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)平臺強大的沉浸感、交互性和構(gòu)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(guān)鍵詞：VR仿真;大數(shù)據(jù);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(yīng)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(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)學運算是解決這些問題的有效途徑?？紤]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(shù)以及人工智能的迅速發(fā)展，為展現(xiàn)動態(tài)物理過程、實現(xiàn)物理教學從“晦澀難懂”向“大眾化”的方向轉(zhuǎn)變提供了強有力的技術(shù)支撐。

一、VR仿真技術(shù)在物理教學中的應(yīng)用

新課標著重強調(diào)了物理課程的育人功能。傳統(tǒng)教學手段在對高中物理抽象的物理規(guī)律的處理中不夠直觀，因此使得學生在理解物理內(nèi)容上存在諸多困難，很難從多角度來分析和研究?；赩R技術(shù)平臺強大的仿真和信息處理功能，結(jié)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(diào)整解答方式，直至學生掌握為止，彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足。

1.顯化抽象物理過程，呈現(xiàn)復(fù)雜物理規(guī)律

通過VR仿真平臺建立相應(yīng)的物理模型，設(shè)置合適參數(shù)來模擬復(fù)雜的物理現(xiàn)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(guān)的抽象物理知識和概念。如微觀世界中分子的運動規(guī)律，恒定電場的建立與分布，恒定電流的形成及光電效應(yīng)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(chǎn)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(wèi)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(tǒng)將一幅幅由宏觀到微觀的物質(zhì)運動規(guī)律和相互作用的動態(tài)圖像直觀地呈現(xiàn)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(guān)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(dǎo)分析實驗現(xiàn)象

將動畫模擬與真實實驗相結(jié)合，在真實實驗的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的實驗動畫，重復(fù)展示實驗現(xiàn)象發(fā)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(dǎo)現(xiàn)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(yīng)、簡諧運動、電學實驗、布朗運動等。

以“波的干涉”教學內(nèi)容為例，設(shè)計一幅動態(tài)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(fā)學生的探究興趣，引導(dǎo)他們主動去探究這一現(xiàn)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(shù)隨機設(shè)置，可清晰地觀察到兩列波疊加的動態(tài)過程及干涉圖樣;分別改變不同參數(shù)，其干涉圖樣隨之發(fā)生改變。引導(dǎo)學生帶著“在相干區(qū)域中，空間上某一質(zhì)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(guān)系？干涉圖樣在空間的分布上有著怎樣的規(guī)律？”等這類疑問去觀察并思考波的疊加的物理機制，激發(fā)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(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”這扇門為學生呈現(xiàn)出動態(tài)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(dǎo)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(guān)注信息化環(huán)境下的教學改革，關(guān)注學生個性化、多樣化的學習和發(fā)展要求。因此引導(dǎo)學生養(yǎng)成主動式的學習習慣尤為重要。從學生的個體差異出發(fā)，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(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)也為解決本方案提供了強有力的技術(shù)平臺。

首先基于個性化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集學生的思想動態(tài)、學習興趣、基礎(chǔ)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(shù)據(jù)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(dǎo)師的角色，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的學生學習特點向其推送學習內(nèi)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(jié)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(jié)果進行深層次的處理，在人機交互過程中逐步優(yōu)化，直至為學生提供最優(yōu)的個性化解答方案，形成一個良性循環(huán)。通過分析機器人與學生的對話內(nèi)容，歸納出學生當前狀態(tài)下理解能力的特點和不足。

最后教師根據(jù)智能平臺的評價報告結(jié)果，結(jié)合學生現(xiàn)有知識情況，整合大數(shù)據(jù)平臺的相關(guān)信息，為每一位學生量身訂制個性化的教學方案，總結(jié)實際的教學效果，逐步改進個性化教學方案，實現(xiàn)課堂教學的最優(yōu)化。

在當前新課改背景下，高中物理由于其專業(yè)的性質(zhì)特點，選考物理學生數(shù)不太理想;但其影響社會發(fā)展的重要性不言而喻，實施個性化教學，培養(yǎng)物理學人才迫在眉睫。VR技術(shù)平臺為學生從本質(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(fā)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(xiàn)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.