人工智能在初中物理教學中的應用研究

摘 要：作為發展新質生產力的引擎，人工智能正逐漸融入教育的各個環節。本文聚焦于如何將人工智能與初中物理教學相結合，以推動教育模式、教學方法和學習體驗的變革，提升初中物理教學有效性，滿足學生個性化需求，促進教育公平，更好地落實中學物理核心素養。通過查閱人工智能教學相關文獻資料，了解人工智能在初中物理教學中的應用現狀，深入分析人工智能與初中物理教學結合的必要性，探討人工智能與初中物理教學結合的路徑及挑戰，以期為一線教師提供教學參考。

關鍵詞：人工智能；初中物理教學；個性化學習

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2024）11-0111-04

隨著新一代信息技術的不斷完善和普及，未來的教育將會是一個與人工智能結合的時代。教育作為人工智能應用的重要領域，被視為“人工智能戰略規劃的重要組成部分”[1]。人工智能可以用作智能助教，為學生提供個性化的學習指導和問題解答，幫助學生更好地理解、掌握和靈活應用物理概念。利用大數據技術精準分析學生學習需求和能力，為教師提供課程教學設計思路，幫助教師了解學生學習情況，以便及時調整教學策略，對學生學習情況進行多元化評價。

1 信息技術在初中物理教學中的應用現狀

信息技術在初中物理教學中的應用目的是提升教學的有效性，同時深化學生對物理和信息技術的認知，通過多學科的教學整合，有效提升學生的綜合素養與學習能力，以保障學生的長遠發展。隨著信息技術的不斷發展，數字化教育工具在物理教學中的應用更加廣泛，越來越多的學校和教師開始將多媒體教學課件、模擬軟件、在線教學平臺、學習管理系統等信息技術融入初中物理教學。然而由于經濟環境、技術條件以及教師自身能力等因素的限制，信息技術融入初中物理教學存在一定問題和挑戰。例如，部分學校缺乏相應的信息技術設備和資源，無法為教師和學生提供良好的信息技術環境；部分學生對于使用信息技術進行物理學習的積極性不高；部分教師過于依賴信息技術，將課堂教學變成了單純的PPT展示，忽略教學主體之間的互動，缺乏對學生實際學習情況的關注和引導，導致教學過程形式化。

2 人工智能與初中物理教學結合的必要性

2.1 教育行業標準下增強數字化意識的要求

2022年教育部發布了《教師數字素養》教育行業標準，要求教師增強數字化意識，充分掌握和運用數字技術知識與技能，把數字化貫穿于教學設計、教學實施、學生的學業評價等多維度、多方面[2]。同時要求教師要進行數字化學習與研修，鼓勵教師開展數字化教學研究與創新。教師教育行業標準對教師的教學能力、專業素養和教育理念等方面提出了明確的要求。教師在教學中結合人工智能信息技術，深化信息技術在教學中的應用，為學生提供更多元化、個性化及智能化的學習資源和學習方式，從以教師為主導的被動學習轉向以學生為主體的主動學習。教師教育行業標準的要求，可以推動教師更新知識，提高教師數字素養和專業水平，激勵教師創新和發展以更好地適應時代發展的需求。

2.2 科技發展下轉變教學模式的要求

人工智能推動教學模式從“師—生”二元結構轉變為“師—機—生”三元結構[3]。二元結構教學模式注重以教為中心，學生在課堂上被動地接受知識，學習資源主要來源于教科書及教師授課。教師根據作業情況了解學生學習情況，依靠考試評估學生。三元結構教學模式注重以學生為中心，人工智能成為連接教師與學生的橋梁，在教學活動中扮演參與者角色。根據學生學習能力、學習進度、學習習慣提供學習資源，如教學視頻、在線課堂等，幫助學生制定個性化學習方案。為教師提供多樣化教學設計、教學內容、教學方法、全方位評估指導。且人工智能可以減輕教師工作負擔，幫助批改作業、分析考試數據等，使教師從大量重復工作解放出來，使其將工作重心轉向學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任的培養上。

