核心素養(yǎng)視角下將人工智能應(yīng)用于高中物理教學(xué)的研究

姚佳運(yùn) 趙振宇

(哈爾濱師范大學(xué)教師教育學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025)

張 強(qiáng)

(哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025)

人工智能技術(shù)的興起為人類社會(huì)做出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也為教學(xué)活動(dòng)帶來新的機(jī)遇.如果教師能將人工智能技術(shù)應(yīng)用于高中物理教學(xué)中，不僅能滿足信息技術(shù)2.0時(shí)代的要求，而且也能為核心素養(yǎng)視角下物理教學(xué)的改革提供新思路.本文從人工智能技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)的方式出發(fā)，設(shè)計(jì)相應(yīng)案例，闡述如何將人工智能技術(shù)應(yīng)用于高中物理教學(xué).

1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)與人工智能技術(shù)

截止到2021年上半年，我國人工智能企業(yè)共計(jì)1 454家，位于世界領(lǐng)先地位，而人工智能領(lǐng)域的發(fā)展與物理學(xué)密切相關(guān)，例如“無人駕駛”和“圖像自動(dòng)識(shí)別”等技術(shù)都蘊(yùn)含著豐富的物理知識(shí).物理教學(xué)不僅要通過知識(shí)的傳遞促進(jìn)科技發(fā)展，還要有意識(shí)地應(yīng)用現(xiàn)代科技促進(jìn)人才培養(yǎng)，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的綜合型人才.2021年7月24日我國出臺(tái)“雙減政策”，在“雙減政策”落地后各地各類學(xué)校更加重視教學(xué)創(chuàng)新，鼓勵(lì)教師應(yīng)用人工智能技術(shù)開展教學(xué)活動(dòng)，從而促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生通過學(xué)習(xí)而逐漸形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[1].物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四大要素.教師應(yīng)關(guān)注不同年級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)和水平，關(guān)注不同年級(jí)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的差異性，合理制定教學(xué)目標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法以提高教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的整體化發(fā)展.

2 基于人工智能技術(shù)的物理教學(xué)方式

2.1 科學(xué)前測(cè) 設(shè)置問題情境

教師在開展新課教學(xué)前傳統(tǒng)教學(xué)通常采用“導(dǎo)學(xué)案”的方式讓學(xué)生通過自學(xué)教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生的預(yù)習(xí)結(jié)果不僅不容易統(tǒng)計(jì)，而且也不易發(fā)現(xiàn)個(gè)別學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤前概念，這就難免影響教學(xué)效率及學(xué)生物理觀念的形成.

學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理課程時(shí)存在一定困難，是因?yàn)楦咧形锢碇R(shí)抽象而復(fù)雜，并且學(xué)生會(huì)受到一些錯(cuò)誤前概念的影響.例如，學(xué)生在沒有學(xué)習(xí)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課時(shí)，會(huì)認(rèn)為影響物體下落快慢的因素是物體的質(zhì)量.這時(shí)教師如果采用人工智能系統(tǒng)將問題設(shè)置好并導(dǎo)入系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)手段就可以檢測(cè)出哪些學(xué)生對(duì)此部分知識(shí)有錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，從而幫助教師合理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，輔助課堂教學(xué).進(jìn)而讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)的思維過程，得出物理規(guī)律，形成正確的物理觀念.

2.2 激發(fā)興趣 打造沉浸課堂

物理學(xué)的特點(diǎn)在于源于生活又服務(wù)于生活，高中生對(duì)物理世界的好奇心極其強(qiáng)烈，而如何將學(xué)生的好奇心轉(zhuǎn)化為學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣則是高中物理教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)健.現(xiàn)代人工智能技術(shù)的發(fā)展為教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)提供新思路.例如，教師可以通過結(jié)合AR(Augmented Reality)和VR(Virtual Reality)技術(shù)打造沉浸式課堂，通過視覺追蹤、聲效反饋和觸覺反饋等為學(xué)生營(yíng)造身臨其境的感覺.卡森認(rèn)為這種直觀的學(xué)習(xí)方式符合人腦本能反應(yīng)有利于提高學(xué)習(xí)效率.

例如，在“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”一課中，很多學(xué)生無法理解，如果車速過快，火車轉(zhuǎn)彎時(shí)軌道與車輪間的擠壓會(huì)提供一部分火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力.這時(shí)教師就可以借助VR技術(shù)使學(xué)生身臨其境感受火車軌道在“外高內(nèi)低”的情況下，當(dāng)火車速度過快時(shí)外軌與車輪間存在擠壓，外側(cè)軌道會(huì)對(duì)外側(cè)輪緣產(chǎn)生彈力的作用，從而適當(dāng)增加火車做圓周運(yùn)動(dòng)的加速度.如圖1所示，幫助學(xué)生在頭腦中構(gòu)建物理模型，促進(jìn)科學(xué)思維的形成.又例如，如圖2所示，教師在衛(wèi)星變軌問題中借助VR技術(shù)讓學(xué)生感受衛(wèi)星從低軌道到高軌道的加速過程，幫助學(xué)生更清晰地理解衛(wèi)星加速做離心運(yùn)動(dòng)的過程，形成正確的物理觀念.

