运用人工智能改进和创新物理教学的实践

【专家介绍】

曹宝龙，特级教师，正高级教师，北师大心理学博士，研究方向：教育与心理发展；原杭州市基础教育研究室主任，现任校长。

浙江师范大学博导，华东师范大学特聘教授。教育部高中物理课标组核心成员，教育部义务教育科学课标修订组核心成员，教育部物理教学指导委员会副主任委员。

人教版普通高中《物理》教材分册主编、主要作者；浙教版初中《科学》教材副主编、主要作者；高中《杭州人文与社会》义务教育段《最忆杭州》教材主编。主要著作《学习与迁移》（2009年浙江大学出版社出版，2019年浙江教育出版社修改再版）。

随着科技飞速发展，人工智能已迅速成为当今世界最具影响力的技术之一。教育部《关于加强中小学人工智能教育的通知》明确要求：小学高年级段和初中阶段侧重理解和应用人工智能技术，高中阶段侧重项目创作和前沿应用[]。在教育领域，尤其是中学物理教学中，人工智能的应用为教学改革带来了新的机遇与挑战。如何有效地将人工智能融入物理教学的各个环节，成为教育工作者需要深人研究与探索的重要课题。

1人工智能及其发展现状

人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是指计算机系统能够执行人类智能才能完成的任务，如学习、推理、解决问题、理解自然语言、识别图像等。人工智能模拟人脑的思维过程，利用算法和数据实现智能化。例如，机器学习是人工智能的一个重要分支，通过对大量数据的学习，机器能够自动发现数据中的模式和规律，从而进行预测和决策。

文章编号：1003-6148（2025）4-0001-5

人工智能已经对科技、生产和生活的各个方面产生越来越深远的影响。首先，人工智能可以提高工效，降低成本。在许多领域，人工智能能够快速处理大量数据和繁杂任务，大大节省时间和人力成本。在物理研究中，人工智能可以帮助分析海量的实验数据，加速科学发现的进程。其次，人工智能能提升准确性。人工智能系统基于精确的算法和数据训练，在一些任务上能达到比人类更高的准确性。例如，在图像识别、疾病诊断等方面，其错误率往往低于人类专家。第三，人工智能可以推动创新。人工智能激发了新的研究方向和技术发展，促进了跨学科的合作与交流。在教育领域，人工智能促使教学方法和教育模式的不断创新，为培养适应新时代的创新型人才提供了可能。

目前，人工智能在全球范围内得到了广泛的研究和应用。在技术方面，深度学习、自然语言处理、计算机视觉等领域取得了重大突破。例如，苹果的“Siri”华为的“小艺”科大迅飞的“灵犀”

百度的“小度"等语音助手已经走进千家万户，能够实现语音交互、信息查询、智能家居控制等功能。在工业领域，人工智能用于自动化生产、质量检测、供应链管理等。在教育领域，在线教育平台可利用人工智能为学生提供个性化学习路径规划、智能辅导等个性化服务。当然，人工智能的发展也面临着一些挑战，如数据隐私保护、算法偏见、伦理道德等问题，需要在未来的发展中不断加以解决。

2 人工智能在教育中的应用

人工智能在教育中的应用正处于起步阶段，但发展非常迅速。目前，人工智能在教育中的应用主要有智能教学系统、智能辅导系统、智能评估与分析系统及学校智能管理系统等。

2.1 智能教学系统

智能教学系统能够根据学生的学习情况和特点，提供个性化的学习内容和教学策略。例如，通过对学生学习过程的历史数据分析，包括学习时间、答题准确率、知识点掌握等情况，系统可以智能推送适合每个学生的学习材料，如练习题、视频讲解等，帮助学生有针对性地弥补知识漏洞，提高学习效率。这种教学系统的优点是对信息分析与反馈的精准。如果系统的资源足够，系统提供的学习材料会很有针对性和有效性。但如果教育者或学习者过度依赖这种系统，可能会使部分学生因疲于应付而产生厌学情绪，也可能因不恰当地使用反而降低学生的学习自主性。

