从深度学习角度谈高中物理电学教学

摘 要：本论文探讨了如何从深度学习的角度来重新审视高中物理电学教学.通过利用深度学习技术，可以更好地满足不同学生的学习需求，提高教学效果.本文首先介绍了高中物理电学教学的挑战和问题，然后探讨了深度学习在教育领域的应用，并提出了一种深度学习辅助的高中物理电学教学模型.通过实验和案例分析，证明了该模型的有效性.最后总结了深度学习在高中物理电学教学中的潜力和前景.

关键词：深度学习；高中物理电学；教育技术；个性化教学；教育改革

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2024）06-0101-03

高中物理电学作为自然科学的基础，对学生的科学素养和思维能力有着重要的影响.然而，传统的教学方法可能无法满足每个学生的学习需求，因为学生的学习背景和兴趣各不相同.随着深度学习技术的不断发展，教育领域也迎来了一次革命性的变革，为高中物理电学教学带来了新的机会和挑战.

深度学习技术可以通过分析学生的学习数据，识别他们的弱点和需求，并为他们提供个性化的学习资源，从而提高学习效果.本文将从深度学习的角度探讨如何改进高中物理电学教学，并提出一种深度学习辅助的教学模型.

1 深度学习的基本原理

深度学习模型的基本组成部分包括神经元、层次结构和权重.神经元是神经网络的基本单元，它们模拟了生物神经元的工作原理，接收输入并产生输出.层次结构是由多个层次组成的，通常包括输入层、隐藏层和输出层［1］.每一层的神经元与前一层的神经元相连接，通过这些连接传递信息.权重是连接的强度，它们在训练过程中会不断调整，以使网络学习适应特定任务.

1.1 神经网络结构

深度学习的核心组成部分是人工神经网络（Artificial Neural Networks，ANNs），其灵感源于生物神经系统.神经网络由多个神经元（也称为节点或单元）组成，这些神经元按照多层次的结构排列，通常包括输入层、隐藏层（可以有多层）和输出层.每个神经元与下一层中的每个神经元相连，连接之间具有权重，这些权重在学习过程中进行调整，以便网络能够学习数据的表示和模式.

1.2 特征提取

深度学习的关键在于它的能力，即自动学习复杂的特征.在传统机器学习方法中，特征工程通常需要人工设计和选择，而深度学习模型可以通过学习数据中的特征来自动完成这一任务.通过多层次的神经网络结构，模型可以逐渐提取出越来越抽象和高级的特征，从简单的边缘和纹理到更复杂的对象和概念.

1.3 数据训练

深度学习模型需要大量的数据进行训练，以便调整网络中的权重以适应特定的任务.在训练过程中，模型接收输入数据，通过神经网络进行前向传播，然后计算预测值与实际值之间的差异（损失或误差）.随后，通过反向传播算法，模型根据损失来调整权重，以最小化误差.这个过程重复进行，直到模型收敛到一个满意的性能水平.

1.4 教育领域中的应用

深度学习在教育领域有着广泛的应用潜力.其中一个关键应用是个性化教育.通过分析学生的学习历史、行为和反馈，深度学习模型可以生成定制化的学习路径和教育内容，以满足每个学生的独特需求.这种定制化教育能够提高学生的学习效率和兴趣.

2 深度学习在高中物理电学教学中的应用

2.1 个性化教学

利用深度学习算法，可以分析学生的学习历史和行为，为每个学生创建个性化的学习路径.这意味着，学生可以按照自己的节奏和兴趣学习物理电学，从而提高学习效率和积极性［2］.

案例一：恒电电流的实验

在高中物理电学课程中，学习恒电电流是一项关键任务，但学生的理解能力和认知水平常常不同.下面以学生A和学生B两位学生作为例子，说明如何利用深度学习实现学习效率和学习积极性的提升.

学生A已经具备坚实的电路理论基础，他的认知水平较高.深度学习算法分析了他的学习历史和已完成的练习题，然后为他创建一个进阶的学习计划.这个计划包括复杂的电路问题、高级概念以及挑战性的练习，以满足他的认知水平和兴趣，使他能够更深入地理解恒电电流的概念和应用.与此相反，学生B对电路理论一窍不通，他需要建立基础.深度学习系统根据他的学习历史为他创建一个初级的学习计划，侧重于基础概念和简单的电路示例.

学生A在学习过程中可能会遇到复杂的挑战性问题.深度学习模型可以实时监测他的学习进度，当他遇到高级难题时，系统会提供挑战性的问题，鼓励他深入学习.这有助于他充分发挥自己的潜力.对于学生B，他可能会陷入学习障碍.当他遇到困难时，系统会及时提供简单的解释、提示或额外的练习，以帮助他克服困难，提高自信.由于个性化的学习路径，学生A可以更快地前进，因为她不必在已经掌握的知识点上浪费时间.她能够更专注于挑战性问题，这有望提高她的学习成就.对于学生B，个性化的学习计划帮助他逐渐建立自信，因为他开始从基础概念开始，然后逐渐挑战更复杂的题目.这种逐步的学习过程有助于提高他的学习积极性，避免了学习上的挫折感.

通过深度学习的个性化教学方法，高中物理电学教学可以更好地满足学生的学习需求，确保每位学生都在自己的学习速度和兴趣领域内取得成功.

2.2 智能化测评

深度学习可以用于开发智能化的测评工具，能够更准确地评估学生的理解水平和技能掌握程度.这有助于教师更好地了解学生的需求，并及时调整教学策略.

