人工智能在高中物理实验教学中的应用探析

王柳敏　杨国清

摘 要：近年来，人工智能技术获得了快速发展，已应用于图像处理、模式识别、数据挖掘等方面，也已经在教育领域充分发挥作用，其有利于提高教学效率，推动教学改革。物理是一门非常严密的理论科学，融合了实验和科学思维，教学难度较大，学生在学习中容易出现知识理解不透彻、动手操作能力差等问题。为此，教师需要加强对实验教学的重视力度，利用人工智能技术开展物理实验教学，优化教学目标和课堂教学环节，使抽象、复杂的知识以直观、简单的形式呈现出来，加深学生对物理实验的理解。文章分析了人工智能技术应用于高中物理实验教学的设计依据，阐述了高中物理实验教学应用人工智能技术的路径，并以高中物理实验“弹球运动”为例，梳理了实验教学案例。

关键词：人工智能；高中物理；实验教学；应用路径

中图分类号：G427                                文献标识码：A                                       文章编号：2097-1737（2023）09-0027-03

引  言

2016年，我国发布《教育信息化“十三五”规划》，

提出要加快教育现代化、信息化的改革步伐。在人工智能技术的支持下，学生可以随时随地学习，通过人工智能软件判定错题，提高学习的针对性、有效性。高中物理教师要抓住新机遇、新技术和新方法，在教学中充分利用人工智能技术，实现全程跟踪教学。在物理实验教学中，教师可以引导学生通过人工智能软件开展课前预习，让学生在课前收集大量学习资料，将教材中的知识与以往的物理知识联系起来，使学生提前熟悉课堂重难点。另外，教师还可以利用人工智能软件加强课中的互动交流，开展线上问答交流，分析学生的答题结果。最后，教师还可以利用人工智能技术进行课后拓展延伸，全面提高课堂教学的活力，培养学生的创新能力和创造力。

一、人工智能应用于高中物理实验教学的设计依据

（一）人工智能——设计载体

当前，现代信息技术快速发展，以往单一的线下授课方式逐渐被打破，很多地区采用了“线上+线下”的混合式教学模式，充分利用人工智能App开展网络空间教学。在高中物理实验教学中，人工智能技术是教学设计的基本载体[1]。在线上教学方面，教师可以依靠网络和学生互动，实时讲解物理实验知识，展示物理实验现象。在线下教学中，教师可以利用智能化的教学辅助工具搭建智慧课堂，利用电子白板提前准备课件，科学规划教学活动。此外，教师还可以在课堂互动环节应用人工智能软件实时开展小测，调整课堂教学环节，将课堂时间应用在重难点剖析方面。在教学测验完成后，教师可以对小测的数据进行分析，优化课堂教学评价。从这个角度来说，人工智能技术是课堂教学的重要辅助工具，教师可以将人工智能技术应用于实践教学的不同环节，全面做好教学设计工作。

（二）学习理论——理论依据

针对高中物理教学设计而言，人工智能技术的应用必须将学习理论作为基础，提高课堂教学的科学性。在物理实验教学设计方面，教师要遵循建构主义学习理论、多元智能学习理论、分布式认知理论。其中，在建构主义学习理论下，学生需要不断建构新知识，对新问题进行探究，形成完善的知识框架。通过人工智能技术，学生能够在特殊情境下进行知识的建构，加强与教师和其他同学的互动。在多元智能学习理论下，学生之间存在较大差异，需要结合自身的个性开展学习，人工智能技术能够帮助学生找到自身的长处，为学生提供个性化的学习资源，改变学生的思维方式。在分布式认知理论下，工具和技术能够降低学习者的认知负荷，转移认知任务。现代人工智能技术适应分布式认知理论，智能化的学习软件能够拓展学生的认知深度和广度。总而言之，人工智能技术的应用可以和学习理论有机融合，以学习理论为依据，为实践教学活动提供理论支撑[2]。

