大學物理教學中AI技術的應用研究

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2025.16.001

Research on the Application of AI Technology in College Physics Teaching

PENG Huping

(DepartmentofElectronic and Communication Engineering，Changsha University，Changsha，Hunan 4100) AbstractWiththerapiddevelopmentofartificial inteligence(AI)technology，itsapplication inuniversityphysics teaching has graduallybecomeanimportant direction foreducationalinnovation.Thearticleexplores theapplication value，applicationpath，andspecificpractical casesofAItechnologyincollege physics teaching，andcombines the teaching contentof \"speed and acceleration\" to explore the practical applicationofAItechnology in physics teaching. Throughinvestigation，itwasfoundthataftertheapplicationofAItechnology，students'masteryofphysicsknowledge， practical ability，and core literacy scores were 89.7% 91.1% ，and 90.4% ，respectively，withanincrease of 7.6% 7.7% and 7.5% ，respectively.Itcan be seen that AI technologyhas played an important role incollege physics teaching. Keywordscollege physics; physics teaching;AI technology

人工智能技術的迅猛發展為教育領域帶來了深刻變革。在大學物理教學中，AI技術的應用不僅能夠豐富教學資源、提升教學質量，還能通過個性化學習和智能實驗等方式，增強學生的實踐能力和學習體驗。近年來，教育部和高校積極探索AI技術在教學中的應用，涌現出一批典型案例和創新實踐。例如，東南大學的“大學物理課程智慧AI助教系統\"通過知識圖譜和精準畫像，為學生提供個性化的學習指導和教學支持。本文將從AI技術在大學物理教學中的應用價值、應用路徑以及具體實踐案例出發，探討其在提升教學質量和學生學習體驗方面的潛力與挑戰。

1AI技術在大學物理教學中的應用價值

AI技術在大學物理教學中的應用，能夠有效提升教學效率，對提升學生的實踐能力、科研能力、跨學科思維能力等具有積極意義。具體而言，AI技術在大學物理教學中的應用價值有以下幾點：

第一，提升教學效率，促進個性化學習。AI技術通過自動化計算、數據分析和公式推導等功能，顯著減輕了教師的負擔，使教師能夠將更多時間用于講解復雜概念和原理[。同時，AI可以根據學生的學習情況智能推薦資源和練習題，幫助學生鞏固知識，提高學習效率。

第二，增強教學互動與學習體驗。AI技術通過虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術，構建逼真的物理實驗環境，使學生能夠在虛擬空間中直觀感受物理現象，激發學生的學習興趣，加深其對物理原理的理解。

第三，研究式學習與科研能力培養。AI技術支持研究式學習方法，通過開源科學數據和AI工具，幫助學生進行數據分析、知識推導和文獻解讀，從而培養學生的科研能力和團隊協作能力。同時，利用AI模擬實驗和虛擬實驗室，學生可以不受時空限制地進行物理實驗模擬，提高實驗效率和準確率。

第四，教學評估與反饋。AI技術在自動評估學生作業和考試方面展現出巨大潛力。通過自然語言處理和機器

|科教導刊

學習技術，AI系統可以快速準確地批改客觀題，并為學生提供建設性的反饋。

2AI技術在大學物理教學中的應用路徑

2.1借助AI豐富教學資源，完善學生的物理知識體系

傳統教學通常受到時間、空間和資源的限制，而AI技術通過在線學習平臺和教育軟件，使學生能夠隨時隨地獲取豐富多樣的學習資源，包括課程資料、教學視頻和在線實驗等，并以電子書籍、視頻講座、互動游戲等方式呈現多元化的教學資源。同時，基于AI技術的智能推薦系統，能夠根據學生的學習歷史、興趣和能力水平，推薦最適合的學習材料和資源[3]。若學生在學習過程中存在困難，AI技術可以為其提供反饋，并更新學習資料。另外，AI技術可以通過建立課程知識圖譜，實現知識的可視化，幫助學生構建完整、準確的知識體系。AI技術能夠根據知識點關聯各類教學資源，形成精準的學生畫像，提供個性化的資源推薦和學習指導，為完善學生物理知識體系奠定堅實的基礎。

2.2基于AI促進教學實踐，提升學生的物理實踐能力

物理是一門實驗性極強的學科，但傳統的實驗室條件可能限制了學生實踐操作能力的提升。AI技術可以通過虛擬現實（VR)和仿真技術，創建逼真的物理實驗環境，讓學生在安全、便捷的環境下進行模擬實驗4。例如，利用AI智慧實驗室進行物理實驗，學生可以通過設備精準捕捉實驗過程，并在短時間內獲得評分和反饋，有效提高了學生的實踐操作能力，增強了學生的理論應用能力。同時，教師可以借助AI技術開展研究式教學，結合開源科學數據，構建“四層四類\"物理實驗課程體系，結合競賽和項目任務，推進物理理論知識與實踐結合，進而驅動學生實驗技能的發展。另外，在基于AI技術的物理實驗平臺中引入計算成像技術（如Tracker軟件)，能夠有效提升實驗效率和精準性，且AI技術可以結合其他學科的知識，如化學、生物等，通過實際案例展示物理學科的基礎作用，促進學科融合。

2.3應用AI完善教學評價，提高物理教學實效性

AI技術可以通過實時收集和分析學生的學習數據，提供全面、精準的教學評價。例如，AI系統可以記錄學生的學習行為、完成任務的速度和質量，并生成個性化的學習反饋，幫助教師了解學生的學習狀態和需求，并為教學改進提供數據支持。傳統的教學評價方式通常依賴于紙筆考試或在線測試，無法全面反映學生的真實能力。而AI技術可以通過自然語言處理和圖像識別技術實現自動化評分，減少人為誤差，提供更全面的評價，且AI技術支持多元評價方式，如過程性評價、表現性評價等，從而更全面地評估學生的學習成果。基于此，AI系統可以根據學生的學習進度和表現，為每個學生提供定制化的學習路徑和反饋，以提升學生的學習實效[。另外，AI技術還可以對教師的教學行為進行分析，提供教學改進建議。例如，通過監控課堂活動并進行智能分析，AI可以生成教師的教學行為數據畫像，幫助教師優化教學策略，為提升物理教學實效性提供依據。

