人工智能在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探究

吳燕 周穎華 秦松

摘 ? 要：隨著人工智能的迅速發(fā)展，編程教育越來(lái)越受到各界人士的重視，未來(lái)編程教育也將進(jìn)一步融入中小學(xué)課堂中。文章著重探究人工智能在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用：結(jié)合Arduino開(kāi)源平臺(tái)和軟件編程，利用PWM制作智能調(diào)光燈，通過(guò)測(cè)量LED燈的電壓和電流值驗(yàn)證“歐姆定律”。文章通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生更加近距離地感受并理解物理知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，融入新穎的編程知識(shí)能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)新事物的求知欲，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科技的興趣。

關(guān)鍵詞：人工智能;編程;Arduino開(kāi)源平臺(tái);PWM智能調(diào)光燈;歐姆定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）2-0070-3

1 ? ?引 ?言

隨著信息時(shí)代的爆炸式發(fā)展，新一輪的科技革命正在迅猛崛起，人工智能是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，人工智能編程教育也越來(lái)越受到全世界各行業(yè)人員的重視[1-2]。物理在中學(xué)階段扮演著非常重要的角色，在高考中的地位舉足輕重。而傳統(tǒng)的物理教學(xué)方式以教師為主，學(xué)生為輔，課堂上學(xué)生只是被動(dòng)地接收枯燥無(wú)味的知識(shí)，學(xué)習(xí)興趣不高。在人工智能的新時(shí)代，若將新穎的編程知識(shí)融入到物理課堂中，會(huì)不會(huì)碰撞出不一樣的火花呢？

本文將如今最火的Arduino編程融入中學(xué)物理課堂。Arduino電路板與電腦客戶端通過(guò)下載線完成通信，用電腦客戶端的編程軟件來(lái)控制Arduino硬件電路板，并執(zhí)行相關(guān)操作。我們利用PWM將電位器的阻值變化的模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，并輸出數(shù)字電壓值。此外，將Arduino電路板的 PWM接口外接LED燈。最終我們將看到：電位器不同的阻值變化會(huì)產(chǎn)生不同的PWM信號(hào)，通過(guò)控制PWM信號(hào)的占空比使得LED燈電壓、電流和亮度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。此實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠更加直觀地感受物理現(xiàn)象，以現(xiàn)代化新穎的編程方式獲得精準(zhǔn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，自主總結(jié)物理規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路新穎且通俗易懂，Arduino系統(tǒng)成本較低，為人工智能應(yīng)用到中學(xué)物理教學(xué)中開(kāi)拓了新的思路。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)基本原理介紹

2.1 ? ?脈沖寬度調(diào)制原理

脈沖寬度調(diào)制 （Pulse Width Modulation， PWM）是一種利用微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能輸出0 V或5 V的數(shù)字電壓值，所以這里利用方波的占空比（指的是高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的比例）編碼模擬信號(hào)[3]。電壓或電流源是以一種要么導(dǎo)通（ON）、要么斷開(kāi)（OFF）的周期性的脈沖序列加載到負(fù)載上。導(dǎo)通時(shí)，直流供電加載到負(fù)載上，電壓最大;斷開(kāi)時(shí)，供電被斷開(kāi)，電壓為零。輸出的電壓值是通過(guò)導(dǎo)通和斷開(kāi)的時(shí)間計(jì)算的。

2.2 ? ?Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)簡(jiǎn)介

Arduino是一種簡(jiǎn)易的智能硬件電子平臺(tái)，包括Arduino電路板和Arduino IDE編程軟件[4]兩部分。學(xué)生使用時(shí)只需在Arduino IDE中編寫(xiě)程序代碼，并上傳至Arduino電路板中，電路板便執(zhí)行操作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能。本實(shí)驗(yàn)中我們用到的是一種高性能、低電壓的基于ATmega328單片機(jī)的Arduino電路板。它的最大工作電壓為5 V，總共有32個(gè)管腳接口可連接外圍電路，這里我們將使用到：（1）模擬輸入接口A0，連接電位器;（2）PWM數(shù)字輸入/輸出接口D9，連接LED燈;（3）液晶顯示屏接口，連接液晶顯示屏。另外，電路板的工作電壓由電腦提供，如圖2所示。

2.3 ? ?PWM智能調(diào)光燈驗(yàn)證歐姆定律

由電腦、下載線、Arduino電路板、電位器（R2，接模擬輸入口A0）、LED燈（R1，接PWM數(shù)字輸出口D9）、電流表、電壓表、液晶顯示屏等組成簡(jiǎn)易電路，原理圖如圖2所示。

電腦通過(guò)下載線與Arduino電路板相連，并為電路板提供5 V直流電源，電位器R2接模擬輸入接口A0，旋轉(zhuǎn)電位器產(chǎn)生變化模擬信號(hào)，利用Arduino電路板的PWM對(duì)該模擬信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)并輸出至PWM數(shù)字輸出接口D9。LED燈R1一端連接D9，另一端串聯(lián)電流表并接地，電壓表與LED燈并聯(lián)。另外，液晶顯示屏連接Arduino電路板的液晶接口，通過(guò)編程可輸出數(shù)字電壓。根據(jù)歐姆定律[5]：在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流和這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比。

