生成式人工智能和Arduino在物理实验中的应用——以声速的测量为例

宋定飞，谢姣娣

1.福建省泉州第十一中学，福建 泉州 362011

2.福建省泉州第五中学桥南校区，福建 泉州 362212

作为人工智能的一个分支，生成式人工智能（AIGC）是指基于人工智能算法、模型和规则生成文本、代码、图片、声音、视频等内容的技术［1］。近年来，随着Transformer 架构在自然语言处理（NLP）领域的重大突破，大规模训练成为可能。生成式人工智能迎来新时代，已经涌现出强大的学习能力，正以雷霆之势改变着越来越多行业的理念和逻辑。

教育被认为是人工智能落地最好的应用场景之一。在教育改革持续深化的背景下，打破传统学科的壁垒和界限，实现跨学科融合成为趋势［2］。《义务教育物理课程标准（2022年版）》中提到：“从多学科角度观察、思考和分析问题，挖掘、选取有教育意义的素材，将其改造成跨学科实践的问题或任务。”［3］因此，跨学科融合开展物理教学势在必行，这既可以激发学生的好奇心和学习兴趣，也可以在前沿技术的赋能下提高教学效率和质量。采用现代化教学手段，能有效促进物理概念的建构和知识的深入理解［4］。这里，尝试以声速的测量为例，利用生成式人工智能服务和Arduino等电子硬件，开展物理实验设计、操作等教学工作，向学生科普生成式人工智能和电子开发平台等科技知识，锻炼其动手实践能力和跨学科思维能力。

1 生成式人工智能服务和Arduino 的简要介绍

1.1 生成式人工智能服务

当前，主流的生成式人工智能服务有ChatGPT、文心一言、通义千问等。ChatGPT 是OpenAI 公司于2022年11月发布的利用大语言模型训练的通用对话系统，它以聊天的方式进行交互，自然语言处理能力突出，可用于问答、文本摘要生成、机器翻译、代码生成等。2023年，OpenAI 发布了最新的GPT－4 生成式人工智能模型，具备文本、视频、图像等多类型输出能力。在各类专业测试中，其输出内容的质量已经接近或超出人类现有水平。文心一言是百度公司于2023年3月发布的全新一代知识增强大语言模型，能够通过自然语言与人类对话互动，具备写作、推理、生图等多模态输出能力。从已披露的信息看，文心一言能较好地理解人类意图，其输出内容也具备较强的准确性、逻辑性和流畅性。通义千问是阿里巴巴开发的通用大语言模型，具备多轮对话功能，支持多种语言，可用于文学创作、数理推理等，也可根据各行业需要生成专有的模型，解决其现实问题。这里，使用生成式人工智能服务ChatGPT 的国内第三方接口进行实验设计。

1.2 Arduino 电子开发平台简介

Arduino 是全球最流行的开源电子开发平台之一。其硬件电路板和软件IDE 历经多次升级，是设计智能控制硬件的首选工具。Arduino 配有一组数字和模拟I/O 引脚，可简单地与传感器及各式各样的电子组件连接，进而实现特定功能的扩展［4］。因此，Arduino 可显著降低物理实验的门槛，其测量精度也能达到足够高的水平，在丰富物理教学资源的同时，也能让学生亲身体验前沿科学技术［5］。这里，使用一块Arduino UNO 电路板和一块超声波传感器扩展板进行实验设计。

2 实验原理及设计

2.1 实验原理

顾名思义，声速是指声音在介质中的传播速度。通过物理实验测量声速，具有显著的现实意义，也需要具备较强的综合能力。在实验开始前，教师要引导学生对相关知识进行必要的回顾，对将要用到的软硬件平台做必要的铺垫，使学生能更好地理解实验原理。

实验中，超声波传感器在Arduino 电路的控制下，向外发送超声波，电路同时启动计时器。超声波与障碍物接触后反射回来，被超声波传感器接收，计时器停止。刻度尺显示，超声波传感器与障碍物相距s，计时器从开始到停止的时间为t，则超声波以空气为介质的传播速度v＝2s/t。Arduino 的控制程序代码，由ChatGPT 生成。具体原理如图1所示。

图1 实验原理图

2.2 实验设计

沪科版第三章第一节“科学探究：声音的产生与传播”介绍了声速大小，教师常采用熟记的方法引导学生记忆，不利于学生的认知过程。借助多媒体软件进行声速的测量，发挥人机的交互性功能，将增强实验现象的可视化和实验数据釆集的实时化［6］。与传统的声速测量方法不同，实验设计基于生成式人工智能服务、Arduino 电子开发平台及相关拓展板。具体步骤设计如下：