2.3 “雙減”政策下課程改革的要求

2021年中共中央辦公廳國務院印發《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》中提出：“教育部門要征集、開發豐富優質的線上教育教學資源，利用國家和各地教育教學資源平臺以及優質學校網絡平臺，免費向學生提供高質量專題教育資源和覆蓋各年級各學科的學習資源，推動教育資源均衡發展，促進教育公平[4]。”在這一教育教學改革背景下，利用人工智能技術進行教學是我國教育教學發展的新目標。“雙減”政策旨在減輕學生的課業負擔，注重培養學生的核心素養和實踐能力，促進學生全面發展，推動教育質量提升。人工智能助力減負的本質是沖破傳統課堂桎梏，變革傳統課堂教學方式、設計、角色等，通過教學要素的重構組建新的課堂生態，通過改進課堂教學組織架構實現以學生為本的教育目標，創新課堂教學活動以減輕學生學業負擔和教師教學工作量，使課堂教學真正回歸到育人本質功能[5]。

2.4 義務教育物理課程標準下AI時代創新人才培養的要求

《義務教育物理課程標準（2022年版）》中提到：“注重科學探究，突出問題導向，強調真實問題情境，引導學生不斷探索，提高分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力，發展核心素養[6]。”新版課程標準提出課程內容應注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系，強調物理教學與時代進步和社會發展的緊密聯系。隨著社會的快速發展、知識經濟的興起、人工智能技術的出現及在各個領域的應用，社會對人才的需求也在不斷變化，從具備傳統學科知識和技能的大量勞動力轉向具有創新思維、科技背景和跨學科綜合能力的自主創新人才。具備創新精神、創新能力和創新人格的人才通常具備獨立思考、善于發現問題、提出問題、解決問題以及勇于嘗試新事物的能力。人工智能可以設計多樣化的與現實生活緊密相關的物理問題，引導學生獨立思考，為學生提供展示想象力和創造力的平臺，有助于使學生在解決問題的過程中培養批判性思維和創新思維。

3 人工智能與初中物理教學結合的路徑

3.1 提供教學設計，開展思維型教學

思維型教學注重培養學生的思維能力，包括分析、推理、評價和創新等。通過深度學習和數據分析，人工智能可以識別學生在解決物理問題時的思維模式和策略，從而為教師提供針對性的教學建議，幫助教師設計能夠引發學生思考的情境、教學活動和問題，促進學生的高階思維發展。人工智能可以提供豐富多樣的教學案例和問題情境，為思維型教學提供充足的素材。這些案例和問題涉及物理學的各個領域，且具有不同的難度和復雜性，能夠挑戰學生的思維能力，引導學生進行深入思考和探究。通過引導學生分析和解決這些問題，幫助鍛煉分析、推理、解決問題能力和創新思維能力。

3.2 構建物理圖譜，深化物理概念理解

知識圖譜是人工智能的重要分支技術，是結構化的語義知識庫，用于以符號形式描述物理概念及其相互關系[7]。人工智能可以構建物理知識圖譜，將物理知識進行結構化展示，將知識點之間的關聯和層次關系清晰地可視化呈現出來，使學生更好地理解物理概念的本質和內在聯系，從而更好地掌握、應用和遷移物理知識。例如，在學生復習光的折射和反射時，人工智能構建一個動態的光折射與反射圖譜，以動畫的形式展示光線在水面的反射和折射過程。同時，圖譜還可展示入射角、反射角、折射角等關鍵參數的變化。學生通過物理圖譜，可以直觀地看到知識點之間的邏輯關系，加深物理概念和公式的理解。人工智能可以匹配相關的學習資源，如知識點剖析、經典例題講解以及音頻講解等，滿足學生不同層次和角度的學習需求，加強對物理抽象概念的理解。

