基于人工智能培養(yǎng)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的研究

摘" "要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人工智能也深入中學(xué)教育中，從2014年開始，廈門就有試點(diǎn)高中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)班，學(xué)校免費(fèi)給學(xué)生配套Ipad進(jìn)行教學(xué)。中學(xué)物理教學(xué)要利用人工智能來培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，文章通過具體案例來分析基于人工智能對(duì)物理學(xué)的4個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成的研究。

關(guān)鍵字：人工智能；物理；核心素養(yǎng)

人工智能的興起和普及大大方便了我們的生活，同時(shí)，也為課堂教學(xué)帶來新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，中學(xué)物理教師如果能將人工智能應(yīng)用于物理教學(xué)中，不僅可以順應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展，也能更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。2021年7月24日我國出臺(tái)“雙減政策”，在“雙減政策”落地后各地各類學(xué)校更加重視教學(xué)創(chuàng)新，鼓勵(lì)教師應(yīng)用人工智能技術(shù)開展教學(xué)活動(dòng)，從而促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展[ 1 ]。本文從《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》物理核心素養(yǎng)的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合案例，闡述人工智能如何輔助培養(yǎng)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1" 人工智能模擬實(shí)際情境，直觀清晰呈現(xiàn)物理觀念

物理觀念是物理概念和規(guī)律在學(xué)生腦海里的提煉和升華，然而物理的概念和規(guī)律大多是抽象的[ 2 ]。有些可以用物理教具來體現(xiàn)，有些則沒有相對(duì)應(yīng)的教具，有些教具只能定性地研究，沒辦法定量展示結(jié)果，這時(shí)候人工智能的加入，可以模擬展示真實(shí)情境，讓沒有教具的概念可以直觀清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓定性試驗(yàn)得以通過計(jì)算機(jī)定量展示，從而幫助教師引導(dǎo)學(xué)生得出物理概念和規(guī)律，形成物理觀念。例如：

（1）必修二“萬有引力定律與航天”章節(jié)的衛(wèi)星變軌問題。實(shí)驗(yàn)室沒有衛(wèi)星變軌這一時(shí)刻的教具，傳統(tǒng)的授課是教師在黑板畫出衛(wèi)星、地球和衛(wèi)星軌道，結(jié)合向心力知識(shí)講解。但是學(xué)生往往接受度不高，無法掌握這一物理觀念，利用人工智能可以采用兩種模式來模擬實(shí)際情境，{1}用3D動(dòng)畫將整個(gè)衛(wèi)星變軌過程展示出來，包括在近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)附近速度變化也形象的模擬演示；{2}借助VR技術(shù)，讓學(xué)生身臨其境感受衛(wèi)星從低軌道加速到高軌道，從高軌道減速落回低軌道的過程。

（2）在山東科學(xué)技術(shù)出版社選擇性必修一第2節(jié)“動(dòng)量守恒及其應(yīng)用”中，實(shí)驗(yàn)與探究就采用傳感器光電門來測(cè)量遮光板通過光電門的時(shí)間，計(jì)算氣墊導(dǎo)軌上滑塊速度（圖1）。傳感器的加入讓動(dòng)量變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探索得以定量展示，在本實(shí)驗(yàn)教具和傳感器的器材下教師也可以用于設(shè)計(jì)彈性碰撞實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出氣墊導(dǎo)軌滑塊質(zhì)量m1和m2，給兩滑塊一定初速度，光電門測(cè)量時(shí)間，計(jì)算2滑塊碰撞前初速度v1和v2，碰撞后的速度v'1和v'2，驗(yàn)證動(dòng)量守恒：m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2。

人工智能在物理新課教學(xué)中創(chuàng)設(shè)模擬實(shí)際情境，讓學(xué)生身臨其境地感受和得出物理的概念和規(guī)律，輔助課堂教學(xué)，形成正確的物理觀念 。

