核心素养视角下将人工智能应用于高中物理教学的研究

姚佳运 赵振宇

(哈尔滨师范大学教师教育学院 黑龙江 哈尔滨 150025)

张 强

(哈尔滨师范大学物理与电子工程学院 黑龙江 哈尔滨 150025)

人工智能技术的兴起为人类社会做出巨大贡献，同时也为教学活动带来新的机遇.如果教师能将人工智能技术应用于高中物理教学中，不仅能满足信息技术2.0时代的要求，而且也能为核心素养视角下物理教学的改革提供新思路.本文从人工智能技术应用于物理教学的方式出发，设计相应案例，阐述如何将人工智能技术应用于高中物理教学.

1 物理学科核心素养与人工智能技术

截止到2021年上半年，我国人工智能企业共计1 454家，位于世界领先地位，而人工智能领域的发展与物理学密切相关，例如“无人驾驶”和“图像自动识别”等技术都蕴含着丰富的物理知识.物理教学不仅要通过知识的传递促进科技发展，还要有意识地应用现代科技促进人才培养，提高学生的物理学科核心素养，培养具有国际竞争力的综合型人才.2021年7月24日我国出台“双减政策”，在“双减政策”落地后各地各类学校更加重视教学创新，鼓励教师应用人工智能技术开展教学活动，从而促进学生个性化发展.

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中指出：学科核心素养是指学生通过学习而逐渐形成的正确价值观念、必备品格和关键能力[1].物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四大要素.教师应关注不同年级学生的特点和水平，关注不同年级学生的物理学科核心素养的差异性，合理制定教学目标，采用适当的教学方法以提高教学效率，促进学生核心素养的整体化发展.

2 基于人工智能技术的物理教学方式

2.1 科学前测 设置问题情境

教师在开展新课教学前传统教学通常采用“导学案”的方式让学生通过自学教材进行预习，学生的预习结果不仅不容易统计，而且也不易发现个别学生出现的错误前概念，这就难免影响教学效率及学生物理观念的形成.

学生在学习高中物理课程时存在一定困难，是因为高中物理知识抽象而复杂，并且学生会受到一些错误前概念的影响.例如，学生在没有学习“自由落体运动”一课时，会认为影响物体下落快慢的因素是物体的质量.这时教师如果采用人工智能系统将问题设置好并导入系统，利用大数据手段就可以检测出哪些学生对此部分知识有错误认识，从而帮助教师合理进行教学设计，创设教学情境，辅助课堂教学.进而让学生经历科学的思维过程，得出物理规律，形成正确的物理观念.

2.2 激发兴趣 打造沉浸课堂

物理学的特点在于源于生活又服务于生活，高中生对物理世界的好奇心极其强烈，而如何将学生的好奇心转化为学生学习物理的兴趣则是高中物理教师进行教学设计的关健.现代人工智能技术的发展为教师进行教学设计提供新思路.例如，教师可以通过结合AR(Augmented Reality)和VR(Virtual Reality)技术打造沉浸式课堂，通过视觉追踪、声效反馈和触觉反馈等为学生营造身临其境的感觉.卡森认为这种直观的学习方式符合人脑本能反应有利于提高学习效率.

例如，在“生活中的圆周运动”一课中，很多学生无法理解，如果车速过快，火车转弯时轨道与车轮间的挤压会提供一部分火车转弯时的向心力.这时教师就可以借助VR技术使学生身临其境感受火车轨道在“外高内低”的情况下，当火车速度过快时外轨与车轮间存在挤压，外侧轨道会对外侧轮缘产生弹力的作用，从而适当增加火车做圆周运动的加速度.如图1所示，帮助学生在头脑中构建物理模型，促进科学思维的形成.又例如，如图2所示，教师在卫星变轨问题中借助VR技术让学生感受卫星从低轨道到高轨道的加速过程，帮助学生更清晰地理解卫星加速做离心运动的过程，形成正确的物理观念.

图1 火车转弯

图2 卫星变轨

2.3 分层教学 保证因材施教

在传统教学中，教学评价通常是将测试成绩处于同一阶段的学生划分为同一水平从而制定教学目标.这种方式由于可参考数据较少，看似是为学生提供个性化指导，实则并不精准.不同学生即使成绩相同但他们对同一知识的理解程度并不一定相同.而教师如果采用人工智能技术可以精确得出不同学生在某一部分知识的学习上存在的不足.

如图3所示，在课前，人工智能系统可以根据学生预习情况生成学情分析报告，帮助教师确定教学难点，分层设置教学目标.在教学过程中，教师可以通过讲练结合随时监测学生对知识的掌握，根据学生具体情况随时调整课堂节奏，提升教学质量.下课前，系统会为学生提供当堂测验，针对学生短板为学生提供适合自己的作业.但是要注意作业的布置不能仅仅局限于知识与技能性作业，还要包括活动性任务，关注前沿技术、聚焦社会热点，从而开拓学生视野，培养学生的科学态度与责任.除此之外，人工智能系统还可以为学生提供可视化的学习报告，科学地指导学生各阶段的学习，卓有成效地帮助学生形成物理学科核心素养，做到因材施教.

图3 教学流程

2.4 先学后教 构建翻转课堂

当前教学活动强调以学生为中心，使学生成为教学的主体，教师借助人工智能系统为学生提供新课资料，让学生课前先自学，将不理解的内容拿到课堂中讨论[2]，并为学生提供课程学习报告.该课程报告也为教师课堂设计提供依据，帮助教师打造轻松的课堂环境，有教先学，以学定教，培养学生自主学习能力.