物理是一門邏輯性強的實踐學科，部分學生學習起來有些吃力。教師可構建以時間為主線的物理學史圖譜，展示物理學發展中的重要事件、里程碑及有趣的事件。通過構建物理學史圖譜，學生可以更全面地了解物理學起源、發展和演變以及物理學與其他學科之間的聯系。按照時間順序探索物理學的演變，學生可以更好地理解物理學的本質和思想，有助于提高物理學習興趣和效率。

3.3 智能輔導，建立個性化習題庫

在初中物理教學過程中，習題練習是一個重要環節，旨在幫助學生鞏固和應用所學知識。其中錯題尤為反映學生的知識盲點和思維誤區。面對錯題，傳統的解決方法是教師通過個別輔導或集體講解的方式來幫助學生理解錯題，解析其背后的知識點和解題方法。多數學生是當時明白了，后面遇到類似題型還是會繼續做錯，影響物理學習效率，也挫傷學生的學習信心。人工智能技術可以利用大數據收集大量學生習題數據，自動掃描學生作業、練習和考試中的錯題，智能識別出錯題的類型、難度和涉及的知識點。這種方法能深入了解學生在物理學習中的薄弱環節和常見的錯誤原因，進而提供針對性的智能輔導。

基于智能識別的結果，可以為學生建立專門的個性化習題庫，推薦相關的物理知識點和練習題目，練習題目的最高難度落實到學生個人的“最近發展區”。系統分析學生的解題思路和答案，找出問題的根本，給出相應的指導和建議，幫助學生從根源上解決問題。同時，系統也會根據學生的學習情況和進度，適時調整學習計劃和難度，提供個性化的學習路徑。學生可不受時空限制，通過人工智能推薦的習題庫進行自主學習，鞏固知識點的薄弱環節。借助人工智能，學生還可建立個人錯題本，依據人工智能的智能分類功能，按照知識點、題型等分類整理錯題，方便后續復習。學生在習題庫中還可與其他學生或教師進行互動交流，分享解題心得，學習不同思維解題方法，提升物理學習效率。

3.4 實時反饋數據，提供多元化評價

傳統教育評價方式通常過于注重知識的記憶，以考試成績作為評價學生學習成果的主要標準，缺乏過程性評價，如忽略學生在學習過程中的創新能力、實踐能力、合作精神、情感態度和價值觀等多個方面，導致評價結果不夠全面客觀。人工智能可以實時收集和深度挖掘分析學生在物理學習過程中的各種數據，如學生的答題情況、學習時長、學習進度、互動頻率等，揭示學生的學習習慣、知識掌握程度以及可能存在的問題，為科學的教育評價提供堅實的數據基礎。基于數據分析結果，人工智能針對學生具體情況生成個性化反饋診斷報告，教師可根據報告對學生的成長過程以及學習歷程進行科學系統的評估，指導教師開展針對性教學，使學生了解自身問題所在，掌握自身學習情況，及時調整學習策略，培養良好學習習慣，提高物理學習效率。

4 人工智能與初中物理教學結合應用的挑戰

4.1 誘發思維惰性

思維惰性不僅出現在學生群體中，也可能在教師群體中產生影響。對于學生而言，思維惰性可能表現為過度依賴人工智能。當學生面對復雜的物理問題時，可能更傾向于求助人工智能，被動接受人工智能給出的答案和解釋，而不是通過自身的思考和努力來解決問題。這種依賴心理會降低學生的學習主動性和獨立思考能力，限制學生思維發展，影響學生對物理知識的深入理解和掌握。同時，如果學生在日常學習中過度依賴人工智能，其物理學習可能會變得碎片化和表面化，缺乏系統的知識理解和應用。對于教師而言，思維惰性可能表現為過度依賴人工智能教學工具來減輕教學負擔。雖然人工智能可以自動化處理一些教學任務，如作業批改、成績統計等，教師如果過度依賴這些工具，可能會忽視與學生之間的直接互動和交流。此外，教師也可能因為人工智能的存在而減少了對教學設計、教學內容以及教學方法的深入思考和創新，導致教學質量下降。

