人工智能技術(shù)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 人工智能技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，教育領(lǐng)域也不例外。探討將人工智能技術(shù)應(yīng)用于高中物理教學(xué)中的可能性和潛力，通過分析人工智能技術(shù)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用場景，闡述提高教學(xué)效率、個性化學(xué)習(xí)體驗、學(xué)習(xí)評估優(yōu)化等優(yōu)勢。研究表明，人工智能技術(shù)有望為高中物理教學(xué)帶來全新的契機，促進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新，增強學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和效率。

關(guān)鍵詞 人工智能技術(shù)；高中物理教學(xué)；智能輔導(dǎo)；個性化學(xué)習(xí)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-03

0 引言

在信息時代，人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊。高中物理作為基礎(chǔ)學(xué)科通過融入人工智能技術(shù)有望優(yōu)化教學(xué)流程，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。以下將重點探討人工智能技術(shù)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用場景、優(yōu)勢以及未來發(fā)展趨勢。

1 智能輔導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)建高效教學(xué)環(huán)境

1.1 個性化教學(xué)資源推薦

智能輔導(dǎo)系統(tǒng)可以基于學(xué)生的知識水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格和興趣愛好為其推薦個性化的教學(xué)資源，從而優(yōu)化教學(xué)流程，提高教學(xué)效率。傳統(tǒng)的“一刀切”教學(xué)模式很難因材施教，而個性化教學(xué)資源推薦功能可以實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)。首先系統(tǒng)會通過前測或其他方式評估學(xué)生的知識儲備，判斷學(xué)生對每個知識點的掌握程度，對于已掌握的知識點，系統(tǒng)不會重復(fù)推送學(xué)習(xí)資源，避免學(xué)生產(chǎn)生枯燥乏味的情緒，而對于欠缺的知識點，系統(tǒng)會優(yōu)先推薦相關(guān)的視頻課程、練習(xí)題等學(xué)習(xí)資料，引導(dǎo)學(xué)生彌補短板。同時，系統(tǒng)會分析學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格偏好，有的學(xué)生喜歡視頻講解，有的學(xué)生更偏好圖文并茂的教材，還有的學(xué)生更需要大量實踐練習(xí)，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生的這些個體差異，并根據(jù)偏好推送合適的學(xué)習(xí)形式。系統(tǒng)還會考慮學(xué)生的興趣愛好，以力學(xué)為例，對于喜歡運動的學(xué)生，系統(tǒng)可以推薦與運動相關(guān)的實例和案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；而對于熱衷科技的學(xué)生，系統(tǒng)則可以推薦一些前沿科技應(yīng)用案例，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)意識。個性化教學(xué)資源推薦功能還可以根據(jù)學(xué)生的心理狀態(tài)、學(xué)習(xí)進(jìn)度等多種因素動態(tài)調(diào)整策略，進(jìn)一步精準(zhǔn)匹配資源，使得每一個學(xué)生都能得到最符合自身特點的教學(xué)服務(wù)，為學(xué)生構(gòu)建高效、有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.2 智能交互答疑解惑

除了個性化教學(xué)資源推薦，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)還具備智能交互答疑的功能，可以解答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的各種疑惑，消除學(xué)習(xí)障礙，提升學(xué)習(xí)效率。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中教師很難對每一個學(xué)生的問題都及時作出反饋，但智能輔導(dǎo)系統(tǒng)可以基于自然語言處理、知識圖譜等技術(shù)為學(xué)生提供7×24小時的答疑服務(wù)，學(xué)生可以通過語音或文字的方式向系統(tǒng)提出問題，無論是概念理解還是題目求解，系統(tǒng)都能根據(jù)語義提取關(guān)鍵信息，匹配相關(guān)知識庫，給出針對性的解答。例如，學(xué)生可以直接將物理作業(yè)的圖像上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)便可以識別出練習(xí)題的具體內(nèi)容并顯示出完整的解題步驟和方法。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)不僅能解答特定的問題還能主動發(fā)現(xiàn)并糾正學(xué)生的錯誤概念，系統(tǒng)內(nèi)置有大量典型的物理學(xué)習(xí)誤區(qū)案例，一旦發(fā)現(xiàn)學(xué)生在提問或作答時存在概念偏差就會及時指出并給予糾正，防止錯誤觀念在學(xué)生心中扎根。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)的交互方式也十分智能友好，它不僅能用通俗易懂的語言表述解答，還可以根據(jù)學(xué)生的領(lǐng)會水平動態(tài)調(diào)整解釋深度和語氣，它還會根據(jù)學(xué)生的情緒狀態(tài)調(diào)節(jié)交互模式，既可以幽默風(fēng)趣地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也可以給予及時的鼓勵和肯定?？偟膩碚f，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)教學(xué)中師生比例失調(diào)、答疑服務(wù)滯后的瓶頸，為每位學(xué)生提供了個性化、高質(zhì)量的答疑幫助，從而更好地消除學(xué)習(xí)障礙，增強高中物理教學(xué)效果[1]。

