人工智能辅助物理实验教学对学生科学探究能力的影响研究

摘要：本文聚焦人工智能技术于初中物理实验教学环境中应用现状与发展趋势，通过实证调查分析当前人工智能辅助物理实验教学模式，探索构建符合初中生认知特点且能有效提升科学探究能力框架。适当引入人工智能技术可显著增强学生自主探究兴趣，培养科学思维方法，提高实验操作技能与数据分析能力。本文提出人工智能辅助物理实验教学应遵循循序渐进原则，注重人机协同，激发学生的内在学习动力，为初中物理实验教学改革提供新思路。

关键词：人工智能；初中物理；实验教学

一、人工智能辅助物理实验教学的现状梳理与问题剖析

人工智能技术在教育领域应用日益广泛，初中物理实验教学中引入智能辅助系统成为当前教学改革热点。纵观国内外人工智能融入物理实验教学发展脉络，可归纳三个阶段：初步应用阶段主要体现为多媒体仿真演示；融合发展阶段表现为虚拟实验室构建与智能评测；深度整合阶段则突出个性化学习路径设计与实时反馈调整。目前国内多数中学已开始尝试人工智能辅助物理实验教学，主要表现为虚拟仿真实验、智能实验平台、数据采集分析系统等形式。

实践中仍面临诸多问题：硬件设备配置不均衡，城乡学校间存在明显差距；软件系统设计缺乏针对性，未充分考虑初中生认知特点与学科核心素养培养需求；教师应用能力参差不齐，部分教师对人工智能辅助教学认识不足或存在抵触心理，教学评价体系滞后，无法全面客观反映学生科学探究能力提升情况。人工智能应用过程中容易出现技术喧宾夺主，学生过度依赖智能系统而忽视基础实验技能训练，甚至出现黑箱现象学生无法理解实验原理而盲目操作等问题。

二、人工智能辅助物理实验教学的模式构建与实践探索

基于前述分析，本文提出探究导向—智能支持—协作互动三维一体人工智能辅助物理实验教学模式。该模式以学生科学探究能力培养为核心，充分发挥人工智能的技术优势，创设真实问题情境，引导学生开展深度学习。构建模式包含三大环节：首先，实验前智能预设与问题生成，利用人工智能系统根据学情分析，自动生成符合学生认知水平且具挑战性实验问题，激发学习兴趣与探究欲望，同时提供智能预习导航，推送相关知识背景材料，帮助学生做好实验准备；其次，实验中智能引导与数据采集，借助智能传感器与图像识别的技术，实现实验过程的实时监测与精准数据采集，减轻学生机械性工作负担，使其能将更多注意力集中于实验现象观察与规律发现，智能系统还可针对学生操作给予及时提示，确保实验安全有效开展。

以人教版初中物理八年级上册第二章第一节声音的产生与传播为例，应用智能辅助实验教学具体实践如下：课前，AI系统向学生推送声波相关生活现象微视频，如音乐会、蝙蝠回声定位等，引发学生思考声音产生机制；随后智能系统自动生成探究问题库，如什么物体能发出声音声音如何从一处传至另一处等，学生从中选择感兴趣问题作为实验探究方向。课中，学生分组利用智能声音采集装置探究不同物体振动与声音关系，该设备能实时捕捉微小振动并转化为声波图像，学生通过操作橡皮筋、音叉、纸杯电话等材料，观察不同振动频率声音变化，智能系统会根据学生操作给出适时引导，如尝试改变橡皮筋松紧程度。实验过程中，学生还使用声波可视化软件探究声音传播，在不同介质（气体、液体、固体）中观察声波传播速度与特点，AI系统自动记录各组数据并生成对比图表。课后，学生通过智能实验平台撰写实验报告，系统自动分析学生结论合理性并给予针对性建议；平台构建声音探究馆虚拟空间，让学生上传实验成果，互相评价学习。这种教学不但能提高学习兴趣和课堂效率，更能帮助学生形成积极的人生态度和正确的价值观，为学生的未来发展奠定坚实基础。

三、人工智能辅助物理实验教学的效能分析与路径优化

问题识别与提出能力明显增强，学生能结合生活实际提出有价值物理问题，思考更具深度；实验设计与实施能力稳步提高，学生逐渐掌握控制变量、收集证据等科学研究基本方法，实验过程更加规范。数据处理与分析能力大幅提升，学生能运用多种方式呈现实验数据并发现规律，理解物理概念更加透彻。结论形成与交流能力持续改善，学生科学表达与批判性思维水平明显提高，能基于证据推理论证。然而也发现人工智能辅助教学存在一些局限，如学生过度依赖技术工具而忽视基础思考，系统难以适应全部学生个体差异，教师应用能力参差不齐等问题。基于此，提出了人工智能辅助物理实验教学路径优化策略：坚持以学生为中心核心理念，将人工智能定位为辅助工具而非替代教师角色。注重实体实验与虚拟实验有机结合，避免学生脱离真实实验情境；加强教师信息技术应用能力培训，提高适应新教学环境水平；构建多元评价体系，全面反映学生科学探究能力发展状况，促进综合素质提升。

以人教版初中物理八年级上册第三章第二节熔化和凝固教学为例，人工智能辅助实验教学展现出独特优势。课前，智能学习平台向学生推送冰雪融化、金属铸造等实际应用场景视频，引导学生思考物质状态变化原理，智能系统根据学生反馈生成关于冰融化过程中温度变化规律探究主题。课堂上，学生分组进行实验，每组配备智能温度传感器，可实时监测冰块熔化全过程温度变化并自动绘制温度-时间曲线，学生无需频繁记录温度数值而能专注观察现象与思考问题。AI系统通过红外线扫描技术实时呈现冰块内部热量分布变化，让学生直观理解分子热运动与相变关系，同时智能引导系统会在关键时刻（如温度保持恒定阶段）提示学生记录观察并思考原因。实验后期，学生在平台上输入观察结果与思考，智能系统自动分析各组数据差异，指出可能存在测量误差原因并引导学生思考冰在熔化过程中吸收的热量去向问题。学生还能通过虚拟实验模拟不同物质熔化凝固过程，探究影响因素与规律，拓展知识面。课后，系统根据学生实验表现与思考深度，自动推送差异化学习任务，如进阶思考为何海冰融化不会导致海平面上升而冰川融化会等问题，激发学生持续探究欲望。

结论：本文围绕人工智能辅助初中物理实验教学展开探讨，梳理现状，构建模式，分析效能，提出优化路径。科学合理引入人工智能技术能有效提升学生科学探究能力，但应注意避免技术主导现象。未来人工智能辅助物理实验教学应坚持以学生为中心，强调人机协同，注重实虚结合，建立多元评价机制。通过持续优化教学模式，推动物理实验教学从传统走向现代，从封闭走向开放，从统一走向多元，最终实现培养具备创新精神与实践能力新时代人才教育目标。

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