人工智能輔助下的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

【基金項(xiàng)目】本文系省教育科學(xué)\"十四五\"規(guī)劃2024年度專項(xiàng)課題“智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)下初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的行動(dòng)研究”，編號(hào)：C/2024/03/52。

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

當(dāng)前初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍面臨資源供給失衡與教學(xué)形態(tài)僵化的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，本文系統(tǒng)探討人工智能技術(shù)如何通過工具創(chuàng)新與模式變革，重塑物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值鏈，旨在為教育信息化2.0時(shí)代的科學(xué)教育轉(zhuǎn)型提供理論參照與實(shí)踐范式。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常見問題

（一）資源限制

多數(shù)中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室仍停留于基礎(chǔ)儀器配置階段，設(shè)備更新周期普遍超過教育技術(shù)迭代速度，導(dǎo)致涉及現(xiàn)代物理原理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以開展。以電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，部分學(xué)校仍在使用指針式電表與分立式電路元件，這種代際落差使學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)感知物理學(xué)科的前沿發(fā)展。資源限制的隱性矛盾則在于數(shù)字化教學(xué)資源的系統(tǒng)性缺失，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的物理空間與設(shè)備功能存在天然局限性，難以承載虛擬仿真、動(dòng)態(tài)建模等現(xiàn)代教育技術(shù)需求。

（二）學(xué)生參與度低

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)過程強(qiáng)調(diào)步驟規(guī)范性與結(jié)果準(zhǔn)確性，卻剝奪了學(xué)生探索未知、試錯(cuò)反思的思維空間。例如，在“歐姆定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)\"中，教師往往預(yù)先規(guī)定電阻、電壓的取值區(qū)間，要求學(xué)生按規(guī)定完成數(shù)據(jù)【文章編號(hào)】2095-3089（2025）12-0175-03記錄，這種程式化操作使實(shí)驗(yàn)淪為理論結(jié)論的簡單復(fù)現(xiàn)工具。當(dāng)科學(xué)探究被簡化為技術(shù)訓(xùn)練，學(xué)生自然喪失了對(duì)物理現(xiàn)象背后因果邏輯的追問動(dòng)力，創(chuàng)新思維與問題解決能力的培養(yǎng)目標(biāo)也隨之落空。參與度危機(jī)的另一癥結(jié)源于評(píng)價(jià)體系的導(dǎo)向偏差，現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)考核過度聚焦操作規(guī)范的機(jī)械評(píng)分，忽視了科學(xué)探究的過程性價(jià)值。

二、人工智能的應(yīng)用對(duì)于初中物理教學(xué)的價(jià)值

人工智能通過虛擬化與智能化的雙重路徑，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源從“實(shí)體獨(dú)占\"向“數(shù)字共享\"的跨越式轉(zhuǎn)型。更為關(guān)鍵的是，人工智能系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)優(yōu)化資源分配的算法優(yōu)勢(shì)，能根據(jù)區(qū)域教學(xué)需求與學(xué)科發(fā)展前沿，自動(dòng)更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)自庫與教學(xué)案例庫。進(jìn)一步地，人工智能技術(shù)對(duì)物理教學(xué)的核心價(jià)值體現(xiàn)在其對(duì)學(xué)生主體地位的重新確立與科學(xué)思維的系統(tǒng)培育。在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生常被困于被動(dòng)接受的角色定位，而智能教學(xué)系統(tǒng)通過交互式學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，將探究主動(dòng)權(quán)交還學(xué)生，自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法可精準(zhǔn)識(shí)別個(gè)體的認(rèn)知起點(diǎn)與思維偏好，為其搭建“最近發(fā)展區(qū)\"內(nèi)的挑戰(zhàn)性任務(wù)。例如，在“光的折射定律\"實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生前測表現(xiàn)為幾何直觀能力較弱者提供光線路徑的可視化追蹤工具，而為抽象思維優(yōu)勢(shì)者設(shè)計(jì)折射率與介質(zhì)關(guān)系的推導(dǎo)任務(wù)。這種差異化支持機(jī)制可有效保障基礎(chǔ)目標(biāo)的達(dá)成，同時(shí)為高階思維發(fā)展預(yù)留空間，使每個(gè)學(xué)生都能在適切難度層級(jí)中體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的完整過程。[2]