I1= （2）

在不超過(guò)LED燈的額定電壓時(shí)，由于LED燈R1阻值保持不變，當(dāng)電壓U 越小時(shí)，電流I1就越小，而LED燈的亮度則由實(shí)際消耗的功率決定：P1= =I ?R ，因此LED亮度越暗;反之，當(dāng)電壓U 越大時(shí)，電流I1越大，LED燈越亮。因此，只要旋轉(zhuǎn)電位器R2，就能改變LED燈R 的電壓和電流，使LED燈的亮度發(fā)生變化。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)物電路連接圖如圖3所示。我們用電腦、連接線、Arduino的硬件電路板、電位器、LED燈、液晶顯示屏、數(shù)字萬(wàn)用表和程序控制軟件編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

這里我們用到的控制軟件是Mixly，是一款由北京師范大學(xué)米思琪團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的專門用于中小學(xué)編程的實(shí)用性圖形化編程工具。本實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1） 初始化液晶顯示屏;（2）讀取A0口的電壓值并在液晶顯示器中第一行顯示;（3）將A0口的電壓值賦給PWM輸出口D9。最后，LED燈根據(jù)接收到的PWM信號(hào)進(jìn)行亮度調(diào)控，同時(shí)電壓值和電流值改變。

我們將編譯成功的程序通過(guò)連接線下載至Arduino電路板中，旋轉(zhuǎn)電位器可清晰地看到LED燈亮度的變化。此外，液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示Arduino電路板采集到的數(shù)字電壓值的變化，外接的UNI-T數(shù)字電壓表和電流表實(shí)時(shí)測(cè)量LED燈的真實(shí)電壓和電流值。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了利用PWM智能調(diào)光燈驗(yàn)證歐姆定律，本次實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了兩組不同類型的數(shù)據(jù)：

（1）液晶顯示屏顯示的“Arduino數(shù)字電壓表采集電壓值”與“UNI-T數(shù)字電壓表實(shí)際測(cè)量電壓值”的對(duì)比，驗(yàn)證Arduino數(shù)字電壓表的可靠性;（2）液晶顯示屏顯示的“Arduino數(shù)字電壓表采集電壓值”與“UNI-T數(shù)字電流表實(shí)際測(cè)量電流值”的對(duì)比，驗(yàn)證歐姆定律。

4.1 ? ?Arduino數(shù)字萬(wàn)用表的可靠性驗(yàn)證

旋轉(zhuǎn)電位器時(shí)共記錄了9組不同的分別由液晶顯示屏顯示的“Arduino數(shù)字電壓表采集電壓值”和“UNI-T數(shù)字電壓表實(shí)際測(cè)量電壓值”，如圖4所示。

圖4列舉了測(cè)試獲得的9組電壓數(shù)據(jù)，由于Arduino硬件電路板的工作電壓最大為5 V，因此Arduino采集的和UNI-T測(cè)量得到的電壓值均分布在0 V～5 V之間。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，基于Arduino電路板的數(shù)字電壓表采集并輸出的電壓值與UNI-T數(shù)字電壓表測(cè)試的電壓值基本一致，誤差率不超過(guò)±2%，證明了Arduino數(shù)字電壓表的可靠性。

4.2 ? ?PWM智能調(diào)光燈驗(yàn)證歐姆定律

同時(shí)，我們也分別記錄了9組由液晶顯示屏顯示的“Arduino數(shù)字電壓表采集電壓值”和

“UNI-T數(shù)字電流表實(shí)際測(cè)量的通過(guò)LED燈的電流值”，如表1所示，且根據(jù)電壓和電流的關(guān)系繪制對(duì)應(yīng)的U-I圖，如圖5所示。

綜合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：（1）通過(guò)LED燈的電流隨電壓的增大而增大，隨電壓的減小而減小;（2）當(dāng)通過(guò)LED燈的電流越大時(shí)，燈越亮，反之越暗;（3）當(dāng)LED燈阻值保持不變時(shí)，導(dǎo)體中的電壓與導(dǎo)體兩端的電流成正比，比值即為L(zhǎng)ED燈的電阻，約606.13 Ω，符合歐姆定律。

4.3 ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將新穎的人工智能Arduino編程應(yīng)用在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用PWM智能調(diào)光燈精準(zhǔn)地驗(yàn)證了歐姆定律，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐瑫r(shí)，也將編程教育融入了中學(xué)物理課堂中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，更加直觀地感受物理現(xiàn)象。通過(guò)PWM智能調(diào)光燈模擬LED燈工作情況，激發(fā)學(xué)生對(duì)新事物的求知欲;通過(guò)了解編程相關(guān)的知識(shí)，使學(xué)生的邏輯思維能力得到啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]彭前程.義務(wù)教育教科書(shū)物理九年級(jí)上冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2013：68-70.

（欄目編輯 ? ?張正嚴(yán)）