人工智能下高中物理教學(xué)研究

【摘

要】隨著科技的飛速發(fā)展，信息化、智能化技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)深入，尤其是人工智能。基于此，為更好地傳承物理知識，使相關(guān)教學(xué)活動建立在適應(yīng)社會發(fā)展趨勢上，本文圍繞人工智能分析高中物理知識的體現(xiàn)，以此揭露人工智能融入高中物理教育的價值意義，最后從情境創(chuàng)設(shè)、沉浸課堂打造、翻轉(zhuǎn)課堂、多元評價等多個方面研究人工智能下高中物理教學(xué)的開展路徑，總結(jié)人工智能與高中物理教學(xué)的融合路徑，以期為相關(guān)工作或人員提供參考?！娟P(guān)鍵詞】高中物理；人工智能；教學(xué)創(chuàng)新在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展環(huán)境下，現(xiàn)代智能技術(shù)加速了教育信息化的發(fā)展，目前VR、AR、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)在課堂上的應(yīng)用愈發(fā)常見。為實現(xiàn)全面培養(yǎng)的教育要求，提升高中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，應(yīng)緊抓社會發(fā)展為教學(xué)活動帶來的新機(jī)遇。人工智能技術(shù)與物理學(xué)科之間存在千絲萬縷的關(guān)系，為培養(yǎng)具有物理核心素養(yǎng)的綜合型人才，研究高中物理教學(xué)在人工智能環(huán)境下的開展路徑是必要的。一、基于高中物理教育探討人工智能的應(yīng)用價值高中物理新課標(biāo)中明確指出，若想培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，應(yīng)從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與科學(xué)態(tài)度的角度出發(fā)，教育作為培養(yǎng)人的基本活動，在傳遞知識的同時，更要適應(yīng)社會的發(fā)展趨勢。目前，人工智能作為新興技術(shù)領(lǐng)域的重要組成，其發(fā)展與物理學(xué)密切相關(guān)，比如圖像自動識別，或是無人駕駛等，更為細(xì)致的關(guān)系體現(xiàn)在集成電路與芯片、基于原子模型的認(rèn)知模擬、以多光源為核心的人臉識別、感應(yīng)系統(tǒng)與傳感器等。由此可見，在高中物理引入當(dāng)前發(fā)展迅速的新興技術(shù)——人工智能技術(shù)是必要的，一方面能夠增強(qiáng)高中物理教育與人工智能技術(shù)之間的關(guān)系，確實將教育活動建立在社會發(fā)展趨勢上；另一方面則可以為學(xué)生帶來生動的技術(shù)案例，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容、營造相對活躍的課堂氛圍，促進(jìn)高中物理高效課堂的構(gòu)建，從而通過教學(xué)創(chuàng)新促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展，逐漸形成正確的思想價值觀念以及關(guān)鍵的學(xué)科能力。二、基于人工智能環(huán)境研究高中物理教學(xué)的開展路徑（一）創(chuàng)新預(yù)習(xí)：設(shè)置問題情境課前導(dǎo)入是教學(xué)活動的開展前提，直接關(guān)系到教學(xué)任務(wù)、目標(biāo)能否實現(xiàn)以及課堂教學(xué)效率，在以往傳統(tǒng)的教學(xué)架構(gòu)下，“導(dǎo)學(xué)案”的設(shè)計使用較為常見，雖然可以鍛煉學(xué)生的自主預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)意識與能力，但教師無法把握預(yù)習(xí)結(jié)果，難免存在部分學(xué)生疏于預(yù)習(xí)的情況，導(dǎo)致后續(xù)的物理課堂教學(xué)推進(jìn)困難。所以，教師可以布置以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的預(yù)習(xí)活動，針對高中物理知識的復(fù)雜性、抽象性，教師可以利用教育領(lǐng)域現(xiàn)有的人工智能系統(tǒng)設(shè)置問題情境，并將其導(dǎo)入線上系統(tǒng)，要求學(xué)生通過預(yù)習(xí)活動對問題進(jìn)行簡單解答。在此情況下，教師使用大數(shù)據(jù)手段即可掌握有哪些同學(xué)參與了課前預(yù)習(xí)，其中又有哪些同學(xué)對這一部分的物理知識存在理解、認(rèn)知上的誤區(qū)，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，為內(nèi)容重點(diǎn)的調(diào)整、課堂教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)以及課堂教學(xué)的輔助等提供方向，一方面讓學(xué)生提前形成知識印象，另一方面使學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)與課上學(xué)習(xí)經(jīng)歷科學(xué)的思維過程，以此獲得成長，深化物理知識的學(xué)習(xí)與理解，進(jìn)而逐漸形成正確的物理觀念。以“自由落體運(yùn)動”為例，由于高中物理知識較難，對于該階段的學(xué)生而言，知識理解較為吃力，更逞論物理知識運(yùn)用，在一些錯誤前概念的影響下，學(xué)生往往會認(rèn)為，物體質(zhì)量是影響物體下落快慢的主要因素。