2 個性化學(xué)習(xí)體驗增強學(xué)習(xí)動機

2.1 智能學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃

個性化學(xué)習(xí)體驗的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是智能學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃，不同于傳統(tǒng)的“班級課程”教學(xué)模式，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)能夠為每個學(xué)生量身定制個性化的學(xué)習(xí)路線圖，確保學(xué)習(xí)效率的同時也讓學(xué)習(xí)內(nèi)容與個人實際需求精準(zhǔn)匹配。智能學(xué)習(xí)路徑的規(guī)劃首先需要評估學(xué)生的已有知識結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)會通過自適應(yīng)測試的方式準(zhǔn)確分析出學(xué)生在每個知識點上的掌握情況，對于已掌握的內(nèi)容不會再進(jìn)行復(fù)習(xí)安排，對于尚未掌握的部分則會將其作為待攻克的目標(biāo)點。然后系統(tǒng)會結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和目標(biāo)運用人工智能算法自動生成最佳的學(xué)習(xí)路徑。例如：對于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生，系統(tǒng)會先從最基礎(chǔ)的概念開始引導(dǎo)，循序漸進(jìn)；而對于基礎(chǔ)扎實的學(xué)生，系統(tǒng)則會給予更大難度、更有挑戰(zhàn)性的安排。在學(xué)習(xí)過程中，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的實際學(xué)習(xí)效果動態(tài)調(diào)整路徑，如果學(xué)生對某個知識點上手較慢，系統(tǒng)便會自動拓展相應(yīng)內(nèi)容的練習(xí)，加強該部分內(nèi)容的訓(xùn)練；如果學(xué)生對某個知識模塊表現(xiàn)優(yōu)異，系統(tǒng)就會快速把教學(xué)重心轉(zhuǎn)移到其他部分，整個規(guī)劃路徑都是靈活可變的，與學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況緊密同步。智能學(xué)習(xí)路徑還能為學(xué)生設(shè)置個性化目標(biāo)并分階段分解為可實現(xiàn)的小目標(biāo)，讓學(xué)習(xí)動機不斷得到正向反饋，每當(dāng)通過一個小目標(biāo)，系統(tǒng)都會及時給予鼓勵和肯定，激發(fā)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動力，系統(tǒng)還會與學(xué)生互動，及時調(diào)整路徑和目標(biāo)，保證整個規(guī)劃的合理性和可行性，智能化的個性學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃貫穿整個學(xué)習(xí)過程，通過精準(zhǔn)分析、動態(tài)調(diào)整和及時反饋最大限度地提高學(xué)習(xí)效率，并持續(xù)引導(dǎo)學(xué)生保持高昂的學(xué)習(xí)熱情[2]。

2.2 虛擬仿真實驗室

物理作為一門實踐性很強的學(xué)科，實驗環(huán)節(jié)對于學(xué)生理解和掌握知識點至關(guān)重要，但傳統(tǒng)實驗室受場地、設(shè)備、時間等因素的限制，很難完全滿足學(xué)生的需求，而基于人工智能技術(shù)的虛擬仿真實驗室則可以突破這些約束，為學(xué)生提供無限便捷、多元豐富的實踐學(xué)習(xí)體驗。虛擬仿真實驗是通過計算機建模在人機交互的虛擬三維環(huán)境中再現(xiàn)出真實實驗現(xiàn)象。虛擬仿真實驗不僅可以還原大部分真實情況下的實驗步驟，還能模擬一些在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的極端條件，讓學(xué)生對抽象理論有更直觀的認(rèn)識。例如：在研究萬有引力定律時，可以通過虛擬仿真實驗室模擬不同質(zhì)量天體間的運動軌跡，直觀體會牛頓三大運動定律；在研究相對論時，可以模擬極端的時空扭曲情況，加深學(xué)生對時空概念的理解。同時，虛擬實驗室還具備很高的交互性，學(xué)生可以自主設(shè)置實驗條件，決定改變某些參數(shù)來觀察后果，實現(xiàn)真正意義上的主動探索式學(xué)習(xí)。例如，在研究簡諧運動時學(xué)生可以任意調(diào)整實驗中的振動頻率、初始位移等參數(shù)直觀了解其對運動規(guī)律的影響，而且虛擬環(huán)境還可以讓學(xué)生在實驗過程中暫停、拖動、記錄等自主操作，促進(jìn)對實驗過程的思考和總結(jié)。此外，虛擬仿真實驗室無需昂貴的實驗儀器和場地，只需一臺電腦或移動設(shè)備即可使用，大幅降低了實驗教學(xué)的成本和門檻。虛擬仿真實驗不受時空限制，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行模擬操作，營造出高效便捷的個性化學(xué)習(xí)環(huán)境。總之，虛擬仿真實驗結(jié)合人工智能技術(shù)能夠賦予物理實驗教學(xué)以新的形態(tài)，讓學(xué)生在沉浸式、交互式的虛擬場景中自主探索，不僅增強了實踐動手能力，還提升了學(xué)習(xí)體驗感，從而有效激發(fā)了學(xué)習(xí)動機。

