AI赋能物理教育：PHY001 课程的个性化案例研究
“人工智能物理视频竞赛”获奖学生的视频的链接
摘要
在数字时代，AI（人工智能）与教育的融合已成为一种变革力量。本研究探讨了 西交利物浦大学 PHY001 “工程经典物理”课程中XIPU AI的应用，重点关注大一学生的个性化学习体验。研究调查了 AI 生成图像和 AI 辅助视频竞赛如何提升学生对经典物理的参与度和理解度。结果表明，AI 不仅能够吸引学生的注意力，还能通过引导学生主动参与来深化其对知识的理解 。本研究为在 STEM （科学、技术、工程、数学）教育中利用人工智能实现个性化、互动式学习提供了宝贵见解。
引言
在当今教育格局中，技术融合对于提升教与学的体验愈发关键。人工智能作为一种强大工具，能够彻底改变传统的教育模式。本研究考察了西交利物浦大学为大一学生开设的PHY001 “工程经典物理”课程中XIPU AI的应用情况。该课程面向 100多 名学生的大型授课，在有限课时内维持学生参与度和互动性面临重大挑战。作为课程负责人，我发起了AI融合教学的实践，旨在提升课程互动性，让学习过程更具吸引力。
传统的教学方法往往难以维持学生的兴趣，尤其是在师生互动有限的大班课堂中。研究表明，“学生对“图文结合”的幻灯片更感兴趣” [1]。这种“多媒体学习模态效应” [2]启发我在课程幻灯片中使用 AI 生成图片，将其作为一种创新方法来维持学生在课堂中的注意力和参与度。
尽管物理解释视频为传递陈述性知识提供了新平台，但学生被动观看可能会产生“理解幻觉”——即表面上看似理解，实则并未真正掌握知识 [3]。为了解决这一问题，我们采用了主动学习策略：让学生在 AI 的辅助下制作自己的教育视频。通过让学生主动参与内容创作，这一举措不仅旨在深化他们对物理概念的理解和应用，还能让他们获得使用人工智能工具的实践经验。
方法
1. 用于教学材料的XIPU AI 生成图像
为应对维持学生课堂参与度的挑战，我们运用XIPU AI制作了视觉吸引力强、贴近学生认知的插图，既能吸引学生注意力，又能帮助他们理解抽象理论。以下是一个具体示例。
为了帮助学生理解物理学中“热”的定义（即“热是从一个物体传递到另一个物体的能量”），我们设计了一道例题，来测试他们对“热作为能量形式”的理解和解题能力：“假设你不顾一切地吃了约 500 卡路里的冰淇淋和蛋糕，为了保持身材，你想通过运动，比如爬楼梯或爬山来消耗等量的热量，那么你总共需要爬多高的高度？”
在课堂中，我没有直接用枯燥的物理公式展示这道例题的解题过程，而是准备了多幅不同风格的插图：有的描绘了学生做物理作业时的困惑场景，有的展现了学生过量食用冰淇淋和蛋糕的画面，还有的呈现了学生为消耗摄入热量而努力运动的样子。课堂上，我先展示了 XIPU AI 生成的这些图像，然后邀请学生投票选出最贴合例题情境的作品。
图 1. XIPU AI 生成的部分图像
通常，学生们更偏爱包含幽默或卡通元素的图片。随后，我以学生投票选出的图像为切入点，展开对例题解法的讨论。
图 2. 包含例题和XIPU AI 生成图像的幻灯片示例
物理解题过程通常较为严肃。然而，通过这个小插曲，我成功吸引了原本分心的学生的——看到插图并参与投票后，他们开始专注听讲，有些学生在后续听我讲解时甚至露出了笑容。因此，我认为我已经达成了提升学生参与度的目标，并且没有占用太多课堂时间；同时，这一系列图像还能作为课堂讨论的催化剂，活跃课堂氛围。此外，我还鼓励学生自行使用 XIPU AI 生成与例题相关的图片，以帮助巩固记忆。
2. 结合 XIPU AI 的作业设计
为了进一步在学习过程中发挥 AI的作用，我设计了一个 “AI 物理视频竞赛”，将其作为可选的额外学分作业。学生可选择 PHY001 课程中的任意主题，制作能体现他们对物理概念理解与应用的视频；他们可以组成最多三人的小组参与，且需提前阅读并签署实验安全指南，以确保视频创作过程中的人身安全。
