摘要：二十一世纪的人工智能是全球都热切关注的话题，我国物理教学的改革更是离不开人工智能技术的扶持。如何才能在此背景下推进各个阶段物理教学，是本文探讨的重要内容。同时本文以人工智能技术在我国教育界的发展现状入手，分析物理学科核心素养与人工智能在教学中遇到的种种困境，并针对这些问题提出相对建议。
关键词：人工智能 物理教学 核心素养 现状与发展
Discussion on the Prospect of Physics Teaching reform under the Background of Artificial Intelligence
Abstract：In the 21st century, artificial intelligence is a hot topic all over the world. The reform of physics teaching in China is inseparable from the support of artificial intelligence technology. How to promote each stage of physics teaching under this background is the important content of this paper. At the same time, this paper starts with the development status of artificial intelligence technology in China's education sector, analyzes various difficulties encountered in the teaching of core accomplishment and artificial intelligence in physics, and puts forward relative Suggestions for these problems.
Key words：Artificial intelligence Physics teaching Core qualities Status and development
1 绪论
21世纪，人工智能技术取得了很大的进步。大数据、在线学习、移动互联网等都是信息技术生态系统可持续发展具体表现。人类理所当然地想将其利用于教育教学中，比如说物理学科存在大量的抽象概念和实验，教师在教学过程中可能会遇到学生无法理解和接受知识的情况。辅助人工教学恰在此时应运而生，它的存在和发展不是偶然，而是因为互联网和人工智能都在人们的生活中不断运用和完善，在教育领域它们的作用更是被放大。
现在，我国的物理教育急需改革。人工智能技术在物理教育教学改革中重要的作用，比如多媒体播放实验、线上课程作为线下学校课程的补充等等。随着人工智能的快速发展，教育和人工智能之间已有相融趋势。在未来的物理教育改革背景下，笔者将讨论如何结合物理教育和人工智能进行物理教育教学改革，并进一步讨论人工智能技术在物理教学中的重要性。本文在对过去的物理教育模式和当前教育状况的分析下，总结出在人工智能技术背景下进行物理教学改革的意义，从人工智能技术的发展过程及在教学中的应用入手，论述了两者结合的必要性和存在的争议以及需要解决的问题。
在全球都热切关注的情况下，人工智能与教育的结合必定会引起新一波浪潮，我国物理教学的改革和教育新局面更是离不开人工智能技术的扶持。本研究旨在发掘未来人工智能技术在物理教学中获得更广泛、更高效的的应用进行论述。如何才能在此背景下推进各个阶段物理教学，也是本文探讨的重要内容。同时本研究以人工智能技术在我国教育界的发展现状入手，分析物理学科核心素养与人工智能在教学中遇到的种种困境，并针对这些问题提出相对建议。
2 人工智能在教学中的应用
2.1人工智能技术发展历程简述
AI技术诞生于1956年。那个时候该技术的开发并没有进入平稳期，而是长期陷入瓶颈期。因为当时缺乏相应的技术生态学，人工智能的研究和应用并没有突破性进展，不过今时不同往日，随着社会的不断发展和进步AI技术的研究和应用正在发生着巨大的变化[1]。