2.5 科学评价 聚焦核心素养

美国计算机自适应测试根据学习者的特点和教育情境以及实践场域，用多元化评价方式开展各州的K-12教育测评,但是，有关素养结构方面的评价效果表现不佳.其一，内隐性和复杂性是素养结构的典型特征，这为测评的过程增加难度.其二，由于素养结构模型是知识、 技能和态度的综合表现，这对测评指标结构的综合系统性和整个测评过程的科学性提出更高要求[3].因此，素养数据的挖掘与关联需要运用统计学方法，而人工智能大数据可以通过储存与统计学生以往学习情况，细化评价目标，为素养评价提供科学依据.

3 人工智能促进物理核心素养形成的案例

“万有引力定律”一直以来都是高中物理教学的重点和难点，是高考物理重点考点.但又由于天体运动对初学者而言极其抽象晦涩，因此,对教师教学提出更高要求.本文以人教版高中物理必修二“万有引力定律”一课为例介绍人工智能与高中物理教学相结合促进物理核心素养形成的案例，旨在应用人工智能技术辅助高中物理教学提高教学效率.

3.1 行星与太阳之间的引力

通过系统前测，明确学生前概念，此阶段学生已经学习过开普勒三定律.教师再让学生通过AI系统自学了解胡克、哈雷等人对行星绕太阳运动这一问题的贡献，让学生自主了解物理学史，掌握物理学发展脉络，激发学生学习兴趣，体会前人对物理问题的探索，从问题出发，通过猜想、观测、验证得出规律，帮助学生发展科学思维.学生通过观看flash动画形成行星的圆周运动模型，明确不同行星围绕同一中心天体做圆周运动时，在不同轨道上行星线速度不同，且轨道越高线速度越小.如图4和图5所示.火星和地球绕太阳做圆周运动，其轨道位于同一平面，由于火星与地球做圆周运动的轨道半径不同，所以二者在运动时的线速度也不同.学生通过自主操作与观察，得出结论：行星的运行轨道越高运动越慢，使学生形成科学的运动观.

图4 火星轨道

图5 地球轨道

3.2 月-地检验

教师引导学生思考：地球与月球间的作用力与地球和苹果间的作用力是否是同一种性质的力，如果二者是同种性质的力应满足什么条件.教师将月-地检验视频上传到人工智能系统中，如图6所示.

图6 引力探讨

猜想与假设：

a苹=g=9.8 m/s2

代入数据，算出a月理论数值

学生观看视频并运用牛顿运动定律与万有引力定律两种方法得出月球加速度的理论分析值和天文观测值相同，进而得出结论：地面上的物体受到的地球引力和月球受到的地球引力是同一性质的力——万有引力，帮助学生构建清晰的科学探究过程.

3.3 万有引力定律与引力常量

物理教育家朱正光说：“千言万语说不清，一看实验就分明”.由于卡文迪许扭秤实验在实际教学中无法让每个学生都进行操作，但是可以借助人工智能技术引导学生在观察教师的课堂演示后采用学校为学生配备的AI教学平板进行虚拟操作.如图7所示，将小金属球m系在长木棒的两边并用金属线悬吊起来，细线上固定一面镜子，用准直的细光束照射镜子，此时细光束会反射到一个很远的地方，标记下此时细光束的所在位置，再用两个质量一样的铅球m′同时分别吸引扭秤上的两个铅球.由于万有引力作用，扭秤有微小偏转，但可以观察到细光束所反射的远点移动了较大的距离，由此计算出万有引力常数G[4].教师采用这种方式帮助学生掌握科学探究的基本步骤，使学生了解转换法和二次放大法的应用.通过观察引力常量的得出过程，发展学生的科学思维，培养学生的科学探究能力.此外，将卡文迪许个人资料与卡文迪许实验室相关资料上传到学生用户端，使学生在课下有丰富的课外学习资源，帮助学生了解物理学史，开拓学生视野，丰富学生认知，提高学生科学素养.

图7 卡文迪许扭秤实验

3.4 结合时事 培养科学态度与责任

教师在课堂教学中要对学生进行实时观测做到讲练结合，课后系统会为学生生成个性化的课堂报告并布置作业.浩瀚的宇宙魅力无穷，除了布置知识技能层面的作业外，还要为学生适时推送关于现代天体物理的相关视频或文本型资料，例如在学习“宇宙航行”后，教师便可以为学生推送2021年神州十三号发射相关资讯，如图8所示，让学生了解现代科技的发展，将所学的知识联系生活，用所学的知识解释实际问题，在形成物理观念和科学思维的基础上提高学生的科学态度与责任.最后，根据学生课前、课中和课后表现提供可视化的素养评价报告，使教学评价更精确，为教师下一步教学安排提供科学依据.

图8 神州十三号

4 结论

通过人工智能系统辅助物理教学不仅可以帮助学生巩固物理知识、提高物理核心素养，还有利于培养创新型人才[5].虽然这种技术的应用在中学中尚未完全普及，但是随着“双减政策”落地，在发展个性化教育，培养个体自主学习能力等方面，人工智能的优势显而易见，而这其中仍然存在很多挑战，“十年树木，百年树人”应用人工智能技术培养当代人才是一项长期持久的工程，当代教师任重而道远.