運用人工智能改進和創新物理教學的實踐

【專家介紹】

曹寶龍，特級教師，正高級教師，北師大心理學博士，研究方向：教育與心理發展；原杭州市基礎教育研究室主任，現任校長。

浙江師范大學博導，華東師范大學特聘教授。教育部高中物理課標組核心成員，教育部義務教育科學課標修訂組核心成員，教育部物理教學指導委員會副主任委員。

人教版普通高中《物理》教材分冊主編、主要作者；浙教版初中《科學》教材副主編、主要作者；高中《杭州人文與社會》義務教育段《最憶杭州》教材主編。主要著作《學習與遷移》（2009年浙江大學出版社出版，2019年浙江教育出版社修改再版）。

隨著科技飛速發展，人工智能已迅速成為當今世界最具影響力的技術之一。教育部《關于加強中小學人工智能教育的通知》明確要求：小學高年級段和初中階段側重理解和應用人工智能技術，高中階段側重項目創作和前沿應用[]。在教育領域，尤其是中學物理教學中，人工智能的應用為教學改革帶來了新的機遇與挑戰。如何有效地將人工智能融入物理教學的各個環節，成為教育工作者需要深人研究與探索的重要課題。

1人工智能及其發展現狀

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是指計算機系統能夠執行人類智能才能完成的任務，如學習、推理、解決問題、理解自然語言、識別圖像等。人工智能模擬人腦的思維過程，利用算法和數據實現智能化。例如，機器學習是人工智能的一個重要分支，通過對大量數據的學習，機器能夠自動發現數據中的模式和規律，從而進行預測和決策。

文章編號：1003-6148（2025）4-0001-5

人工智能已經對科技、生產和生活的各個方面產生越來越深遠的影響。首先，人工智能可以提高工效，降低成本。在許多領域，人工智能能夠快速處理大量數據和繁雜任務，大大節省時間和人力成本。在物理研究中，人工智能可以幫助分析海量的實驗數據，加速科學發現的進程。其次，人工智能能提升準確性。人工智能系統基于精確的算法和數據訓練，在一些任務上能達到比人類更高的準確性。例如，在圖像識別、疾病診斷等方面，其錯誤率往往低于人類專家。第三，人工智能可以推動創新。人工智能激發了新的研究方向和技術發展，促進了跨學科的合作與交流。在教育領域，人工智能促使教學方法和教育模式的不斷創新，為培養適應新時代的創新型人才提供了可能。

目前，人工智能在全球范圍內得到了廣泛的研究和應用。在技術方面，深度學習、自然語言處理、計算機視覺等領域取得了重大突破。例如，蘋果的“Siri”華為的“小藝”科大迅飛的“靈犀”

百度的“小度\"等語音助手已經走進千家萬戶，能夠實現語音交互、信息查詢、智能家居控制等功能。在工業領域，人工智能用于自動化生產、質量檢測、供應鏈管理等。在教育領域，在線教育平臺可利用人工智能為學生提供個性化學習路徑規劃、智能輔導等個性化服務。當然，人工智能的發展也面臨著一些挑戰，如數據隱私保護、算法偏見、倫理道德等問題，需要在未來的發展中不斷加以解決。

2 人工智能在教育中的應用

人工智能在教育中的應用正處于起步階段，但發展非常迅速。目前，人工智能在教育中的應用主要有智能教學系統、智能輔導系統、智能評估與分析系統及學校智能管理系統等。

2.1 智能教學系統

智能教學系統能夠根據學生的學習情況和特點，提供個性化的學習內容和教學策略。例如，通過對學生學習過程的歷史數據分析，包括學習時間、答題準確率、知識點掌握等情況，系統可以智能推送適合每個學生的學習材料，如練習題、視頻講解等，幫助學生有針對性地彌補知識漏洞，提高學習效率。這種教學系統的優點是對信息分析與反饋的精準。如果系統的資源足夠，系統提供的學習材料會很有針對性和有效性。但如果教育者或學習者過度依賴這種系統，可能會使部分學生因疲于應付而產生厭學情緒，也可能因不恰當地使用反而降低學生的學習自主性。

