人工智能在高中物理實驗教學中的應用探析

文 /王柳敏 楊國清

引 言

2016 年，我國發布《教育信息化“十三五”規劃》，提出要加快教育現代化、信息化的改革步伐。在人工智能技術的支持下，學生可以隨時隨地學習，通過人工智能軟件判定錯題，提高學習的針對性、有效性。高中物理教師要抓住新機遇、新技術和新方法，在教學中充分利用人工智能技術，實現全程跟蹤教學。在物理實驗教學中，教師可以引導學生通過人工智能軟件開展課前預習，讓學生在課前收集大量學習資料，將教材中的知識與以往的物理知識聯系起來，使學生提前熟悉課堂重難點。另外，教師還可以利用人工智能軟件加強課中的互動交流，開展線上問答交流，分析學生的答題結果。最后，教師還可以利用人工智能技術進行課后拓展延伸，全面提高課堂教學的活力，培養學生的創新能力和創造力。

一、人工智能應用于高中物理實驗教學的設計依據

（一）人工智能——設計載體

當前，現代信息技術快速發展，以往單一的線下授課方式逐漸被打破，很多地區采用了“線上+線下”的混合式教學模式，充分利用人工智能App 開展網絡空間教學。在高中物理實驗教學中，人工智能技術是教學設計的基本載體[1]。在線上教學方面，教師可以依靠網絡和學生互動，實時講解物理實驗知識，展示物理實驗現象。在線下教學中，教師可以利用智能化的教學輔助工具搭建智慧課堂，利用電子白板提前準備課件，科學規劃教學活動。此外，教師還可以在課堂互動環節應用人工智能軟件實時開展小測，調整課堂教學環節，將課堂時間應用在重難點剖析方面。在教學測驗完成后，教師可以對小測的數據進行分析，優化課堂教學評價。從這個角度來說，人工智能技術是課堂教學的重要輔助工具，教師可以將人工智能技術應用于實踐教學的不同環節，全面做好教學設計工作。

（二）學習理論——理論依據

針對高中物理教學設計而言，人工智能技術的應用必須將學習理論作為基礎，提高課堂教學的科學性。在物理實驗教學設計方面，教師要遵循建構主義學習理論、多元智能學習理論、分布式認知理論。其中，在建構主義學習理論下，學生需要不斷建構新知識，對新問題進行探究，形成完善的知識框架。通過人工智能技術，學生能夠在特殊情境下進行知識的建構，加強與教師和其他同學的互動。在多元智能學習理論下，學生之間存在較大差異，需要結合自身的個性開展學習，人工智能技術能夠幫助學生找到自身的長處，為學生提供個性化的學習資源，改變學生的思維方式。在分布式認知理論下，工具和技術能夠降低學習者的認知負荷，轉移認知任務。現代人工智能技術適應分布式認知理論，智能化的學習軟件能夠拓展學生的認知深度和廣度。總而言之，人工智能技術的應用可以和學習理論有機融合，以學習理論為依據，為實踐教學活動提供理論支撐[2]。

（三）教學目標——設計宗旨

教學設計的質量決定了教學目標的達成情況，還決定了學生的課堂學習效果[3]。教師需要將教學目標的達成作為教學設計的宗旨，著重說明教學設計的核心，圍繞教學目標開展教學設計。為更好地確定教學設計目標，教師可以通過人工智能技術開展大數據分析，準確了解學情，對學生的現有知識基礎和將要達到的學習目標進行對比，評判學生是否能夠達到預期目標，然后科學規劃每一個教學活動，對各個環節的教學目標進行深入分析，使課堂教學層層遞進。在教學環節的設計中，教師同樣需要時刻關注教學目標，確保教學活動朝著教學目標的方向發展，加強對課堂教學活動的控制，選擇正確的教學方式。

二、人工智能應用于高中物理實驗教學的現實路徑

（一）創設物理情境，激發學生實驗興趣

對于高中階段的學生而言，興趣是支持學生參與課堂學習活動的內在動力，只有對物理學科知識感到好奇，具備一定的學習興趣，學生才能深入鉆研知識，在課堂學習活動中全身心投入。在高中物理實驗教學中，教師需要深入分析實驗教學的目的，聯系現實生活，創設新奇有趣的情境，引導學生提出自己的意見和建議。高中物理教師需要擺脫以往“講實驗”的教學模式，要從生活視角出發，為學生創設生活化情境。以高二物理選擇性必修第一冊“光的干涉”為例，實驗部分的內容有“雙縫干涉實驗”，該實驗的現場操作難度較大，受教學條件的限制，教師難以順利完成實驗。在這種情況下，教師可以借助Matlab 的GUI 系統實現人機交互，通過多媒體設備為學生演示光的干涉現象，讓整個實驗教學過程更直觀、清晰，提高學生的抽象思維能力。在人工智能技術的支持下，教師只需要在系統當中更改實驗參數，然后在操作演示的部分選擇光強分布或者干涉條紋，就能夠呈現出相應的實驗現象，為學生展示真實的教學情境。