3 智能評估體系優(yōu)化學(xué)習(xí)效果

3.1 智能化考核評價

傳統(tǒng)的考核評價方式存在主觀性強、反饋滯后等諸多不足，而智能化的考核評價系統(tǒng)則可以更加高效、客觀地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。智能化的考核評價系統(tǒng)可以通過自動閱卷、智能評分等功能減輕教師的閱卷負(fù)擔(dān)，提高評分效率。系統(tǒng)內(nèi)置了大量的標(biāo)準(zhǔn)答案庫和評分規(guī)則，能夠快速精準(zhǔn)地識別出作答內(nèi)容，對選擇、填空、簡答等題型進(jìn)行自動評分，大大節(jié)省了教師的人力。智能化的考核評價系統(tǒng)不僅關(guān)注學(xué)生的最終分?jǐn)?shù)，更能客觀分析學(xué)生的解題過程和思路，有些學(xué)生計算或書寫過程存在失誤，但思路是正確的，而有些學(xué)生最后的答案是對的，但其中的步驟和推理存在漏洞，傳統(tǒng)評分很難區(qū)分這兩種情況，智能評分系統(tǒng)能夠深度解析推理過程，對思維方式給予準(zhǔn)確評判。智能化考核不局限于紙質(zhì)考試，還可以覆蓋課堂提問、實踐操作等多種形式，對于學(xué)生的課堂回答，系統(tǒng)能立即評估其表述的準(zhǔn)確性和合理性，對于虛擬實驗中的操作流程，系統(tǒng)也能自動分析并反饋每一步是否恰當(dāng)，這種多元考核手段有助于全面評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。智能化的考核評價系統(tǒng)的評分結(jié)果更具針對性和指導(dǎo)意義，除了給出最終分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)還會反饋每個知識點掌握情況的量化數(shù)據(jù)以及學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、思維邏輯等分析報告，讓學(xué)生更清晰地了解自身的短板在哪里，從而及時作出學(xué)習(xí)策略調(diào)整[3]。

3.2 學(xué)情數(shù)據(jù)分析

智能評估還體現(xiàn)在對海量學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析能力上，通過對學(xué)情數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析可以發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，為教學(xué)決策提供依據(jù)。在智能化教學(xué)環(huán)境中，每一個學(xué)生的各種學(xué)習(xí)行為都會被記錄為數(shù)據(jù)，包括做題過程、學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)資源使用情況等，這些數(shù)據(jù)積累形成了大數(shù)據(jù)樣本，通過人工智能技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘就能揭示出學(xué)生群體及個體的學(xué)習(xí)規(guī)律和特征。例如：教師可以通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)某一知識點被學(xué)生集中弱化的情況，從而調(diào)整教學(xué)策略，加大對該知識點的講解力度；也可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生使用某類學(xué)習(xí)資源的效率較低，從而及時調(diào)整資源的呈現(xiàn)形式和內(nèi)容設(shè)置；可以通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不同水平學(xué)生所遇到的共同難點并著重予以解決。除了宏觀層面，系統(tǒng)還能對個體學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)其學(xué)習(xí)過程中的潛在規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié)，比如系統(tǒng)可以分析出某位學(xué)生對圖像類實驗題有較大困難，或者對于力學(xué)中的某類題型存在較大盲區(qū)等，從而為該學(xué)生提供有針對性的輔導(dǎo)和練習(xí)。通過對海量數(shù)據(jù)的智能分析，物理教學(xué)不再是盲目的“輸出”，而是可以時刻反饋教學(xué)效果，根據(jù)最真實的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整教學(xué)決策，從而實現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)模式，數(shù)據(jù)分析賦予了智能評估超凡的洞見力，真正實現(xiàn)了因材施教、精準(zhǔn)反饋[4]。

