生成式人工智能和Arduino在物理實驗中的應用
——以聲速的測量為例

宋定飛，謝姣娣

1.福建省泉州第十一中學，福建 泉州 362011

2.福建省泉州第五中學橋南校區(qū)，福建 泉州 362212

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［1］。近年來，隨著Transformer 架構在自然語言處理（NLP）領域的重大突破，大規(guī)模訓練成為可能。生成式人工智能迎來新時代，已經(jīng)涌現(xiàn)出強大的學習能力，正以雷霆之勢改變著越來越多行業(yè)的理念和邏輯。

教育被認為是人工智能落地最好的應用場景之一。在教育改革持續(xù)深化的背景下，打破傳統(tǒng)學科的壁壘和界限，實現(xiàn)跨學科融合成為趨勢［2］。《義務教育物理課程標準（2022年版）》中提到：“從多學科角度觀察、思考和分析問題，挖掘、選取有教育意義的素材，將其改造成跨學科實踐的問題或任務。”［3］因此，跨學科融合開展物理教學勢在必行，這既可以激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，也可以在前沿技術的賦能下提高教學效率和質(zhì)量。采用現(xiàn)代化教學手段，能有效促進物理概念的建構和知識的深入理解［4］。這里，嘗試以聲速的測量為例，利用生成式人工智能服務和Arduino等電子硬件，開展物理實驗設計、操作等教學工作，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科思維能力。

1 生成式人工智能服務和Arduino 的簡要介紹

1.1 生成式人工智能服務

當前，主流的生成式人工智能服務有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練的通用對話系統(tǒng)，它以聊天的方式進行交互，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ChatGPT 的國內(nèi)第三方接口進行實驗設計。

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，其測量精度也能達到足夠高的水平，在豐富物理教學資源的同時，也能讓學生親身體驗前沿科學技術［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行實驗設計。

2 實驗原理及設計

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，教師要引導學生對相關知識進行必要的回顧，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。刻度尺顯示，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。

圖1 實驗原理圖

2.2 實驗設計

滬科版第三章第一節(jié)“科學探究：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學生記憶，不利于學生的認知過程。借助多媒體軟件進行聲速的測量，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，實驗設計基于生成式人工智能服務、Arduino 電子開發(fā)平臺及相關拓展板。具體步驟設計如下：

（1）引導學生用文字詳細描述實驗原理，描述中應該包括一些設定的實驗條件，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，教師引導學生檢查實驗步驟和程序代碼，并做必要的修正。

（3）準備計算機、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和期望，以獲得高質(zhì)量的輸出和回復。

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常現(xiàn)象，教師可引導學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，得到的回復的部分截圖如圖2所示。

圖2 生成式人工智能針對提示語的回復

生成式人工智能輸出的示例程序摘錄要點如圖3所示。

圖3 生成式人工智能輸出的示例程序

需要注意的是，生成式人工智能服務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。按照實驗設定，此距離本應該是已知條件。因此，教師應向?qū)W生說明人工智能并不完美，并逐個檢查學生得到的程序代碼，引導其做必要的修改。

3.3 硬件連接

在此步驟中，教師應指導學生準備計算機、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。

圖4 簡易聲速測量裝置實物圖

在進行下一步實驗前，教師引導學生進行開放式思考。例如，讓學生思考，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。可以看到，Arduino 能持續(xù)輸出運行結(jié)果，如圖5所示。部分學生因硬件連接或軟件程序等原因，無法獲得預期結(jié)果，教師應引導學生逐步排查，克服困難并調(diào)試成功。

圖5 Arduino 程序運行結(jié)果

3.5 收集整理數(shù)據(jù)

成功獲得輸出結(jié)果的學生，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，標準差為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)，充分體會科學探究過程的樂趣。

圖6 20 組聲速測量結(jié)果散點圖

4 結(jié)束語

將生成式人工智能技術、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計和實施方式。結(jié)果表明，依賴科學技術的賦能，物理實驗教學可以更生動、更高效。在這個過程中，學生不僅能更好地掌握相關物理知識，也能更深刻地體驗前沿技術。需要注意的是，盡管生成式人工智能技術有了長足進步，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，在教學過程中傳遞價值觀和道德觀。因此，教師應該充分發(fā)揮主觀能動性。在具體操作上，應利用專業(yè)知識去識別并彌補這些瑕疵。在思想認識上，應重視并關注人工智能技術的發(fā)展，努力探索其在協(xié)同教學、個性化教學等方面的積極作用。