人工智能在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探析

文 /王柳敏 楊國清

引 言

2016 年，我國發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出要加快教育現(xiàn)代化、信息化的改革步伐。在人工智能技術(shù)的支持下，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)，通過人工智能軟件判定錯題，提高學(xué)習(xí)的針對性、有效性。高中物理教師要抓住新機(jī)遇、新技術(shù)和新方法，在教學(xué)中充分利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全程跟蹤教學(xué)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過人工智能軟件開展課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生在課前收集大量學(xué)習(xí)資料，將教材中的知識與以往的物理知識聯(lián)系起來，使學(xué)生提前熟悉課堂重難點(diǎn)。另外，教師還可以利用人工智能軟件加強(qiáng)課中的互動交流，開展線上問答交流，分析學(xué)生的答題結(jié)果。最后，教師還可以利用人工智能技術(shù)進(jìn)行課后拓展延伸，全面提高課堂教學(xué)的活力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)造力。

一、人工智能應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)

（一）人工智能——設(shè)計(jì)載體

當(dāng)前，現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展，以往單一的線下授課方式逐漸被打破，很多地區(qū)采用了“線上+線下”的混合式教學(xué)模式，充分利用人工智能App 開展網(wǎng)絡(luò)空間教學(xué)。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，人工智能技術(shù)是教學(xué)設(shè)計(jì)的基本載體[1]。在線上教學(xué)方面，教師可以依靠網(wǎng)絡(luò)和學(xué)生互動，實(shí)時講解物理實(shí)驗(yàn)知識，展示物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在線下教學(xué)中，教師可以利用智能化的教學(xué)輔助工具搭建智慧課堂，利用電子白板提前準(zhǔn)備課件，科學(xué)規(guī)劃教學(xué)活動。此外，教師還可以在課堂互動環(huán)節(jié)應(yīng)用人工智能軟件實(shí)時開展小測，調(diào)整課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，將課堂時間應(yīng)用在重難點(diǎn)剖析方面。在教學(xué)測驗(yàn)完成后，教師可以對小測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化課堂教學(xué)評價。從這個角度來說，人工智能技術(shù)是課堂教學(xué)的重要輔助工具，教師可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，全面做好教學(xué)設(shè)計(jì)工作。

（二）學(xué)習(xí)理論——理論依據(jù)

針對高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)而言，人工智能技術(shù)的應(yīng)用必須將學(xué)習(xí)理論作為基礎(chǔ)，提高課堂教學(xué)的科學(xué)性。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方面，教師要遵循建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、多元智能學(xué)習(xí)理論、分布式認(rèn)知理論。其中，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論下，學(xué)生需要不斷建構(gòu)新知識，對新問題進(jìn)行探究，形成完善的知識框架。通過人工智能技術(shù)，學(xué)生能夠在特殊情境下進(jìn)行知識的建構(gòu)，加強(qiáng)與教師和其他同學(xué)的互動。在多元智能學(xué)習(xí)理論下，學(xué)生之間存在較大差異，需要結(jié)合自身的個性開展學(xué)習(xí)，人工智能技術(shù)能夠幫助學(xué)生找到自身的長處，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)資源，改變學(xué)生的思維方式。在分布式認(rèn)知理論下，工具和技術(shù)能夠降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，轉(zhuǎn)移認(rèn)知任務(wù)?，F(xiàn)代人工智能技術(shù)適應(yīng)分布式認(rèn)知理論，智能化的學(xué)習(xí)軟件能夠拓展學(xué)生的認(rèn)知深度和廣度?？偠灾?，人工智能技術(shù)的應(yīng)用可以和學(xué)習(xí)理論有機(jī)融合，以學(xué)習(xí)理論為依據(jù)，為實(shí)踐教學(xué)活動提供理論支撐[2]。

（三）教學(xué)目標(biāo)——設(shè)計(jì)宗旨

教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量決定了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況，還決定了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果[3]。教師需要將教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成作為教學(xué)設(shè)計(jì)的宗旨，著重說明教學(xué)設(shè)計(jì)的核心，圍繞教學(xué)目標(biāo)開展教學(xué)設(shè)計(jì)。為更好地確定教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)，教師可以通過人工智能技術(shù)開展大數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確了解學(xué)情，對學(xué)生的現(xiàn)有知識基礎(chǔ)和將要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行對比，評判學(xué)生是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，然后科學(xué)規(guī)劃每一個教學(xué)活動，對各個環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行深入分析，使課堂教學(xué)層層遞進(jìn)。在教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中，教師同樣需要時刻關(guān)注教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)活動朝著教學(xué)目標(biāo)的方向發(fā)展，加強(qiáng)對課堂教學(xué)活動的控制，選擇正確的教學(xué)方式。

