人工智能下高中物理情境化问题链的设计策略

高中物理在自然科学领域占据着重要地位，这门学科对学生提出了较高要求，学生不仅要扎实掌握基本的物理概念和规律，还要具备运用所学知识解决实际问题的能力。设计情境化问题链将物理知识与真实或模拟的真实情境相结合，能引导学生逐步深入思考，最终解决问题，这是提升学生物理素养的有效途径。当下，人工智能技术持续发展，它为情境化问题链的设计增添了更多可能性，也开启了创新的大门。高一物理是学习高中物理的入门阶段，其内容与生活联系紧密，学生理解起来相对容易，因此很适合开展情境化问题链的设计。

一、利用人工智能分析学情，生成分层问题链

高一学生的物理基础存在较大差异。教师若采用传统“一刀切”的方式设计问题，根本无法满足所有学生的学习需求，教学效果也会参差不齐。

教师可以利用人工智能的功能，综合分析学生多方面的学习数据，包括学生在答题时长、错误分布情况以及知识点的掌握程度等等。AI 可以精准地定位每个学生的薄弱知识点，进而生成个性化的分层问题链，以提升他们的学习能力。

在学习“牛顿第一定律”的课本内容时，教师可以通过 AI 系统判断学生对于课本中“惯性”概念的理解程度。若学生的基础较为薄弱，人工智能可以为学生生成贴近生活的问题，比如：“当我们在车上时，汽车突然刹车，为什么我们会前倾？”这类问题与我们的生活息息相关，学生也经历过这种现象，这能让他们更好地理解惯性的表现形式，建立对物理基本概念的理解，激发学习信心。

AI 会给基础扎实学习能力强的学生提供具有挑战性的拓展问题，比如“若月球表面的重力加速度为地球的 1/6，那么如果在月球上抛出的物体运动轨迹与地球会有什么区别？”学生回答这个问题需要深入的理解惯性，还需要结合重力以及运动学等多方面的知识进行分析，能够激发他们的探索欲望。

教师运用人工智能设计分层的问题链，可以让学生学习物理变得更有针对性，人工智能会根据学生的特点进行因材施教，激发学生们学习的兴趣。

二、模拟动态物理过程，设计可视化问题链

高一物理中有不少抽象概念，像加速度、能量转换等。学生如果仅仅依靠看静态图示或者阅读文字描述，很难形成直观的认识，学习效果通常不太理想。不过，人工智能能够解决这一教学难题，它可以模拟动态物理过程，还能设计出可视化的问题链。

人工智能可以借助先进技术，精准模拟物理过程的动态变化，并且以动画、交互式图表等直观的形式展现出来。以“机械能守恒”这个既抽象又重要的概念教学为例，AI 可以模拟“过山车”运动的场景。

学生能够自行调整过山车的初始高度、质量等关键参数，然后观察它在不同位置时速度、动能和势能的实时变化情况。这种动态可视化展示，把抽象的能量转化过程变得生动又具体，让学生仿佛置身于真实的物理情境之中。

学生围绕动态模拟的过程，人工智能可以设置相关的问题，比如：“我们在坐过山车时，过山车从最高点下滑的过程中，动能和势能是怎么转化的？”结合生活中的场景引导学生关注能量的转化；可以接着提问：“在这个过程中，我们忽略空气阻力，机械能总量会有变化吗？我们可以怎么进行验证？”让学生深入思考机械能守恒需要什么条件，教师可以引导学生运用所学的知识进行验证；“如果过山车的质量有所增加，那么在同一位置动能会有变化吗？与我们课本中所学的公式中质量项是否有矛盾？”通过创设情境化问题链的方式，引导学生深入地理解机械能守恒定律。

教师通过人工智能构建动态模拟与问题相结合的方式进行引导，能够让学生直观地理解相关的物理概念以及规律，避免因思维不足而陷入机械的记忆，无法正确地理解概念的真正含义。

三、融合跨学科知识，设计项目式问题链

高中物理是一门基础学科，不过课本中很多知识可以与其他学科进行有效地融合。教师可以通过人工智能整合不同学科的资源，创设出项目式的问题链，培养复合型的人才。

在学习“平抛运动”的内容时，教师可以利用人工智能引入挑战性的项目“无人机投送物资”，学生完成这个任务需要灵活地运用多学科的知识内容。在物理学科方面，学生需要对投送点的水平位移以及飞行时间进行计算，再根据平抛运动的规律进行物理模型的构建。在数学学科方面，学生需要构建抛物线的方程，计算出无人机飞行的轨迹；还可以结合信息技术的内容，学生借助相关软件模拟无人机的飞行轨迹，直观地呈现投送过程的轨迹。

基于以上的项目，教师可以运用人工智能提出一系列的问题：“如果无人机在离地面 50 米高的位置，以 10m/s 的速度水平飞行，什么时候投送物资才能准确的送到目的地？”学生们可以运用之前所学的物理以及数学知识解决问题。

学生们还可以继续的进行探究，AI 提出问题：“如果考虑到空气阻力，轨迹会有什么变化？怎么修正计算？”这个问题可以激发学生的思维，让他们在实际过程中探究对结果会有什么影响。AI 还可以提出：“如果目标是移动的物体，比如正在行驶的汽车，我们应该怎么调整投送策略？”通过问题链的方式，能够激发学生自身的思维。

学生在实施跨学科项目的时候，教师运用问题链的方式需要他们不断的巩固所学的知识，灵活的运用多门学科综合解决实际问题，为之后的学习奠定良好的基础。

教师组织跨学科的项目式问题链的方式，学生不仅能够巩固所学的物理的知识，还可以培养综合运用多门学科解决实际问题的能力。

结论：

高中物理的教学过程中，教师运用人工智能创设情境化问题链能够为教学带来新的活力。教师运用以上的策略方式，利用 AI 系统分析学生的需求，激发学生们的学习兴趣，提升物理核心素养。在未来的教学中，教师还可以利用人工智能运用到更加丰富的场景中，为培养更具有创新思维以及实践能力的人才。

参考文献：

[1] 沈兰 . 高中物理学科中设计问题链培养学生的科学推理能力 [J]. 上海课程教学研究 ， 2022（9）：6-10.

[2] 张倩 . 高中物理教学中巧用”问题链”激活课堂的研究 [J]. 中华活页文选（高中版）， 2024（17）：0155-0157.