融合智能技术的学生自主创新实验

陈海锋

(广东省佛山市南海区南海实验中学 广东佛山 528200)

未来是一个充满智慧的创新时代，对于学生而言，决定将来发展的关键就是创新力，随着新时代的到来，创新成为社会发展的第一动力，学生自主创新实验是这个时代背景下催生出的全新物理教学途径，传统的学生自主创新实验已经不能满足学生的需求，如何融合智能技术进行学生自主创新实验，培养学生的创新能力，成为当下需要研究的重要课题，在日常教学中，很多教师、学生都认为要进行自主创新实验太难了，现在物理实验都应有尽有，哪里还轮到我们去创新？甚至还有同学说：“好的实验都被前人创新完了，早就没有我们的。”事实上，现在的每一个实验，都有缺陷与不足，针对这种缺陷，可以进行新的创新实验，针对这个，每年都会讲授一些发明技法，如“十二问发明法”：加一加，减一减，扩一扩，缩一缩，变一变，改一改，拼一拼，学一学，代一代，搬一搬，反一反，定一定。通过这些发明技法，让学生知道发明创新并不神秘，是人人可为的，只要用心，处处是创新[1]。

一、传统实验玩出新乐趣——智能马德堡半球实验

在科学史上，为了证明物理原理，出现了很多著名实验，如为证明大气压强的存在，德国马德堡市的市长奥托格里克做了著名的马德堡半球实验，是一个非常有趣的实验。学校大型户外科技表演是每年学校科技节的重头项目，因为具备很强的观赏性，成为学生每年最期待的节目，我们运用了“扩一扩”这种发明技法，用了两个34cm直径的大压力锅进行改装，增大了受力面积，以增大马德堡半球受到大气的压力，这样的科技表演有更震撼的效果，当时我们各邀请23个同学，共46位同学参与拔河比赛，才把这两个马德堡半球拉开，场面非常壮观，看完表演，很多同学涌过来问：为什么，为什么会产生这么大的压力？是谁施加了这个力？这个力到底有多大？到了最后一个问题就不好回答了，第一，这个要计算，第二，计算出来了也不够直观，没有说服力。

我班的黎子森同学对其产生了兴趣，产生了借助传感器显示压力大小的念头。学生自主创新实验活动正是基于学生的生活经验，通过丰富的体验、实践活动帮助学生建构知识的一种有效手段。数字传感器是一种新工具和新技术，可为师生开展自主创新实验锦上添花。我们鼓励他动手验证自己的想法，他给马德堡半球的两边圆环上安装了2个拉力传感器，拉力传感器同时与LED显示屏连接，这样做马德堡半球实验时，两边的同学开始用力拉，用多少力就可以通过显示屏看出来，非常直观，让实验变得更有乐趣。手巧方能心灵，应该让学生在动手中丰富智慧，在实验中体会物理学科的魅力和学习物理的乐趣。

传感器是一门新技术、新工具，在发明创造方面有很大的潜能，可为学生发明创造提供广阔的天地。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。实践方能出真知，教育的过程实质上是一个“实践—理论—实践—理论”循环往复的过程，这与哲学的观点十分契合。动手创作是学生自主创新实验的初级阶段，关注的是学生的直观体验和兴趣激发，关注的是对学生动手操作能力和实事求是科学态度的培养。传感器的使用，对学生而言并不是多么神奇的事，因为他们对新事物有着天然的好奇心，融合智能技术把传感器应用到创新实验中，可谓是学生创新实验的神来之笔。

二、探索出新意——智能土电话

打土电话是小学手工课传统项目，土电话制作方便，用两个竹筒或纸杯、牛皮纸、一根线，封上牛皮纸的竹筒或纸杯一端开口，用棉线穿洞而过相连，线头固定在话筒的牛皮纸或纸杯底中央。两人各拿一个话筒，拉直棉线，就可以通话了，一百米范围内皆有效。一人在话筒开口说，另一人在话筒开口边用耳听，声音就可以通过棉线振动远距离传过来，好玩、易做、有趣、明显这是传统游戏项目可以恒久流传的不变真理。

