正文
人工智能時(shí)代，智能技術(shù)應(yīng)用正在推動(dòng)課堂教學(xué)改革。2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提倡“利用智能技術(shù)推動(dòng)促進(jìn)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方式變革，建立包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系”。現(xiàn)今，中高中班主任怎樣利用智能技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)協(xié)作的高效課堂成為熱點(diǎn)問(wèn)題。發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要作用，提升中學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，是數(shù)學(xué)班主任的職責(zé)和使命。在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，班主任可以利用智能技術(shù)讓中學(xué)生多方位體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程。筆者以“測(cè)量滑車架機(jī)械效率”為例，利用機(jī)器智能觀察、語(yǔ)音控制和智能估算等技術(shù)改進(jìn)課堂實(shí)驗(yàn)，突破教學(xué)難點(diǎn)。
一
教學(xué)難點(diǎn)剖析及確診
（一）教材內(nèi)容剖析
人教版《物理》八年級(jí)上冊(cè)“機(jī)械效率”小節(jié)的內(nèi)容編排如下：班主任通過(guò)演示引出有用功、額外功和總功的概念，導(dǎo)入兩者之間的關(guān)系；用生活常識(shí)引出機(jī)械效率的概念，并推論機(jī)械機(jī)率的估算公式；講解起重機(jī)機(jī)械效率的算例，由此引出檢測(cè)滑車架機(jī)械效率的實(shí)驗(yàn)。班主任組織三次檢測(cè)活動(dòng)，引導(dǎo)中學(xué)生剖析數(shù)據(jù)變化情況并對(duì)機(jī)械效率影響誘因進(jìn)行剖析，由此歸納增強(qiáng)機(jī)械效率的主要方式。
本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：班主任通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)剖析，確診和培養(yǎng)中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的知識(shí)理解—綜合應(yīng)用—實(shí)驗(yàn)探究—跨界應(yīng)用四級(jí)表征的科學(xué)探究發(fā)展水平[1]。中學(xué)生學(xué)會(huì)剖析有用功、額外功和總功，能說(shuō)出機(jī)械效率的涵義并用公式估算機(jī)械效率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解滑車架的機(jī)械效率與物體重力有關(guān)。教學(xué)重點(diǎn)是機(jī)械效率的估算，教學(xué)難點(diǎn)是檢測(cè)滑車架的機(jī)械效率。中學(xué)生要體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程機(jī)械效率教學(xué)視頻全集，探求機(jī)械效率的影響誘因，體會(huì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)、分析推論等全過(guò)程，以提升科學(xué)探究和科學(xué)思維等學(xué)科核心素質(zhì)。
（二）教學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題確診
好多化學(xué)班主任舉辦了相關(guān)數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究。劉納川借助減速馬達(dá)取代手提測(cè)力計(jì)提升教學(xué)效率，田曉娜采用不同繞線材質(zhì)、動(dòng)滑輪和重物通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)機(jī)械效率影響誘因。檢測(cè)滑車架的機(jī)械效率是課堂演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中須要應(yīng)用的原理是機(jī)械效率η=W有/W總。檢測(cè)滑車架的機(jī)械效率是機(jī)械效率的估算公式的實(shí)際應(yīng)用，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為中學(xué)生探究機(jī)械效率的影響誘因和增強(qiáng)機(jī)械效率方式作鋪墊的，在課堂教學(xué)中起著承前啟后的重要作用。但那些在教學(xué)施行中存在困難，主要表現(xiàn)在以下方面。
一是檢測(cè)問(wèn)題。師生用鼻子觀察法搜集數(shù)據(jù)偏差較大，會(huì)造成估算結(jié)果與理論值相差較大。在課堂上的實(shí)際操作中，因受光源、觀察角度和觀察者個(gè)體差別等影響，人眼觀察得來(lái)的數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值不高，甚至與理論值矛盾。
二是實(shí)驗(yàn)流程問(wèn)題。自動(dòng)帶動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)后，實(shí)驗(yàn)者需讀取鉤碼上升高度h、拉力F和彈簧測(cè)力計(jì)聯(lián)通距離s等三項(xiàng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)者需三次自動(dòng)勻速帶動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)使其上升，實(shí)際操作中很難保證彈簧測(cè)力計(jì)以相同勻速上升，造成數(shù)據(jù)偏差較大。三次“拉動(dòng)彈簧再讀三項(xiàng)數(shù)據(jù)”及更換鉤碼，這樣做實(shí)驗(yàn)程序太艱深，效率很低。