3基于AI技術的大學物理教學實踐—一以“速度和加速度”為例

3.1教學目標

知識目標：理解速度和加速度的定義及其物理意義，掌握速度一時間圖(v一t圖)和加速度一時間圖(a一t圖)的繪制方法。

能力目標：通過實驗和數據分析，培養學生的實驗操作能力和數據處理能力。

情感目標：激發學生對物理學習的興趣，增強學生對抽象概念的理解能力。

3.2教學內容

速度的概念： ① 定義。速度是描述物體位置變化快慢的物理量，單位為米/秒 (m/s) 。 ② 類型。平均速度和瞬時速度。 ③ 應用實例。汽車行駛的速度、運動員跑步的速度等。

加速度的概念： ① 定義。加速度是描述速度變化快慢的物理量，單位為米/秒 ²(m/s²) 。 ② 類型。平均加速度和瞬時加速度。 ③ 應用實例。自由落體運動、勻加速直線運動等。

速度與加速度的關系： ① 通過 v-t 圖和 a-t 圖展示兩者之間的關系。 ② 探討加速度的方向與速度方向的關系。

3.3教學方法與工具

傳統教學工具：白板或投影儀。

實驗器材：小車、斜面、計時器、尺子等。

AI技術輔助： ① 虛擬實驗。利用AI技術模擬物理實驗環境，如AugmentedPhysics系統，將靜態圖表轉化為交互式動畫，幫助學生直觀理解速度和加速度的概念。 ② 數據分析。通過AI工具分析實驗數據，生成圖表并進行可視化展示，幫助學生更好地理解物理現象。 ③ 智能答疑。利用AI助手（如ChatGPT)回答學生的問題，并提供個性化的學習建議。

3.4教學過程

3.4.1導入環節

問題引導：通過提問“什么是速度？什么是加速度？”引發學生思考。

實例引入：展示日常生活中的速度和加速度實例，如汽車加速、電梯上升等。

3.4.2新課講解

概念講解：通過PPT和動畫展示速度和加速度的定義及其公式（如 v=Δx/Δt a=Δv/Δt) ；利用AI工具生成動態圖表，幫助學生理解公式的意義。

實驗演示：使用小車和斜面進行勻加速直線運動實驗，記錄數據并繪制 v-t 圖和 Φ_a-t 圖；利用AI技術實時分析實驗數據，生成圖表并進行講解。

3.4.3互動探究

小組活動：學生分組應用AI工具進行實驗，測量小車的速度和加速度，并記錄數據；每組分享實驗結果，討論實驗中可能的誤差來源；利用AI工具對實驗數據進行分析，生成圖表并進行講解；學生通過AI助手提出問題并獲得即時反饋。

AI生成練習題：教師利用AI助手自動生成練習題，并提供解題思路和答案解析。

AI輔助反思：利用AI工具對學生的學習情況進行分析，生成學習報告，并借助其調整教學策略。

3.4.4教學評價

教師通過觀察學生在實驗中的表現，評估其動手能力和數據分析能力；利用AI工具對學生的學習過程進行記錄和分析，生成學習報告。同時，教師通過課堂練習和作業完成情況，評估學生對知識的掌握程度；利用AI助手對學生的學習成果進行個性化評價，提出改進建議。

4大學物理教學中AI技術的應用成果與反思

為考查大學物理教學中AI技術的應用成果，本研究對學生開展學習實踐前后的學習成果進行檢驗。檢驗內容包括學生的物理知識掌握情況、物理實踐能力、物理核心素養，檢驗以教師評價、學生互評分值的平均值為準。調查結果顯示，AI技術應用前，學生的物理知識掌握情況、實踐能力、核心素養評分分別為 82.1%.83.4%.82.9% ：AI技術應用后，學生的物理知識掌握情況、實踐能力、核心素養評分分別為 89.7%.91.1%.90.4% ，分別提升了 7.6%.7.7% /7.5% 。因此，AI技術在大學物理教學中發揮了重要作用。

教學反思：借助虛擬實驗室，學生可以在不受時空限制的情況下進行物理實驗模擬，提高了實驗的效率和準確性。同時，AI技術的應用創新了物理教學方式，增強了教學的靈活性和互動性。另外，AI結合虛擬現實（VR)和增強現實(AR)技術，為學生提供了生動直觀的學習體驗，為提升學生物理實踐能力提供了技術支持。雖然AI可以輔助教學，但教師仍需發揮主導作用，特別是在培養學生批判性思維和創新能力方面。因此，在未來的教學實踐中，教師應尋求自身與AI技術之間的平衡[]。同時，教師應注重合理分配資源，確保大部分學生都能受益于AI技術，量化AI技術對學生學習成效的影響，并根據評估結果不斷改進教學策略。

5結語

人工智能技術在大學物理教學中的應用，有助于豐富教學資源，提升教學效率，對學生知識能力的發展具有重要意義。在大學物理教學中，借助AI技術的知識圖譜、虛擬實驗、數據分析等手段，可以顯著提高物理教學質量和學生學習體驗。在AI技術的實際應用中，教師應高度關注數據隱私、算法解釋性和學生依賴性等問題。在未來實踐的發展中，需進一步完善AI技術在物理教學中的應用策略，推動高等教育的數字化轉型，為學生提供更加高效、個性化的學習體驗。

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