大数据显示，2006年以后，人工智能的普及和受重视程度再次上升。和以前不同，如今世界上很多国家都关注人工智能，许多国家和地区都下达了引进AI技术的政策，即使没有出台政策也出具了相关计划。除此以外也有增加投资、研究、开发人工智能的优点和应用、扩大人才储备、竞争科学研究位置的科技企业。2017年5月，柯洁和人工智能棋手阿尔法狗围棋对弈，柯洁在三轮围棋中败北。次年4月，柯洁对中国开发的人工智能“星际阵列”进行了战斗。人工智能技术开发速度稳定，中国投入了很多人力和资源，紧跟国际市场的发展脚步。不过不脱离国际体系，并不意味着中国的研究进展良好。实际上，人工智能技术在我国很多方面虽然有应用，可是在教育这块广阔的市场上的运用还处于相对欠缺的阶段。
2.2人工智能技术在教学上的具体运用
近年来，随着人工智能的发展，世界上很多国家都将编程教育作为初等和中等学生的必修科目，并引进相关法规来保证。这被称为“编程教育的回归”。小学的信息技术课堂教学，不仅具有很强的回报和吸引力，而且完全证明了其价值和活力。并且出于社会发展的需要，课堂教学模式必须进行改革。
实际上，初等和中等学校的编程教育的普及，不是为了使全体学生成为程序员，而是为了提高学生的思考能力。学习编程语言，不仅意味着学习基本知识，还要学习如何提高逻辑思维能力。为什么在初等和中等教育学校普遍展开编程教育，其实目的是培养学生的“计算思维”,或者说是“编程思考”，掌握这两种基本技能是十分有必要的。
2010年，由青岛出版社组织专家编辑的《AI辅导》正式发表。该书的读者目标主要针对年轻的中学生和高中阶段的学生,所以在内容上偏重物理规律和青春期学生的精神成长，从简单的视觉形象的操作,到开发源代码再到抽象的硬件编程,该书逐渐提高难度以及学生的接受能力。
笔者认为，除了专业知识的培养外，还可以从培养学生对编程的兴趣，感受编程过程所引发的价值冲突，思考个体行为与自然环境和人文环境的关系。外国有学者提出：人工智能可以开发出个性化的教学机器，使其能够根据个人的具体情况、困难和需求进行对话，帮助他们理解问题或实现目标。[3]
杨现民[4]提出：替代性教育以人工智能为支撑，强调通过技术实现教师在某些教育活动中的作用，并代替教师完成部分任务。有机阅读阅卷、简单的批改和口语评分已经在我国教育界大行其道，替代性教育的大规模普及节省了教师群体的时间和精力，并使他们更好地投入到教学中去。
其实人工智能技术在我国线上教育中已经比较常见。许多线上教育机构为了辅助教学和优化效率，推出了辅助人工智能系统。两年前的四月，海风在线教育推出了“好望角”AI系统。该系统能识别使用者的脸部情绪，并运用此项技术分析学生情绪，以眼球焦点为基础，分析学生注意力状况，并及时反馈给教师。通同时系统还能在30秒内扫描学生的6个行为，包括读、写、听、站、举和趴桌子，还能扫描他们的喜怒、悲伤、恐惧、惊讶、愤怒以及7个中性表情。
该负责人表示，“我们将给学生的6种行为打分，通过这个系统，我们可以看到哪些同学在专心听课，哪些在开小差，再结合他们的面部表情，比如喜怒哀乐，来分析学生在课堂上的学习状况。”有的人认为，这种监督模式属于监督，对学生的身心都会产生不良影响，但笔者认为，这类人工智能的应用，对教学改革会起到一定的作用，至于是否会带来负面影响，还与今后学校的管理有关。学生应该紧跟时代发展步伐，在人工智能大变革的潮流中，为国家和社会的发展做出自己的贡献。
2.3人工智能为物理教学提供丰富支持与革命
随着人工智能的逐步普及，我国物理教学已取得了长足的进步。国务院于2017年提出“实施全民智能教育计划，建立中小学人工智能课程体系，逐步推进编程教育”。2018年9月，“中小学人工智能教育项目”在我国初见端倪，参与者包括院士、人工智能专家、一线教师等众多身份的人，在走访了部分中小学、高校科研院所和相关企业后，项目的顶层设计和具体研究开发工作正式启动。
人工智能在物理教学中提供的一项重要支撑便是多媒体技术。比如卢瑟福α粒子散射实验的示意模拟这一想像的物理模型,通过采用多媒体课件可以十分直观形象的解释、演示出来。多媒体技术使得物理抽象的概念化为具体，比起课本教材的文字表述增添了声光画，可以帮助学生理解并且增加对于学科的兴趣。
人工智能的存在也使得信息获取渠道的增多、信息处理更加便捷。不需要只依靠老师和教材，学生也可以利用网络和软件进行知识的更新和完善。而书本知识又具有时效性、落后性，但是网络传播的及时性让学生能更加迅捷地捕捉到前沿知识。
3 我国物理教学发展阶段和现状困境
3.1发展阶段