（三）教学目标——设计宗旨

教学设计的质量决定了教学目标的达成情况，还决定了学生的课堂学习效果[3]。教师需要将教学目标的达成作为教学设计的宗旨，着重说明教学设计的核心，围绕教学目标开展教学设计。为更好地确定教学设计目标，教师可以通过人工智能技术开展大数据分析，准确了解学情，对学生的现有知识基础和将要达到的学习目标进行对比，评判学生是否能够达到预期目标，然后科学规划每一个教学活动，对各个环节的教学目标进行深入分析，使课堂教学层层递进。在教学环节的设计中，教师同样需要时刻关注教学目标，确保教学活动朝着教学目标的方向发展，加强对课堂教学活动的控制，選择正确的教学方式。

二、人工智能应用于高中物理实验教学的现实路径

（一）创设物理情境，激发学生实验兴趣

对于高中阶段的学生而言，兴趣是支持学生参与课堂学习活动的内在动力，只有对物理学科知识感到好奇，具备一定的学习兴趣，学生才能深入钻研知识，在课堂学习活动中全身心投入。在高中物理实验教学中，教师需要深入分析实验教学的目的，联系现实生活，创设新奇有趣的情境，引导学生提出自己的意见和建议。高中物理教师需要摆脱以往“讲实验”的教学模式，要从生活视角出发，为学生创设生活化情境。以高二物理选择性必修第一册“光的干涉”为例，实验部分的内容有“双缝干涉实验”，该实验的现场操作难度较大，受教学条件的限制，教师难以顺利完成实验。在这种情况下，教师可以借助Matlab的GUI系统实现人机交互，通过多媒体设备为学生演示光的干涉现象，让整个实验教学过程更直观、清晰，提高学生的抽象思维能力。在人工智能技术的支持下，教师只需要在系统当中更改实验参数，然后在操作演示的部分选择光强分布或者干涉条纹，就能够呈现出相应的实验现象，为学生展示真实的教学情境。

（二）关注学习过程，助推创新思维发展

高中物理教师需要加强对学生的指导，通过设计互动问题、开展课堂讨论、组织线上答题等方式，让学生即学即练，引导学生实践。在以往的实验教学中，部分教师在实验教学方法上存在不足，片面关注学生的做题能力，甚至还会直接告诉学生实验结论。这种教学方法不利于学生对实验核心思想的理解，还会限制学生的创新思维，加重学生的学习负担。针对这种情况，教师可以充分应用人工智能技术，通过人工智能App为学生发送课堂问题，设计实验教学的思维导图，让物理学科的知识点更系统，激发课堂活力。在实践中，教师还可以利用Python程序、3D打印技术等，辅助实验教学对物理实验的模型进行模拟，提高学生创新能力。在应用人工智能技术的过程中，教师要关注学生在课堂上的表现，引导学生完成知识迁移，让人工智能技术为学生服务，辅助物理实验教学。

（三）强化教学评价，引导学生建立自信

通过教学评价，教师能够进一步反思物理实验教学设计的科学性，评价课堂活动的有效性，同时对学生的学习效果进行评价，帮助学生树立学习物理知识的自信心。将人工智能技术应用于高中物理实验教学的评价环节，能够让教学评价有客观数据的支撑。在实践应用中，教师可以利用大数据分析技术，对学生的实验数据进行整合、分析，将学生得出的实验数据和标准实验数据进行对比，及时发现学生在实验过程中存在的问题，对学生的实验方案、实验流程进行评价，全面提高评价的科学性。在这些教学活动中，教师依然可以利用大数据技术和智能软件，将学生的课堂练习题得分整合起来，做出科学、全面的评价。

三、人工智能应用于物理实验教学的案例

在高中物理实验教学中，现代化的人工智能技术能够让实验现象更直观，使实验结果一目了然，增强学生对实验的理解。以高一物理必修第二册“机械能守恒定律”为例，教师可以引入弹球运动实验，带领学生探索弹球运动的规律，分析弹球运动的高度变化情况，探究弹球运动中的能量变化。在实验过程中，教师可以应用Phyphox软件。这款软件有29种内置功能，可以应用于光学实验、声学实验、力学实验以及磁场实验当中。Phyphox软件可以辅助高中物理实验教学，用数字展现测量结果，通过图像对测量结果进行分析，让实验过程更直观。在弹球运动实验中，Phyphox软件中的“（In）elastic collision”可以将弹球落地反弹的每一次高度及时间间隔记录下来，展示能量的变化情况，这有利于学生对相关数据进行分析和整理，也能够帮助学生深入理解物理知识。

