AI赋能下的摆的研究实验创新

周伟明

实验原型及不足

《摆的研究》一课，安排了改变摆锤重量及改变摆绳长度两个探究实验，在实际教学中存在以下问题：学生在做两个探究实验的时候都需要多次记录15秒内摆动的次数，会存在漏数或多数的情况;实验装置上没有测量摆动幅度的工具，实验过程中学生只能估计幅度大小;在改变摆锤重量的实验中，用到一个垫圈和多个垫圈进行对比（如图1），这虽然改变了摆锤的重量，但也改变了摆锤的大小;无论是将摆绳固定在铁架台上，还是用摆绳连接摆锤，都需要用打结的方式来固定，这对部分学生来说存在困难。

实验器材

铁架台、智能计次器硬件（各种基于Arduino的主控板、红外接近传感器、1602LCD显示屏或四位数码管）、量角器、大小相同的带孔金属球和塑料球各一个、细绳收纳盘、扭簧或一字形的发卡、防干扰实验箱（选用）等。

实验改进

1.自制智能计次器

（1）用智能计次器硬件制作智能计次器（如图2）。

（2）用可视化编程软件（如mPython0.4.1，编程界面简单易学）编写自动计次程序，并用数据线将程序上传到主控板，一个具有自动计次功能的计次器就完成了。

（3）用一个打孔的塑料瓶固定红外接近传感器，将智能计次器安装在铁架台上（如图3）。塑料瓶可以上下移动，便于研究改变摆绳长度的实验。

2.安装量角器

在铁架台上安装量角器，可直观、定量地测量出摆幅大小，解决研究改变摆锤重量和改变摆绳长度两个实验中摆幅不变的公平性问题。

由于普通的量角器刻度复杂、数字倒立、不易于固定在铁架台上，因此可利用画图等软件绘制易于读数的量角器，再利用激光切割机切割出亚力克材质的量角器（如图4）。

3.安装摆锤

在改变摆锤重量的实验中，用网上购买的两个大小一样、材质不一样的带孔小球代替垫圈进行实验（如图5），更能体现实验的公平性。

4.安装细绳收纳盘

在改变摆绳长度的实验中，用细绳收纳盘收放细绳（如图6），便于改变摆绳的长度，而且摆绳上每10？cm用不同的颜色标明长度，学生不用测量就知道每次实验的摆绳长度。

5.安装扭簧

摆绳的收纳盘直接固定在实验装置的顶端，解决了打结固定摆绳不牢固的问题，摆绳另一端连接一个很小的扭簧（如图7），扭簧具有一定的弹力，捏住扭簧插入带孔的小球（摆锤），自动卡住了小球（摆锤），需要更换摆锤的时候，轻轻一拔即可，非常快捷、方便，解决了打结不容易绑住摆锤的问题。

除了以上的改进，我还自制了防干扰透明实验箱（如图8），所有的实验都在实验箱里面完成，不但可以防止人为因素的干扰，还可以防止风力等自然因素的干扰。实验箱可以根据实际情况选用。

实验优点

1.实验装置综合性强，不但能完成本节课的所有实验，还能用于《机械钟摆》和《做一个钟摆》等课的实验研究。

2.在测15秒内摆动次数的时候，运用AI技術辅助记录，使实验数据记录更加便捷准确，自制的计次器还可用于解决生活中的其他问题。

3.操作简单方便，有利于学生把精力放在实验探究本身而非组装调试器材上。

4.实验装置改进过程中运用了人工智能技术，体现了科技创新、与时俱进的理念，有利于培养学生利用科技解决生活中遇到的问题的能力。