回顾历史，回顾过去，笔者初步把我国物理教学的发展分为四个阶段：第一阶段是一九七八年至一九八九年，我国物理教育亟需摆脱文革的阴影和干扰，教学的任务是培养学生的基础知识和物理技能。为此，许国梁[5]提出：要大力开展中学物理教学研究，以提高物理教学质量。在过去的十年中，物理教师的主要工作就是加强对学生的动手能力的培养和素质教育。在千禧年到之后的十年里，培养学生的实践能力和创新能力是我国物理学科的教育目标。到至今，我国教育界以提高学生的物理核心素养为目标开展了写一阶段的学习活动和任务。
3.2物理学科核心素养
黎国胜对于“学科核心素养”进行了解释：指某一具体学科的基础知识、基本技能、一般方法、重要观念，核心素养在学科教育中的具体体现。”[6]
物理学科特点、内在化和物理学习特点是物理学科核心素养的重要组成部分。很明显，物理学科素养可以分为两类：一是专业素养，二是个人素养。一个好的、准确的专业知识能够帮助学生在学习的初期应对考试，而个人的素养能够跟随学生终生。物理要求的严谨科学的态度能够帮助学生在未来的学术研究和生活中不断提高自我、升华自身。
物理学科核心素养与我国教育的终极目的息息相关，无数学术专家都表示做人是教育的起点也是最终的目的，一切教育内容和教育方法都是为了让人过上更幸福的生活。人工智能时代下，人类能力被提出新的要求，首先我们需要又能够终身学习的能力，其次还需具备属于自己的个性与创造力，并且还要有极强的跨领域理解力和沟通合作能力。因为今后的社会必定是多领域的交叉重叠，全能对于我们来说太过夸张，所以需要能够与其他专业人士进行交流加深理解。在前三点的基础上，我们还需储备较高的人文素养和灵魂境界，最后努力成为人工智能时代的原住民，才能更加高效地利用智能机器进行学习和成长，服务于社会[7]。
3.3现状与困境
可以从上述时间线看出，我国对于物理学科的引进较晚，同时目标工程量大，曾经受到政治因素的干扰曾长期处于停滞不前的状态。同时，张恩德[8]提出：我国中学物理教学资源存在城乡不平衡、东西部不平衡。换而言之就是我国教学质量上存在很大程度上的发展不平衡，有偏远贫穷的地方连师资力量也无法保证，需要靠支教来支撑，更何况物理教学中需要用到的实验材料也缺乏。
近些年来，沿海发达经济区汇集了资金、人才、区位、政策等优势，成功地完成了工业升级，全面进入了互联网经济时代，今天又进入了人工智能和新经济高速发展阶段，数字化、智能化成为经济社会科技进步的助推器，在区域竞争中继续保持绝对优势。
我国中西部许多地区都面临基础教育设施残缺、教育资金不足和人才缺乏等状况，与沿海发达地区在数字化、智能化发展上又拉开了一道巨大的鸿沟。因此可以想象，在北京、深圳等可以达到中等发达国家水平的地区，人工智慧的普及程度远比我们经济落后的地区要高得多，在物理学科方面就表现为极端的教学设施失衡。我们进入了21世纪的网络时代。有些学者把出生于网络时代的人称为“数码土著”。但是，农村和偏远地区的“数码原住民”所接受的教育与发达地区的教育有着明显的差距。即使在数字化的环境下，也很难给他们带来同样的人生成就机会。更有甚者，他们当中的一些同学甚至会出现诸如自我约束薄弱、沉迷网络游戏等问题。仅靠原生态人的自发摸索是不能完成适应新时代所必需的个性和关键能力。应该看到，农村、边远和贫困地区的教育资源差距仍然很大。包括数字教育在内的教育公平，就是要以加大投入、资源配置和优质服务为目标，以科技缩小差距、缩小差距为重点，持续推进教育公平。在义务教育阶段，我国很多地方都开始了对人工智能教育的探索，但是，各地的基础和条件不同，也面临着一些困难和问题，比如缺乏智能设备的支持，地方教育行政部门和教研室的共同参与等，通过“政产学研用”的合力尝试，有希望推动人工智能教育走向更系统化、科学化。
与此同时，部分教师的授课方式过于传统，或是照本宣科，或是讲课内容过于枯燥，教学手段单一，难以吸引学生和长时间引导他们的注意力。在学生方面，由于应试教育的弊端，学生往往对于学习缺乏主动性和热情，习惯处于被动的状态，而物理学科如果使用填鸭式教育，只会收效甚微。
长期处于传统教育理念的物理教师是否能够摆脱传统观念的束缚、升级授课方式是一个有待商榷的问题，对此学校和上级部门应该根据情况发展而释放调整从长计议。比如以前要求老师用普通话讲课，过了一定年龄就不学了。物理教学中人工智能的普及应根据具体情况而定。
综合上述各方面的困难来说，我国物理教学改革步履蹒跚。
