新型互動AI技術讓科學教科書生動起來
通過一項新工具，將靜態的物理圖表轉化為3D模擬，幫助學生主動學習運動和能量等概念。
一項由科學家開發的新工具，讓學生能夠將物理圖表變得生動，並透過互動的3D模擬來學習。這項技術的出現，可能會改變全球學生學習物理的方式。學生們可以將靜態的教科書圖像轉換為活生生的模擬，只需使用iPad即可查看。
想像一下，當你打開物理書時，看到一幅滑雪者站在山坡上的圖畫。這項工具不僅僅是讓你想像滑雪者的動作，而是讓你能夠用設備錄製圖像，設置參數，並觀察滑雪者如何迅速下坡並跳起來。
來自科羅拉多大學博爾德分校的鈴木亮及其團隊正在開創這種新方法，旨在使教科書變得動態和沉浸式。他們的研究在ACM用戶界面軟件與技術研討會上獲得了「最佳論文」獎。
鈴木教授表示：「通常這些圖表都是固定的，我們必須想像會發生什麼。但如果我們能夠將任何教科書中的靜態圖表變成互動的呢？」
這項名為「增強物理學」的工具利用人工智能（AI）在螢幕上模擬物理概念，讓學生能夠直觀地看到動能和動量等概念的實際運作。學生和教師可以在圖表中選擇對象，例如滑雪者和滑雪跳台，並為每個對象分配角色。AI會應用基本的物理原則，如重力和摩擦，通過幾次滑動來改變滑雪者的速度。
這項研究的主要作者、碩士生阿迪提亞·甘圖魯表示，他在高中時期曾經難以想像物理概念。「我曾經感到非常沮喪，」甘圖魯說。「我想要可視化這些概念。」他的母親是一名印度的生物教師，也面臨類似的挑戰，經常在黑板上畫出細胞分裂等概念，因為教科書只能展示靜態圖像。
這支團隊的工作基於對可及性和互動學習工具的需求。研究顯示，互動模擬能比靜態圖像或視頻更好地幫助學生理解抽象概念。鈴木的項目為學生提供了一個獨特的機會，讓他們能夠主動參與物理學習。
該工具的核心技術是「Segment Anything」，這是一種由Meta開發的模型，使用者可以點擊圖像並隔離特定物體。利用這一技術，該工具可以提取圖表的組件，應用物理定律，使物體運動。它的適應性也很強，能處理不同類型的圖表，從光學棱鏡到電路圖都可以。
這團隊甚至在甘圖魯的舊物理教科書的圖表上測試了這項工具，讓它們以運動和能量的形式復活。然而，這項技術並不完美。目前，該工具能夠將新圖表轉換為完全功能的模擬的成功率約為60%。鈴木的團隊正在持續改進該程序，以提高準確性。
長期來看，鈴木和他的同事希望將這項工具的範疇擴展到物理學以外的領域。他們展望未來，任何學科的靜態圖表，無論是生物學還是化學，都可以變成3D體驗。學生將能夠在生物學課中看到細胞分裂的過程，或在化學教科書中即時觀察化學反應的發生。
鈴木說：「這是我們的目標——從靜態的2D逃脫到互動的3D世界。」甘圖魯則知道他的母親期待著他能為生物學設計類似的工具。「那將是她的夢想成真，」他說。
隨著「增強物理學」這項新工具的推出，學生們可以將教科書中的靜態圖表轉化為動態模擬。互動模擬已被證明對學生理解概念非常有價值。研究表明，讓學生參與互動工具的實驗有助於豐富和加深學習體驗。
不幸的是，創建這些模擬通常需要時間、編程技能和資源，而大多數教師和學生都無法獲得。許多教育工作者依賴於在線上找到的預製模擬，但這些模擬不一定能滿足課堂的具體需求。
鈴木的團隊在一項形成性研究中發現，學生在尋找與課程內容準確對應的模擬時遇到了困難。他們不得不在教科書和外部網站之間切換，這樣會打斷專注，限制學習。
這一障礙突顯了「增強物理學」的重要性，這項工具提供了根據每個學生的學習材料中的具體圖像定制的模擬。通過將自定義模擬無縫整合到現有的教科書中，這項技術繞過了通用在線工具的麻煩，創造了更具沉浸感和連貫性的學習體驗。
展望未來，這項工具的可能性不僅限於單一課堂。它還可以與增強現實（AR）技術集成，進一步提升沉浸感。學生可能會佩戴AR眼鏡，進入圖表和模擬的3D版本，讓學習體驗盡可能接近真實世界。鈴木的願景是，教育能超越紙張和墨水的限制，將數字互動與傳統學習材料相結合。
「增強物理學」已經開始改變學生學習物理的方式，幫助如能量、運動和電流等概念變得生動。隨著這項工具的發展，它有望徹底改變學生與教育材料的互動方式，將被動的閱讀轉變為主動的探索。
這項技術不僅是物理學習的突破，更是未來教育的一個新方向。透過這樣的互動學習方式，學生能夠在更高的層次上理解和吸收知識，這對於提升整體教學質量具有深遠的影響。
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