在該情況下，為避免錯誤印象與理解的形成，教師可以圍繞“自由落體運(yùn)動”教材內(nèi)容整合線上視頻、圖片、文本等，將其上傳至AI智學(xué)系統(tǒng)（高考版）等平臺軟件上，完成導(dǎo)入后要求學(xué)生自行登錄、瀏覽、下載，并對問題加以解答，及時完成預(yù)習(xí)回饋，促進(jìn)后續(xù)教學(xué)工作的優(yōu)化。（二）激發(fā)興趣：增強(qiáng)課堂沉浸感無論何時，興趣都是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)前提，高中物理知識具有物理學(xué)科知識的特性，即源于生活、服務(wù)生活，雖然知識內(nèi)容相對枯燥，但是其帶來的生活改變、技術(shù)發(fā)展可以很好地滿足高中生對物理世界的好奇心，如何將學(xué)生的好奇心轉(zhuǎn)化為物理知識學(xué)習(xí)興趣成為實際教學(xué)中內(nèi)容、方法設(shè)計的關(guān)鍵。在智能化技術(shù)背景下，現(xiàn)代人工智能技術(shù)可以為高中物理教學(xué)設(shè)計提供新思路，比如AR技術(shù)和VR技術(shù)的使用，可以為學(xué)生帶來沉浸式的課堂，獲得極佳的學(xué)習(xí)體驗。以“圓周運(yùn)動”相關(guān)教學(xué)內(nèi)容為例，在開展實際教學(xué)活動時，教師應(yīng)提前對該章節(jié)的知識內(nèi)容進(jìn)行全面分析，掌握教學(xué)關(guān)鍵的同時分析學(xué)生理解難點(diǎn)，然后結(jié)合使用AR技術(shù)和VR技術(shù)對課堂環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，依托于視覺追蹤、觸覺反饋、生效反饋等增強(qiáng)環(huán)境真實性、沉浸感，給學(xué)生的學(xué)習(xí)過程帶來身臨其境的感覺，將晦澀難懂的物理知識以直觀的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)其物理學(xué)習(xí)效率的提高。一般情況下，學(xué)生較難理解力的方向與作用，比如在車速過快的情況下，火車轉(zhuǎn)彎時軌道與車輪間的擠壓會提供一部分火車轉(zhuǎn)彎時的向心力，針對這一教學(xué)難點(diǎn)，教師可以借助VR技術(shù)營造火車軌道內(nèi)部低、外部高的真實情況，一旦火車行駛速度加快，車輪與外軌之間存在擠壓，外軌將產(chǎn)生彈力并作用于外側(cè)輪緣，以此提高火車做圓周運(yùn)動的加速度。通過這一教學(xué)方法，能夠以直觀的呈現(xiàn)方式幫助學(xué)生于腦海中構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，加快學(xué)生對所學(xué)知識的理解，久而久之，將有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)物理思維的形成與發(fā)展。再如，開展有關(guān)“衛(wèi)星變軌問題”的教學(xué)活動時，若是學(xué)生理解困難，教師也可以使用VR技術(shù)為學(xué)生帶來衛(wèi)星從低軌道加速至高軌道的直觀的學(xué)習(xí)體驗，深化物理知識理解的同時，使其更為清晰地掌握加速離心運(yùn)動的過程，以此促進(jìn)高中物理課堂教學(xué)質(zhì)量與效率的提升。（三）創(chuàng)新方法：引入翻轉(zhuǎn)課堂開展分層教學(xué)隨著教育事業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，教學(xué)方法愈發(fā)豐富，在人工智能的技術(shù)環(huán)境下，高中物理教師還應(yīng)注重教學(xué)方法的創(chuàng)新，比如以因材施教為核心的分層教學(xué)，或是能夠有效增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的翻轉(zhuǎn)課堂等，依托于“技術(shù)底座”優(yōu)化教學(xué)方法與模式。在實際教學(xué)過程中，教師應(yīng)逐漸摒棄以往一刀切的教學(xué)理念與方法，尊重學(xué)生的個體差異性，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)新教學(xué)方法，實現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位，從而促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展，保證教學(xué)指導(dǎo)的精準(zhǔn)性。為此，高中物理教師可以落實“先學(xué)后教”的教學(xué)模式，依托于翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計與科學(xué)分層培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生均可以在當(dāng)前的知識水平上獲得提高與成長。具體而言，尊重學(xué)生的主體地位，借助人工智能系統(tǒng)對新課資料進(jìn)行搜集、整理，要求學(xué)生總結(jié)不理解的內(nèi)容，并將其帶到課上一同討論、分析。同時，為保證翻轉(zhuǎn)課堂各個環(huán)節(jié)開展的規(guī)范性與有效性，教師可以面向?qū)W生提供階段性的課程學(xué)習(xí)報告，該報告也為課堂設(shè)計提供支持，實現(xiàn)“有教先學(xué)、以學(xué)定教”的目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生物理自主學(xué)習(xí)意識的形成與能力的提高。