XIPU AI 的应用场景包括：提供竞赛标题选项、撰写安全指南，编辑作业通知草稿，以及制定视频评分标准。该评分标准包含 “核心知识理解、实验验证与应用、概念应用、数学表达和科学方法运用” 等维度。值得一提的是，XIPU AI 在制定评分标准方面表现出色——它不仅覆盖了关键维度，还补充了额外说明，强调视频内容的清晰度、创意性及技术质量的重要性，这些细节考虑周到且极具实用价值。 （XIPU AI 给出的评分标准和额外说明附在以下附录中）。
在物理系和数学物理学院的支持下，我们还组织了 AI 物理视频竞赛的颁奖典礼，以表彰学生们的努力和成就。获奖学生受邀在典礼上进行展示，分享他们的视频制作和AI工具使用经验。筹备典礼期间，我还使用 XIPU AI 生成了一些用于开幕和闭幕背景的图片（图 3-4）。
图 3. AI 物理视频竞赛颁奖典礼开幕幻灯片
图 4. AI 物理视频竞赛颁奖典礼闭幕幻灯片
结果与建议
学生参与度和学习成果
学生们积极参与了AI 物理视频竞赛，他们通过制作富有吸引力的视频和创新使用 AI 工具，展示了自身的创造力和物理知识储备。获奖的三部视频质量远远超出了我的预期（图 5-8）。在Learning Mall Core平台上进行的赛后调查表明，大多数学生认可视频制作对深化物理知识理解的帮助，并希望未来能有更多此类活动。
图 5. 一等奖视频截图：学生制作视频讲解物理学中的热力学第二定律
图 6. 一等奖视频截图：学生运用 AI 生成趣味图像制作视频，解释日常现象及物理定律的应用[Audrey6]
图 7. 二等奖视频截图：学生制作视频讲解物理学中的法拉第电磁感应定律，通过 AI 生成图像及旁白解释该定律的应用
图 8. 三等奖视频截图：学生制作视频讲解物理学中的机械能及轻杆连接物体的做功问题，视频结尾展示了 AI 在视频创作中的应用
见解与建议
个性化学习： AI 生成的图像和视频可以根据学生的个人偏好进行定制，让学习更具个性化和吸引力。每个学生都有独特的学习风格和兴趣，AI 能够助力打造与学生个人认知更契合的学习内容。 例如，一些学生可能偏爱带有幽默元素的视觉辅助工具，而另一些学生则更适合通过写实或细节丰富的插图理解知识。让学生选择他们认为最具吸引力的 AI 生成内容类型，有助于教育工作者构建一个更具包容性和个性化的学习环境。此外，鼓励学生运用 AI 工具自主创作内容，不仅可以深化他们对学科知识的理解，还可以让他们在学习过程中更具主导权。这种主动参与不仅能帮助学生更好地记忆复杂概念，还能让他们获得更强的成就感。
主动学习策略： 让学生参与内容创作是促进主动学习和深化知识理解的有效方式。本研究中的 AI 物理视频竞赛为学生提供了以创造性、实践性的方式应用物理知识的机会。通过小组合作制作教育视频，学生不仅学会了协作与沟通，还能对所学概念进行批判性思考。这种实践型学习方式不仅巩固了学生的物理知识，还培养了团队合作、问题解决和数字素养等核心能力。主动学习策略有助于维持学生的参与度和积极性，使学习过程更加愉快和高效。
技术和教学融合： 将 AI 工具融合到教学材料和作业设计，不仅能显著提升教育内容的质量，还能为教育工作者节省宝贵时间。本研究中，XIPU AI 被用于生成图像、制定评分标准和起草作业通知，充分体现了其在教学各个方面的多功能性和实用性。通过利用 AI 来完成这些工作，教育工作者可以将更多精力投入到设计有意义的学习体验、为学生提供个性化的支持上。这种融合能提升教学的效率与效果，最终使教育工作者和学生双方受益。
安全考量： 在 AI 辅助活动中保障学生安全至关重要。尽管 AI 工具优势显著，但也存在潜在风险，尤其是关乎学生身心健康的方面。以视频制作为例，学生可能因实验操作不当或设备使用有误面临人身伤害风险。为降低此类风险，教育工作者必须在任何 AI 驱动的项目开始之前向学生提供清晰的指导和安全说明。此外，密切关注学生的项目进展并在必要时提供支持也至关重要。
