智能技術(shù)支持下的實驗教學(xué)設(shè)計

人工智能時代，智能技術(shù)應(yīng)用正在促進課堂教學(xué)變革。2017年國務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，倡導(dǎo)“利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系”。當(dāng)今，中小學(xué)教師如何借助智能技術(shù)設(shè)計人機協(xié)作的高效課堂成為熱點問題。發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，是物理教師的職責(zé)和使命。在演示實驗教學(xué)中，教師可以借助智能技術(shù)讓學(xué)生多方位體驗科學(xué)探究過程。筆者以“測量滑輪組機械效率”為例，借助機器智能觀察、語音控制和智能計算等技術(shù)改進課堂實驗，突破教學(xué)難點。

一、教學(xué)難點分析及診斷

（一）教材內(nèi)容分析

人教版《物理》八年級下冊“機械效率”小節(jié)的內(nèi)容編排如下：教師通過演示引出有用功、額外功和總功的概念，導(dǎo)出三者之間的關(guān)系;用生活常識引出機械效率的概念，并推導(dǎo)機械概率的計算公式;講解起重機機械效率的算例，由此引出測量滑輪組機械效率的實驗。教師組織三次測量活動，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)變化情況并對機械效率影響因素進行分析，由此歸納提高機械效率的主要方法。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：教師通過測量實驗和數(shù)據(jù)分析，診斷和培養(yǎng)學(xué)生在實驗中的知識理解—綜合應(yīng)用—實驗探究—跨界應(yīng)用四級表征的科學(xué)探究發(fā)展水平^[1]。學(xué)生學(xué)會分析有用功、額外功和總功，能說出機械效率的含義并用公式計算機械效率，通過實驗了解滑輪組的機械效率與物體重力有關(guān)。教學(xué)重點是機械效率的計算，教學(xué)難點是測量滑輪組的機械效率。學(xué)生要體驗實驗全過程，探索機械效率的影響因素，感受實驗測量數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)論等全過程，以提高科學(xué)探究和科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）教學(xué)難點問題診斷

很多物理教師開展了相關(guān)數(shù)字化創(chuàng)新實驗研究。劉納川利用減速電機代替手提測力計提高教學(xué)效率，田曉娜采用不同繞線材質(zhì)、動滑輪和重物通過多組實驗提高機械效率影響因素。測量滑輪組的機械效率是課堂演示實驗項目。學(xué)生在實驗中需要應(yīng)用的原理是機械效率η=""""""。測量滑輪組的機械效率是機械效率的計算公式的實際應(yīng)用，這個實驗是為學(xué)生探究機械效率的影響因素和提高機械效率方法作鋪墊的，在課堂教學(xué)中起著承前啟后的重要作用。但這些在教學(xué)實施中存在困難，主要表現(xiàn)在以下方面。

一是測量問題。師生用眼睛觀察法收集數(shù)據(jù)誤差較大，會導(dǎo)致計算結(jié)果與理論值相差較大。在課堂上的實際操作中，因受光源、觀察角度和觀察者個體差異等影響，人眼觀察得來的數(shù)據(jù)應(yīng)用價值不高，甚至與理論值矛盾。

二是實驗流程問題。手動拉動彈簧測力計后，實驗者需讀取鉤碼上升高度h、拉力F和彈簧測力計移動距離s等三項數(shù)據(jù)。實驗者需三次手動勻速拉動彈簧測力計使其上升，實際操作中很難保證彈簧測力計以相同勻速上升，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大。三次“拉動彈簧再讀三項數(shù)據(jù)”及更換鉤碼，這樣做實驗程序太煩瑣，效率很低。

三是計算歸因問題。師生計算有用功W_有、總功W_總和機械效率η，計算量較大，減緩實驗進度，影響效率。如果僅兩次改變鉤碼數(shù)量，則計算誤差較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析歸因不明顯。

二、智能技術(shù)支持下的實驗教學(xué)設(shè)計

用于輔助教學(xué)的智能技術(shù)通常包括可拆分或組合的硬件和可編程的智能（軟件）模塊。為突破本節(jié)課教學(xué)難點，筆者設(shè)計了基于智能技術(shù)的創(chuàng)新實驗設(shè)備（如圖1）。此實驗設(shè)備的智能技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在機器智能觀察、機器語音控制和機器智能計算三個方面。

（一）借助機器智能觀察，精準(zhǔn)測量上升高度

筆者利用超聲波傳感器、液晶顯示屏和Arduino軟件編程設(shè)計了用于測量鉤碼上升高度h的人工智能模塊1。超聲波傳感器可準(zhǔn)確測量h值，主板自動將數(shù)據(jù)傳遞到液晶顯示屏進行顯示（如圖2）。

筆者將超聲波傳感器和液晶顯示屏組合優(yōu)化用于觀測實驗過程，獲取數(shù)據(jù)，通過機器智能觀察，降低了實驗讀數(shù)誤差，打破了光源、觀測角度等環(huán)境或條件限制，有利于學(xué)生準(zhǔn)確讀數(shù)。

