核心素養視角下將人工智能應用于高中物理教學的研究

姚佳運 趙振宇

(哈爾濱師范大學教師教育學院 黑龍江 哈爾濱 150025)

張 強

(哈爾濱師范大學物理與電子工程學院 黑龍江 哈爾濱 150025)

人工智能技術的興起為人類社會做出巨大貢獻，同時也為教學活動帶來新的機遇.如果教師能將人工智能技術應用于高中物理教學中，不僅能滿足信息技術2.0時代的要求，而且也能為核心素養視角下物理教學的改革提供新思路.本文從人工智能技術應用于物理教學的方式出發，設計相應案例，闡述如何將人工智能技術應用于高中物理教學.

1 物理學科核心素養與人工智能技術

截止到2021年上半年，我國人工智能企業共計1 454家，位于世界領先地位，而人工智能領域的發展與物理學密切相關，例如“無人駕駛”和“圖像自動識別”等技術都蘊含著豐富的物理知識.物理教學不僅要通過知識的傳遞促進科技發展，還要有意識地應用現代科技促進人才培養，提高學生的物理學科核心素養，培養具有國際競爭力的綜合型人才.2021年7月24日我國出臺“雙減政策”，在“雙減政策”落地后各地各類學校更加重視教學創新，鼓勵教師應用人工智能技術開展教學活動，從而促進學生個性化發展.

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中指出：學科核心素養是指學生通過學習而逐漸形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[1].物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四大要素.教師應關注不同年級學生的特點和水平，關注不同年級學生的物理學科核心素養的差異性，合理制定教學目標，采用適當的教學方法以提高教學效率，促進學生核心素養的整體化發展.

2 基于人工智能技術的物理教學方式

2.1 科學前測 設置問題情境

教師在開展新課教學前傳統教學通常采用“導學案”的方式讓學生通過自學教材進行預習，學生的預習結果不僅不容易統計，而且也不易發現個別學生出現的錯誤前概念，這就難免影響教學效率及學生物理觀念的形成.

學生在學習高中物理課程時存在一定困難，是因為高中物理知識抽象而復雜，并且學生會受到一些錯誤前概念的影響.例如，學生在沒有學習“自由落體運動”一課時，會認為影響物體下落快慢的因素是物體的質量.這時教師如果采用人工智能系統將問題設置好并導入系統，利用大數據手段就可以檢測出哪些學生對此部分知識有錯誤認識，從而幫助教師合理進行教學設計，創設教學情境，輔助課堂教學.進而讓學生經歷科學的思維過程，得出物理規律，形成正確的物理觀念.

2.2 激發興趣 打造沉浸課堂

物理學的特點在于源于生活又服務于生活，高中生對物理世界的好奇心極其強烈，而如何將學生的好奇心轉化為學生學習物理的興趣則是高中物理教師進行教學設計的關健.現代人工智能技術的發展為教師進行教學設計提供新思路.例如，教師可以通過結合AR(Augmented Reality)和VR(Virtual Reality)技術打造沉浸式課堂，通過視覺追蹤、聲效反饋和觸覺反饋等為學生營造身臨其境的感覺.卡森認為這種直觀的學習方式符合人腦本能反應有利于提高學習效率.

例如，在“生活中的圓周運動”一課中，很多學生無法理解，如果車速過快，火車轉彎時軌道與車輪間的擠壓會提供一部分火車轉彎時的向心力.這時教師就可以借助VR技術使學生身臨其境感受火車軌道在“外高內低”的情況下，當火車速度過快時外軌與車輪間存在擠壓，外側軌道會對外側輪緣產生彈力的作用，從而適當增加火車做圓周運動的加速度.如圖1所示，幫助學生在頭腦中構建物理模型，促進科學思維的形成.又例如，如圖2所示，教師在衛星變軌問題中借助VR技術讓學生感受衛星從低軌道到高軌道的加速過程，幫助學生更清晰地理解衛星加速做離心運動的過程，形成正確的物理觀念.

圖1 火車轉彎

圖2 衛星變軌

2.3 分層教學 保證因材施教

在傳統教學中，教學評價通常是將測試成績處于同一階段的學生劃分為同一水平從而制定教學目標.這種方式由于可參考數據較少，看似是為學生提供個性化指導，實則并不精準.不同學生即使成績相同但他們對同一知識的理解程度并不一定相同.而教師如果采用人工智能技術可以精確得出不同學生在某一部分知識的學習上存在的不足.

如圖3所示，在課前，人工智能系統可以根據學生預習情況生成學情分析報告，幫助教師確定教學難點，分層設置教學目標.在教學過程中，教師可以通過講練結合隨時監測學生對知識的掌握，根據學生具體情況隨時調整課堂節奏，提升教學質量.下課前，系統會為學生提供當堂測驗，針對學生短板為學生提供適合自己的作業.但是要注意作業的布置不能僅僅局限于知識與技能性作業，還要包括活動性任務，關注前沿技術、聚焦社會熱點，從而開拓學生視野，培養學生的科學態度與責任.除此之外，人工智能系統還可以為學生提供可視化的學習報告，科學地指導學生各階段的學習，卓有成效地幫助學生形成物理學科核心素養，做到因材施教.

