生成式人工智能和Ａｒｄｕｉｎｏ在物理实验中的应用

宋定飞　谢姣娣

摘   要：生成式人工智能正在带来巨大的生产力变革，已具备向教育行业应用的潜力。以声速的测量为例，利用生成式人工智能服务和Ａｒｄｕｉｎｏ电子开发平台，设计并实施物理实验教学，获得了较为精确的实验结果。借助这种方式，不仅能使学生更好地掌握相关物理知识，更深刻地体验人工智能等前沿技术，也能使教师充分利用并发挥人工智能产品及服务在协同教学、个性化教学中的作用。

关键词：人工智能；Ａｒｄｕｉｎｏ；物理实验；声速测量

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）11-0064-4

作为人工智能的一个分支，生成式人工智能（ＡＩＧＣ）是指基于人工智能算法、模型和规则生成文本、代码、图片、声音、视频等内容的技术［１］。近年来，随着Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ 架构在自然语言处理（ＮＬＰ）领域的重大突破，大规模训练成为可能。生成式人工智能迎来新时代，已经涌现出强大的学习能力，正以雷霆之势改变着越来越多行业的理念和逻辑。

教育被认为是人工智能落地最好的应用场景之一。在教育改革持续深化的背景下，打破传统学科的壁垒和界限，实现跨学科融合成为趋势［２］。《义务教育物理课程标准（2022年版）》中提到：“从多学科角度观察、思考和分析问题，挖掘、选取有教育意义的素材，将其改造成跨学科实践的问题或任务。”［３］因此，跨学科融合开展物理教学势在必行，这既可以激发学生的好奇心和学习兴趣，也可以在前沿技术的赋能下提高教学效率和质量。采用现代化教学手段，能有效促进物理概念的建构和知识的深入理解［４］。这里，尝试以声速的测量为例，利用生成式人工智能服务和Ａｒｄｕｉｎｏ等电子硬件，开展物理实验设计、操作等教学工作，向学生科普生成式人工智能和电子开发平台等科技知识，锻炼其动手实践能力和跨学科思维能力。

１    生成式人工智能服务和Ａｒｄｕｉｎｏ的简要介绍

１．１    生成式人工智能服务

当前，主流的生成式人工智能服务有ＣｈａｔＧＰＴ、文心一言、通义千问等。ＣｈａｔＧＰＴ是ＯｐｅｎＡＩ公司于２０２２年１１月发布的利用大语言模型训练的通用对话系统，它以聊天的方式进行交互，自然语言处理能力突出，可用于问答、文本摘要生成、机器翻译、代码生成等。２０２３年，ＯｐｅｎＡＩ发布了最新的ＧＰＴ－４生成式人工智能模型，具备文本、视频、图像等多类型输出能力。在各类专业测试中，其输出内容的质量已经接近或超出人类现有水平。文心一言是百度公司于２０２３年３月发布的全新一代知识增强大语言模型，能够通过自然语言与人类对话互动，具备写作、推理、生图等多模态输出能力。从已披露的信息看，文心一言能较好地理解人类意图，其输出内容也具备较强的准确性、逻辑性和流畅性。通义千问是阿里巴巴开发的通用大语言模型，具备多轮对话功能，支持多种语言，可用于文学创作、数理推理等，也可根据各行业需要生成专有的模型，解决其现实问题。这里，使用生成式人工智能服务ＣｈａｔＧＰＴ的国内第三方接口进行实验设计。

１．２    Ａｒｄｕｉｎｏ电子开发平台简介

Ａｒｄｕｉｎｏ是全球最流行的开源电子开发平台之一。其硬件电路板和软件ＩＤＥ历经多次升级，是设计智能控制硬件的首选工具。Ａｒｄｕｉｎｏ配有一组数字和模拟Ｉ／Ｏ引脚，可简单地与传感器及各式各样的电子组件连接，进而实现特定功能的扩展［４］。因此，Ａｒｄｕｉｎｏ可显著降低物理实验的门槛，其测量精度也能达到足够高的水平，在丰富物理教学资源的同时，也能让学生亲身体验前沿科学技术［５］。这里，使用一块Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ电路板和一块超声波传感器扩展板进行实验设计。