2.2 智能輔導系統

一些平臺提供的智能輔導系統能夠實時解答學生的問題。學生可以用數據（包括自然語言、圖像、文字等）輸人自己的疑問，系統會利用各種處理技術理解問題，并從知識庫中搜索相關答案或通過大模型提出解決問題的思路和方案。這種即時輔導方式，就像學生身邊隨時有一位私人教師，能及時解決學生學習過程中的困惑，增強學生的學習信心。

2.3 智能評估系統

人工智能還可以對學生的作業、試卷和學習行為等進行自動評估。例如，在批改作文時，能夠對文章的語法、邏輯、內容等多方面進行分析打分，并給出詳細的反饋意見，幫助學生了解自己的寫作水平和不足之處。在物理實驗報告評估中，也可以檢查實驗步驟的合理性、數據處理的準確性等，為教師節省大量批改時間，同時也能給學生更及時、準確的評價。經過訓練的人工智能系統，還可以對學生在一定場景（如課堂）的學習行為智能化采集數據，并對數據進行分析后獲得學生個體學習行為的特征數據的報告，供研究者和教師參考[2]

2.4 智能管理系統

在學校管理方面，人工智能可用于學生管理、教務管理和后勤保障管理等。例如，通過對學生在校行為數據的分析，如考勤記錄、課堂表現、參與社團活動情況等，預測學生可能存在的學業問題或心理問題，以便學校及時采取干預措施。在教務管理中，智能排課系統可以根據課程設置、教師資源、教室資源等多方面因素，快速生成合理的課程安排表，提高教務管理的效率和科學性。智能系統還可以自動采集學生在運動場上各種活動的有效數據，并對學生個體的運動數據進行階段性分析，形成報告，供學校體育教學和管理者使用。

3 人工智能在物理教學中的應用

人工智能在物理教學中的應用正處于起步階段，各種垂直模型的研發也正處在萌發階段。目前，在學情數據采集和分析、教學資源的智能推薦、智能化自適應學習系統、智能化課堂互動、個性化作業設計和智能化評估測量等方面有一些成功的應用。

3.1 智能化學情分析

利用人工智能技術收集和分析學生在物理學習方面的前期知識儲備、學習習慣、興趣點等數據，可幫助教師精準掌握學生的學情，并以此設計課堂教學活動過程。例如，通過在線學習平臺的學習過程的信息分析，平臺可自動推送學生對不同物理知識點的掌握程度和學習時間分布，教師可以以此精準確定教學起點，合理設計教學目標、教學重難點和教學活動，使教學設計更貼合學生的實際需求，提高課堂效率。人工智能平臺可實時分析學生的答題數據和學習軌跡，為教師提供精準且及時的教學建議。相關研究結果顯示，采用智能教學平臺進行學習的學生在理解和掌握物理知識方面表現更好，他們的學習效率和效果也得到了提高[3]。

3.2 智能推薦物理教學資源

人工智能學習平臺可以根據學生的答題數據和學習情況生成個性化評估報告，指導教師精準教學，并對學生精準地進行查漏補缺。智能平臺可針對學生的個體學習差異提供個性化的學習路徑和資源推薦。根據學習主題和學生特點，智能平臺可從海量的物理教學資源庫中篩選并推薦適合學生個性需要的教學資源，如教學視頻、實驗演示動畫、拓展閱讀材料等。例如，對于力學部分的教學，如果學生在慣性、加速度等概念和牛頓運動定律等基本規律的理解上存在困難，系統可以推薦一些形象生動的動畫演示資源，幫助學生直觀地理解這些概念和規律中的疑難問題。

3.3 智能化自適應學習系統

智能化自適應學習系統是一種利用計算機技術和教育理論構建的智能化學習平臺。自適應學習系統可以幫助學生鞏固知識，提高解決問題的能力。它能夠根據學習者的個體差異，如學習進度、知識掌握程度、學習風格等因素，動態地調整教學內容、教學方法和學習路徑。通過對學習者數據的實時收集和分析，自適應學習系統就像一個為每個學生量身定制的私人學習導師。例如，當系統檢測到某個學生在浮力定律的理解和應用部分掌握得比較薄弱時，就會提供更多關于阿基米德原理的基礎講解、例題、專項練習和微課視頻等，從而幫助學生循序提升相關知識的理解和應用能力[5]。

