VR和人工智能在物理教學中的應用研究

李博

摘 要：高中物理由于其思維的邏輯性、抽象性，使高一新生在物理情景的理解上存在諸多困難;基于VR技術平臺強大的沉浸感、交互性和構想性，借助人工智能強大的感知性，極大地增加了制訂個性化教學方案的成功率，使課堂教學達到事半功倍的效果。

關鍵詞：VR仿真;大數據;人工智能;個性化教學

進入高中，談及物理，學生聞之色變。究其原因，較強的知識性、邏輯性、抽象性、應用性等學科特點是制約學生學好物理的瓶頸。而洞悉物理現象、理解物理內容、描繪物理情景、構建物理模型并配以一定的數學運算是解決這些問題的有效途徑。考慮到學生的個體差異，制訂個性化的教學方案迫在眉睫;VR技術以及人工智能的迅速發展，為展現動態物理過程、實現物理教學從“晦澀難懂”向“大眾化”的方向轉變提供了強有力的技術支撐。

一、VR仿真技術在物理教學中的應用

新課標著重強調了物理課程的育人功能。傳統教學手段在對高中物理抽象的物理規律的處理中不夠直觀，因此使得學生在理解物理內容上存在諸多困難，很難從多角度來分析和研究。基于VR技術平臺強大的仿真和信息處理功能，結合人工智能機器人對學生所提問題的實時解答能力，通過學生的反饋調整解答方式，直至學生掌握為止，彌補了傳統教學方式的不足。

1.顯化抽象物理過程，呈現復雜物理規律

通過VR仿真平臺建立相應的物理模型，設置合適參數來模擬復雜的物理現象和物理過程，進而展示形象生動的物理情景，幫助學生理解相關的抽象物理知識和概念。如微觀世界中分子的運動規律，恒定電場的建立與分布，恒定電流的形成及光電效應等;模擬實際存在卻不容易觀察到的物理情景，如帶電粒子在電磁場中的運動，電磁波的產生和傳播機理等。

2.突破實驗條件限制，提升實驗成功效率

對于教學中的粒子散射實驗，重核裂變，輕核聚變等原子物理學中無法進行的實驗，以及萬有引力部分的日、月食的形成過程，衛星變軌、對接過程，雙星及三星模型等天體物理學問題，可運用基于VR手段的仿真系統將一幅幅由宏觀到微觀的物質運動規律和相互作用的動態圖像直觀地呈現在學生眼前。同時對教學中具有危險性和難度較大的實驗，可事先通過仿真使學生了解到相關的注意事項，讓學生切實感受實驗的嚴謹性并確保實驗的成功率。

3.實驗仿真有機融合，引導分析實驗現象

將動畫模擬與真實實驗相結合，在真實實驗的基礎上，利用相應的實驗動畫，重復展示實驗現象發生的全過程，并利用交互功能控制過程進行的速度，強化觀察主體，引導現象的分析，增強實驗效果。例如，各類拋體運動、波的干涉、多普勒效應、簡諧運動、電學實驗、布朗運動等。

以“波的干涉”教學內容為例，設計一幅動態的三維水波干涉動畫：將兩塊石子同時扔進水中，減緩時間進度，可清晰地觀察到水波干涉圖樣形成的全過程。以此實例激發學生的探究興趣，引導他們主動去探究這一現象形成的原因——波的疊加。建立一個兩列正弦波相向傳播的模型，對每列波的振幅、周期、波速和初相位等參數隨機設置，可清晰地觀察到兩列波疊加的動態過程及干涉圖樣;分別改變不同參數，其干涉圖樣隨之發生改變。引導學生帶著“在相干區域中，空間上某一質點的位移如何變化？與二者的振幅、周期、空間距離、波速和初相位有什么關系？干涉圖樣在空間的分布上有著怎樣的規律？”等這類疑問去觀察并思考波的疊加的物理機制，激發學生的探究欲望，加深對波的干涉這一抽象物理知識點的理解和記憶。

二、人工智能輔助教師進行個性化教學

VR技術大大提高了處理信息的能力，使靜態的二維圖像跨越“屏幕”這扇門為學生呈現出動態的三維視覺圖像體驗;但由于學生對知識體系印象模糊，這就導致了學生對物理學習抱有一種消極、抵觸的情緒。《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：關注信息化環境下的教學改革，關注學生個性化、多樣化的學習和發展要求。因此引導學生養成主動式的學習習慣尤為重要。從學生的個體差異出發，為其制訂個性化的教學方案成為克服學生學習障礙的最有效途徑，同時成熟的大數據和人工智能技術也為解決本方案提供了強有力的技術平臺。

首先基于個性化的數據采集系統收集學生的思想動態、學習興趣、基礎知識和思維方式等基本信息，并將其錄入建立好的學生個人數據庫中。

借助人工智能平臺強大的計算能力和交互式性能，機器人扮演智能導師的角色，根據數據庫中的學生學習特點向其推送學習內容，并在課后與學生進行實時互動，智能平臺對實時采集到的學習信息進行檢測和更新，更準確、實時的掌握學生特點，將其每次學習過程中遇到的問題和課后檢測結果形成評價報告。

同時機器人又是學生最要好的學習伙伴，運用自然語言和特定算法對學生歷次評價結果進行深層次的處理，在人機交互過程中逐步優化，直至為學生提供最優的個性化解答方案，形成一個良性循環。通過分析機器人與學生的對話內容，歸納出學生當前狀態下理解能力的特點和不足。

最后教師根據智能平臺的評價報告結果，結合學生現有知識情況，整合大數據平臺的相關信息，為每一位學生量身訂制個性化的教學方案，總結實際的教學效果，逐步改進個性化教學方案，實現課堂教學的最優化。

在當前新課改背景下，高中物理由于其專業的性質特點，選考物理學生數不太理想;但其影響社會發展的重要性不言而喻，實施個性化教學，培養物理學人才迫在眉睫。VR技術平臺為學生從本質上理解物理內容、掌握物理規律提供了技術保障;如果將其與大數據及人工智能深度融合，則為個性化教學方案的制訂和實施帶來了良好的契機。有效利用教學資源，合理制訂和實施個性化教學方案，有助于最大限度地激發學生的學習潛能，對學生學習物理知識、解答物理問題起到了事半功倍的作用，能夠有效鍛煉學生的空間想象和邏輯思維能力。

參考文獻：

高嵩，趙福政，劉曉暉.國外虛擬現實（VR）教育研究存在的問題與啟示[J].中國電化教育，2018，374（3）：1-6.