２    实验原理及设计

２．１    实验原理

顾名思义，声速是指声音在介质中的传播速度。通过物理实验测量声速，具有显著的现实意义，也需要具备较强的综合能力。在实验开始前，教师要引导学生对相关知识进行必要的回顾，对将要用到的软硬件平台做必要的铺垫，使学生能更好地理解实验原理。

实验中，超声波传感器在Ａｒｄｕｉｎｏ电路的控制下，向外发送超声波，电路同时启动计时器。超声波与障碍物接触后反射回来，被超声波传感器接收，计时器停止。刻度尺显示，超声波传感器与障碍物相距ｓ，计时器从开始到停止的时间为ｔ，则超声波以空气为介质的传播速度ｖ＝２ｓ／ｔ。Ａｒｄｕｉｎｏ的控制程序代码，由ＣｈａｔＧＰＴ生成。具体原理如图１所示。

２．２    实验设计

沪科版第三章第一节“科学探究：声音的产生与传播”介绍了声速大小，教师常采用熟记的方法引导学生记忆，不利于学生的认知过程。借助多媒体软件进行声速的测量，发挥人机的交互性功能，将增强实验现象的可视化和实验数据釆集的实时化［６］。与传统的声速测量方法不同，实验设计基于生成式人工智能服务、Ａｒｄｕｉｎｏ电子开发平台及相关拓展板。具体步骤设计如下：

（1）引导学生用文字详细描述实验原理，描述中应该包括一些设定的实验条件，比如超声波发生器和障碍物的距离，以及希望Ａｒｄｕｉｎｏ电路实现什么功能。

（2）在生成式人工智能平台中输入上述文字，平台会给出具体的操作步骤和程序代码，教师引导学生检查实验步骤和程序代码，并做必要的修正。

（3）准备计算机、Ａｒｄｕｉｎｏ电路板、超声波传感器、障碍物、刻度尺等实验器具，按照程序代码的指示连接线路。

（4）在Ａｒｄｕｉｎｏ编程环境中输入上述程序代码，编译上传。

（5）收集Ａｒｄｕｉｎｏ电路输出的數据，统计并绘制图表，得到实验结果。

在具体实践中，可以多次改变超声波传感器和障碍物的距离，重复上述步骤，观察实验结果的变化。

３    实验操作流程

３．１    编写提示语

提示语是人类与生成式人工智能服务交流用的语言。提示语要具体且有针对性，能清楚地概述对话的目标和期望，以获得高质量的输出和回复。

在实验中，通过提示语将实验原理和条件告诉生成式人工智能平台，希望其生成实验步骤与相关代码。典型的提示语如下：“利用Aｒｄｕｉｎｏ和超声波传感器测量声音在空气中的传播速度，假定障碍物和传感器相距２０厘米，超声波传感器发射声波的同时开始计算时间，接触障碍物后立即返回，超声波传感器接收到反射波时停止计算时间。根据上述距离和时间计算声音传播速度。请给出连接方式和示例程序。” 存在提示语差异是正常现象，教师可引导学生在实验中留意观察，不同的提示语是否以及如何改变实验结果。

３．２    与生成式人工智能互动

将前述提示语输入到ＣｈａｔＧＰＴ生成式人工智能的对话界面中，得到的回复的部分截图如图２所示。

生成式人工智能输出的示例程序摘录要点如图３所示。

需要注意的是，生成式人工智能服务输出的程序代码存在一些错误。示例程序中，测量的声速数值已出现在程序中，并被用来计算声波的传播距离。按照实验设定，此距离本应该是已知条件。因此，教师应向学生说明人工智能并不完美，并逐个检查学生得到的程序代码，引导其做必要的修改。