3.4 物理課堂的智能化互動

智能化課堂互動系統是一種在課堂教學環境中，利用現代信息技術促進師生之間、生生之間高效互動的軟件和硬件相結合的綜合系統。借助智能化課堂互動系統，教師可以發起多樣化的課堂互動活動[。例如，通過在線問答平臺，學生可以隨時提問，系統會將問題自動分類整理，教師可以優先回答普遍性問題或高難度問題。智能分組工具也可以根據學生的學習能力、性格特點等因素，將學生科學合理地分成幾個小組，再更有效地進行合作學習。因此，智能分組工具可應人、應內容、應學習實際進行實時分組，提高小組合作的效率和效果。在課堂討論中，人工智能還可以對學生的發言進行語音轉文字記錄，并分析學生的觀點表達、思維邏輯等，為教師提供全面的課堂反饋[7]。

3.5 個性化物理作業設計

個性化作業設計是目前人工智能應用較普遍、成熟的系統。根據學生的學習進度和掌握情況，人工智能可為每個學生生成個性化的作業。對于學習進度較快、掌握較好的學生，可以布置一些拓展性、挑戰性的作業，如物理競賽題、課題研究等；對于學習有困難的學生，則著重布置基礎知識鞏固的作業，并提供詳細的解題提示和輔導資源。例如，在電學作業布置中，對于已經熟練掌握歐姆定律的學生，可以布置電路故障分析、綜合性電路分析計算等綜合性作業，而對于尚未完全理解基本概念的學生，則布置一些簡單的電路計算和概念辨析問題。

3.6 智能評價與測試

在教育測試方面，利用人工智能可以快速高效地研制測量工具。如果要對學生的物理學習進行測評，利用人工智能的智能組卷功能可快速高效地擬定測試卷的初稿。根據課程標準、學生學習情況和命題教師設置的試卷指標（試題類型、試題分布、難度、區分度等），智能組卷系統可從資源庫中抽取合適的試題組成試卷，確保試卷的難度分布合理、知識點覆蓋全面，在此基礎上教師只要進行適當調整即可。考試過程中，利用智能監考系統，通過攝像自動監控、行為分析等技術，實時監測學生的考試行為，可以實時記錄學生答題情況，并能預防發生作弊現象?？荚嚱Y束后，系統能快速完成閱卷工作，并提供詳細的成績分析報告，包括學生個體和群體在各個知識點的得分情況、錯誤類型等分析，并能提出針對學生個體的個性化改進建議。這些功能為教師的組卷、測試、分析提供了輔助支持，也為教師的教學反思以及學生的學習總結提供有力的信息支持。

4 運用人工智能創新教學

運用人工智能可以在教學模式、實驗方法和實驗手段、教學評價等方面創造新的方式，豐富物理教學手段，提高教學效率。

4.1運用VR（虛擬現實）和AR（增強現實）創新物理教學模式

利用人工智能與VR（即VirtualReality）/AR（即AugmentedReality）技術相結合，可創建沉浸式物理教學環境。例如，在講解宇宙天體物理時，學生可以通過VR設備身臨其境地感受太陽系的結構、行星的運動軌跡等，仿佛置身于浩瀚宇宙之中[7]。在學習光學原理時，利用AR技術將光線的傳播路徑、折射反射現象等直接展示在真實物體上，增強學生的感性認識，提高學習效果[8]這種教學模式突破了傳統教學的時空限制，為學生提供了更加豐富、生動的學習體驗。

4.2 基于人工智能的探究式教學

教師可以借助人工智能平臺提出具有啟發性的物理問題或研究課題，引導學生自主探究。例如，在學習能量守恒定律時，教師可以利用智能系統提供一些生活中的能量轉化實例數據，讓學生通過數據分析、實驗設計等方式探究能量守恒的規律。在探究過程中，學生可以利用人工智能工具進行數據處理、模型建構等，教師可作為引導者，在學生遇到困難時提供必要的指導和支持。這種探究式教學模式有助于培養學生的創新思維和實踐能力。