（二）通過機器語音控制，科學(xué)簡化實驗流程

筆者利用步進電機、語音控制和Arduino軟件編程設(shè)計了用語音控制彈簧測力計勻速上升的人工智能模塊2（如圖3）。實驗者通過“小亞，運動”口令語音控制步進電機借助滑輪，將動力轉(zhuǎn)化成拉力F實現(xiàn)鉤碼勻速上升，發(fā)出“小亞，停止”口令使之停止上升，保持位置不變，可以準(zhǔn)確讀數(shù)。

筆者利用步進電機和語音控制組合模塊，實現(xiàn)了拉力智能化、自動化。機器語音控制替代了以前的手動控制，不僅解放了實驗者的雙手，而且簡化了實驗流程。對課堂上需要重復(fù)做的實驗，改進效果尤為顯著——縮短了實驗時間，有利于學(xué)生分析數(shù)據(jù)并對影響機械效率影響因素進行探究。

（三）基于機器智能分析，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神

利用模塊1、彈簧測力計、鉤碼、希沃一體機、GeoGebra軟件組成的人工智能模塊3，實驗者先觀測彈簧測力計移動距離的讀數(shù)，將重力G、上升高度h、拉力F、彈簧測力計移動距離s值輸入GeoGebra（已設(shè)定函數(shù)關(guān)系的表格）系統(tǒng)中，計算用功、總功、機械效率，再對重力G與機械效率進行雙變量回歸分析，探究兩組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系（如圖4）。

希沃一體機和GeoGebra函數(shù)功能及數(shù)據(jù)分析功能的組合應(yīng)用實現(xiàn)了計算智能化和機械效率影響因素探究過程智能化、可視化。筆者使用模塊的函數(shù)功能，突破計算難點，集中精力引導(dǎo)學(xué)生探究影響機械效率的因素;利用智能計算功能，適當(dāng)增加實驗次數(shù)，收集更多數(shù)據(jù)，提高了機械效率影響因素分析的可信度;借助機器智能分析技術(shù)，提高了實驗教學(xué)效能，更好地展示了科學(xué)探究思維過程，激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)探究熱情。

三、總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

課堂演示實驗是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，也是突破教學(xué)重難點的重要方式。在人工智能的環(huán)境下，教師用機器觀測代替了學(xué)生的視覺，降低了學(xué)生體驗感，但增強了實驗的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，實驗結(jié)果更接近結(jié)論。機器勻速提升鉤碼，代替了實驗者手動，機器成了實驗者的第三只手。從演示實驗角度看，機器解放了實驗者的雙手，提高了效率。語音控制機器運動，增強了物理實驗的交互性和趣味性，豐富了實驗者實驗的直觀感受。實驗者在觀察運動過程的同時進行語音控制，能夠有效控制鉤碼運動，使之準(zhǔn)確而快捷地運行至預(yù)期的位置。在數(shù)據(jù)收集后，教師利用公式代替手動計算，大大降低了實驗操作難度，讓學(xué)生有充分的時間去歸納影響機械效率的因素，以提高智能計算思維和科學(xué)思維能力。教師基于新技術(shù)優(yōu)化了實驗流程，即教師改變重力G，讓學(xué)生多次實驗，使用機器分析數(shù)據(jù)，分析重力G與機械效率η的關(guān)系，同時改變滑輪組進行重復(fù)實驗，使用機器分析數(shù)據(jù)，探索各種變量與機械效率η的關(guān)系，這一系列的改進與嘗試有助于學(xué)生建立完整的知識體系，突破難點。

在上述實驗中，筆者用機器智能觀察功能實現(xiàn)了讀數(shù)精準(zhǔn)化，用機器語音控制功能實現(xiàn)了運動標(biāo)準(zhǔn)化，用機器語音控制功能實現(xiàn)了實驗操作的智能化，用機器智能分析技術(shù)實現(xiàn)了科學(xué)探究的可視化。智能技術(shù)的應(yīng)用為課堂教學(xué)提質(zhì)增效提供了有力支持。

（二）展望

探究性實驗教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的重要方式。在智能技術(shù)支持下，學(xué)生親身體驗測量滑動輪機械效率實驗全過程，便于深入理解實驗原理。教師利用機器技術(shù)優(yōu)化實驗過程，可以增強實驗交互性，豐富學(xué)生的實驗感受。智能技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生開展多次數(shù)多變量的實驗探究活動創(chuàng)造了條件，有利于學(xué)生感受探究實驗的普遍性、真實性和科學(xué)性，促進學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展。學(xué)生通過數(shù)字化實驗探究影響機械效率因素，聯(lián)系生活實際，分析多種因素的影響，形成提高機械效率的策略，不僅有利于節(jié)能、減排、增效，而且有利于培養(yǎng)科學(xué)精神與科學(xué)觀念。

注：本文系湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度青年專項課題“基于智能終端+App初中數(shù)學(xué)教學(xué)實踐的研究”（編號：XJK17QZXX005）、全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度單位資助課題“基于核心素養(yǎng)培育的初中校本課程建設(shè)研究”（編號：FHB170551）的研究成果。

參考文獻

[1] 杜明榮，廖伯琴.實驗與探究能力如何評價——以英國GCE物理A水平考試為例[J].課程·教材·教法，2007（8）：87-91.

（作者系湖南省懷化市鐵路第二中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志