2" 人工智能構(gòu)建物理模型，推理論證培養(yǎng)科學(xué)思維

在總結(jié)高中物理題型中，有幾類經(jīng)典物理模型，如傳送帶模型、人船模型、雙星模型等。2023年高考物理第八題也考察了拉格朗日L2、雙星模型。這類題目往往是學(xué)生的難點(diǎn)，也是教師授課的重點(diǎn)與難點(diǎn)。人工智能可以幫助教師構(gòu)建物理模型，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和智力水平，構(gòu)建其相對(duì)應(yīng)的知識(shí)圖譜，讓學(xué)生可以更好地掌握物理知識(shí)，在構(gòu)建模型的過程中分析概括知識(shí)體系，培養(yǎng)科學(xué)思維。例如：

（1）Flash動(dòng)畫幫助學(xué)生構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)模型、雙星模型、機(jī)械波等模型，幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的推理和論證，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。在教師講授雙星問題時(shí)，可以讓學(xué)生用Flash軟件構(gòu)建雙星模型（圖2），來研究雙星繞共同圓心圓周運(yùn)動(dòng)問題，結(jié)合幾題高考題，讓學(xué)生通過模型構(gòu)建和理論解題推理分析，計(jì)算雙星做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。針對(duì)能力較好的學(xué)生，可以引導(dǎo)他們通過Flsah動(dòng)畫模擬演示雙星模型更為普遍的現(xiàn)象：雙星做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的模型，使學(xué)生形成科學(xué)的運(yùn)動(dòng)觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（2）人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幫助學(xué)生理解和建構(gòu)物理知識(shí)模型，在單軌運(yùn)動(dòng)的這一類型中，教師可以采用人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用傳感器來研究單軌運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生基于事實(shí)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建單軌模型，在探究單軌運(yùn)動(dòng)的臨界值的過程中，通過科學(xué)的推理和實(shí)驗(yàn)的論證培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

人工智能能夠幫助物理教師基于事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過動(dòng)畫模擬或?qū)嶒?yàn)?zāi)M建構(gòu)和優(yōu)化物理模型，并在模型的建構(gòu)過程分析觀察，科學(xué)的推理，使學(xué)生掌握這一類型的物理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

3" 人工智能輔助解決物理難題，過程思維形成科學(xué)探究

物理學(xué)是自然科學(xué)中的基礎(chǔ)學(xué)科，在解決自然科學(xué)中的基礎(chǔ)現(xiàn)象和相互作用規(guī)律的過程中形成科學(xué)探究。人工智能可以幫助物理教師研發(fā)教具和指導(dǎo)學(xué)生通過探究性學(xué)習(xí)和動(dòng)手完成探究實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和探究過程中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成科學(xué)探究。

（1）在38屆青少年科技創(chuàng)新大賽中有一個(gè)學(xué)生發(fā)明了“基于發(fā)電機(jī)模型的電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)探究?jī)x”，在現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生表示他在研究這個(gè)項(xiàng)目是想把電磁感應(yīng)定律量化，在設(shè)計(jì)中采用傳感器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教具制作等過程，DIS傳感器的加入使得這一實(shí)驗(yàn)探究得以完成。人工智能的加入，幫助師生理解電磁感應(yīng)定律這一物理知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)和制作，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。

（2）在物理實(shí)驗(yàn)課的探究性實(shí)驗(yàn)課程“利用DIS定量探究安培力的大小”這一節(jié)課程，教師分析安培力大小與通電導(dǎo)體的電流、長(zhǎng)度、以及導(dǎo)體所在磁場(chǎng)大小之間的關(guān)系時(shí)，采用控制變量法引導(dǎo)學(xué)生利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，這是課本上沒有的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生沒有直接的實(shí)驗(yàn)步驟可以查看，需要學(xué)生根據(jù)影響安培力大小的因素來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一過程學(xué)生的科學(xué)探究能力得到很大的提升。

人工智能的加入，使很多傳統(tǒng)教育沒辦法完成的實(shí)驗(yàn)通過傳感器幫助能夠完成或改定性為定量實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確與直觀。傳感器的加入幫助教師完成實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生有教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)培養(yǎng)科學(xué)探究思維。

4" 人工智能因材施教科學(xué)評(píng)價(jià)，結(jié)合時(shí)事培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

