VR和人工智能在物理教学中的应用研究

李博

摘 要：高中物理由于其思维的逻辑性、抽象性，使高一新生在物理情景的理解上存在诸多困难;基于VR技术平台强大的沉浸感、交互性和构想性，借助人工智能强大的感知性，极大地增加了制订个性化教学方案的成功率，使课堂教学达到事半功倍的效果。

关键词：VR仿真;大数据;人工智能;个性化教学

进入高中，谈及物理，学生闻之色变。究其原因，较强的知识性、逻辑性、抽象性、应用性等学科特点是制约学生学好物理的瓶颈。而洞悉物理现象、理解物理内容、描绘物理情景、构建物理模型并配以一定的数学运算是解决这些问题的有效途径。考虑到学生的个体差异，制订个性化的教学方案迫在眉睫;VR技术以及人工智能的迅速发展，为展现动态物理过程、实现物理教学从“晦涩难懂”向“大众化”的方向转变提供了强有力的技术支撑。

一、VR仿真技术在物理教学中的应用

新课标着重强调了物理课程的育人功能。传统教学手段在对高中物理抽象的物理规律的处理中不够直观，因此使得学生在理解物理内容上存在诸多困难，很难从多角度来分析和研究。基于VR技术平台强大的仿真和信息处理功能，结合人工智能机器人对学生所提问题的实时解答能力，通过学生的反馈调整解答方式，直至学生掌握为止，弥补了传统教学方式的不足。

1.显化抽象物理过程，呈现复杂物理规律

通过VR仿真平台建立相应的物理模型，设置合适参数来模拟复杂的物理现象和物理过程，进而展示形象生动的物理情景，帮助学生理解相关的抽象物理知识和概念。如微观世界中分子的运动规律，恒定电场的建立与分布，恒定电流的形成及光电效应等;模拟实际存在却不容易观察到的物理情景，如带电粒子在电磁场中的运动，电磁波的产生和传播机理等。

2.突破实验条件限制，提升实验成功效率

对于教学中的粒子散射实验，重核裂变，轻核聚变等原子物理学中无法进行的实验，以及万有引力部分的日、月食的形成过程，卫星变轨、对接过程，双星及三星模型等天体物理学问题，可运用基于VR手段的仿真系统将一幅幅由宏观到微观的物质运动规律和相互作用的动态图像直观地呈现在学生眼前。同时对教学中具有危险性和难度较大的实验，可事先通过仿真使学生了解到相关的注意事项，让学生切实感受实验的严谨性并确保实验的成功率。

3.实验仿真有机融合，引导分析实验现象

将动画模拟与真实实验相结合，在真实实验的基础上，利用相应的实验动画，重复展示实验现象发生的全过程，并利用交互功能控制过程进行的速度，强化观察主体，引导现象的分析，增强实验效果。例如，各类抛体运动、波的干涉、多普勒效应、简谐运动、电学实验、布朗运动等。

以“波的干涉”教学内容为例，设计一幅动态的三维水波干涉动画：将两块石子同时扔进水中，减缓时间进度，可清晰地观察到水波干涉图样形成的全过程。以此实例激发学生的探究兴趣，引导他们主动去探究这一现象形成的原因——波的叠加。建立一个两列正弦波相向传播的模型，对每列波的振幅、周期、波速和初相位等参数随机设置，可清晰地观察到两列波叠加的动态过程及干涉图样;分别改变不同参数，其干涉图样随之发生改变。引导学生带着“在相干区域中，空间上某一质点的位移如何变化？与二者的振幅、周期、空间距离、波速和初相位有什么关系？干涉图样在空间的分布上有着怎样的规律？”等这类疑问去观察并思考波的叠加的物理机制，激发学生的探究欲望，加深对波的干涉这一抽象物理知识点的理解和记忆。

二、人工智能辅助教师进行个性化教学

VR技术大大提高了处理信息的能力，使静态的二维图像跨越“屏幕”这扇门为学生呈现出动态的三维视觉图像体验;但由于学生对知识体系印象模糊，这就导致了学生对物理学习抱有一种消极、抵触的情绪。《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：关注信息化环境下的教学改革，关注学生个性化、多样化的学习和发展要求。因此引导学生养成主动式的学习习惯尤为重要。从学生的个体差异出发，为其制订个性化的教学方案成为克服学生学习障碍的最有效途径，同时成熟的大数据和人工智能技术也为解决本方案提供了强有力的技术平台。

首先基于个性化的数据采集系统收集学生的思想动态、学习兴趣、基础知识和思维方式等基本信息，并将其录入建立好的学生个人数据库中。

借助人工智能平台强大的计算能力和交互式性能，机器人扮演智能导师的角色，根据数据库中的学生学习特点向其推送学习内容，并在课后与学生进行实时互动，智能平台对实时采集到的学习信息进行检测和更新，更准确、实时的掌握学生特点，将其每次学习过程中遇到的问题和课后检测结果形成评价报告。

同时机器人又是学生最要好的学习伙伴，运用自然语言和特定算法对学生历次评价结果进行深层次的处理，在人机交互过程中逐步优化，直至为學生提供最优的个性化解答方案，形成一个良性循环。通过分析机器人与学生的对话内容，归纳出学生当前状态下理解能力的特点和不足。

最后教师根据智能平台的评价报告结果，结合学生现有知识情况，整合大数据平台的相关信息，为每一位学生量身订制个性化的教学方案，总结实际的教学效果，逐步改进个性化教学方案，实现课堂教学的最优化。

在当前新课改背景下，高中物理由于其专业的性质特点，选考物理学生数不太理想;但其影响社会发展的重要性不言而喻，实施个性化教学，培养物理学人才迫在眉睫。VR技术平台为学生从本质上理解物理内容、掌握物理规律提供了技术保障;如果将其与大数据及人工智能深度融合，则为个性化教学方案的制订和实施带来了良好的契机。有效利用教学资源，合理制订和实施个性化教学方案，有助于最大限度地激发学生的学习潜能，对学生学习物理知识、解答物理问题起到了事半功倍的作用，能够有效锻炼学生的空间想象和逻辑思维能力。

参考文献：

高嵩，赵福政，刘晓晖.国外虚拟现实（VR）教育研究存在的问题与启示[J].中国电化教育，2018，374（3）：1-6.