宋定飛　謝姣娣

摘? ?要：生成式人工智能正在帶來巨大的生產(chǎn)力變革，已具備向教育行業(yè)應(yīng)用的潛力。以聲速的測量為例，利用生成式人工智能服務(wù)和Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發(fā)平臺，設(shè)計并實施物理實驗教學(xué)，獲得了較為精確的實驗結(jié)果。借助這種方式，不僅能使學(xué)生更好地掌握相關(guān)物理知識，更深刻地體驗人工智能等前沿技術(shù)，也能使教師充分利用并發(fā)揮人工智能產(chǎn)品及服務(wù)在協(xié)同教學(xué)、個性化教學(xué)中的作用。

關(guān)鍵詞：人工智能；Ａｒｄｕｉｎｏ；物理實驗；聲速測量

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)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(guī)則生成文本、代碼、圖片、聲音、視頻等內(nèi)容的技術(shù)［１］。近年來，隨著Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ 架構(gòu)在自然語言處理（ＮＬＰ）領(lǐng)域的重大突破，大規(guī)模訓(xùn)練成為可能。生成式人工智能迎來新時代，已經(jīng)涌現(xiàn)出強大的學(xué)習(xí)能力，正以雷霆之勢改變著越來越多行業(yè)的理念和邏輯。

教育被認(rèn)為是人工智能落地最好的應(yīng)用場景之一。在教育改革持續(xù)深化的背景下，打破傳統(tǒng)學(xué)科的壁壘和界限，實現(xiàn)跨學(xué)科融合成為趨勢［２］?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到：“從多學(xué)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(xué)科實踐的問題或任務(wù)。”［３］因此，跨學(xué)科融合開展物理教學(xué)勢在必行，這既可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，也可以在前沿技術(shù)的賦能下提高教學(xué)效率和質(zhì)量。采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，能有效促進(jìn)物理概念的建構(gòu)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(wù)和Ａｒｄｕｉｎｏ等電子硬件，開展物理實驗設(shè)計、操作等教學(xué)工作，向?qū)W生科普生成式人工智能和電子開發(fā)平臺等科技知識，鍛煉其動手實踐能力和跨學(xué)科思維能力。

１? ? 生成式人工智能服務(wù)和Ａｒｄｕｉｎｏ的簡要介紹

１．１? ? 生成式人工智能服務(wù)

當(dāng)前，主流的生成式人工智能服務(wù)有ＣｈａｔＧＰＴ、文心一言、通義千問等。ＣｈａｔＧＰＴ是ＯｐｅｎＡＩ公司于２０２２年１１月發(fā)布的利用大語言模型訓(xùn)練的通用對話系統(tǒng)，它以聊天的方式進(jìn)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(fā)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(yè)測試中，其輸出內(nèi)容的質(zhì)量已經(jīng)接近或超出人類現(xiàn)有水平。文心一言是百度公司于２０２３年３月發(fā)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(tài)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(nèi)容也具備較強的準(zhǔn)確性、邏輯性和流暢性。通義千問是阿里巴巴開發(fā)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(xué)創(chuàng)作、數(shù)理推理等，也可根據(jù)各行業(yè)需要生成專有的模型，解決其現(xiàn)實問題。這里，使用生成式人工智能服務(wù)ＣｈａｔＧＰＴ的國內(nèi)第三方接口進(jìn)行實驗設(shè)計。

１．２? ? Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發(fā)平臺簡介

Ａｒｄｕｉｎｏ是全球最流行的開源電子開發(fā)平臺之一。其硬件電路板和軟件ＩＤＥ歷經(jīng)多次升級，是設(shè)計智能控制硬件的首選工具。Ａｒｄｕｉｎｏ配有一組數(shù)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(jìn)而實現(xiàn)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(dá)到足夠高的水平，在豐富物理教學(xué)資源的同時，也能讓學(xué)生親身體驗前沿科學(xué)技術(shù)［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(jìn)行實驗設(shè)計。

２? ? 實驗原理及設(shè)計

２．１? ? 實驗原理

顧名思義，聲速是指聲音在介質(zhì)中的傳播速度。通過物理實驗測量聲速，具有顯著的現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生對相關(guān)知識進(jìn)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(xué)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(fā)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?？潭瘸唢@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(zhì)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(shè)計

滬科版第三章第一節(jié)“科學(xué)探究：聲音的產(chǎn)生與傳播”介紹了聲速大小，教師常采用熟記的方法引導(dǎo)學(xué)生記憶，不利于學(xué)生的認(rèn)知過程。借助多媒體軟件進(jìn)行聲速的測量，發(fā)揮人機的交互性功能，將增強實驗現(xiàn)象的可視化和實驗數(shù)據(jù)釆集的實時化［６］。與傳統(tǒng)的聲速測量方法不同，實驗設(shè)計基于生成式人工智能服務(wù)、Ａｒｄｕｉｎｏ電子開發(fā)平臺及相關(guān)拓展板。具體步驟設(shè)計如下：