二、人工智能應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)路徑

（一）創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣

對于高中階段的學(xué)生而言，興趣是支持學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)活動的內(nèi)在動力，只有對物理學(xué)科知識感到好奇，具備一定的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生才能深入鉆研知識，在課堂學(xué)習(xí)活動中全身心投入。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要深入分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活，創(chuàng)設(shè)新奇有趣的情境，引導(dǎo)學(xué)生提出自己的意見和建議。高中物理教師需要擺脫以往“講實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式，要從生活視角出發(fā)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生活化情境。以高二物理選擇性必修第一冊“光的干涉”為例，實(shí)驗(yàn)部分的內(nèi)容有“雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場操作難度較大，受教學(xué)條件的限制，教師難以順利完成實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，教師可以借助Matlab 的GUI 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過多媒體設(shè)備為學(xué)生演示光的干涉現(xiàn)象，讓整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更直觀、清晰，提高學(xué)生的抽象思維能力。在人工智能技術(shù)的支持下，教師只需要在系統(tǒng)當(dāng)中更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，然后在操作演示的部分選擇光強(qiáng)分布或者干涉條紋，就能夠呈現(xiàn)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為學(xué)生展示真實(shí)的教學(xué)情境。

（二）關(guān)注學(xué)習(xí)過程，助推創(chuàng)新思維發(fā)展

高中物理教師需要加強(qiáng)對學(xué)生的指導(dǎo)，通過設(shè)計(jì)互動問題、開展課堂討論、組織線上答題等方式，讓學(xué)生即學(xué)即練，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上存在不足，片面關(guān)注學(xué)生的做題能力，甚至還會直接告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這種教學(xué)方法不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)核心思想的理解，還會限制學(xué)生的創(chuàng)新思維，加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。針對這種情況，教師可以充分應(yīng)用人工智能技術(shù)，通過人工智能App 為學(xué)生發(fā)送課堂問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思維導(dǎo)圖，讓物理學(xué)科的知識點(diǎn)更系統(tǒng)，激發(fā)課堂活力。在實(shí)踐中，教師還可以利用Python 程序、3D 打印技術(shù)等，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)對物理實(shí)驗(yàn)的模型進(jìn)行模擬，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。在應(yīng)用人工智能技術(shù)的過程中，教師要關(guān)注學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生完成知識遷移，讓人工智能技術(shù)為學(xué)生服務(wù)，輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（三）強(qiáng)化教學(xué)評價，引導(dǎo)學(xué)生建立自信

通過教學(xué)評價，教師能夠進(jìn)一步反思物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，評價課堂活動的有效性，同時對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價，幫助學(xué)生樹立學(xué)習(xí)物理知識的自信心。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評價環(huán)節(jié)，能夠讓教學(xué)評價有客觀數(shù)據(jù)的支撐。在實(shí)踐應(yīng)用中，教師可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，將學(xué)生得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行評價，全面提高評價的科學(xué)性。在這些教學(xué)活動中，教師依然可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能軟件，將學(xué)生的課堂練習(xí)題得分整合起來，做出科學(xué)、全面的評價。

三、人工智能應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，現(xiàn)代化的人工智能技術(shù)能夠讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解。以高一物理必修第二冊“機(jī)械能守恒定律”為例，教師可以引入彈球運(yùn)動實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生探索彈球運(yùn)動的規(guī)律，分析彈球運(yùn)動的高度變化情況，探究彈球運(yùn)動中的能量變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師可以應(yīng)用Phyphox 軟件。這款軟件有29 種內(nèi)置功能，可以應(yīng)用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及磁場實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。Phyphox 軟件可以輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用數(shù)字展現(xiàn)測量結(jié)果，通過圖像對測量結(jié)果進(jìn)行分析，讓實(shí)驗(yàn)過程更直觀。在彈球運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中，Phyphox軟件中的“（In）elastic collision”可以將彈球落地反彈的每一次高度及時間間隔記錄下來，展示能量的變化情況，這有利于學(xué)生對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，也能夠幫助學(xué)生深入理解物理知識。