学生反馈和迭代改进： 学生反馈对于评估 AI 融合教学方法的有效性具有重要价值。通过定期进行调查并与学生进行开放讨论，教育工作者可深入了解学生的学习体验与偏好。我们应对反馈持开放态度，并根据学生的意见进行调整。这种迭代改进过程有助于优化教育领域的 AI 应用，确保其能满足学生不断变化的需求。让学生参与评估和改进过程，可帮助教育工作者构建一个更具响应性和有效性的学习环境，充分发挥 AI 的潜力。
持续专业发展：为充分发挥AI在教育领域中的潜力，教育工作者需要持续的专业发展机会支持。当前，许多教育工作者对最新AI 工具及其在教学中的应用仍存在认知空白。提供培训课程、研讨会以及获取资源的途径，可以有效帮助教育工作者更熟练地使用 AI 来优化教学实践。这种专业发展需兼顾 AI 的技术层面与教学应用层面，使教育工作者能够就“如何将 AI 融入课程”这一问题上做出明智的决策。此外，创建教育工作者专属的实践社区也至关重要，让他们能够分享在使用 AI 过程中的心得、挑战和成功案例，进而营造出一个协作共进、勇于创新的行业学习氛围。
结论
本研究展示了XIPU AI在赋能物理教育方面的价值。在 PHY001 “工程经典物理”课程中融入 AI，经典物理的教学模式发生了根本性转变——课堂互动性显著增强，学生的主体性地位得到凸显。XIPU AI 充分证明了其作为教学助手的实用价值，不仅能够提供创意构思、优化作业设计方案，还能节省大量时间。本研究强调了 AI 在提升教育质量、帮助学生理解物理这类复杂学科知识上的巨大潜力，为AI和STEM教育的融合提供了可参考的实践范例，对激发学生创造力、提升学习参与度具有积极推动作用。
随着技术的持续发展，AI在教育领域的应用场景或将进一步扩大。教育工作者应当主动接纳 AI 工具，借助技术优势打造契合现代学生学习需求的个性化和互动式学习体验。通过合理利用 AI，我们能够进一步深化以学生为中心的教育理念，强化研究导向的学习模式，这与西交利物浦大学及更广泛教育领域的战略发展目标高度契合。
References
[1] F.-Y. Yang, C.-Y. Chang, W.-R. Chien, Y.-T. Chien, Y.-H. Tseng, Tracking learners' visual attention during a multimedia presentation in a real classroom, Computers & Education 62 (2013) 208-220.
[2] W. Schnotz, C. Mengelkamp, C. Baadte, G. Hauck, Focus of attention and choice of text modality in multimedia learning, European Journal of Psychology of Education 29 (2014) 483501.
[3] C. Kulgemeyer, M. Hörnlein, F. Sterzing, Exploring the effects of physics explainer videos and written explanations on declarative knowledge and the illusion of understanding, International Journal of Science Education 44(11) (2022) 1855-1875.
Appendix: Rubrics generated by XIPU AI
Rubrics for Marking the AI-Generated Videos:
Additional Notes:
