AI賦能下的擺的研究實驗創新

周偉明

實驗原型及不足

《擺的研究》一課，安排了改變擺錘重量及改變擺繩長度兩個探究實驗，在實際教學中存在以下問題：學生在做兩個探究實驗的時候都需要多次記錄15秒內擺動的次數，會存在漏數或多數的情況;實驗裝置上沒有測量擺動幅度的工具，實驗過程中學生只能估計幅度大小;在改變擺錘重量的實驗中，用到一個墊圈和多個墊圈進行對比（如圖1），這雖然改變了擺錘的重量，但也改變了擺錘的大小;無論是將擺繩固定在鐵架臺上，還是用擺繩連接擺錘，都需要用打結的方式來固定，這對部分學生來說存在困難。

實驗器材

鐵架臺、智能計次器硬件（各種基于Arduino的主控板、紅外接近傳感器、1602LCD顯示屏或四位數碼管）、量角器、大小相同的帶孔金屬球和塑料球各一個、細繩收納盤、扭簧或一字形的發卡、防干擾實驗箱（選用）等。

實驗改進

1.自制智能計次器

（1）用智能計次器硬件制作智能計次器（如圖2）。

（2）用可視化編程軟件（如mPython0.4.1，編程界面簡單易學）編寫自動計次程序，并用數據線將程序上傳到主控板，一個具有自動計次功能的計次器就完成了。

（3）用一個打孔的塑料瓶固定紅外接近傳感器，將智能計次器安裝在鐵架臺上（如圖3）。塑料瓶可以上下移動，便于研究改變擺繩長度的實驗。

2.安裝量角器

在鐵架臺上安裝量角器，可直觀、定量地測量出擺幅大小，解決研究改變擺錘重量和改變擺繩長度兩個實驗中擺幅不變的公平性問題。

由于普通的量角器刻度復雜、數字倒立、不易于固定在鐵架臺上，因此可利用畫圖等軟件繪制易于讀數的量角器，再利用激光切割機切割出亞力克材質的量角器（如圖4）。

3.安裝擺錘

在改變擺錘重量的實驗中，用網上購買的兩個大小一樣、材質不一樣的帶孔小球代替墊圈進行實驗（如圖5），更能體現實驗的公平性。

4.安裝細繩收納盤

在改變擺繩長度的實驗中，用細繩收納盤收放細繩（如圖6），便于改變擺繩的長度，而且擺繩上每10？cm用不同的顏色標明長度，學生不用測量就知道每次實驗的擺繩長度。

5.安裝扭簧

擺繩的收納盤直接固定在實驗裝置的頂端，解決了打結固定擺繩不牢固的問題，擺繩另一端連接一個很小的扭簧（如圖7），扭簧具有一定的彈力，捏住扭簧插入帶孔的小球（擺錘），自動卡住了小球（擺錘），需要更換擺錘的時候，輕輕一拔即可，非?？旖?、方便，解決了打結不容易綁住擺錘的問題。

除了以上的改進，我還自制了防干擾透明實驗箱（如圖8），所有的實驗都在實驗箱里面完成，不但可以防止人為因素的干擾，還可以防止風力等自然因素的干擾。實驗箱可以根據實際情況選用。

實驗優點

1.實驗裝置綜合性強，不但能完成本節課的所有實驗，還能用于《機械鐘擺》和《做一個鐘擺》等課的實驗研究。

2.在測15秒內擺動次數的時候，運用AI技術輔助記錄，使實驗數據記錄更加便捷準確，自制的計次器還可用于解決生活中的其他問題。

3.操作簡單方便，有利于學生把精力放在實驗探究本身而非組裝調試器材上。

4.實驗裝置改進過程中運用了人工智能技術，體現了科技創新、與時俱進的理念，有利于培養學生利用科技解決生活中遇到的問題的能力。