（一）彈球運(yùn)動的高度變化實(shí)驗(yàn)

為探究彈球運(yùn)動的高度變化，教師首先要進(jìn)行演示，讓乒乓球自由落下，引導(dǎo)學(xué)生觀察，然后提出問題：“乒乓球在落地以后，反彈的高度和原始高度之間有什么關(guān)系？反彈的高度是原始高度的一半嗎？”教師可以組織學(xué)生利用Phyphox 開展探究。首先，學(xué)生需要打開Phyphox 軟件中的“（In）elastic collision”，保持安靜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，然后測定乒乓球的初始高度，讓乒乓球自由落下。此時，手機(jī)的麥克風(fēng)會主動接收信號，記錄時間間隔，計(jì)算出每一次反彈高度。表1 為學(xué)生用軟件記錄的相關(guān)數(shù)值，其中包含乒乓球的高度、撞擊次數(shù)及時間間隔數(shù)據(jù)。

表1 彈球運(yùn)動的高度變化情況

通過利用軟件，學(xué)生可以了解乒乓球每一次反彈的高度，掌握乒乓球反彈高度和原始高度之間的關(guān)系。在獲得數(shù)據(jù)之后，教師可以設(shè)計(jì)物理計(jì)算題：“已知乒乓球的反彈高度h和兩次撞擊的時間間隔Δt，計(jì)算自由落體加速度?！痹趩栴}的指導(dǎo)下，學(xué)生可以利用軟件記錄的撞擊數(shù)據(jù)、時間間隔、反彈高度，計(jì)算出自由落體加速度，提高分析能力和解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)的過程中，人工智能軟件能夠做到精準(zhǔn)測量，科學(xué)展示測量結(jié)果，使學(xué)生一目了然。

（二）乒乓球運(yùn)動中的能量變化

在掌握了彈球運(yùn)動的高度變化規(guī)律以后，教師還可以利用人工智能軟件引導(dǎo)學(xué)生探究乒乓球運(yùn)動中的能量變化，充分發(fā)揮人工智能軟件的價值，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械能守恒定律的理解。從表2 當(dāng)中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出，乒乓球在每次撞擊地面后，都會造成一定的能量損失，并且每次保留的能量平均是原來的85.65%。在實(shí)踐操作當(dāng)中，學(xué)生可以打開軟件“（In）elastic collision”中的“Energy”板塊，掌握能量的變化。

表2 乒乓球運(yùn)動中的能量變化數(shù)據(jù)

通過軟件記錄的能量變化數(shù)據(jù)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析和計(jì)算，對乒乓球運(yùn)動過程中的能量變化進(jìn)行深入分析。在下落過程中，乒乓球的重力勢能會轉(zhuǎn)化為動能；在撞擊地面后，乒乓球的彈性勢能會轉(zhuǎn)化為動能；在反彈上升的過程中，動能又會轉(zhuǎn)化為重力勢能，隨著乒乓球的運(yùn)動，機(jī)械能會越來越小。通過應(yīng)用智能軟件，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣能夠大幅度提高，對物理知識的認(rèn)識也能得到深化。在人工智能軟件的幫助下，學(xué)生還可以對彈球運(yùn)動進(jìn)行拓展延伸，用其他小球作為實(shí)驗(yàn)素材，如玻璃球、金屬球等，研究球在撞擊地面后反彈的高度，分析球在運(yùn)動過程中的能量變化。

結(jié) 語

在高中階段的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，人工智能技術(shù)能夠充分發(fā)揮作用。教師需要在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分應(yīng)用人工智能技術(shù)，將人工智能技術(shù)作為教學(xué)設(shè)計(jì)的載體，合理安排教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，明確物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目標(biāo)。在課堂教學(xué)中，教師可以利用人工智能技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，還可以通過人工智能技術(shù)關(guān)注學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，提高教學(xué)環(huán)節(jié)的針對性。另外，物理教師還可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)評價中，讓評價內(nèi)容更全面，評價結(jié)果更科學(xué)。在未來的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要樹立“人工智能+實(shí)驗(yàn)”的課堂教學(xué)思想，注重人工智能技術(shù)的融入，合理安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在課堂上有更清晰、直觀的感受。