為了盡量避免思維惰性的誘發，首先，教師需要引導學生正確使用人工智能教學系統，鼓勵學生保持獨立思考和解決問題的能力。其次，教師需要不斷提升信息素養和教學能力，以便更好地利用人工智能輔助教學。此外，學校和教育部門也需要加強對人工智能教育應用的監管和評估，確保其在教學中的合理使用和有效性。

4.2 數據隱私和安全

人工智能技術需要收集大量的學生數據包括學生的個人信息、學習情況等敏感信息來進行習題整理和分析，可能會引發數據隱私和安全的問題。且人工智能可能會出現故障，如軟件崩潰、數據丟失等，影響學生的學習進度和效果。需要采用加密技術、訪問控制，制定嚴格的數據保護政策，確保學生數據的安全和隱私。同時學校需要告知學生和教師其數據是如何被使用的，以及如何保護其數據安全，增強學生對人工智能的信任感。

4.3 信息謬誤風險

物理知識是不斷更新和發展的，人工智能雖然具有強大的數據處理和分析能力，其給出的信息仍然可能受到數據源質量、算法設計及系統更新等多種因素的影響，存在潛在的誤差。在物理教學中，如果算法未能準確理解物理原理或未能充分考慮物理現象的復雜性，那么其生成的物理實驗方案、學習路徑或反饋建議就可能存在錯誤。技術人員需要定期更新和維護人工智能系統的數據和算法，以確保其能夠準確反映最新的物理知識。人工智能只是一個輔助工具，不能完全替代教師的角色。教師在使用人工智能時，應保持對教學的獨立思考和判斷能力，需要對人工智能提供的信息進行檢查，確保信息準確可靠，從而更好地服務于物理教學工作。

5 總結與展望

人工智能與教育的結合，利用人工智能技術來輔助教學、管理、評估和反饋等各個環節，可以實現更高效、更個性化的教育服務，提高學習深度和學習效率，推動學校教育的智能化發展。物理教學與人工智能技術有著天然的密切聯系，人工智能與初中物理教學的結合，將會提高物理教學的有效性，提高學生的學習興趣，拓展學生的學習時空，滿足學生的個性化學習要求，培養學生的核心素養，使教育回歸本質。但是我們也要看到，在教學的實際應用中仍面臨諸多挑戰。為了更好地將人工智能融入初中物理教學，需要通過系統的培訓提升教師數字素養，開發個性化學習計劃，創建互動式學習環境，利用人工智能進行實時學習評估，并優化教育資源配置，以此幫助教師更有效地利用人工智能工具，同時培養學生的適應能力，最終構建出高效、智能的教育新生態。

參考文獻：

〔1〕寧虹，賴力敏.“人工智能+教育”：居間的構成性存在[J].教育研究，2019，40（06）：27-37.

〔2〕姚炎昕，聶楠.基于線上教學的教師教育課程資源建設路徑研究[J].中阿科技論壇（中英文），2023， 7（12）：138-142.

〔3〕楊宗凱，王俊，吳砥，等.發展智能教育學推動教育可持續發展[J].電化教育研究，2022，43（12）：5-10+17.

〔4〕徐立萍，馮淼華.“雙減”政策下教育出版的發展契機與前景芻議[J].出版廣角，2021，27（20）：24-27.

〔5〕亓智斌.落實“雙減”：人工智能技術輔助教學的利與弊[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2024，50（01）：78-80.

〔6〕刁李嫻.基于核心素養的實驗教學創新設計——以“物質的比熱容”為例[J].中學物理教學參考，2023，52（18）：9-11.

〔7〕金昌偉.人工智能分案機制探析[J].中國政法大學學報，2020，14（02）：171-181+209.

收稿日期：2024-05-29

通信作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內蒙古赤峰人，赤峰學院物理與智能制造工程學院學科教學（物理）專業碩士研究生導師，研究方向：傳感器應用，基礎教育理論，郵箱：chaiwandong@cfxy.edu.cn