需要注意的是，在此過程中教師應(yīng)面向?qū)W生開展全面的學(xué)情分析，比如考量學(xué)生的上課狀態(tài)、作業(yè)完成情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、考試成績等，在全面的學(xué)情分析結(jié)果上制定分層教學(xué)目標(biāo)。然后在教學(xué)過程中，教師應(yīng)注重對學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐的觀察，通過講練結(jié)合的方式監(jiān)測學(xué)生對新學(xué)物理知識的掌握，并結(jié)合具體情況對課堂節(jié)奏進(jìn)行及時調(diào)整，即依托于教學(xué)的實時反饋提高課堂教學(xué)質(zhì)量，把握課堂推進(jìn)節(jié)奏，促進(jìn)高中物理課堂教學(xué)質(zhì)量的提升。下課前，利用系統(tǒng)提供的當(dāng)場測驗加深學(xué)生理解，并根據(jù)測驗結(jié)果了解學(xué)生短板，以此為基礎(chǔ)布置差異化的作業(yè)內(nèi)容，需要注意的是，布置物理作業(yè)時，除包括物理知識、技能以外，還要涉及一些活動性、實踐性任務(wù)，比如圍繞社會熱點(diǎn)或前沿技術(shù)等設(shè)計作業(yè)，以此開拓學(xué)生的視野，使其站在客觀的角度看待問題，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的形成。此外，教師還應(yīng)通過人工智能系統(tǒng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)報告進(jìn)行查閱，將其作為教學(xué)指導(dǎo)的基礎(chǔ)，提高指導(dǎo)效果與效率，做到因材施教，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)與學(xué)科能力的發(fā)展。（四）科學(xué)評價：落實多元素質(zhì)評價隨著現(xiàn)代化教育理念的發(fā)展，教師應(yīng)采用多元化的評價方式完成教學(xué)評價工作，尤其在素質(zhì)教育的背景下，但是多元評價需要教師及相關(guān)人員付出較多精力，所以可以借助大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、關(guān)聯(lián)技術(shù)以及統(tǒng)計學(xué)方法對學(xué)生以往的物理學(xué)習(xí)情況進(jìn)行存儲、統(tǒng)計與總結(jié)，并對現(xiàn)有的評價內(nèi)容、目標(biāo)予以細(xì)化，依托于層層細(xì)化的評價指標(biāo)保證教學(xué)、學(xué)習(xí)評價的科學(xué)準(zhǔn)確性，尊重學(xué)生物理學(xué)習(xí)付出，保護(hù)其學(xué)習(xí)自信心，使其建立健康的物理學(xué)習(xí)心理狀態(tài)。教學(xué)評價作為教學(xué)的檢驗方式之一，是課堂完整教學(xué)的關(guān)鍵，在開展以人工智能為基礎(chǔ)的多元素質(zhì)評價時，可以從以下兩個方面推進(jìn)：第一，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對學(xué)生歷史學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動生成相關(guān)結(jié)果。傳統(tǒng)的教學(xué)評價雖然可以給后續(xù)教學(xué)工作帶來一定指導(dǎo)，但實際上其使用的評價標(biāo)準(zhǔn)、方式相對單一，主要是作業(yè)完成情況、考試分?jǐn)?shù)以及課堂表現(xiàn)，缺乏對學(xué)生物理知識學(xué)習(xí)過程的評價與尊重。通過引入人工智能技術(shù)，可以依托于專業(yè)軟件采集學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)并整理、分析，借助軟件、系統(tǒng)平臺的智能化生成功能開展數(shù)據(jù)分析，直觀地看到學(xué)生物理學(xué)習(xí)的優(yōu)勢區(qū)與不足區(qū)，并且可以快速準(zhǔn)確地分析出班級整體對哪些知識點(diǎn)掌握不牢，增強(qiáng)教學(xué)評價的科學(xué)化與細(xì)致化。第二，動態(tài)追蹤學(xué)生的課后物理學(xué)習(xí)。課后作業(yè)是加深學(xué)生知識理解、促進(jìn)學(xué)生知識運(yùn)用的重要組成部分，但是難免存在部分學(xué)生敷衍對待作業(yè)，一些教師也沒有充足的時間批改作業(yè)、提供及時指導(dǎo)，所以以往傳統(tǒng)的作業(yè)分?jǐn)?shù)對教學(xué)評價的參考性較低，使得最終的教學(xué)評價缺乏有效性與針對性。但是在人工智能的技術(shù)環(huán)境下，教師可以直接在智能軟件或平臺上布置作業(yè)，相較于紙質(zhì)批改，線上批改效率更高，并根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果提供針對性極強(qiáng)的“智能題庫”，促使學(xué)生獲得更具針對性的物理習(xí)題。比如教學(xué)易軟件，具有學(xué)情分析、智能測試分析功能，針對其推送的分析報告，學(xué)生可以根據(jù)自身薄弱點(diǎn)開展針對性學(xué)習(xí)，使其具有自己的物理學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自身物理水平提高