（1）引導(dǎo)學(xué)生用文字詳細(xì)描述實驗原理，描述中應(yīng)該包括一些設(shè)定的實驗條件，比如超聲波發(fā)生器和障礙物的距離，以及希望Ａｒｄｕｉｎｏ電路實現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生檢查實驗步驟和程序代碼，并做必要的修正。

（3）準(zhǔn)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(huán)境中輸入上述程序代碼，編譯上傳。

（5）收集Ａｒｄｕｉｎｏ電路輸出的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并繪制圖表，得到實驗結(jié)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(fù)上述步驟，觀察實驗結(jié)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(wù)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(biāo)和期望，以獲得高質(zhì)量的輸出和回復(fù)。

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(guān)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(fā)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(jù)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?，F(xiàn)象，教師可引導(dǎo)學(xué)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(jié)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(fù)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(wù)輸出的程序代碼存在一些錯誤。示例程序中，測量的聲速數(shù)值已出現(xiàn)在程序中，并被用來計算聲波的傳播距離。按照實驗設(shè)定，此距離本應(yīng)該是已知條件。因此，教師應(yīng)向?qū)W生說明人工智能并不完美，并逐個檢查學(xué)生得到的程序代碼，引導(dǎo)其做必要的修改。

３．３? ? 硬件連接

在此步驟中，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)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(jìn)行下一步實驗前，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開放式思考。例如，讓學(xué)生思考，如果改變環(huán)境溫度，或者超聲波傳感器與障礙物之間的介質(zhì)，會對實驗結(jié)果有怎樣的影響。結(jié)合具體實驗操作，學(xué)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(huán)境，再次調(diào)試無誤后編譯并上傳至Ａｒｄｕｉｎｏ電路板中?？梢钥吹剑粒颍洌酰椋睿锬艹掷m(xù)輸出運行結(jié)果，如圖５所示。部分學(xué)生因硬件連接或軟件程序等原因，無法獲得預(yù)期結(jié)果，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生逐步排查，克服困難并調(diào)試成功。

３．５? ? 收集整理數(shù)據(jù)

成功獲得輸出結(jié)果的學(xué)生，收集２０組輸出數(shù)據(jù)，繪制成散點圖。圖６為其中一個范例，數(shù)據(jù)點均值為３３９．８５米／秒，標(biāo)準(zhǔn)差為０．６６米／秒。即超聲波在室溫（約２１攝氏度）、空氣介質(zhì)中的傳播速度約為３３９．８５米／秒。實驗完成后，教師除要求學(xué)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(jié)，充分體會科學(xué)探究過程的樂趣。

４? ? 結(jié)束語

將生成式人工智能技術(shù)、Ａｒｄｕｉｎｏ可編程電子開發(fā)平臺與物理實驗相結(jié)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(jié)果，也展現(xiàn)了一種全新的物理實驗設(shè)計和實施方式。結(jié)果表明，依賴科學(xué)技術(shù)的賦能，物理實驗教學(xué)可以更生動、更高效。在這個過程中，學(xué)生不僅能更好地掌握相關(guān)物理知識，也能更深刻地體驗前沿技術(shù)。需要注意的是，盡管生成式人工智能技術(shù)有了長足進(jìn)步，但其輸出結(jié)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(chuàng)造力，無法突破現(xiàn)有的知識框架，也無法像人類一樣，在教學(xué)過程中傳遞價值觀和道德觀。因此，教師應(yīng)該充分發(fā)揮主觀能動性。在具體操作上，應(yīng)利用專業(yè)知識去識別并彌補這些瑕疵。在思想認(rèn)識上，應(yīng)重視并關(guān)注人工智能技術(shù)的發(fā)展，努力探索其在協(xié)同教學(xué)、個性化教學(xué)等方面的積極作用。

參考文獻(xiàn)：

［１］中國信息通信研究院，京東探索研究院． 人工智能生成內(nèi)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(xué)科融合開展中學(xué)物理實驗教學(xué)［Ｊ］．新智慧，２０２２（８）：９-１１．

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

［４］謝曉琳，周少娜．例談Ｍｏｄｅｌｌｕｓ軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用——以機械振動和機械波主題為例［Ｊ］．物理教學(xué)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(xué)中的應(yīng)用［Ｊ］．物理通報，２０２２（４）：８－11．

［６］滕帆帆，?；劬?，王群，等．基于 Ａｒｄｕｉｎｏ的光敏電阻實驗改進(jìn)及其應(yīng)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(chǔ)教育教學(xué)改革專項課題“跨學(xué)科的項目化學(xué)習(xí)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(shù)研究課題“信息技術(shù)環(huán)境下高中物理實驗教學(xué)的研究”（ＫＴ２３０４５）。

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