正文
人工智能時代，智能技術應用正在推動課堂教學改革。2017年國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，提倡“利用智能技術推動促進人才培養模式、教學方式變革，建立包含智能學習、交互式學習的新型教育體系”。現今，中高中班主任怎樣利用智能技術設計人機協作的高效課堂成為熱點問題。發揮實驗在數學教學中的重要作用，提升中學生科學素質，是數學班主任的職責和使命。在演示實驗教學中，班主任可以利用智能技術讓中學生多方位體驗科學探究過程。筆者以“測量滑車架機械效率”為例，利用機器智能觀察、語音控制和智能估算等技術改進課堂實驗，突破教學難點。
一
教學難點剖析及確診
（一）教材內容剖析
人教版《物理》八年級上冊“機械效率”小節的內容編排如下：班主任通過演示引出有用功、額外功和總功的概念，導入兩者之間的關系；用生活常識引出機械效率的概念，并推論機械機率的估算公式；講解起重機機械效率的算例，由此引出檢測滑車架機械效率的實驗。班主任組織三次檢測活動，引導中學生剖析數據變化情況并對機械效率影響誘因進行剖析，由此歸納增強機械效率的主要方式。
本節課的教學目標：班主任通過檢測實驗和數據剖析，確診和培養中學生在實驗中的知識理解—綜合應用—實驗探究—跨界應用四級表征的科學探究發展水平[1]。中學生學會剖析有用功、額外功和總功，能說出機械效率的涵義并用公式估算機械效率，通過實驗了解滑車架的機械效率與物體重力有關。教學重點是機械效率的估算，教學難點是檢測滑車架的機械效率。中學生要體驗實驗全過程機械效率教學視頻全集，探求機械效率的影響誘因，體會實驗檢測數據、收集數據、分析推論等全過程，以提升科學探究和科學思維等學科核心素質。
（二）教學難點問題確診
好多化學班主任舉辦了相關數字化創新實驗研究。劉納川借助減速馬達取代手提測力計提升教學效率，田曉娜采用不同繞線材質、動滑輪和重物通過多組實驗增強機械效率影響誘因。檢測滑車架的機械效率是課堂演示實驗項目。中學生在實驗中須要應用的原理是機械效率η=W有/W總。檢測滑車架的機械效率是機械效率的估算公式的實際應用，這個實驗是為中學生探究機械效率的影響誘因和增強機械效率方式作鋪墊的，在課堂教學中起著承前啟后的重要作用。但那些在教學施行中存在困難，主要表現在以下方面。
一是檢測問題。師生用鼻子觀察法搜集數據偏差較大，會造成估算結果與理論值相差較大。在課堂上的實際操作中，因受光源、觀察角度和觀察者個體差別等影響，人眼觀察得來的數據應用價值不高，甚至與理論值矛盾。
二是實驗流程問題。自動帶動彈簧測力計后，實驗者需讀取鉤碼上升高度h、拉力F和彈簧測力計聯通距離s等三項數據。實驗者需三次自動勻速帶動彈簧測力計使其上升，實際操作中很難保證彈簧測力計以相同勻速上升，造成數據偏差較大。三次“拉動彈簧再讀三項數據”及更換鉤碼，這樣做實驗程序太艱深，效率很低。
三是估算歸因問題。師生估算有用功W有、總功W總和機械效率η，估算量較大，緩解實驗進度，影響效率。倘若僅兩次改變鉤碼數目，則估算偏差較大，造成數據剖析歸因不顯著。
二
智能技術支持下的實驗教學設計
用于輔助教學的智能技術一般包括可分拆或組合的硬件和可編程的智能（軟件）模塊。為突破本節課教學難點，筆者設計了基于智能技術的創新實驗設備（如圖1）。此實驗設備的智能技術應用主要彰顯在機器智能觀察、機器語音控制和機器智能估算三個方面。
圖1創新實驗設備概貌圖
（一）利用機器智能觀察，精準檢測上升高度
筆者借助超聲波傳感、液晶顯示屏和軟件編程設計了用于檢測鉤碼上升高度h的人工智能模塊1。超聲波傳感可確切檢測h值，顯卡手動將數據傳遞到液晶顯示屏進行顯示（如圖2）。
圖2“聲波傳感+液晶顯示器”模塊
筆者將超聲波傳感和液晶顯示屏組合優化用于觀測實驗過程，獲取數據，通過機器智能觀察，增加了實驗讀數偏差，打破了光源、觀測角度等環境或條件限制，有利于中學生確切讀數。
（二）通過機器語音控制，科學簡化實驗流程