2.2 智能辅导系统

一些平台提供的智能辅导系统能够实时解答学生的问题。学生可以用数据（包括自然语言、图像、文字等）输人自己的疑问，系统会利用各种处理技术理解问题，并从知识库中搜索相关答案或通过大模型提出解决问题的思路和方案。这种即时辅导方式，就像学生身边随时有一位私人教师，能及时解决学生学习过程中的困惑，增强学生的学习信心。

2.3 智能评估系统

人工智能还可以对学生的作业、试卷和学习行为等进行自动评估。例如，在批改作文时，能够对文章的语法、逻辑、内容等多方面进行分析打分，并给出详细的反馈意见，帮助学生了解自己的写作水平和不足之处。在物理实验报告评估中，也可以检查实验步骤的合理性、数据处理的准确性等，为教师节省大量批改时间，同时也能给学生更及时、准确的评价。经过训练的人工智能系统，还可以对学生在一定场景（如课堂）的学习行为智能化采集数据，并对数据进行分析后获得学生个体学习行为的特征数据的报告，供研究者和教师参考[2]

2.4 智能管理系统

在学校管理方面，人工智能可用于学生管理、教务管理和后勤保障管理等。例如，通过对学生在校行为数据的分析，如考勤记录、课堂表现、参与社团活动情况等，预测学生可能存在的学业问题或心理问题，以便学校及时采取干预措施。在教务管理中，智能排课系统可以根据课程设置、教师资源、教室资源等多方面因素，快速生成合理的课程安排表，提高教务管理的效率和科学性。智能系统还可以自动采集学生在运动场上各种活动的有效数据，并对学生个体的运动数据进行阶段性分析，形成报告，供学校体育教学和管理者使用。

3 人工智能在物理教学中的应用

人工智能在物理教学中的应用正处于起步阶段，各种垂直模型的研发也正处在萌发阶段。目前，在学情数据采集和分析、教学资源的智能推荐、智能化自适应学习系统、智能化课堂互动、个性化作业设计和智能化评估测量等方面有一些成功的应用。

3.1 智能化学情分析

利用人工智能技术收集和分析学生在物理学习方面的前期知识储备、学习习惯、兴趣点等数据，可帮助教师精准掌握学生的学情，并以此设计课堂教学活动过程。例如，通过在线学习平台的学习过程的信息分析，平台可自动推送学生对不同物理知识点的掌握程度和学习时间分布，教师可以以此精准确定教学起点，合理设计教学目标、教学重难点和教学活动，使教学设计更贴合学生的实际需求，提高课堂效率。人工智能平台可实时分析学生的答题数据和学习轨迹，为教师提供精准且及时的教学建议。相关研究结果显示，采用智能教学平台进行学习的学生在理解和掌握物理知识方面表现更好，他们的学习效率和效果也得到了提高[3]。

3.2 智能推荐物理教学资源

人工智能学习平台可以根据学生的答题数据和学习情况生成个性化评估报告，指导教师精准教学，并对学生精准地进行查漏补缺。智能平台可针对学生的个体学习差异提供个性化的学习路径和资源推荐。根据学习主题和学生特点，智能平台可从海量的物理教学资源库中筛选并推荐适合学生个性需要的教学资源，如教学视频、实验演示动画、拓展阅读材料等。例如，对于力学部分的教学，如果学生在惯性、加速度等概念和牛顿运动定律等基本规律的理解上存在困难，系统可以推荐一些形象生动的动画演示资源，帮助学生直观地理解这些概念和规律中的疑难问题。

3.3 智能化自适应学习系统

智能化自适应学习系统是一种利用计算机技术和教育理论构建的智能化学习平台。自适应学习系统可以帮助学生巩固知识，提高解决问题的能力。它能够根据学习者的个体差异，如学习进度、知识掌握程度、学习风格等因素，动态地调整教学内容、教学方法和学习路径。通过对学习者数据的实时收集和分析，自适应学习系统就像一个为每个学生量身定制的私人学习导师。例如，当系统检测到某个学生在浮力定律的理解和应用部分掌握得比较薄弱时，就会提供更多关于阿基米德原理的基础讲解、例题、专项练习和微课视频等，从而帮助学生循序提升相关知识的理解和应用能力[5]。