4 人機協(xié)作模式促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新

4.1 教師角色轉(zhuǎn)變

人工智能技術(shù)的引入將促使教師角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單純的知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和促進(jìn)者，在智能輔導(dǎo)系統(tǒng)的支持下，教師將被解放出來，從而將更多精力投入教學(xué)設(shè)計、師生互動和課堂組織環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)課堂中，教師往往承擔(dān)著知識講解、作業(yè)批改、答疑解惑等眾多繁重任務(wù)，隨著智能系統(tǒng)的加入，這些任務(wù)將被大幅分擔(dān)和優(yōu)化，教師不再是課堂的唯一知識源泉，學(xué)生可以通過智能推薦系統(tǒng)按需獲取個性化學(xué)習(xí)資源，教師也不需要親自批改每一份作業(yè)，智能閱卷系統(tǒng)可以自動完成評分工作，學(xué)生的答疑需求也可以通過智能交互系統(tǒng)實時滿足。由此，教師的重心可以轉(zhuǎn)移到精心設(shè)計符合學(xué)生實際的教學(xué)流程和活動并充分發(fā)揮課堂組織和師生互動的作用。教師要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和反饋情況制定合理的個性化學(xué)習(xí)路徑和目標(biāo)，要創(chuàng)設(shè)富有啟發(fā)性的情境，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，還要通過師生互動實時了解學(xué)生的疑惑和困難所在，及時作出調(diào)整和糾正。同時，教師的身份也逐漸從權(quán)威知識傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R建構(gòu)的合作伙伴，人工智能系統(tǒng)只是教學(xué)的輔助工具并不能完全取代教師，教師要依托智能工具傾聽學(xué)生心聲，鼓勵學(xué)生表達(dá)觀點，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，引導(dǎo)學(xué)生主動探索知識，構(gòu)建認(rèn)知框架，教師與學(xué)生之間更多的是思想的交流和碰撞，共同發(fā)現(xiàn)、提出并解決疑問?？梢哉f人工智能讓教師從繁重的事務(wù)性工作中解脫出來，真正回歸育人本職，成為引導(dǎo)和促進(jìn)知識建構(gòu)的合作者，教師與智能工具相互協(xié)作，將助力物理教學(xué)向更高質(zhì)量、更高效率的方向發(fā)展[5]。

4.2 學(xué)習(xí)方式多元化

在人機協(xié)作的教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也將更加多元化，通過智能工具的支持，學(xué)生可以基于自身的實際情況靈活選擇適合自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏和方式。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生不再是被動接受知識的對象，學(xué)生可以通過智能終端設(shè)備實時獲取個性化的學(xué)習(xí)資源和反饋，根據(jù)自身學(xué)習(xí)進(jìn)度和重難點方便地復(fù)習(xí)、提問，課堂也不再是單向的教師講授，而是學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的互動交流過程，形成了全新的互動式課堂模式，提升了學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)主動性。另外，學(xué)生還可以根據(jù)愛好選擇多種學(xué)習(xí)形式，有的學(xué)生可能更偏好在家通過視頻課程和模擬練習(xí)的方式自主學(xué)習(xí)，有的學(xué)生則可能更熱衷于在虛擬仿真實驗室中動手操作探索，還有的學(xué)生則可能更喜歡以分組討論、項目協(xié)作的形式互幫互學(xué)，無論采用何種學(xué)習(xí)方式智能系統(tǒng)都可以對其實時監(jiān)測并給予個性化支持和反饋?？偟膩碚f，人機協(xié)作催生了全新的教與學(xué)方式，為學(xué)生提供了豐富多樣的學(xué)習(xí)選擇，使學(xué)習(xí)既有個性化支持又不失師生實時互動的傳統(tǒng)優(yōu)勢，從而最大限度激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，實現(xiàn)真正意義上的以學(xué)生為中心。

5 結(jié)束語

人工智能技術(shù)在高中物理教學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)、個性化學(xué)習(xí)方案、智能評估體系等將有助于構(gòu)建高效的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并對傳統(tǒng)教學(xué)模式改革產(chǎn)生積極的影響，人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用值得期待。

6 參考文獻(xiàn)

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DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0