人工智能技術在高中物理教學中的應用

摘 要 人工智能技術在各個領域的應用越來越廣泛，教育領域也不例外。探討將人工智能技術應用于高中物理教學中的可能性和潛力，通過分析人工智能技術在高中物理教學中的應用場景，闡述提高教學效率、個性化學習體驗、學習評估優化等優勢。研究表明，人工智能技術有望為高中物理教學帶來全新的契機，促進教學模式創新，增強學習者的學習興趣和效率。

關鍵詞 人工智能技術；高中物理教學；智能輔導；個性化學習

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-03

0 引言

在信息時代，人工智能技術在教育領域的應用前景極為廣闊。高中物理作為基礎學科通過融入人工智能技術有望優化教學流程，提高學習質量。以下將重點探討人工智能技術在高中物理教學中的應用場景、優勢以及未來發展趨勢。

1 智能輔導系統構建高效教學環境

1.1 個性化教學資源推薦

智能輔導系統可以基于學生的知識水平、學習風格和興趣愛好為其推薦個性化的教學資源，從而優化教學流程，提高教學效率。傳統的“一刀切”教學模式很難因材施教，而個性化教學資源推薦功能可以實現精準教學。首先系統會通過前測或其他方式評估學生的知識儲備，判斷學生對每個知識點的掌握程度，對于已掌握的知識點，系統不會重復推送學習資源，避免學生產生枯燥乏味的情緒，而對于欠缺的知識點，系統會優先推薦相關的視頻課程、練習題等學習資料，引導學生彌補短板。同時，系統會分析學生的學習風格偏好，有的學生喜歡視頻講解，有的學生更偏好圖文并茂的教材，還有的學生更需要大量實踐練習，智能輔導系統通過大數據分析能夠發現學生的這些個體差異，并根據偏好推送合適的學習形式。系統還會考慮學生的興趣愛好，以力學為例，對于喜歡運動的學生，系統可以推薦與運動相關的實例和案例，激發學生的學習興趣；而對于熱衷科技的學生，系統則可以推薦一些前沿科技應用案例，引導學生樹立科學意識。個性化教學資源推薦功能還可以根據學生的心理狀態、學習進度等多種因素動態調整策略，進一步精準匹配資源，使得每一個學生都能得到最符合自身特點的教學服務，為學生構建高效、有趣的學習環境。

1.2 智能交互答疑解惑

除了個性化教學資源推薦，智能輔導系統還具備智能交互答疑的功能，可以解答學生在學習過程中遇到的各種疑惑，消除學習障礙，提升學習效率。傳統的教學模式中教師很難對每一個學生的問題都及時作出反饋，但智能輔導系統可以基于自然語言處理、知識圖譜等技術為學生提供7×24小時的答疑服務，學生可以通過語音或文字的方式向系統提出問題，無論是概念理解還是題目求解，系統都能根據語義提取關鍵信息，匹配相關知識庫，給出針對性的解答。例如，學生可以直接將物理作業的圖像上傳至系統，系統便可以識別出練習題的具體內容并顯示出完整的解題步驟和方法。智能輔導系統不僅能解答特定的問題還能主動發現并糾正學生的錯誤概念，系統內置有大量典型的物理學習誤區案例，一旦發現學生在提問或作答時存在概念偏差就會及時指出并給予糾正，防止錯誤觀念在學生心中扎根。智能輔導系統的交互方式也十分智能友好，它不僅能用通俗易懂的語言表述解答，還可以根據學生的領會水平動態調整解釋深度和語氣，它還會根據學生的情緒狀態調節交互模式，既可以幽默風趣地激發學生的學習興趣也可以給予及時的鼓勵和肯定?？偟膩碚f，智能輔導系統突破了傳統教學中師生比例失調、答疑服務滯后的瓶頸，為每位學生提供了個性化、高質量的答疑幫助，從而更好地消除學習障礙，增強高中物理教學效果[1]。