（一）弹球运动的高度变化实验

为探究弹球运动的高度变化，教师首先要进行演示，让乒乓球自由落下，引导学生观察，然后提出问题：“乒乓球在落地以后，反弹的高度和原始高度之间有什么关系？反弹的高度是原始高度的一半吗？”教师可以组织学生利用Phyphox开展探究。首先，学生需要打开Phyphox软件中的“（In）elastic collision”，保持安静的实验环境，然后测定乒乓球的初始高度，讓乒乓球自由落下。此时，手机的麦克风会主动接收信号，记录时间间隔，计算出每一次反弹高度。表1为学生用软件记录的相关数值，其中包含乒乓球的高度、撞击次数及时间间隔数据。

通过利用软件，学生可以了解乒乓球每一次反弹的高度，掌握乒乓球反弹高度和原始高度之间的关系。在获得数据之后，教师可以设计物理计算题：“已知乒乓球的反弹高度h和两次撞击的时间间隔Δt，计算自由落体加速度。”在问题的指导下，学生可以利用软件记录的撞击数据、时间间隔、反弹高度，计算出自由落体加速度，提高分析能力和解决问题的能力。在实验的过程中，人工智能软件能够做到精准测量，科学展示测量结果，使学生一目了然。

（二）乒乓球运动中的能量变化

在掌握了弹球运动的高度变化规律以后，教师还可以利用人工智能软件引导学生探究乒乓球运动中的能量变化，充分发挥人工智能软件的价值，增强学生对机械能守恒定律的理解。从表2当中的数据可以计算得出，乒乓球在每次撞击地面后，都会造成一定的能量损失，并且每次保留的能量平均是原来的85.65%。在实践操作当中，学生可以打开软件“（In）elastic collision”中的“Energy”板块，掌握能量的变化。

通过软件记录的能量变化数据，教师可以引导学生进行分析和计算，对乒乓球运动过程中的能量变化进行深入分析。在下落过程中，乒乓球的重力势能会转化为动能；在撞击地面后，乒乓球的弹性势能会转化为动能；在反弹上升的过程中，动能又会转化为重力势能，随着乒乓球的运动，机械能会越来越小。通过应用智能软件，学生做实验的兴趣能够大幅度提高，对物理知识的认识也能得到深化。在人工智能软件的帮助下，学生还可以对弹球运动进行拓展延伸，用其他小球作为实验素材，如玻璃球、金属球等，研究球在撞击地面后反弹的高度，分析球在运动过程中的能量变化。

结  语

在高中阶段的物理实验教学中，人工智能技术能够充分发挥作用。教师需要在教学设计环节充分应用人工智能技术，将人工智能技术作为教学设计的载体，合理安排教学设计的内容，明确物理实验教学的根本目标。在课堂教学中，教师可以利用人工智能技术为学生创设真实的物理实验教学环境，还可以通过人工智能技术关注学生的整个学习过程，对教学内容进行改进，提高教学环节的针对性。另外，物理教师还可以将人工智能技术应用于课堂教学评价中，让评价内容更全面，评价结果更科学。在未来的高中物理实验教学中，教师要树立“人工智能+实验”的课堂教学思想，注重人工智能技术的融入，合理安排实验环节，让学生在课堂上有更清晰、直观的感受。

[参考文献]

甘秉洪.新高考背景下构建高中物理实验教学高效课堂的实践研究[J].中国教育学刊，2022（S1）：152-154.

赵承军，赵力红.加强实验教学 促进“学科基地”建设[J].物理教学，2020（06）：44-47.

蔡千斌.核心素养导向的高中物理实验教学策略[J].物理教师，2020（01）：27-29，33.

基金项目：本文系江苏省教育科学规划“十四五”课题“基于学科核心素养的高中信息技术融合教学实践研究”（编号：D/2021/02/84）的阶段性成果。

作者简介：王柳敏（1983.1-），女，江苏江阴人，任教于江苏省江阴高级中学，一级教师，本科学历，江阴市教学新秀，曾获江阴市教学大比武一等奖，江阴市教师技能大赛一等奖。

杨国清（1983.6-），男，江苏江阴人，任教于江苏省江阴高级中学，一级教师，本科学历，江阴市教学新秀，曾获江阴市全员课型教学大比武一等奖。