本书是一本面向中学生的实验设计教材，编者将传感器、开源硬件用于物理、化学、生物等学科的实验设计，旨在改变传统实验中相对固化的实验方式，鼓励学生发现问题、设计实验并获得实验结果，而不仅仅是对传统实验结果进行简单的验证。书中引入人工智能技术，避免了复杂的编程过程，从而使这一新的实验技术得以普及。本书既可供中小学物理、化学、生物学科教师及爱好科技创新的学生使用，也可作为相关教师的培训用书。

郑剑春，北京市第十八中学的正高级教师，教育部“国培计划”首批专家组成员，北京市骨干教师。多年来致力于中小学机器人教育的开展，曾主持参与编写多部教材。主编清华大学出版社的《青少年科技创新丛书》《创客教育丛书》等系列丛书。参与编写的书籍被用于全国多所中学的科技课程，并被纳入教育部全国中小学馆配书目。

前 言 长期以来，中学课堂中的实验教学大多采取预设步骤的方式：学生按照规定的程序进 行器材组装、数据记录，并最终验证既有的科学结论。这样的实验虽然规范，但更多是重 复前人的设计，而并非真正的科学探究。学生在实验操作中往往缺乏自主探索的空间，因 而难以培养严谨的科学思维与动手能力。实验课程的根本目标，应当是让学生通过实验探 索获取知识，而不仅仅是验证已有的结论。然而，传统实验的程序化操作恰恰导致了这一 目标难以实现。 人工智能技术的兴起为实验教学提供了新的解决方案。早在20 年前，机器人进入学 校课堂时，国内外的教育者就开始思考如何将其应用于学科实验，并进行了许多有益的尝 试。编者曾受邀参与乐高教育科学模块的审定工作，其中的理念正与本书的理念高度一致： 通过引入机器人和人工智能技术，实验教学不再局限于传统的固定程序，而是能让学生主 动进行实验设计，发挥潜能，培养探索精神。 然而，对于普通学科教师而言，编程始终是一道难以跨越的门槛。传统的编程方式主 要分为两类：代码式编程（如Python）和图形化编程。图形化编程在最初推广时，旨在降 低入门门槛，面向非专业人员。但在实际教学中，当程序复杂度提高时，即便是图形化编程， 也需要长期训练与专业知识支撑，因而在跨学科应用中仍面临诸多挑战。人工智能的出 现，极大地降低了编程难度，使编程不再仅是专业技能，而逐渐成为一种普遍可用的工具。 基于此，我们提出了一种新的方法：将人工智能与图形化编程结合，应用于教师培训 和实验设计之中。实践表明，这一方法不仅帮助普通学科教师有效突破了编程障碍，还为 ...