三、人工智能輔助的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

（一）人工智能教學(xué)工具與資源

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室

在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)器材的物理損耗、場地限制以及高危實(shí)驗(yàn)的操作風(fēng)險(xiǎn)始終是困擾教學(xué)實(shí)踐的難題，而虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入構(gòu)建了一個(gè)突破時(shí)空界限的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)空間，其核心技術(shù)在于對(duì)物理定律的算法化還原，能精確模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)賦予實(shí)驗(yàn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的自由度。例如，在“牛頓第二定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)\"中，學(xué)生可通過滑動(dòng)虛擬砝碼質(zhì)量、調(diào)整斜面傾角等操作實(shí)時(shí)觀測加速度與作用力的非線性關(guān)系曲線，這種直觀的視覺反饋機(jī)制有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因測量誤差或操作延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真問題。另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室的價(jià)值在于其對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的系統(tǒng)性培養(yǎng)，系統(tǒng)內(nèi)置的“自主設(shè)計(jì)模塊”允許學(xué)生脫離教材預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)框架，通過變量控制、參數(shù)組合與結(jié)果預(yù)測的完整流程，構(gòu)建個(gè)性化的探究方案。例如在“電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)\"中，學(xué)生可自由選擇電阻、電容、電源等元件的連接方式，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)反饋電流、電壓的分布狀態(tài)并在出現(xiàn)短路或過載時(shí)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制與錯(cuò)誤分析提示，這種試錯(cuò)機(jī)制的數(shù)字化重構(gòu)規(guī)避了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)基于即時(shí)反饋強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)原理的深層理解。虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)體實(shí)驗(yàn)的協(xié)同作用已形成互補(bǔ)效應(yīng)——前者側(cè)重思維發(fā)散與創(chuàng)新訓(xùn)練，后者強(qiáng)化動(dòng)手能力與實(shí)證意識(shí)，二者的有機(jī)整合標(biāo)志著物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)從“驗(yàn)證性操作\"向“探究性學(xué)習(xí)\"的范式轉(zhuǎn)型。[3]

圖1人工智能賦能物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變革虛擬實(shí)驗(yàn)室演示實(shí)驗(yàn)見圖2。

2.智能教學(xué)軟件

智能教學(xué)軟件的開發(fā)應(yīng)用標(biāo)志著人工智能技術(shù)從輔助工具向教學(xué)主體的角色躍遷，其核心架構(gòu)基于知識(shí)圖譜構(gòu)建與學(xué)習(xí)行為分析算法，能對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作軌跡、數(shù)據(jù)處理邏輯及問題解決策略進(jìn)行多維度解析。以“光學(xué)實(shí)驗(yàn)智能指導(dǎo)系統(tǒng)\"為例，當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，軟件通過攝像頭捕捉光屏位置調(diào)整的毫米級(jí)位移，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)判其可能出現(xiàn)的焦點(diǎn)定位偏差，進(jìn)而通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)投射出光線傳播路徑的動(dòng)態(tài)提示，這種嵌入式指導(dǎo)策略突破了傳統(tǒng)教學(xué)中“集體講解一統(tǒng)一糾錯(cuò)\"的模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)個(gè)體認(rèn)知過程的精準(zhǔn)干預(yù)。教學(xué)軟件的智能化進(jìn)階體現(xiàn)在其自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建，系統(tǒng)通過持續(xù)采集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成度、反思深度與創(chuàng)新性表現(xiàn)等數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式與難度梯度。例如在“浮力定律探究實(shí)驗(yàn)”中，對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，系統(tǒng)優(yōu)先推送阿基米德原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)并輔以分步驟操作引導(dǎo)；而對(duì)能力突出者，則自動(dòng)開放“不規(guī)則物體浮力計(jì)算\"的進(jìn)階任務(wù)，要求其自主設(shè)計(jì)測量方案并處理誤差數(shù)據(jù)。這種分層教學(xué)機(jī)制可有效解決傳統(tǒng)課堂中“能力覆蓋斷層”的困境。