３．３    硬件连接

在此步骤中，教师应指导学生准备计算机、Ａｒｄｕｉｎｏ电路板、超声波传感器、障碍物、刻度尺等实验器具，并按照程序代码的指示连接线路，实物图如图４所示。其中，障碍物处于超声波传感器的正前方，且直线距离与前述步骤中描述的一致。

在进行下一步实验前，教师引导学生进行开放式思考。例如，让学生思考，如果改变环境温度，或者超声波传感器与障碍物之间的介质，会对实验结果有怎样的影响。结合具体实验操作，学生将更全面地理解影响声音传播速度的各种因素。

３．４    Ａｒｄｕｉｎｏ编程

将修改后的程序代码粘贴到Ａｒｄｕｉｎｏ 编程环境，再次调试无误后编译并上传至Ａｒｄｕｉｎｏ电路板中。可以看到，Ａｒｄｕｉｎｏ能持续输出运行结果，如图５所示。部分学生因硬件连接或软件程序等原因，无法获得预期结果，教师应引导学生逐步排查，克服困难并调试成功。

３．５    收集整理数据

成功获得输出结果的学生，收集２０组输出数据，绘制成散点图。图６为其中一个范例，数据点均值为３３９．８５米／秒，标准差为０．６６米／秒。即超声波在室温（约２１摄氏度）、空气介质中的传播速度约为３３９．８５米／秒。实验完成后，教师除要求学生提交实验报告外，还可要求其通过回顾实验全流程深刻思考和总结，充分体会科学探究过程的乐趣。

４    结束语

将生成式人工智能技术、Ａｒｄｕｉｎｏ可编程电子开发平台与物理实验相结合，测量了超声波在空气中的传播速度。不仅获得了较为精确的实验结果，也展现了一种全新的物理实验设计和实施方式。结果表明，依赖科学技术的赋能，物理实验教学可以更生动、更高效。在这个过程中，学生不仅能更好地掌握相关物理知识，也能更深刻地体验前沿技术。需要注意的是，尽管生成式人工智能技术有了长足进步，但其输出结果仍然存在一定的瑕疵。另外，人工智能缺乏人类的想象力和创造力，无法突破现有的知识框架，也无法像人类一样，在教学过程中传递价值观和道德观。因此，教师应该充分发挥主观能动性。在具体操作上，应利用专业知识去识别并弥补这些瑕疵。在思想认识上，应重视并关注人工智能技术的发展，努力探索其在协同教学、个性化教学等方面的积极作用。

参考文献：

［１］中国信息通信研究院，京东探索研究院． 人工智能生成内容（ＡＩＧＣ）白皮书［Ｒ／ＯＬ］．［２０２２－０９］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｉｃｔ．ａｃ．ｃｎ／ｋｘｙｊ／ｑｗｆｂ／ｂｐｓ／２０２２０９／ｔ２０２２０９０２＿４０８４２０．ｈｔｍ．

［２］任雪梅． 跨学科融合开展中学物理实验教学［Ｊ］．新智慧，２０２２（８）：９-１１．

［３］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京师范大学出版社， ２０２２．

［４］谢晓琳，周少娜．例谈Ｍｏｄｅｌｌｕｓ软件在物理教学中的应用——以机械振动和机械波主题为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２３，４１（5）：６６－７0．

［５］赵澜斌．Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台在高中物理实验教学中的应用［Ｊ］．物理通报，２０２２（４）：８－11．

［６］滕帆帆，牛慧君，王群，等．基于 Ａｒｄｕｉｎｏ的光敏电阻实验改进及其应用探究［Ｊ］．物理通报，２０２１（７）：１０７－１10．

（栏目编辑    贾伟尧）

收稿日期：2023-08-30

基金项目：２０２２年泉州市基础教育教学改革专项课题“跨学科的项目化学习活动的实践研究”（ＱＪＹＫＴ２０２２－５４）；２０２３年福建省电化教育馆教育信息技术研究课题“信息技术环境下高中物理实验教学的研究”（ＫＴ２３０４５）。

作者简介：宋定飞（１９７３-），男，中学高级教师，主要從事初中物理教学及研究工作。