VR和人工智能在物理教學(xué)中的應(yīng)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(shù)平臺(tái)強(qiáng)大的沉浸感、交互性和構(gòu)想性，借助人工智能強(qiáng)大的感知性，極大地增加了制訂個(gè)性化教學(xué)方案的成功率，使課堂教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：VR仿真;大數(shù)據(jù);人工智能;個(gè)性化教學(xué)

進(jìn)入高中，談及物理，學(xué)生聞之色變。究其原因，較強(qiáng)的知識(shí)性、邏輯性、抽象性、應(yīng)用性等學(xué)科特點(diǎn)是制約學(xué)生學(xué)好物理的瓶頸。而洞悉物理現(xiàn)象、理解物理內(nèi)容、描繪物理情景、構(gòu)建物理模型并配以一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算是解決這些問(wèn)題的有效途徑?？紤]到學(xué)生的個(gè)體差異，制訂個(gè)性化的教學(xué)方案迫在眉睫;VR技術(shù)以及人工智能的迅速發(fā)展，為展現(xiàn)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程、實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)從“晦澀難懂”向“大眾化”的方向轉(zhuǎn)變提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

一、VR仿真技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

新課標(biāo)著重強(qiáng)調(diào)了物理課程的育人功能。傳統(tǒng)教學(xué)手段在對(duì)高中物理抽象的物理規(guī)律的處理中不夠直觀，因此使得學(xué)生在理解物理內(nèi)容上存在諸多困難，很難從多角度來(lái)分析和研究。基于VR技術(shù)平臺(tái)強(qiáng)大的仿真和信息處理功能，結(jié)合人工智能機(jī)器人對(duì)學(xué)生所提問(wèn)題的實(shí)時(shí)解答能力，通過(guò)學(xué)生的反饋調(diào)整解答方式，直至學(xué)生掌握為止，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足。

1.顯化抽象物理過(guò)程，呈現(xiàn)復(fù)雜物理規(guī)律

通過(guò)VR仿真平臺(tái)建立相應(yīng)的物理模型，設(shè)置合適參數(shù)來(lái)模擬復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過(guò)程，進(jìn)而展示形象生動(dòng)的物理情景，幫助學(xué)生理解相關(guān)的抽象物理知識(shí)和概念。如微觀世界中分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，恒定電場(chǎng)的建立與分布，恒定電流的形成及光電效應(yīng)等;模擬實(shí)際存在卻不容易觀察到的物理情景，如帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，電磁波的產(chǎn)生和傳播機(jī)理等。

2.突破實(shí)驗(yàn)條件限制，提升實(shí)驗(yàn)成功效率

對(duì)于教學(xué)中的粒子散射實(shí)驗(yàn)，重核裂變，輕核聚變等原子物理學(xué)中無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以及萬(wàn)有引力部分的日、月食的形成過(guò)程，衛(wèi)星變軌、對(duì)接過(guò)程，雙星及三星模型等天體物理學(xué)問(wèn)題，可運(yùn)用基于VR手段的仿真系統(tǒng)將一幅幅由宏觀到微觀的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用的動(dòng)態(tài)圖像直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。同時(shí)對(duì)教學(xué)中具有危險(xiǎn)性和難度較大的實(shí)驗(yàn)，可事先通過(guò)仿真使學(xué)生了解到相關(guān)的注意事項(xiàng)，讓學(xué)生切實(shí)感受實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性并確保實(shí)驗(yàn)的成功率。

3.實(shí)驗(yàn)仿真有機(jī)融合，引導(dǎo)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將動(dòng)畫(huà)模擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)，重復(fù)展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生的全過(guò)程，并利用交互功能控制過(guò)程進(jìn)行的速度，強(qiáng)化觀察主體，引導(dǎo)現(xiàn)象的分析，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。例如，各類(lèi)拋體運(yùn)動(dòng)、波的干涉、多普勒效應(yīng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)、布朗運(yùn)動(dòng)等。