圖1 火車轉(zhuǎn)彎

圖2 衛(wèi)星變軌

2.3 分層教學(xué) 保證因材施教

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)評(píng)價(jià)通常是將測(cè)試成績(jī)處于同一階段的學(xué)生劃分為同一水平從而制定教學(xué)目標(biāo).這種方式由于可參考數(shù)據(jù)較少，看似是為學(xué)生提供個(gè)性化指導(dǎo)，實(shí)則并不精準(zhǔn).不同學(xué)生即使成績(jī)相同但他們對(duì)同一知識(shí)的理解程度并不一定相同.而教師如果采用人工智能技術(shù)可以精確得出不同學(xué)生在某一部分知識(shí)的學(xué)習(xí)上存在的不足.

如圖3所示，在課前，人工智能系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況生成學(xué)情分析報(bào)告，幫助教師確定教學(xué)難點(diǎn)，分層設(shè)置教學(xué)目標(biāo).在教學(xué)過程中，教師可以通過講練結(jié)合隨時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，根據(jù)學(xué)生具體情況隨時(shí)調(diào)整課堂節(jié)奏，提升教學(xué)質(zhì)量.下課前，系統(tǒng)會(huì)為學(xué)生提供當(dāng)堂測(cè)驗(yàn)，針對(duì)學(xué)生短板為學(xué)生提供適合自己的作業(yè).但是要注意作業(yè)的布置不能僅僅局限于知識(shí)與技能性作業(yè)，還要包括活動(dòng)性任務(wù)，關(guān)注前沿技術(shù)、聚焦社會(huì)熱點(diǎn)，從而開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.除此之外，人工智能系統(tǒng)還可以為學(xué)生提供可視化的學(xué)習(xí)報(bào)告，科學(xué)地指導(dǎo)學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)，卓有成效地幫助學(xué)生形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)，做到因材施教.

圖3 教學(xué)流程

2.4 先學(xué)后教 構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂

當(dāng)前教學(xué)活動(dòng)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，使學(xué)生成為教學(xué)的主體，教師借助人工智能系統(tǒng)為學(xué)生提供新課資料，讓學(xué)生課前先自學(xué)，將不理解的內(nèi)容拿到課堂中討論[2]，并為學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)報(bào)告.該課程報(bào)告也為教師課堂設(shè)計(jì)提供依據(jù)，幫助教師打造輕松的課堂環(huán)境，有教先學(xué)，以學(xué)定教，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力.

2.5 科學(xué)評(píng)價(jià) 聚焦核心素養(yǎng)

美國計(jì)算機(jī)自適應(yīng)測(cè)試根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)和教育情境以及實(shí)踐場(chǎng)域，用多元化評(píng)價(jià)方式開展各州的K-12教育測(cè)評(píng),但是，有關(guān)素養(yǎng)結(jié)構(gòu)方面的評(píng)價(jià)效果表現(xiàn)不佳.其一，內(nèi)隱性和復(fù)雜性是素養(yǎng)結(jié)構(gòu)的典型特征，這為測(cè)評(píng)的過程增加難度.其二，由于素養(yǎng)結(jié)構(gòu)模型是知識(shí)、 技能和態(tài)度的綜合表現(xiàn)，這對(duì)測(cè)評(píng)指標(biāo)結(jié)構(gòu)的綜合系統(tǒng)性和整個(gè)測(cè)評(píng)過程的科學(xué)性提出更高要求[3].因此，素養(yǎng)數(shù)據(jù)的挖掘與關(guān)聯(lián)需要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，而人工智能大數(shù)據(jù)可以通過儲(chǔ)存與統(tǒng)計(jì)學(xué)生以往學(xué)習(xí)情況，細(xì)化評(píng)價(jià)目標(biāo)，為素養(yǎng)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).

3 人工智能促進(jìn)物理核心素養(yǎng)形成的案例

“萬有引力定律”一直以來都是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是高考物理重點(diǎn)考點(diǎn).但又由于天體運(yùn)動(dòng)對(duì)初學(xué)者而言極其抽象晦澀，因此,對(duì)教師教學(xué)提出更高要求.本文以人教版高中物理必修二“萬有引力定律”一課為例介紹人工智能與高中物理教學(xué)相結(jié)合促進(jìn)物理核心素養(yǎng)形成的案例，旨在應(yīng)用人工智能技術(shù)輔助高中物理教學(xué)提高教學(xué)效率.