3.4 物理课堂的智能化互动

智能化课堂互动系统是一种在课堂教学环境中，利用现代信息技术促进师生之间、生生之间高效互动的软件和硬件相结合的综合系统。借助智能化课堂互动系统，教师可以发起多样化的课堂互动活动[。例如，通过在线问答平台，学生可以随时提问，系统会将问题自动分类整理，教师可以优先回答普遍性问题或高难度问题。智能分组工具也可以根据学生的学习能力、性格特点等因素，将学生科学合理地分成几个小组，再更有效地进行合作学习。因此，智能分组工具可应人、应内容、应学习实际进行实时分组，提高小组合作的效率和效果。在课堂讨论中，人工智能还可以对学生的发言进行语音转文字记录，并分析学生的观点表达、思维逻辑等，为教师提供全面的课堂反馈[7]。

3.5 个性化物理作业设计

个性化作业设计是目前人工智能应用较普遍、成熟的系统。根据学生的学习进度和掌握情况，人工智能可为每个学生生成个性化的作业。对于学习进度较快、掌握较好的学生，可以布置一些拓展性、挑战性的作业，如物理竞赛题、课题研究等；对于学习有困难的学生，则着重布置基础知识巩固的作业，并提供详细的解题提示和辅导资源。例如，在电学作业布置中，对于已经熟练掌握欧姆定律的学生，可以布置电路故障分析、综合性电路分析计算等综合性作业，而对于尚未完全理解基本概念的学生，则布置一些简单的电路计算和概念辨析问题。

3.6 智能评价与测试

在教育测试方面，利用人工智能可以快速高效地研制测量工具。如果要对学生的物理学习进行测评，利用人工智能的智能组卷功能可快速高效地拟定测试卷的初稿。根据课程标准、学生学习情况和命题教师设置的试卷指标（试题类型、试题分布、难度、区分度等），智能组卷系统可从资源库中抽取合适的试题组成试卷，确保试卷的难度分布合理、知识点覆盖全面，在此基础上教师只要进行适当调整即可。考试过程中，利用智能监考系统，通过摄像自动监控、行为分析等技术，实时监测学生的考试行为，可以实时记录学生答题情况，并能预防发生作弊现象。考试结束后，系统能快速完成阅卷工作，并提供详细的成绩分析报告，包括学生个体和群体在各个知识点的得分情况、错误类型等分析，并能提出针对学生个体的个性化改进建议。这些功能为教师的组卷、测试、分析提供了辅助支持，也为教师的教学反思以及学生的学习总结提供有力的信息支持。

4 运用人工智能创新教学

运用人工智能可以在教学模式、实验方法和实验手段、教学评价等方面创造新的方式，丰富物理教学手段，提高教学效率。

4.1运用VR（虚拟现实）和AR（增强现实）创新物理教学模式

利用人工智能与VR（即VirtualReality）/AR（即AugmentedReality）技术相结合，可创建沉浸式物理教学环境。例如，在讲解宇宙天体物理时，学生可以通过VR设备身临其境地感受太阳系的结构、行星的运动轨迹等，仿佛置身于浩瀚宇宙之中[7]。在学习光学原理时，利用AR技术将光线的传播路径、折射反射现象等直接展示在真实物体上，增强学生的感性认识，提高学习效果[8]这种教学模式突破了传统教学的时空限制，为学生提供了更加丰富、生动的学习体验。

4.2 基于人工智能的探究式教学

教师可以借助人工智能平台提出具有启发性的物理问题或研究课题，引导学生自主探究。例如，在学习能量守恒定律时，教师可以利用智能系统提供一些生活中的能量转化实例数据，让学生通过数据分析、实验设计等方式探究能量守恒的规律。在探究过程中，学生可以利用人工智能工具进行数据处理、模型建构等，教师可作为引导者，在学生遇到困难时提供必要的指导和支持。这种探究式教学模式有助于培养学生的创新思维和实践能力。