2 個性化學習體驗增強學習動機

2.1 智能學習路徑規劃

個性化學習體驗的一個關鍵環節就是智能學習路徑規劃，不同于傳統的“班級課程”教學模式，智能輔導系統能夠為每個學生量身定制個性化的學習路線圖，確保學習效率的同時也讓學習內容與個人實際需求精準匹配。智能學習路徑的規劃首先需要評估學生的已有知識結構，系統會通過自適應測試的方式準確分析出學生在每個知識點上的掌握情況，對于已掌握的內容不會再進行復習安排，對于尚未掌握的部分則會將其作為待攻克的目標點。然后系統會結合學生的學習特點和目標運用人工智能算法自動生成最佳的學習路徑。例如：對于學習基礎相對薄弱的學生，系統會先從最基礎的概念開始引導，循序漸進；而對于基礎扎實的學生，系統則會給予更大難度、更有挑戰性的安排。在學習過程中，智能輔導系統會根據學生的實際學習效果動態調整路徑，如果學生對某個知識點上手較慢，系統便會自動拓展相應內容的練習，加強該部分內容的訓練；如果學生對某個知識模塊表現優異，系統就會快速把教學重心轉移到其他部分，整個規劃路徑都是靈活可變的，與學生的實際學習情況緊密同步。智能學習路徑還能為學生設置個性化目標并分階段分解為可實現的小目標，讓學習動機不斷得到正向反饋，每當通過一個小目標，系統都會及時給予鼓勵和肯定，激發學生持續學習的動力，系統還會與學生互動，及時調整路徑和目標，保證整個規劃的合理性和可行性，智能化的個性學習路徑規劃貫穿整個學習過程，通過精準分析、動態調整和及時反饋最大限度地提高學習效率，并持續引導學生保持高昂的學習熱情[2]。

2.2 虛擬仿真實驗室

物理作為一門實踐性很強的學科，實驗環節對于學生理解和掌握知識點至關重要，但傳統實驗室受場地、設備、時間等因素的限制，很難完全滿足學生的需求，而基于人工智能技術的虛擬仿真實驗室則可以突破這些約束，為學生提供無限便捷、多元豐富的實踐學習體驗。虛擬仿真實驗是通過計算機建模在人機交互的虛擬三維環境中再現出真實實驗現象。虛擬仿真實驗不僅可以還原大部分真實情況下的實驗步驟，還能模擬一些在現實中難以實現的極端條件，讓學生對抽象理論有更直觀的認識。例如：在研究萬有引力定律時，可以通過虛擬仿真實驗室模擬不同質量天體間的運動軌跡，直觀體會牛頓三大運動定律；在研究相對論時，可以模擬極端的時空扭曲情況，加深學生對時空概念的理解。同時，虛擬實驗室還具備很高的交互性，學生可以自主設置實驗條件，決定改變某些參數來觀察后果，實現真正意義上的主動探索式學習。例如，在研究簡諧運動時學生可以任意調整實驗中的振動頻率、初始位移等參數直觀了解其對運動規律的影響，而且虛擬環境還可以讓學生在實驗過程中暫停、拖動、記錄等自主操作，促進對實驗過程的思考和總結。此外，虛擬仿真實驗室無需昂貴的實驗儀器和場地，只需一臺電腦或移動設備即可使用，大幅降低了實驗教學的成本和門檻。虛擬仿真實驗不受時空限制，學生可以隨時隨地進行模擬操作，營造出高效便捷的個性化學習環境?？傊摂M仿真實驗結合人工智能技術能夠賦予物理實驗教學以新的形態，讓學生在沉浸式、交互式的虛擬場景中自主探索，不僅增強了實踐動手能力，還提升了學習體驗感，從而有效激發了學習動機。

3 智能評估體系優化學習效果

3.1 智能化考核評價

傳統的考核評價方式存在主觀性強、反饋滯后等諸多不足，而智能化的考核評價系統則可以更加高效、客觀地評估學生的學習效果。智能化的考核評價系統可以通過自動閱卷、智能評分等功能減輕教師的閱卷負擔，提高評分效率。系統內置了大量的標準答案庫和評分規則，能夠快速精準地識別出作答內容，對選擇、填空、簡答等題型進行自動評分，大大節省了教師的人力。智能化的考核評價系統不僅關注學生的最終分數，更能客觀分析學生的解題過程和思路，有些學生計算或書寫過程存在失誤，但思路是正確的，而有些學生最后的答案是對的，但其中的步驟和推理存在漏洞，傳統評分很難區分這兩種情況，智能評分系統能夠深度解析推理過程，對思維方式給予準確評判。智能化考核不局限于紙質考試，還可以覆蓋課堂提問、實踐操作等多種形式，對于學生的課堂回答，系統能立即評估其表述的準確性和合理性，對于虛擬實驗中的操作流程，系統也能自動分析并反饋每一步是否恰當，這種多元考核手段有助于全面評價學生的學習效果。智能化的考核評價系統的評分結果更具針對性和指導意義，除了給出最終分數，系統還會反饋每個知識點掌握情況的量化數據以及學生的知識結構、思維邏輯等分析報告，讓學生更清晰地了解自身的短板在哪里，從而及時作出學習策略調整[3]。