3.1 行星與太陽之間的引力

通過系統(tǒng)前測(cè)，明確學(xué)生前概念，此階段學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過開普勒三定律.教師再讓學(xué)生通過AI系統(tǒng)自學(xué)了解胡克、哈雷等人對(duì)行星繞太陽運(yùn)動(dòng)這一問題的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生自主了解物理學(xué)史，掌握物理學(xué)發(fā)展脈絡(luò)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，體會(huì)前人對(duì)物理問題的探索，從問題出發(fā)，通過猜想、觀測(cè)、驗(yàn)證得出規(guī)律，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維.學(xué)生通過觀看flash動(dòng)畫形成行星的圓周運(yùn)動(dòng)模型，明確不同行星圍繞同一中心天體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不同軌道上行星線速度不同，且軌道越高線速度越小.如圖4和圖5所示.火星和地球繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道位于同一平面，由于火星與地球做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，所以二者在運(yùn)動(dòng)時(shí)的線速度也不同.學(xué)生通過自主操作與觀察，得出結(jié)論：行星的運(yùn)行軌道越高運(yùn)動(dòng)越慢，使學(xué)生形成科學(xué)的運(yùn)動(dòng)觀.

圖4 火星軌道

圖5 地球軌道

3.2 月-地檢驗(yàn)

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：地球與月球間的作用力與地球和蘋果間的作用力是否是同一種性質(zhì)的力，如果二者是同種性質(zhì)的力應(yīng)滿足什么條件.教師將月-地檢驗(yàn)視頻上傳到人工智能系統(tǒng)中，如圖6所示.

圖6 引力探討

猜想與假設(shè)：

a蘋=g=9.8 m/s2

代入數(shù)據(jù)，算出a月理論數(shù)值

學(xué)生觀看視頻并運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律與萬有引力定律兩種方法得出月球加速度的理論分析值和天文觀測(cè)值相同，進(jìn)而得出結(jié)論：地面上的物體受到的地球引力和月球受到的地球引力是同一性質(zhì)的力——萬有引力，幫助學(xué)生構(gòu)建清晰的科學(xué)探究過程.

3.3 萬有引力定律與引力常量

物理教育家朱正光說：“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”.由于卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中無法讓每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行操作，但是可以借助人工智能技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生在觀察教師的課堂演示后采用學(xué)校為學(xué)生配備的AI教學(xué)平板進(jìn)行虛擬操作.如圖7所示，將小金屬球m系在長(zhǎng)木棒的兩邊并用金屬線懸吊起來，細(xì)線上固定一面鏡子，用準(zhǔn)直的細(xì)光束照射鏡子，此時(shí)細(xì)光束會(huì)反射到一個(gè)很遠(yuǎn)的地方，標(biāo)記下此時(shí)細(xì)光束的所在位置，再用兩個(gè)質(zhì)量一樣的鉛球m′同時(shí)分別吸引扭秤上的兩個(gè)鉛球.由于萬有引力作用，扭秤有微小偏轉(zhuǎn)，但可以觀察到細(xì)光束所反射的遠(yuǎn)點(diǎn)移動(dòng)了較大的距離，由此計(jì)算出萬有引力常數(shù)G[4].教師采用這種方式幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本步驟，使學(xué)生了解轉(zhuǎn)換法和二次放大法的應(yīng)用.通過觀察引力常量的得出過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.此外，將卡文迪許個(gè)人資料與卡文迪許實(shí)驗(yàn)室相關(guān)資料上傳到學(xué)生用戶端，使學(xué)生在課下有豐富的課外學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生了解物理學(xué)史，開拓學(xué)生視野，豐富學(xué)生認(rèn)知，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).

圖7 卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)

3.4 結(jié)合時(shí)事 培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

教師在課堂教學(xué)中要對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)做到講練結(jié)合，課后系統(tǒng)會(huì)為學(xué)生生成個(gè)性化的課堂報(bào)告并布置作業(yè).浩瀚的宇宙魅力無窮，除了布置知識(shí)技能層面的作業(yè)外，還要為學(xué)生適時(shí)推送關(guān)于現(xiàn)代天體物理的相關(guān)視頻或文本型資料，例如在學(xué)習(xí)“宇宙航行”后，教師便可以為學(xué)生推送2021年神州十三號(hào)發(fā)射相關(guān)資訊，如圖8所示，讓學(xué)生了解現(xiàn)代科技的發(fā)展，將所學(xué)的知識(shí)聯(lián)系生活，用所學(xué)的知識(shí)解釋實(shí)際問題，在形成物理觀念和科學(xué)思維的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.最后，根據(jù)學(xué)生課前、課中和課后表現(xiàn)提供可視化的素養(yǎng)評(píng)價(jià)報(bào)告，使教學(xué)評(píng)價(jià)更精確，為教師下一步教學(xué)安排提供科學(xué)依據(jù).

圖8 神州十三號(hào)

4 結(jié)論

通過人工智能系統(tǒng)輔助物理教學(xué)不僅可以幫助學(xué)生鞏固物理知識(shí)、提高物理核心素養(yǎng)，還有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[5].雖然這種技術(shù)的應(yīng)用在中學(xué)中尚未完全普及，但是隨著“雙減政策”落地，在發(fā)展個(gè)性化教育，培養(yǎng)個(gè)體自主學(xué)習(xí)能力等方面，人工智能的優(yōu)勢(shì)顯而易見，而這其中仍然存在很多挑戰(zhàn)，“十年樹木，百年樹人”應(yīng)用人工智能技術(shù)培養(yǎng)當(dāng)代人才是一項(xiàng)長(zhǎng)期持久的工程，當(dāng)代教師任重而道遠(yuǎn).