三是估算歸因問(wèn)題。師生估算有用功W有、總功W總和機(jī)械效率η，估算量較大，緩解實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，影響效率。倘若僅兩次改變鉤碼數(shù)目，則估算偏差較大，造成數(shù)據(jù)剖析歸因不顯著。
二
智能技術(shù)支持下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
用于輔助教學(xué)的智能技術(shù)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(jié)課教學(xué)難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了基于智能技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如圖1）。此實(shí)驗(yàn)設(shè)備的智能技術(shù)應(yīng)用主要彰顯在機(jī)器智能觀察、機(jī)器語(yǔ)音控制和機(jī)器智能估算三個(gè)方面。
圖1創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備概貌圖
（一）利用機(jī)器智能觀察，精準(zhǔn)檢測(cè)上升高度
筆者借助超聲波傳感、液晶顯示屏和軟件編程設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)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(cè)h值，顯卡手動(dòng)將數(shù)據(jù)傳遞到液晶顯示屏進(jìn)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(yōu)化用于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器智能觀察，增加了實(shí)驗(yàn)讀數(shù)偏差，打破了光源、觀測(cè)角度等環(huán)境或條件限制，有利于中學(xué)生確切讀數(shù)。
（二）通過(guò)機(jī)器語(yǔ)音控制，科學(xué)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程
筆者借助步進(jìn)馬達(dá)、語(yǔ)音控制和軟件編程設(shè)計(jì)了用語(yǔ)音控制彈簧測(cè)力計(jì)勻速上升的人工智能模塊2（如圖3）。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)“小亞，運(yùn)動(dòng)”口令語(yǔ)音控制步進(jìn)馬達(dá)利用滑輪，將動(dòng)力轉(zhuǎn)化成拉力F實(shí)現(xiàn)鉤碼勻速上升，發(fā)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(shù)。
圖3“步進(jìn)馬達(dá)+語(yǔ)音控制”模塊
筆者借助步進(jìn)馬達(dá)和語(yǔ)音控制組合模塊，實(shí)現(xiàn)了拉力智能化、自動(dòng)化。機(jī)器語(yǔ)音控制取代了原先的自動(dòng)控制，除了解放了實(shí)驗(yàn)者的手掌，并且簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。對(duì)課堂上須要重復(fù)做的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)療效尤為明顯——縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于中學(xué)生剖析數(shù)據(jù)并對(duì)影響機(jī)械效率影響誘因進(jìn)行探究。
（三）基于機(jī)器智能剖析，培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)探究精神
借助模塊1、彈簧測(cè)力計(jì)、鉤碼、希沃一體機(jī)、軟件組成的人工智能模塊3，實(shí)驗(yàn)者先觀測(cè)彈簧測(cè)力計(jì)聯(lián)通距離的讀數(shù)，將重力G、上升高度h、拉力F、彈簧測(cè)力計(jì)聯(lián)通距離s值輸入（已設(shè)定函數(shù)關(guān)系的表格）系統(tǒng)中，估算用功、總功、機(jī)械效率，再對(duì)重力G與機(jī)械效率進(jìn)行雙變量回歸剖析，探究?jī)山M數(shù)據(jù)之間的關(guān)系（如圖4）。
希沃一體機(jī)和函數(shù)功能及數(shù)據(jù)剖析功能的組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了估算智能化和機(jī)械效率影響誘因探究過(guò)程智能化、可視化。筆者使用模塊的函數(shù)功能，突破估算難點(diǎn)，集中精力引導(dǎo)中學(xué)生探究影響機(jī)械效率的誘因；借助智能估算功能，適當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，搜集更多數(shù)據(jù)，提升了機(jī)械效率影響誘因分析的可效度；利用機(jī)器智能剖析技術(shù)，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能，更好地展示了科學(xué)探究思維過(guò)程，迸發(fā)了中學(xué)生的科學(xué)探究熱情。
圖4智能估算與剖析
三
總結(jié)與展望
（一）總結(jié)