3.2 學情數據分析

智能評估還體現在對海量學習數據的分析能力上，通過對學情數據的精準分析可以發現教學中的薄弱環節，為教學決策提供依據。在智能化教學環境中，每一個學生的各種學習行為都會被記錄為數據，包括做題過程、學習時長、學習路徑、學習資源使用情況等，這些數據積累形成了大數據樣本，通過人工智能技術對這些數據進行分析和挖掘就能揭示出學生群體及個體的學習規律和特征。例如：教師可以通過數據分析發現某一知識點被學生集中弱化的情況，從而調整教學策略，加大對該知識點的講解力度；也可以發現學生使用某類學習資源的效率較低，從而及時調整資源的呈現形式和內容設置；可以通過分析數據發現不同水平學生所遇到的共同難點并著重予以解決。除了宏觀層面，系統還能對個體學生進行數據分析，發現其學習過程中的潛在規律和薄弱環節，比如系統可以分析出某位學生對圖像類實驗題有較大困難，或者對于力學中的某類題型存在較大盲區等，從而為該學生提供有針對性的輔導和練習。通過對海量數據的智能分析，物理教學不再是盲目的“輸出”，而是可以時刻反饋教學效果，根據最真實的學習數據動態調整教學決策，從而實現教學資源的高效利用，持續優化教學模式，數據分析賦予了智能評估超凡的洞見力，真正實現了因材施教、精準反饋[4]。

4 人機協作模式促進教學創新

4.1 教師角色轉變

人工智能技術的引入將促使教師角色發生轉變，從單純的知識傳授者轉變為學習的引導者和促進者，在智能輔導系統的支持下，教師將被解放出來，從而將更多精力投入教學設計、師生互動和課堂組織環節。傳統課堂中，教師往往承擔著知識講解、作業批改、答疑解惑等眾多繁重任務，隨著智能系統的加入，這些任務將被大幅分擔和優化，教師不再是課堂的唯一知識源泉，學生可以通過智能推薦系統按需獲取個性化學習資源，教師也不需要親自批改每一份作業，智能閱卷系統可以自動完成評分工作，學生的答疑需求也可以通過智能交互系統實時滿足。由此，教師的重心可以轉移到精心設計符合學生實際的教學流程和活動并充分發揮課堂組織和師生互動的作用。教師要根據學生的學習特點和反饋情況制定合理的個性化學習路徑和目標，要創設富有啟發性的情境，激發學生主動學習的熱情，還要通過師生互動實時了解學生的疑惑和困難所在，及時作出調整和糾正。同時，教師的身份也逐漸從權威知識傳遞者轉變為知識建構的合作伙伴，人工智能系統只是教學的輔助工具并不能完全取代教師，教師要依托智能工具傾聽學生心聲，鼓勵學生表達觀點，培養學生的創造性思維，引導學生主動探索知識，構建認知框架，教師與學生之間更多的是思想的交流和碰撞，共同發現、提出并解決疑問?？梢哉f人工智能讓教師從繁重的事務性工作中解脫出來，真正回歸育人本職，成為引導和促進知識建構的合作者，教師與智能工具相互協作，將助力物理教學向更高質量、更高效率的方向發展[5]。

4.2 學習方式多元化

在人機協作的教學模式下，學生的學習方式也將更加多元化，通過智能工具的支持，學生可以基于自身的實際情況靈活選擇適合自己的學習節奏和方式。在課堂教學環節，學生不再是被動接受知識的對象，學生可以通過智能終端設備實時獲取個性化的學習資源和反饋，根據自身學習進度和重難點方便地復習、提問，課堂也不再是單向的教師講授，而是學生與教師、學生與學生之間的互動交流過程，形成了全新的互動式課堂模式，提升了學生的參與度和學習主動性。另外，學生還可以根據愛好選擇多種學習形式，有的學生可能更偏好在家通過視頻課程和模擬練習的方式自主學習，有的學生則可能更熱衷于在虛擬仿真實驗室中動手操作探索，還有的學生則可能更喜歡以分組討論、項目協作的形式互幫互學，無論采用何種學習方式智能系統都可以對其實時監測并給予個性化支持和反饋?？偟膩碚f，人機協作催生了全新的教與學方式，為學生提供了豐富多樣的學習選擇，使學習既有個性化支持又不失師生實時互動的傳統優勢，從而最大限度激發學生的主觀能動性，實現真正意義上的以學生為中心。

5 結束語

人工智能技術在高中物理教學領域具有廣闊的應用前景，智能輔導系統、個性化學習方案、智能評估體系等將有助于構建高效的教學環境，激發學生的學習熱情并對傳統教學模式改革產生積極的影響，人工智能技術在教育領域的創新應用值得期待。

6 參考文獻

[1] 于穎.人工智能下高中物理教學研究[J].文理導航，2023（8）：37-39.

[2] 姚佳運.新一代AI在高中物理教學中的應用[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2023.

[3] 王柳敏，楊國清.人工智能在高中物理實驗教學中的應用探析[J].名師在線，2023（9）：27-29.

[4] 張小雷.高中物理教學中人工智能的融合運用分析[J].數據，2022（6）：171-173.

[5] 任夢.人工智能在高中物理教學中的應用[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2022.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0