电压值并在液晶显示器中第一行显示;（3）将A0口的电压值赋给PWM输出口D9。最后，LED灯根据接收到的PWM信号进行亮度调控，同时电压值和电流值改变。

我们将编译成功的程序通过连接线下载至Arduino电路板中，旋转电位器可清晰地看到LED灯亮度的变化。此外，液晶显示屏上实时显示Arduino电路板采集到的数字电压值的变化，外接的UNI-T数字电压表和电流表实时测量LED灯的真实电压和电流值。

4    实验结果

为了利用PWM智能调光灯验证欧姆定律，本次实验分别测试了两组不同类型的数据：

（1）液晶显示屏显示的“Arduino数字电压表采集电压值”与“UNI-T数字电压表实际测量电压值”的对比，验证Arduino数字电压表的可靠性;（2）液晶显示屏显示的“Arduino数字电压表采集电压值”与“UNI-T数字电流表实际测量电流值”的对比，验证欧姆定律。

4.1    Arduino数字万用表的可靠性验证

旋转电位器时共记录了9组不同的分别由液晶显示屏显示的“Arduino数字电压表采集电压值”和“UNI-T数字电压表实际测量电压值”，如图4所示。

图4列举了测试获得的9组电压数据，由于Arduino硬件电路板的工作电压最大为5 V，因此Arduino采集的和UNI-T测量得到的电压值均分布在0 V～5 V之间。分析数据结果可知，基于Arduino电路板的数字电压表采集并输出的电压值与UNI-T数字电压表测试的电压值基本一致，误差率不超过±2%，证明了Arduino數字电压表的可靠性。

4.2    PWM智能调光灯验证欧姆定律

同时，我们也分别记录了9组由液晶显示屏显示的“Arduino数字电压表采集电压值”和

“UNI-T数字电流表实际测量的通过LED灯的电流值”，如表1所示，且根据电压和电流的关系绘制对应的U-I图，如图5所示。

综合实验现象和实验数据可得以下结论：（1）通过LED灯的电流随电压的增大而增大，随电压的减小而减小;（2）当通过LED灯的电流越大时，灯越亮，反之越暗;（3）当LED灯阻值保持不变时，导体中的电压与导体两端的电流成正比，比值即为LED灯的电阻，约606.13 Ω，符合欧姆定律。

4.3    实验结论

本实验将新颖的人工智能Arduino编程应用在中学物理实验教学中，利用PWM智能调光灯精准地验证了欧姆定律，在达到实验目的的同时，也将编程教育融入了中学物理课堂中，使学生在学习知识的同时，更加直观地感受物理现象。通过PWM智能调光灯模拟LED灯工作情况，激发学生对新事物的求知欲;通过了解编程相关的知识，使学生的逻辑思维能力得到启发。

参考文献：

[1]郑红波.“人工智能+教育”下中小学生学习编程的重要性[J].实验教学与仪器，2018（S1）：50-51.

[2]居晓波.人工智能生态下开展编程创新教育的研究与实践[J].中小学信息技术教育，2018（Z1）：67-69.

[3]鲁刚强.基于单片机PWM信号控制LED的软件实现方法[J].电子世界，2012（9）：46-47.

[4]付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程，2015，36（10）：76-79.

[5]彭前程.义务教育教科书物理九年级上册[M].北京：人民教育出版社，2013：68-70.

（栏目编辑    张正严）