4 人工智能技术推动物理教学改革
4.1因材施教
郭楠楠[9]在论文中表示：人工智能可以根据教学目标和每个学生的智力发展水平构建和优化物理模型，建立物理知识图谱。展开来说就是人工智能将不易理解的模型和知识体系脉络清晰展开，令学生可以快速厘清学习内容，这也有助于教师因材施教。
在教学活动里难免出现学生学习进度不同而导致班级教学计划紊乱的状况，面对这些可能出现的问题，教师可以利用人工智能先了解他们的学习进度和接受程度，在那之后采用不同的教学模式，也可以让跟不上进度的学生和进度超前的学生使用人工智能自行查缺补漏或者预习更多的内容。
初高中物理课学习时，学生不能充分理解课堂内容，老师拖着书包或让学生到教室单独辅导，但这种情况经常发生，导致师生双方十分疲倦，每一个学生都出现问题，导致老师教学进度缓慢。笔者认为，可以根据不同学生的接受程度、理解能力和学习难度，专门设计制作视频或人工智能解题处理器。比如市面上已经出现的猿辅导、学习小易等等，都是针对学生的解题困境出现的产品，但是笔者也建议有关部门出台相关政策，对于此类APP多加管束，避免学生懒于思考疏于学习仅靠搜题的现象大面积出现。
除此以外教育部门还应加强对学校师资队伍建设的支持。教师是教育的基础，是教育的源泉。在数字化智能教学环境下，教师可以借助人工智能等技术收集教学数据，实现作业批改和学习诊断的自动化。但是当前由于人工智能技术没有全范围普及，导致许多教师即使想利用该技术也没有经验，所以笔者建议学校和教育部门定期展开培训，使得教师能够充分接触到科技教育的前沿与变化，接受时代的洗礼。
人工智能技术还可以解放大量教师重复、琐碎的工作时间，使教师实现人机协作，更加注重个性化教学、适应性学习和创新教育活动，培养学生的高级思维能力和核心素质。
4.2物理教学改革
改革教学方法，离不开一线教师。物理学课的教学应注重培养学生的自主学习意识[10]，换句话说就是比起以为的说教教师更应该注重启发学生的思路，让他们在实践中得到乐趣，不仅在课堂上主动跟随老师，课后还要勤思考、勤观察。而作为物理教师，更要关注社会动态，更新观念，及时更换更好的教学模式和方法。同时，教师还应尊重学生的学习主体地位，通过多种途径提高学生学习兴趣。不仅在课堂上主动追随老师，在课后也勤于思索和观察。并且作为物理教师，应该关注社会动向与理念更新，及时更换更好的教学模式与方法。仅仅依赖书本和教案的年代已经过去，面对波澜壮阔的信息时代，只有抓住人工智能发展的契机，才不会被社会所淘汰抛弃。
例如，可以在教材讲解之前播放相关的物理动画，也可以在物理实验结束后播放实验视频，让学生比较自己与视频之间的差距，引导学生进行反思。物理教学改革的同时,也应该注重理论与实践的结合,这样学生可以接触实验教科书尽可能给学生留下深刻的印象,培养学生的创新和实践能力,提高学生的核心物理质量,从而有利于他们的生活。老师对照课本讲课，学生只会在听觉上吸收，即使有板书，面对黑白色彩也不会产生深刻记忆，但面对声光电的物理动画，将会无形之中加深他们的印象。
人工智能也为实现教育公平提供了重要的机会首先，高质量的资源共享是可能的。据统计，全国中小学数字教育资源覆盖工程已覆盖边远贫困地区超过四百多万的学龄孩子，全国数字教育公共服务体系基本建立并逐步实现“三通两平台”。通过互联网、人工智能等技术的融合，将优质教育资源快速、高效、廉价地辐射到偏远贫困地区，在一定程度上满足个性化教育的需求，进一步提高优质教育的适宜性。
5物理教学与人工智能技术结合存在的争议
5.1可能带来的问题
现今电子资源和互联网发达，随着人工智能技术的普及，教师会给学生播放物理演示实验，一方面减少了课堂发生危险的几率，又调动了课堂氛围，但是却存在学生无法完全接收并消化内容的问题，毕竟没有亲手实验，感触和记忆没有那么深刻。
同时除了纸质作业外，电子作业也发展起来，但这增大了学生接触网络诱惑的可能性。并且在小学到高中阶段，更多的是纸质答卷，如果纸质作业完全被电子作业所取代，在考试时学生可能难以适应。杨东泉提出：教师在教学中，如果只是追求教学手段新颖和操作简便，让学生的预习到课后复习都依赖电子化手段，会使得信息化教学流于形式，令学生在物理学习上脱离现实，弱化书写功能，从而导致学生难以适应学习环境的变化，不利于学生的可持续发展[11]。举个例子，我国学校考试多半是用纸质试卷，如果学生的书写功能不强，可能无法在规定时间内完成考题，或者字迹不公整影响考试成绩。教师的教学不止在于传授知识，还应该把握学生的考试成绩。