到了初中，学生要学习声音，就要重做土电话的实验，并知道声音的产生，传播原理，此时学生不满足于这种简单的重复，提出了新的问题。土电话只能这样说话传声，能不能试一试把音乐也传过去呢？能不能融合现在的智能技术，让土电话不再那么“土”，变得高大上呢？学生提出问题，我们也是积极响应，跟学生一起探讨，一起出修改方案。最后学生决定在土电话中加入功放模块和空心杯电机，用手机播放音乐作为声音来源，然后通过数据线把信号传送到功放模块，用充电宝给功放模块供电，以最大限度降低电流声音，功放模块把声音信号转换成电流信号从而带动空心杯电机发生振动，土电话纸杯上棉线的一端绑在空心杯电机的中轴上，这样就可以从纸杯上清晰地听到手机传来的音乐了。但音乐经过这样传输后，有很大的失真，学生们对这个很不满意，经过反复调试，都做不到很好的还原，后来有学生提出她很喜欢这种效果，因为现在土电话传来的声音很像中央电视台《开门大吉》中听音乐猜歌曲的环节，大家一听都乐了，就用这套智能土电话来玩《开门大吉》猜歌游戏，提升了土电话功能性的同时还增加了趣味性，真是误打误撞成就美事。智能创新实验就是要做到好玩、易做、有趣、明显，这样才能吸引更多同学的参与。

智能创新实验创作不仅可以提高学生的观察能力、动手操作能力，还能培养学生的创新意识和批判性思维。学生需要运用多学科知识解决物理问题，由此不断提升独立思考的能力，发现问题和解决问题的能力，同时在合作过程中培养学生良好的协作精神和团队意识。

三、欲与天公试比高——智能水火箭升降系统

水火箭比赛制作是学校“科技节”的一项传统项目，水火箭制作原理与真实火箭相同，其利用了反冲作用力推动火箭发射。水火箭制作简单，操作易行，利用废弃汽水瓶等材料，能够真实实现节能减排的科学环保理念，达到科技创新，变废为宝的活动目的。设计制作一个性能良好的水火箭需要用到数学、物理、飞行力学、空气力学等许多知识，完成这一设计和制作任务需要相当的技巧和较强的动手能力。学生玩过几年后，制作变得很熟练了，也没有什么新意，新的问题就突显了，比如：1.只是简单地把水火箭升上天，到底飞了多高呢？谁的飞得最高？不知道。2.每次水火箭升上天，都是自由落下，由于重力的作用，摔到地上基本就散架了，不能重复使用。3.现在做的都是一级动力的水火箭，能不能做出二级动力，甚至是三级动力的水火箭呢？

学生发现问题后，我马上鼓励他们针对存在问题进行广泛的讨论，提出整改方案，学生的创新能力从哪里来？源于每一次动手实践，源于每一次对物理原理深入思考后的灵光一现。学生的创新创造能力，真的超乎你的想象，最后提出的修改方案是：1.在水火箭内安放无线测高器，跟地面的LED显示屏连接，这样就可以解决飞了多高，谁的水火箭飞得最高的问题。2.在水火箭内安放简易的降落伞，下降时打开降落伞，实现平稳降落。3.尝试对水火箭的结构进行改造，做出二级动力，甚至是三级动力的水火箭。最后还有同学提出，在发射水火箭时，应该用两台无人机实时监控，一台从上面向下拍摄，一台从下面追赶水火箭，并同时进行跟踪拍摄，全程、全方位地拍摄水火箭的飞行状态，并同时投放到大屏幕上。学生在这个过程中的参与热情并没有因为这些困难而减弱，相反更有信心，最终获得了成功。在这个过程中，他们不仅获得了制作智能水火箭的成功，而且学会了协作，懂得了合作力量的巨大，促进了学生团结协作意识的形成。

善于观察、勤于思考是一个学生学习的优秀品质，思考过程中学生往往会有意想不到的发现或产生新问题，而学生综合素养的提高正是源于解决每一个疑难问题。经历头脑风暴的过程，学生能思出深度，才能不断逼近事物的本质。学生只有经历了“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”之后，才能享受到“蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处”带来的惊喜。值得指出的是：思想改变是学生自主创新实验的较高阶段，它是在经历体验—模仿—改进之后的新阶段，是成蝶之前的破茧[2]。

四、总结与思考

物理学科的魅力在于实验，学生的智慧成长根源于学生自主的体验与感悟。融合智能技术开展学生自主创新实验是实现学生全面发展的有效途径，对民族、国家的进步都有重大意义。在实施过程中，需要教师有心存大爱的教育情怀，以仁爱之心呵护学生的点滴进步；需要教师拥有睿智的眼光，不断发现学生每一个闪耀的创意火花，以更审慎的态度呵护创意之火；更需要教师有坚持不懈的信念和为国家发展培育人才的崇高使命感和责任感。