物理學(xué)科在學(xué)生群體中反應(yīng)是最難的科目，學(xué)生往往聽到后先怕。形成學(xué)生探索的內(nèi)在動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生持之以恒的態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感是物理的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。人工智能能夠幫助教師建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，因材施教，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力；人工智能可以幫助教師結(jié)合時(shí)事和學(xué)生關(guān)注的事件培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

（1）教師使用IPad上課，在課堂活動(dòng)的環(huán)節(jié)，學(xué)生思考并在自己的IPad上作答上傳，教師可以在自己的IPad上即時(shí)看到每個(gè)學(xué)生的答案[ 3 ]。系統(tǒng)可以結(jié)合學(xué)生在系統(tǒng)上留下的“痕跡”評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，確保可以始終引導(dǎo)學(xué)生積極思考和大膽答題，提高他們的自主學(xué)習(xí)，并因材施教給學(xué)生出符合他本身掌握的難易程度的題目，盡可能保證每個(gè)學(xué)生對(duì)前面知識(shí)的掌握，查缺補(bǔ)漏。另外，針對(duì)考試后的評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)評(píng)價(jià)是教師統(tǒng)計(jì)錯(cuò)題數(shù)，錯(cuò)題多的題目在班級(jí)進(jìn)行講解，錯(cuò)題少的自己課后來問。但是很多學(xué)生缺乏請(qǐng)教老師的主動(dòng)性，不會(huì)的積累多了，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性就差了，人工智能系統(tǒng)Ipad可以做到一對(duì)一反饋，針對(duì)學(xué)生自己的錯(cuò)題進(jìn)行講解，并且可以分析學(xué)生本階段的知識(shí)漏洞，讓學(xué)生清楚地了解自己本階段學(xué)習(xí)的問題所在，并結(jié)合薄弱點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)和題目練習(xí)。

（2）教師在進(jìn)行總復(fù)習(xí)時(shí)，人工智能可以幫助教師把物理規(guī)律總結(jié)成音樂翻唱的形式，如網(wǎng)絡(luò)上小幸運(yùn)填詞翻唱：“加速度受力分析牛頓定律，勻變速直線運(yùn)動(dòng)難舍難離，向心力天體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能關(guān)系，曲線緩緩在靠近，速度與力不共線軌跡彎曲……”，小幸運(yùn)填詞用高二必修二的內(nèi)容填詞，激發(fā)學(xué)生的興趣，并養(yǎng)成學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)力。也結(jié)合時(shí)事新聞，進(jìn)行題目設(shè)計(jì)，如剛發(fā)射成功的神州十六號(hào)載人飛船，教師播放神州飛船視頻，然后利用人工智能將飛船發(fā)射過程分為幾個(gè)部分：飛船發(fā)射、進(jìn)入空間站、對(duì)接、返回等部分并進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合中學(xué)萬用引力定律等相關(guān)知識(shí)，并根據(jù)學(xué)生評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握程度進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，因材施教讓學(xué)生進(jìn)行解題，聯(lián)系生活培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

物理學(xué)科是最貼近學(xué)生的生活，研究生活規(guī)律的學(xué)科，人工智能能結(jié)合生活的情境進(jìn)行簡(jiǎn)化應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和愛國情懷。同時(shí)，根據(jù)不同學(xué)生進(jìn)行因材施教，逐步形成學(xué)生學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

5" 總結(jié)

教師將人工智能運(yùn)用在課堂教學(xué)及課后評(píng)價(jià)、考試質(zhì)量分析等方面，不僅可以幫助學(xué)生掌握物理知識(shí)、鞏固和查缺補(bǔ)漏知識(shí)點(diǎn)，還能提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[ 4 ]。雖然人工智能技術(shù)在中學(xué)教育中的引用還不算普及[ 5 ]，但是隨著跨學(xué)科融合的提出，創(chuàng)新能力的重視，IPad進(jìn)校園的試點(diǎn)，人工智能輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。希望廣大物理教師多研究，運(yùn)用人工智能技術(shù)輔助培養(yǎng)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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