人工智能的存在也很依赖电力和硬件设施，一旦面临硬件损坏或者停电，将会打乱教师的教学计划和安排，减慢教学进度。与此同时还有前文提到的我国仍有许多落后地区，教学设施不完善的情况不可忽视。面对这两个问题，笔者建议教师在掌握人工智能技术教学方法的同时，也尽可能把握传统教学方式。
同时人工智能技术的日益普及也是欠发达地区摆脱贫苦、抓住机遇的大好机会，地方政府可利用人工智能加速信息化，实现数据、知识、技术共享，加速教育、科技、医疗发展和社会治理跨越式发展。很多中西部省区都提出实施跨越式发展战略，关键在于充分抓住人工智能发展的机遇，加速开放和创新机制，同时国家要加大欠发达人工智能人才、技术和设施投资，唯如此，欠发达地区可兴，国家方才发达，人民才能安居乐业。
人工智能时代下的产品在一定程度上或许会和我国现阶段教育主流体制产生矛盾。究其原因是因为人工智能与学生自适应学习的能力紧密挂钩。国内的慕课、学习通等产品便是自适应学习的衍生品，虽然能够起到提升学生学习效率的作用，但是老师与家长认为这种授课的程度无法让学生在成绩方面进步显著，他们对于学生的自适应学习能力也报以怀疑的态度，所以仍有大量家长无视学生作为学习主体的意见，将其送往补习班。
另外，人工智能技术往往与互联网挂钩，在没有老师或者家长监督的情况下，学生利用人工智能技术和互联网学习，很考验他们的自律性，缺乏自律的学生也许会因此效率低下或者干脆逃避学习任务，这也解释了上文为什么许多家长将孩子送往补习班。针对这个情况，笔者建议人工智能技术的应用还应该注重监督和管理机制的开发，比如钉钉APP上展开会议会自动记录参与者的参与时间点和时常以及人数，方便老师统计。
5.2教师面临的挑战和解决方法
人工智能技术一方面能减轻教师的工作负担,提高学生的学习效率,另一方面也会造成前文提到的诸多问题,但在我国推行这一技术已是当务之急。在大势所趋下,教师如何提高学生接受知识的转化率?怎样充分合理地利用人工智能技术?这是一个值得一线教师乃至整个教育界探讨的问题。为此笔者认为，物理教师应主动学习有关人工智能技术的应用及相关实施，积极接受训练，与时代接轨。此外，学校和教育部门还应定期对教师进行人工智能课程培训，使一线教师能够及时掌握教学方式的变化。“好教师”竞赛等活动应鼓励教师运用前沿科技，中国的教育改革不能只着眼于学生，而是需要既要求学生进步，又要求教师进步。这不是一个简单的过程，单单依靠我国传统的教学方式很快速实现，人工智能技术的运行对于教育改革来说至关重要。
另一方面，金芝表示：物理教师要主动发现人工智能与物理教学的契合点，充分将人工智能技术与物理教学相联系，以培养学生的科学态度与责任为最终目标[12]。
人工智能将不仅仅是教师的得力助手，更是学生的学习伙伴，使教育更加公平。双师型教学模式在一定程度上解决了部分地区师资力量薄弱的问题。基于人工智能技术的因特网系统可以打破地区之间的学习资源壁垒，促进教育资源的共享和边远地区的协同发展。比如在学习通、慕课上，普通高校的学生也可以接触到清北等超一流大学的录制课程。2020年疫情期间大学停课，为了不耽误教学进度影响学生学业，高校都利用人工智能展开网课。
未来不仅传统教育模式下的学生可能找不到工作，传统授课方式的教师同样可能面临失业。但是同样有研究表明，人类教师相比起人工智能，传达知识的同时还富有创造力和情感，教给学生的更多，这些特质是无法被冰冷的机器所取代的。所以部分教师也许会失业，但人类教师永远不会完全被人工智能取代。
有报道称，面对信息技术的高速发展，未来10年内，30%的就业机会将被人工智能所取代。青少年如何规划好一个未来应对这一局面，是他们取得成功的前提和基础。不过也不用过度担心，人工智能作为一种全新的教育渠道，促进令学校教育和学生学习的变革，它的存在会使得不久的将来形成教育优质公平的新格局，也会使得我国学生变得更加优秀突出。
二十一世纪，要想向国家和社会稳定输出优秀的物理人才，教育改革必须持续深入下去，将素质教育落实到底。人工智能技术背景的当下，教育界和物理教师需要努力迎接新时代的变化与革新，在物理教学改革的同时合理应用现代技术，增强学生的物理核心素养与专业知识技能，提高自身水平与教学效率，为我国的教育事业打下坚实的基础。
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