圖3 教學流程

2.4 先學后教 構建翻轉課堂

當前教學活動強調以學生為中心，使學生成為教學的主體，教師借助人工智能系統為學生提供新課資料，讓學生課前先自學，將不理解的內容拿到課堂中討論[2]，并為學生提供課程學習報告.該課程報告也為教師課堂設計提供依據，幫助教師打造輕松的課堂環境，有教先學，以學定教，培養學生自主學習能力.

2.5 科學評價 聚焦核心素養

美國計算機自適應測試根據學習者的特點和教育情境以及實踐場域，用多元化評價方式開展各州的K-12教育測評,但是，有關素養結構方面的評價效果表現不佳.其一，內隱性和復雜性是素養結構的典型特征，這為測評的過程增加難度.其二，由于素養結構模型是知識、 技能和態度的綜合表現，這對測評指標結構的綜合系統性和整個測評過程的科學性提出更高要求[3].因此，素養數據的挖掘與關聯需要運用統計學方法，而人工智能大數據可以通過儲存與統計學生以往學習情況，細化評價目標，為素養評價提供科學依據.

3 人工智能促進物理核心素養形成的案例

“萬有引力定律”一直以來都是高中物理教學的重點和難點，是高考物理重點考點.但又由于天體運動對初學者而言極其抽象晦澀，因此,對教師教學提出更高要求.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相結合促進物理核心素養形成的案例，旨在應用人工智能技術輔助高中物理教學提高教學效率.

3.1 行星與太陽之間的引力

通過系統前測，明確學生前概念，此階段學生已經學習過開普勒三定律.教師再讓學生通過AI系統自學了解胡克、哈雷等人對行星繞太陽運動這一問題的貢獻，讓學生自主了解物理學史，掌握物理學發展脈絡，激發學生學習興趣，體會前人對物理問題的探索，從問題出發，通過猜想、觀測、驗證得出規律，幫助學生發展科學思維.學生通過觀看flash動畫形成行星的圓周運動模型，明確不同行星圍繞同一中心天體做圓周運動時，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動，其軌道位于同一平面，由于火星與地球做圓周運動的軌道半徑不同，所以二者在運動時的線速度也不同.學生通過自主操作與觀察，得出結論：行星的運行軌道越高運動越慢，使學生形成科學的運動觀.

圖4 火星軌道

圖5 地球軌道

3.2 月-地檢驗

教師引導學生思考：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的力，如果二者是同種性質的力應滿足什么條件.教師將月-地檢驗視頻上傳到人工智能系統中，如圖6所示.

圖6 引力探討

猜想與假設：

a蘋=g=9.8 m/s2

代入數據，算出a月理論數值

學生觀看視頻并運用牛頓運動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值相同，進而得出結論：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的力——萬有引力，幫助學生構建清晰的科學探究過程.

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，一看實驗就分明”.由于卡文迪許扭秤實驗在實際教學中無法讓每個學生都進行操作，但是可以借助人工智能技術引導學生在觀察教師的課堂演示后采用學校為學生配備的AI教學平板進行虛擬操作.如圖7所示，將小金屬球m系在長木棒的兩邊并用金屬線懸吊起來，細線上固定一面鏡子，用準直的細光束照射鏡子，此時細光束會反射到一個很遠的地方，標記下此時細光束的所在位置，再用兩個質量一樣的鉛球m′同時分別吸引扭秤上的兩個鉛球.由于萬有引力作用，扭秤有微小偏轉，但可以觀察到細光束所反射的遠點移動了較大的距離，由此計算出萬有引力常數G[4].教師采用這種方式幫助學生掌握科學探究的基本步驟，使學生了解轉換法和二次放大法的應用.通過觀察引力常量的得出過程，發展學生的科學思維，培養學生的科學探究能力.此外，將卡文迪許個人資料與卡文迪許實驗室相關資料上傳到學生用戶端，使學生在課下有豐富的課外學習資源，幫助學生了解物理學史，開拓學生視野，豐富學生認知，提高學生科學素養.

圖7 卡文迪許扭秤實驗

3.4 結合時事 培養科學態度與責任

教師在課堂教學中要對學生進行實時觀測做到講練結合，課后系統會為學生生成個性化的課堂報告并布置作業.浩瀚的宇宙魅力無窮，除了布置知識技能層面的作業外，還要為學生適時推送關于現代天體物理的相關視頻或文本型資料，例如在學習“宇宙航行”后，教師便可以為學生推送2021年神州十三號發射相關資訊，如圖8所示，讓學生了解現代科技的發展，將所學的知識聯系生活，用所學的知識解釋實際問題，在形成物理觀念和科學思維的基礎上提高學生的科學態度與責任.最后，根據學生課前、課中和課后表現提供可視化的素養評價報告，使教學評價更精確，為教師下一步教學安排提供科學依據.

圖8 神州十三號

4 結論

通過人工智能系統輔助物理教學不僅可以幫助學生鞏固物理知識、提高物理核心素養，還有利于培養創新型人才[5].雖然這種技術的應用在中學中尚未完全普及，但是隨著“雙減政策”落地，在發展個性化教育，培養個體自主學習能力等方面，人工智能的優勢顯而易見，而這其中仍然存在很多挑戰，“十年樹木，百年樹人”應用人工智能技術培養當代人才是一項長期持久的工程，當代教師任重而道遠.