案例二：电功与电热的实验

在高中物理电学课程中，学生需要理解电功和电热的概念，这是一个重要的主题.

深度学习技术可以应用于电功与电热概念的智能化测评，学生A已经对电功和电热的概念有一定的理解.深度学习系统通过分析学生A的学习历史和练习题表现，为他生成了一套复杂的测评问题.这些问题可能涉及更复杂的电路和电热问题，旨在挑战他的知识水平，推动他更深入地學习和思考.学生B对这些概念尚不太熟悉.深度学习系统为学生B创建了一套基础问题，专注于基本概念和简单的电路.这有助于学生B建立必要的基础，逐渐提高难度，确保他在学习过程中不感到过于沮丧.学生在完成测评时，系统能够实时监测他们的答题过程.

这种实时反馈能够帮助学生及时纠正错误，深化对概念的理解，从而提高学习效率.教师可以利用深度学习模型提供的学生测评数据来更好地了解每位学生的需求.如果发现大多数学生在某个特定概念上遇到困难，教师可以根据这些数据调整课程计划，增加相关的讲解和练习，以满足学生的需求.这种教学调整有助于确保整体课堂教学更具效果.

2.3 虚拟实验和模拟

通过深度学习，可以创建逼真的虚拟实验和模拟环境，使学生能够在没有实际实验设备的情况下进行实验和观察，从而更好地理解物理概念.

案例三：带电粒子在电场中运动的实验

在高中物理电学课程中，带电粒子在电场中的运动是一个复杂而重要的知识.深度学习技术可以用于创建逼真的虚拟实验和模拟环境，使学生能够探索这一物理现象.学生进入虚拟实验室，面前有一个屏幕，上面显示着一个电场和一颗带电粒子.他们可以通过键盘和鼠标模拟操作，控制带电粒子的运动.学生的任务是通过改变电场强度、粒子电荷或初始速度等参数，观察带电粒子在电场中的运动情况[3].他们可以测量粒子的轨迹、速度、加速度等运动参数.当学生进行实验时，系统提供实时反馈，显示粒子的轨迹和相应的数值数据.如果学生改变了参数，系统会立即显示新的运动情况，使学生能够直观地了解电场对带电粒子的影响.学生可以访问一个基于深度学习的模拟环境，其中包括逼真的电场和带电粒子模型.他们可以通过拖拽、调整参数等方式进行模拟实验.学生可以根据课程要求，模拟不同情况下带电粒子的运动.

3 挑战与机会

尽管深度学习在高中物理电学教学中具有潜力，但也存在一些挑战.首先，教育数据的质量和隐私问题需要认真考虑.此外，教师需要适应新的教学方法，并具备相应的技能.

3.1 挑战

教育数据的质量和隐私问题：在深度学习应用中，教育数据的质量至关重要.如果教育数据不完整、不准确或受到偏差影响，将会影响模型的准确性和效果.此外，学生和教师的隐私必须受到严格的保护.数据的收集、存储和处理过程必须遵循法律和伦理规定，以确保个人信息不被滥用或泄露.引入深度学习教育需要教师适应新的教学方法和技术工具，这可能需要教师进行培训和学习，以掌握深度学习技术的基本知识和教育应用的方法.教师需要不断更新自己的教育技能，以适应数字化教育的发展.

3.2 机会

3.2.1 提高学生的学习成绩与兴趣

深度学习技术可以根据学生的个性化需求提供定制化的教育内容和学习路径.这有助于提高学生的学习成绩，因为他们可以以适合自己学习速度和风格的方式学习物理学等学科[4].此外，深度学习的互动性和趣味性也能够增加学生对物理学等科目的兴趣，激发他们的好奇心和探索欲望.

3.2.2 培养创新思维和问题解决能力

深度学习鼓励学生积极参与实验、模拟和探索，从而培养他们的创新思维和问题解决能力.学生不仅仅是知识的接受者，还可以成为知识的创造者和应用者.这种积极的学习方式有助于他们在解决实际问题时更具竞争力.

3.2.3 教育改革与个性化教育

深度学习推动了教育领域的改革，使个性化教育成为可能.每位学生都可以根据自己的需求和兴趣定制学习计划，不再受限于传统教育模式.这有望提高整体教育质量，满足不同学生的学习需求，促进学生更全面的发展.

4 结束语

深度学习技术可以用于个性化教学、智能化测评以及虚拟实验和模拟，从而提高教学效果.尽管存在挑战，但深度学习为高中物理教学带来了巨大的机会，有望推动教育领域的进步和改革.通过深入分析学生的学习数据、个性化调整教学方法，以及开发智能化的学习资源，可以更好地满足学生的学习需求，提高他们的学习效果.

参考文献：

［1］ 张冬梅.从深度学习角度谈高中物理电学教学[J].数理天地（高中版），2023（4）：11-13.

[2] 常德冉.从深度学习角度谈高中物理电学教学[J].新教育时代电子杂志（教师版），2023（25）：52-54.

[3] 赵欣怡.清末以來我国高中物理教科书中习题的变迁研究：以电学部分为例[D].济南：山东师范大学，2020.

[4] 张海丽.中韩高中物理教材电学部分比较研究[D].北京：北京师范大学，2008.

［责任编辑：李 璟］

收稿日期：2023-11-25

作者简介：施沙丹（1981.10-），女，福建省福清人，学士，中学一级教师，从事高中物理教学研究.