4.3 智能評價學生的物理學習

除了傳統的考試評價外，人工智能可以對學生的學習過程進行多維度評價。通過收集學生在課堂互動、在線學習、實驗操作等環節的數據，如參與討論的次數、發言質量、實驗操作的規范性和創新性等，智能評估系統可綜合評價學生的學習態度、學習能力和科學素養。例如，一個學生在課堂討論中經常提出獨特見解，并且在實驗操作中善于創新改進實驗方法，即使其考試成績不是最優秀的，也能在綜合評價中得到較高的認可，這種評價方式能更全面、客觀地反映學生的學習情況。

4.4 分析預測學生潛力

利用人工智能的數據分析和預測能力，可對學生的未來學習表現進行預測性評價。例如，根據學生在初中物理學習階段的學習數據，預測其在高中物理學習中可能遇到的困難及可能的優勢學科或領域。教師可以借鑒這種預測幫助學生制訂個人發展規劃，為學生提供自我發展的參考，讓學生提前了解自己的學習潛力和需要改進的方向。教師還可以幫助學生制訂個性化的教學計劃，并對學生進行有針對性的指導和干預。

4.5 創新學生的物理學習方式

隨著大模型的應用越來越普及，教師可以組織學生進行自主創新。例如，教師可以采用大模型自動編程功能對一些實驗的方法進行改進，運用傳感器、程序和顯示設備自動采集和記錄實驗數據，自動生成實驗報表，并以此得出實驗結論[9]。學生也可以練習使用人工智能大模型進行物理疑難問題、物理課題的專題研究，學習擬定人工智能大模型的命令和清晰指令，通過人工智能的運用與實踐，提高學生科學探究的思維邏輯和實證推理能力，提高學生的創新實踐能力。

5 運用人工智能創新教師培訓方式

人工智能不僅能改變學生的學習方式，也可以改變教師的培訓方式，提高教師自主學習、自我進步的能力。

5.1 智能教學培訓

教師可以利用人工智能平臺進行教學技能培訓和專業知識提升。例如，教師可參加在線智能教學培訓課程。這些課程通過人工智能分析教師的教學行為和學生的學習反饋，為教師提供個性化的培訓建議和教學改進策略。同時，教師可以利用智能學習資源庫，深人研究物理學科的前沿知識和教學方法創新案例，不斷更新自己的教育理念和教學方法，提高自身的專業素養。

5.2 教學反思與合作創新

人工智能可以輔助教師進行教學反思。通過對教學過程數據的分析，如學生的學習績效數據、課堂互動數據等，教師可以清晰地了解自己教學中的優點和不足之處，從而有針對性地調整教學策略。此外，利用人工智能搭建的教師交流合作平臺，讓教師與同行分享教學經驗、教學資源，共同探討教學中遇到的問題和解決方案，可有效促進教師的專業成長和教學創新。

人工智能正處于發展成長初期，人工智能的教育應用也還處于起步萌發階段。人工智能在中學物理教學中的應用具有廣闊的前景和巨大的潛力。通過在教學設計、教學活動過程、作業設計及考試評價等環節的有效應用和創新，可以顯著提高物理教學的質量和效率，促進學生的全面發展。人工智能也可為教育方式創新和學習方式創新助力。然而，教師也需要充分認識到人工智能的局限性，合理運用人工智能技術，將其與傳統教學方法有機結合，充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用。教育工作者還需要關注人工智能應用中的倫理道德、數據安全、青少年保護等問題，確保人工智能在教育領域的健康、可持續發展，為培養適應新時代需求的創新型物理人才奠定堅實的基礎。在未來的發展中，隨著人工智能技術的不斷進步，相信中學物理教學將會迎來更多的創新與變革，為教育事業注人新的活力。

參考文獻：

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[8]Bellalouna，F.Use Case of the Application of the Opti-cal-See-Through Augmented Reality Technology in theEngineering Context[J].Procedia CIRP，2022（106）：3-8.

[9]王鵬.大模型在教育領域應用分析-以智能學習機為例[EB/OL].（2024-06-05）[2024-12-22].https：//www.yicai.com/news/102137628.html.

（欄目編輯 廖伯琴）