生成式人工智能和Arduino在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
——以聲速的測(cè)量為例

宋定飛，謝姣娣

1.福建省泉州第十一中學(xué)，福建 泉州 362011

2.福建省泉州第五中學(xué)橋南校區(qū)，福建 泉州 362212

作為人工智能的一個(gè)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(lái)，隨著Transformer 架構(gòu)在自然語(yǔ)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(lái)新時(shí)代，已經(jīng)涌現(xiàn)出強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，正以雷霆之勢(shì)改變著越來(lái)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合成為趨勢(shì)［2］。《義務(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(wèn)題，挖掘、選取有教育意義的素材，將其改造成跨學(xué)科實(shí)踐的問(wèn)題或任務(wù)。”［3］因此，跨學(xué)科融合開(kāi)展物理教學(xué)勢(shì)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(shí)的深入理解［4］。這里，嘗試以聲速的測(cè)量為例，利用生成式人工智能服務(wù)和Arduino等電子硬件，開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、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(kāi)發(fā)平臺(tái)等科技知識(shí)，鍛煉其動(dòng)手實(shí)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(jiǎn)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(wèn)等。ChatGPT 是OpenAI 公司于2022年11月發(fā)布的利用大語(yǔ)言模型訓(xùn)練的通用對(duì)話系統(tǒng)，它以聊天的方式進(jìn)行交互，自然語(yǔ)言處理能力突出，可用于問(wèn)答、文本摘要生成、機(jī)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(cè)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(shí)增強(qiáng)大語(yǔ)言模型，能夠通過(guò)自然語(yǔ)言與人類對(duì)話互動(dòng)，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(qiáng)的準(zhǔn)確性、邏輯性和流暢性。通義千問(wèn)是阿里巴巴開(kāi)發(fā)的通用大語(yǔ)言模型，具備多輪對(duì)話功能，支持多種語(yǔ)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(shí)問(wèn)題。這里，使用生成式人工智能服務(wù)ChatGPT 的國(guó)內(nèi)第三方接口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.2 Arduino 電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

Arduino 是全球最流行的開(kāi)源電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)之一。其硬件電路板和軟件IDE 歷經(jīng)多次升級(jí)，是設(shè)計(jì)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(jiǎn)單地與傳感器及各式各樣的電子組件連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定功能的擴(kuò)展［4］。因此，Arduino 可顯著降低物理實(shí)驗(yàn)的門檻，其測(cè)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(shí)，也能讓學(xué)生親身體驗(yàn)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(kuò)展板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

顧名思義，聲速是指聲音在介質(zhì)中的傳播速度。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量聲速，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義，也需要具備較強(qiáng)的綜合能力。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行必要的回顧，對(duì)將要用到的軟硬件平臺(tái)做必要的鋪墊，使學(xué)生能更好地理解實(shí)驗(yàn)原理。

實(shí)驗(yàn)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(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。超聲波與障礙物接觸后反射回來(lái)，被超聲波傳感器接收，計(jì)時(shí)器停止。刻度尺顯示，超聲波傳感器與障礙物相距s，計(jì)時(shí)器從開(kāi)始到停止的時(shí)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(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(guò)程。借助多媒體軟件進(jìn)行聲速的測(cè)量，發(fā)揮人機(jī)的交互性功能，將增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)釆集的實(shí)時(shí)化［6］。與傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法不同，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于生成式人工智能服務(wù)、Arduino 電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)及相關(guān)拓展板。具體步驟設(shè)計(jì)如下：

（1）引導(dǎo)學(xué)生用文字詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)原理，描述中應(yīng)該包括一些設(shè)定的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)什么功能。

（2）在生成式人工智能平臺(tái)中輸入上述文字，平臺(tái)會(huì)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(shí)驗(yàn)步驟和程序代碼，并做必要的修正。

（3）準(zhǔn)備計(jì)算機(jī)、Arduino 電路板、超聲波傳感器、障礙物、刻度尺等實(shí)驗(yàn)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(jì)并繪制圖表，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在具體實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化。

3 實(shí)驗(yàn)操作流程

3.1 編寫提示語(yǔ)

提示語(yǔ)是人類與生成式人工智能服務(wù)交流用的語(yǔ)言。提示語(yǔ)要具體且有針對(duì)性，能清楚地概述對(duì)話的目標(biāo)和期望，以獲得高質(zhì)量的輸出和回復(fù)。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)提示語(yǔ)將實(shí)驗(yàn)原理和條件告訴生成式人工智能平臺(tái)，希望其生成實(shí)驗(yàn)步驟與相關(guān)代碼。典型的提示語(yǔ)如下：“利用Arduino 和超聲波傳感器測(cè)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(shí)開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，接觸障礙物后立即返回，超聲波傳感器接收到反射波時(shí)停止計(jì)算時(shí)間。根據(jù)上述距離和時(shí)間計(jì)算聲音傳播速度。請(qǐng)給出連接方式和示例程序?！贝嬖谔崾菊Z(yǔ)差異是正?，F(xiàn)象，教師可引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中留意觀察，不同的提示語(yǔ)是否以及如何改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 與生成式人工智能互動(dòng)

將前述提示語(yǔ)輸入到ChatGPT 生成式人工智能的對(duì)話界面中，得到的回復(fù)的部分截圖如圖2所示。

圖2 生成式人工智能針對(duì)提示語(yǔ)的回復(fù)

生成式人工智能輸出的示例程序摘錄要點(diǎn)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(wù)輸出的程序代碼存在一些錯(cuò)誤。示例程序中，測(cè)量的聲速數(shù)值已出現(xiàn)在程序中，并被用來(lái)計(jì)算聲波的傳播距離。按照實(shí)驗(yàn)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(shuō)明人工智能并不完美，并逐個(gè)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(jì)算機(jī)、Arduino 電路板、超聲波傳感器、障礙物、刻度尺等實(shí)驗(yàn)器具，并按照程序代碼的指示連接線路，實(shí)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(jiǎn)易聲速測(cè)量裝置實(shí)物圖

在進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)前，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開(kāi)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(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有怎樣的影響。結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)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(wú)誤后編譯并上傳至Arduino 電路板中?？梢钥吹剑珹rduino 能持續(xù)輸出運(yùn)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(wú)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。

圖5 Arduino 程序運(yùn)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(xué)生，收集20 組輸出數(shù)據(jù)，繪制成散點(diǎn)圖。圖6 為其中一個(gè)范例，數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)完成后，教師除要求學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，還可要求其通過(guò)回顧實(shí)驗(yàn)全流程深刻思考和總結(jié)，充分體會(huì)科學(xué)探究過(guò)程的樂(lè)趣。

圖6 20 組聲速測(cè)量結(jié)果散點(diǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

將生成式人工智能技術(shù)、Arduino 可編程電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，也展現(xiàn)了一種全新的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施方式。結(jié)果表明，依賴科學(xué)技術(shù)的賦能，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以更生動(dòng)、更高效。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅能更好地掌握相關(guān)物理知識(shí)，也能更深刻地體驗(yàn)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(zhǎng)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(wú)法突破現(xiàn)有的知識(shí)框架，也無(wú)法像人類一樣，在教學(xué)過(guò)程中傳遞價(jià)值觀和道德觀。因此，教師應(yīng)該充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。在具體操作上，應(yīng)利用專業(yè)知識(shí)去識(shí)別并彌補(bǔ)這些瑕疵。在思想認(rèn)識(shí)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(gè)性化教學(xué)等方面的積極作用。