以“波的干涉”教學(xué)內(nèi)容為例，設(shè)計(jì)一幅動(dòng)態(tài)的三維水波干涉動(dòng)畫(huà)：將兩塊石子同時(shí)扔進(jìn)水中，減緩時(shí)間進(jìn)度，可清晰地觀察到水波干涉圖樣形成的全過(guò)程。以此實(shí)例激發(fā)學(xué)生的探究興趣，引導(dǎo)他們主動(dòng)去探究這一現(xiàn)象形成的原因——波的疊加。建立一個(gè)兩列正弦波相向傳播的模型，對(duì)每列波的振幅、周期、波速和初相位等參數(shù)隨機(jī)設(shè)置，可清晰地觀察到兩列波疊加的動(dòng)態(tài)過(guò)程及干涉圖樣;分別改變不同參數(shù)，其干涉圖樣隨之發(fā)生改變。引導(dǎo)學(xué)生帶著“在相干區(qū)域中，空間上某一質(zhì)點(diǎn)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(guān)系？干涉圖樣在空間的分布上有著怎樣的規(guī)律？”等這類(lèi)疑問(wèn)去觀察并思考波的疊加的物理機(jī)制，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，加深對(duì)波的干涉這一抽象物理知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。

二、人工智能輔助教師進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)

VR技術(shù)大大提高了處理信息的能力，使靜態(tài)的二維圖像跨越“屏幕”這扇門(mén)為學(xué)生呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的三維視覺(jué)圖像體驗(yàn);但由于學(xué)生對(duì)知識(shí)體系印象模糊，這就導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)抱有一種消極、抵觸的情緒?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革，關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展要求。因此引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)式的學(xué)習(xí)習(xí)慣尤為重要。從學(xué)生的個(gè)體差異出發(fā)，為其制訂個(gè)性化的教學(xué)方案成為克服學(xué)生學(xué)習(xí)障礙的最有效途徑，同時(shí)成熟的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)也為解決本方案提供了強(qiáng)有力的技術(shù)平臺(tái)。

首先基于個(gè)性化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集學(xué)生的思想動(dòng)態(tài)、學(xué)習(xí)興趣、基礎(chǔ)知識(shí)和思維方式等基本信息，并將其錄入建立好的學(xué)生個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)中。

借助人工智能平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算能力和交互式性能，機(jī)器人扮演智能導(dǎo)師的角色，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)向其推送學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在課后與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，智能平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)采集到的學(xué)習(xí)信息進(jìn)行檢測(cè)和更新，更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的掌握學(xué)生特點(diǎn)，將其每次學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和課后檢測(cè)結(jié)果形成評(píng)價(jià)報(bào)告。

同時(shí)機(jī)器人又是學(xué)生最要好的學(xué)習(xí)伙伴，運(yùn)用自然語(yǔ)言和特定算法對(duì)學(xué)生歷次評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行深層次的處理，在人機(jī)交互過(guò)程中逐步優(yōu)化，直至為學(xué)生提供最優(yōu)的個(gè)性化解答方案，形成一個(gè)良性循環(huán)。通過(guò)分析機(jī)器人與學(xué)生的對(duì)話內(nèi)容，歸納出學(xué)生當(dāng)前狀態(tài)下理解能力的特點(diǎn)和不足。

最后教師根據(jù)智能平臺(tái)的評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)果，結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)情況，整合大數(shù)據(jù)平臺(tái)的相關(guān)信息，為每一位學(xué)生量身訂制個(gè)性化的教學(xué)方案，總結(jié)實(shí)際的教學(xué)效果，逐步改進(jìn)個(gè)性化教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的最優(yōu)化。

在當(dāng)前新課改背景下，高中物理由于其專(zhuān)業(yè)的性質(zhì)特點(diǎn)，選考物理學(xué)生數(shù)不太理想;但其影響社會(huì)發(fā)展的重要性不言而喻，實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，培養(yǎng)物理學(xué)人才迫在眉睫。VR技術(shù)平臺(tái)為學(xué)生從本質(zhì)上理解物理內(nèi)容、掌握物理規(guī)律提供了技術(shù)保障;如果將其與大數(shù)據(jù)及人工智能深度融合，則為個(gè)性化教學(xué)方案的制訂和實(shí)施帶來(lái)了良好的契機(jī)。有效利用教學(xué)資源，合理制訂和實(shí)施個(gè)性化教學(xué)方案，有助于最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)、解答物理問(wèn)題起到了事半功倍的作用，能夠有效鍛煉學(xué)生的空間想象和邏輯思維能力。

參考文獻(xiàn)：

高嵩，趙福政，劉曉暉.國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教育研究存在的問(wèn)題與啟示[J].中國(guó)電化教育，2018，374（3）：1-6.