課堂演示實(shí)驗(yàn)是數(shù)學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是突破教學(xué)重難點(diǎn)的重要形式。在人工智能的環(huán)境下，班主任用機(jī)器觀測(cè)取代了中學(xué)生的視覺(jué)，增加了中學(xué)生體驗(yàn)感，但提高了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近推論。機(jī)器勻速提高鉤碼，取代了實(shí)驗(yàn)者自動(dòng)，機(jī)器成了實(shí)驗(yàn)者的第三只手。從演示實(shí)驗(yàn)角度看，機(jī)器解放了實(shí)驗(yàn)者的手掌，增強(qiáng)了效率。語(yǔ)音控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)，提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的交互性和趣味性，豐富了實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)的直觀體會(huì)。實(shí)驗(yàn)者在觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程的同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音控制，才能有效控制鉤碼運(yùn)動(dòng)，使之確切而快捷地運(yùn)行至預(yù)期的位置。在數(shù)據(jù)搜集后，班主任借助公式取代自動(dòng)估算，大大增加了實(shí)驗(yàn)操作難度，讓中學(xué)生有充分的時(shí)間去歸納影響機(jī)械效率的誘因，以提升智能估算思維和科學(xué)思維能力。班主任基于新技術(shù)優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)流程，即班主任改變重力G，讓中學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)，使用機(jī)器剖析數(shù)據(jù)，剖析重力G與機(jī)械效率η的關(guān)系，同時(shí)改變滑車架進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，使用機(jī)器剖析數(shù)據(jù)，探求各類變量與機(jī)械效率η的關(guān)系，這一系列的改進(jìn)與嘗試有助于中學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系，突破難點(diǎn)。
在上述實(shí)驗(yàn)中，筆者用機(jī)器智能觀察功能實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)精準(zhǔn)化，用機(jī)器語(yǔ)音控制功能實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，用機(jī)器語(yǔ)音控制功能實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作的智能化，用機(jī)器智能剖析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究的可視化。智能技術(shù)的應(yīng)用為課堂教學(xué)提質(zhì)增效提供了有力支持。
（二）展望
探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是引導(dǎo)中學(xué)生深度學(xué)習(xí)的重要形式。在智能技術(shù)支持下，中學(xué)生親身體驗(yàn)檢測(cè)滑動(dòng)輪機(jī)械效率實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，以便深入理解實(shí)驗(yàn)原理。班主任借助機(jī)器技術(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以提高實(shí)驗(yàn)交互性，豐富中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體會(huì)。智能技術(shù)的應(yīng)用為中學(xué)生舉辦多次數(shù)多變量的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)創(chuàng)造了條件，有利于中學(xué)生體會(huì)探究實(shí)驗(yàn)的普遍性、真實(shí)性和科學(xué)性，促使中學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展。中學(xué)生通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究影響機(jī)械效率誘因，聯(lián)系生活實(shí)際機(jī)械效率教學(xué)視頻全集，剖析多種誘因的影響，產(chǎn)生增強(qiáng)機(jī)械效率的策略，除了有利于節(jié)能、減排、增效，并且有利于培養(yǎng)科學(xué)精神與科學(xué)觀念。
注：本文系浙江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度青年專項(xiàng)課題“基于智能終端+App中學(xué)語(yǔ)文教學(xué)實(shí)踐的研究”（編號(hào)：）、全國(guó)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度單位捐助課題“基于核心素質(zhì)培植的小學(xué)校本課程建設(shè)研究”（編號(hào)：）的研究成果。
五
參考文獻(xiàn)
[1]?杜明榮,廖伯琴.實(shí)驗(yàn)與探究能力怎樣評(píng)價(jià)——以日本GCE化學(xué)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(zhǎng)沙市高鐵第一中學(xué)
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