（二）教學(xué)模式創(chuàng)新

1.翻轉(zhuǎn)課堂

人工智能支持下的翻轉(zhuǎn)課堂重構(gòu)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間維度與空間秩序，在課前準(zhǔn)備階段，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成基礎(chǔ)操作的自主訓(xùn)練，其操作數(shù)據(jù)與認(rèn)知盲點(diǎn)被系統(tǒng)自動(dòng)抓取并生成學(xué)情畫像，教師據(jù)此精準(zhǔn)設(shè)計(jì)課堂探究任務(wù)，將有限的教學(xué)時(shí)間集中于高階思維訓(xùn)練。例如在“機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)\"教學(xué)中，學(xué)生課前已在虛擬環(huán)境中完成擺錘運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，課堂核心任務(wù)轉(zhuǎn)為對(duì)能量損耗根源的深度探究一通過對(duì)比虛擬理想環(huán)境與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)差異，引導(dǎo)學(xué)生建立誤差分析模型并設(shè)計(jì)改進(jìn)裝置方案?！皵?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)\"的課堂形態(tài)徹底改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課“重操作、輕思考\"的淺層學(xué)習(xí)模式，使教學(xué)過程真正聚焦于科學(xué)思維的錘煉。

2.個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑

人工智能技術(shù)對(duì)教育公平的實(shí)質(zhì)性推進(jìn)體現(xiàn)在其構(gòu)建的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作特征、認(rèn)知風(fēng)格偏好與知識(shí)掌握度等多模態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法生成動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)地圖。例如在“電路基礎(chǔ)知識(shí)\"模塊，視覺型學(xué)習(xí)者會(huì)自動(dòng)獲取電路圖動(dòng)態(tài)解析視頻，而動(dòng)覺型學(xué)習(xí)者則進(jìn)入虛擬接線操作訓(xùn)練界面。個(gè)性化路徑的實(shí)施成效集中反映在差異化評(píng)價(jià)體系的建立，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)被解構(gòu)為操作規(guī)范、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力等維度，每個(gè)維度又細(xì)化為可量化的行為指標(biāo)，智能系統(tǒng)通過自然語言處理技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的論證邏輯，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)評(píng)估裝置改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)合理性，最終形成多維能力雷達(dá)圖。例如，某學(xué)生在“聲速測量實(shí)驗(yàn)\"中雖操作規(guī)范性評(píng)分較低，但其設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型共鳴箱結(jié)構(gòu)在創(chuàng)新維度獲得系統(tǒng)高度評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)機(jī)制消解了“唯結(jié)果論\"的考核弊端，更重要的是幫助學(xué)生建立對(duì)自身能力結(jié)構(gòu)的客觀認(rèn)知，為其后續(xù)學(xué)習(xí)方向的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合見圖3。

四、結(jié)語

人工智能與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合標(biāo)志著科學(xué)教育從經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的范式躍遷，這種變革本質(zhì)上是對(duì)教育公平與質(zhì)量提升的雙重回應(yīng)，自適應(yīng)系統(tǒng)則為每個(gè)學(xué)習(xí)者開辟獨(dú)特的發(fā)展賽道。未來教育應(yīng)進(jìn)一步深化人工智能與教學(xué)要素的有機(jī)融合，在守護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐本質(zhì)的同時(shí)，培育具備科學(xué)探究精神與創(chuàng)新能力的數(shù)字時(shí)代公民。

參考文獻(xiàn)：

[1]付邦.人機(jī)協(xié)同下的初中物理實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)教學(xué)模式探究——以物理\"凸透鏡成像的規(guī)律\"教學(xué)為例[J].廣西物理，2023，44（4）：93-96.

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[3]曾輝.新時(shí)代背景下初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)探究[J].內(nèi)蒙古電大學(xué)刊，2020（3）：109-112.