（二）關注學習過程，助推創新思維發展

高中物理教師需要加強對學生的指導，通過設計互動問題、開展課堂討論、組織線上答題等方式，讓學生即學即練，引導學生實踐。在以往的實驗教學中，部分教師在實驗教學方法上存在不足，片面關注學生的做題能力，甚至還會直接告訴學生實驗結論。這種教學方法不利于學生對實驗核心思想的理解，還會限制學生的創新思維，加重學生的學習負擔。針對這種情況，教師可以充分應用人工智能技術，通過人工智能App 為學生發送課堂問題，設計實驗教學的思維導圖，讓物理學科的知識點更系統，激發課堂活力。在實踐中，教師還可以利用Python 程序、3D 打印技術等，輔助實驗教學對物理實驗的模型進行模擬，提高學生創新能力。在應用人工智能技術的過程中，教師要關注學生在課堂上的表現，引導學生完成知識遷移，讓人工智能技術為學生服務，輔助物理實驗教學。

（三）強化教學評價，引導學生建立自信

通過教學評價，教師能夠進一步反思物理實驗教學設計的科學性，評價課堂活動的有效性，同時對學生的學習效果進行評價，幫助學生樹立學習物理知識的自信心。將人工智能技術應用于高中物理實驗教學的評價環節，能夠讓教學評價有客觀數據的支撐。在實踐應用中，教師可以利用大數據分析技術，對學生的實驗數據進行整合、分析，將學生得出的實驗數據和標準實驗數據進行對比，及時發現學生在實驗過程中存在的問題，對學生的實驗方案、實驗流程進行評價，全面提高評價的科學性。在這些教學活動中，教師依然可以利用大數據技術和智能軟件，將學生的課堂練習題得分整合起來，做出科學、全面的評價。

三、人工智能應用于物理實驗教學的案例

在高中物理實驗教學中，現代化的人工智能技術能夠讓實驗現象更直觀，使實驗結果一目了然，增強學生對實驗的理解。以高一物理必修第二冊“機械能守恒定律”為例，教師可以引入彈球運動實驗，帶領學生探索彈球運動的規律，分析彈球運動的高度變化情況，探究彈球運動中的能量變化。在實驗過程中，教師可以應用Phyphox 軟件。這款軟件有29 種內置功能，可以應用于光學實驗、聲學實驗、力學實驗以及磁場實驗當中。Phyphox 軟件可以輔助高中物理實驗教學，用數字展現測量結果，通過圖像對測量結果進行分析，讓實驗過程更直觀。在彈球運動實驗中，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，這有利于學生對相關數據進行分析和整理，也能夠幫助學生深入理解物理知識。

（一）彈球運動的高度變化實驗

為探究彈球運動的高度變化，教師首先要進行演示，讓乒乓球自由落下，引導學生觀察，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系？反彈的高度是原始高度的一半嗎？”教師可以組織學生利用Phyphox 開展探究。首先，學生需要打開Phyphox 軟件中的“（In）elastic collision”，保持安靜的實驗環境，然后測定乒乓球的初始高度，讓乒乓球自由落下。此時，手機的麥克風會主動接收信號，記錄時間間隔，計算出每一次反彈高度。表1 為學生用軟件記錄的相關數值，其中包含乒乓球的高度、撞擊次數及時間間隔數據。

表1 彈球運動的高度變化情況

通過利用軟件，學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系。在獲得數據之后，教師可以設計物理計算題：“已知乒乓球的反彈高度h和兩次撞擊的時間間隔Δt，計算自由落體加速度。”在問題的指導下，學生可以利用軟件記錄的撞擊數據、時間間隔、反彈高度，計算出自由落體加速度，提高分析能力和解決問題的能力。在實驗的過程中，人工智能軟件能夠做到精準測量，科學展示測量結果，使學生一目了然。

（二）乒乓球運動中的能量變化

在掌握了彈球運動的高度變化規律以后，教師還可以利用人工智能軟件引導學生探究乒乓球運動中的能量變化，充分發揮人工智能軟件的價值，增強學生對機械能守恒定律的理解。從表2 當中的數據可以計算得出，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%。在實踐操作當中，學生可以打開軟件“（In）elastic collision”中的“Energy”板塊，掌握能量的變化。

表2 乒乓球運動中的能量變化數據

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

結 語

在高中階段的物理實驗教學中，人工智能技術能夠充分發揮作用。教師需要在教學設計環節充分應用人工智能技術，將人工智能技術作為教學設計的載體，合理安排教學設計的內容，明確物理實驗教學的根本目標。在課堂教學中，教師可以利用人工智能技術為學生創設真實的物理實驗教學環境，還可以通過人工智能技術關注學生的整個學習過程，對教學內容進行改進，提高教學環節的針對性。另外，物理教師還可以將人工智能技術應用于課堂教學評價中，讓評價內容更全面，評價結果更科學。在未來的高中物理實驗教學中，教師要樹立“人工智能+實驗”的課堂教學思想，注重人工智能技術的融入，合理安排實驗環節，讓學生在課堂上有更清晰、直觀的感受。