（1）引导学生用文字详细描述实验原理，描述中应该包括一些设定的实验条件，比如超声波发生器和障碍物的距离，以及希望Arduino 电路实现什么功能。

（2）在生成式人工智能平台中输入上述文字，平台会给出具体的操作步骤和程序代码，教师引导学生检查实验步骤和程序代码，并做必要的修正。

（3）准备计算机、Arduino 电路板、超声波传感器、障碍物、刻度尺等实验器具，按照程序代码的指示连接线路。

（4）在Arduino 编程环境中输入上述程序代码，编译上传。

（5）收集Arduino 电路输出的数据，统计并绘制图表，得到实验结果。

在具体实践中，可以多次改变超声波传感器和障碍物的距离，重复上述步骤，观察实验结果的变化。

3 实验操作流程

3.1 编写提示语

提示语是人类与生成式人工智能服务交流用的语言。提示语要具体且有针对性，能清楚地概述对话的目标和期望，以获得高质量的输出和回复。

在实验中，通过提示语将实验原理和条件告诉生成式人工智能平台，希望其生成实验步骤与相关代码。典型的提示语如下：“利用Arduino 和超声波传感器测量声音在空气中的传播速度，假定障碍物和传感器相距20 厘米，超声波传感器发射声波的同时开始计算时间，接触障碍物后立即返回，超声波传感器接收到反射波时停止计算时间。根据上述距离和时间计算声音传播速度。请给出连接方式和示例程序。”存在提示语差异是正常现象，教师可引导学生在实验中留意观察，不同的提示语是否以及如何改变实验结果。

3.2 与生成式人工智能互动

将前述提示语输入到ChatGPT 生成式人工智能的对话界面中，得到的回复的部分截图如图2所示。

图2 生成式人工智能针对提示语的回复

生成式人工智能输出的示例程序摘录要点如图3所示。

图3 生成式人工智能输出的示例程序

需要注意的是，生成式人工智能服务输出的程序代码存在一些错误。示例程序中，测量的声速数值已出现在程序中，并被用来计算声波的传播距离。按照实验设定，此距离本应该是已知条件。因此，教师应向学生说明人工智能并不完美，并逐个检查学生得到的程序代码，引导其做必要的修改。

3.3 硬件连接

在此步骤中，教师应指导学生准备计算机、Arduino 电路板、超声波传感器、障碍物、刻度尺等实验器具，并按照程序代码的指示连接线路，实物图如图4所示。其中，障碍物处于超声波传感器的正前方，且直线距离与前述步骤中描述的一致。

图4 简易声速测量装置实物图

在进行下一步实验前，教师引导学生进行开放式思考。例如，让学生思考，如果改变环境温度，或者超声波传感器与障碍物之间的介质，会对实验结果有怎样的影响。结合具体实验操作，学生将更全面地理解影响声音传播速度的各种因素。

3.4 Arduino 编程

将修改后的程序代码粘贴到Arduino 编程环境，再次调试无误后编译并上传至Arduino 电路板中。可以看到，Arduino 能持续输出运行结果，如图5所示。部分学生因硬件连接或软件程序等原因，无法获得预期结果，教师应引导学生逐步排查，克服困难并调试成功。

图5 Arduino 程序运行结果

3.5 收集整理数据

成功获得输出结果的学生，收集20 组输出数据，绘制成散点图。图6 为其中一个范例，数据点均值为339.85 米/秒，标准差为0.66 米/秒。即超声波在室温（约21 摄氏度）、空气介质中的传播速度约为339.85 米/秒。实验完成后，教师除要求学生提交实验报告外，还可要求其通过回顾实验全流程深刻思考和总结，充分体会科学探究过程的乐趣。

图6 20 组声速测量结果散点图

4 结束语

将生成式人工智能技术、Arduino 可编程电子开发平台与物理实验相结合，测量了超声波在空气中的传播速度。不仅获得了较为精确的实验结果，也展现了一种全新的物理实验设计和实施方式。结果表明，依赖科学技术的赋能，物理实验教学可以更生动、更高效。在这个过程中，学生不仅能更好地掌握相关物理知识，也能更深刻地体验前沿技术。需要注意的是，尽管生成式人工智能技术有了长足进步，但其输出结果仍然存在一定的瑕疵。另外，人工智能缺乏人类的想象力和创造力，无法突破现有的知识框架，也无法像人类一样，在教学过程中传递价值观和道德观。因此，教师应该充分发挥主观能动性。在具体操作上，应利用专业知识去识别并弥补这些瑕疵。在思想认识上，应重视并关注人工智能技术的发展，努力探索其在协同教学、个性化教学等方面的积极作用。