筆者借助步進馬達、語音控制和軟件編程設計了用語音控制彈簧測力計勻速上升的人工智能模塊2（如圖3）。實驗者通過“小亞，運動”口令語音控制步進馬達利用滑輪，將動力轉化成拉力F實現鉤碼勻速上升，發出“小亞，停止”口令使之停止上升，保持位置不變，可以確切讀數。
圖3“步進馬達+語音控制”模塊
筆者借助步進馬達和語音控制組合模塊，實現了拉力智能化、自動化。機器語音控制取代了原先的自動控制，除了解放了實驗者的手掌，并且簡化了實驗流程。對課堂上須要重復做的實驗，改進療效尤為明顯——縮短了實驗時間，有利于中學生剖析數據并對影響機械效率影響誘因進行探究。
（三）基于機器智能剖析，培養中學生科學探究精神
借助模塊1、彈簧測力計、鉤碼、希沃一體機、軟件組成的人工智能模塊3，實驗者先觀測彈簧測力計聯通距離的讀數，將重力G、上升高度h、拉力F、彈簧測力計聯通距離s值輸入（已設定函數關系的表格）系統中，估算用功、總功、機械效率，再對重力G與機械效率進行雙變量回歸剖析，探究兩組數據之間的關系（如圖4）。
希沃一體機和函數功能及數據剖析功能的組合應用實現了估算智能化和機械效率影響誘因探究過程智能化、可視化。筆者使用模塊的函數功能，突破估算難點，集中精力引導中學生探究影響機械效率的誘因；借助智能估算功能，適當降低實驗次數，搜集更多數據，提升了機械效率影響誘因分析的可效度；利用機器智能剖析技術，提升了實驗教學效能，更好地展示了科學探究思維過程，迸發了中學生的科學探究熱情。
圖4智能估算與剖析
三
總結與展望
（一）總結
課堂演示實驗是數學教學的重要內容，也是突破教學重難點的重要形式。在人工智能的環境下，班主任用機器觀測取代了中學生的視覺，增加了中學生體驗感，但提高了實驗的科學性和嚴謹性，實驗結果更接近推論。機器勻速提高鉤碼，取代了實驗者自動，機器成了實驗者的第三只手。從演示實驗角度看，機器解放了實驗者的手掌，增強了效率。語音控制機器運動，提高了化學實驗的交互性和趣味性，豐富了實驗者實驗的直觀體會。實驗者在觀察運動過程的同時進行語音控制，才能有效控制鉤碼運動，使之確切而快捷地運行至預期的位置。在數據搜集后，班主任借助公式取代自動估算，大大增加了實驗操作難度，讓中學生有充分的時間去歸納影響機械效率的誘因，以提升智能估算思維和科學思維能力。班主任基于新技術優化了實驗流程，即班主任改變重力G，讓中學生多次實驗，使用機器剖析數據，剖析重力G與機械效率η的關系，同時改變滑車架進行重復實驗，使用機器剖析數據，探求各類變量與機械效率η的關系，這一系列的改進與嘗試有助于中學生構建完整的知識體系，突破難點。
在上述實驗中，筆者用機器智能觀察功能實現了讀數精準化，用機器語音控制功能實現了運動標準化，用機器語音控制功能實現了實驗操作的智能化，用機器智能剖析技術實現了科學探究的可視化。智能技術的應用為課堂教學提質增效提供了有力支持。
（二）展望
探究性實驗教學是引導中學生深度學習的重要形式。在智能技術支持下，中學生親身體驗檢測滑動輪機械效率實驗全過程，以便深入理解實驗原理。班主任借助機器技術優化實驗過程，可以提高實驗交互性，豐富中學生的實驗體會。智能技術的應用為中學生舉辦多次數多變量的實驗探究活動創造了條件，有利于中學生體會探究實驗的普遍性、真實性和科學性，促使中學生科學思維能力發展。中學生通過數字化實驗探究影響機械效率誘因，聯系生活實際機械效率教學視頻全集，剖析多種誘因的影響，產生增強機械效率的策略，除了有利于節能、減排、增效，并且有利于培養科學精神與科學觀念。
注：本文系浙江省教育科學“十三五”規劃2017年度青年專項課題“基于智能終端+App中學語文教學實踐的研究”（編號：）、全國教育科學“十三五”規劃2017年度單位捐助課題“基于核心素質培植的小學校本課程建設研究”（編號：）的研究成果。
五
參考文獻
[1]?杜明榮,廖伯琴.實驗與探究能力怎樣評價——以日本GCE化學A水平考試為例[J].課程·教材·教法,2007(8):87-91.
作者單位：山東省長沙市高鐵第一中學
END