人工智能拓展高中物理课堂文化的MRP路径

摘要

随着人工智能、虚拟现实等新兴技术的迭代升级，课堂教学改革既迎来新机遇，也面临现实挑战。如何在技术浪潮中涵养课堂文化、落实立德树人并增强情感体验，如何破解信息过载导致的知识碎片化困境，均值得深入探究。为此，尝试构建MRP教学路径（单元思维导图制作、科学家角色扮演、科技前沿小组汇报），依托AI的多元融合优势丰富高中物理教学，以期推动数字化资源深度赋能真实课堂，实现“人师”与“机师”的协同育人。

Graphical abstract

关键词

人工智能 / AI / 拓展 / 课堂文化 / MRP路径 / 匀变速直线运动

2023年2月，世界数字教育大会在北京召开，明确提出我国将坚定不移推进基础教育数字化战略行动，以数字化赋能基础教育高质量发展^［1］。教育的数字化转型正在撬动课堂教学的深层次变革^［2］。随着人工智能、虚拟现实等新兴技术的迭代升级，课堂教学改革既迎来新的发展机遇^［3］，也面临价值引领与文化传承层面的现实挑战。教育数字化正经历从MOOC（慕课）到IMOOC（智能化交互式虚拟慕课），再到OMC（开放式元宇宙课程）的快速演进，推动课堂教学由传统的“人—师”模式逐步向“人—机—师”协同模式转变^［4］。在此背景下，如何实现“人师”与“机师”的协同育人？如何在技术嵌入中涵养课堂文化、落实立德树人并深化情感体验？这些问题亟待深入的理论思考与实践探索。

当前，碎片化的知识学习与孤立的“人—机”交互模式，易导致物理学习陷入机械训练，削弱学科本身的审美意蕴与人文关怀。事实上，科学与艺术的深度融合历来被视为推动人类思想进步的重要力量。学界普遍认为，加强科学教育与艺术教育的融合，是培养兼具创新能力与人文精神的高素质人才的关键路径^［5］。

1 课堂文化的重要影响

课堂文化是课堂教学场域中形成的独特文化生态，涵盖师生的行为范式、互动结构、教学理念及价值取向等多个维度。优良的课堂文化不仅塑造学生的学习体验，更是决定其核心素养生成与教育成效的关键变量。

优质的课堂文化首先体现为一种开放、包容的公共学习空间。在这种场域中，教师通过组织深度的协作探究与平等对话，激发学生的批判性思维与创新潜能，并在社会互动中培育其合作精神与集体认同。同时，课堂文化必须坚守教育公平底线，保障不同背景的学生均能享有均等的学习机会与成功可能；教师则通过适切的形成性评价与积极反馈，持续提升学生的自我效能感与学习内驱力。

此外，富有生命力的课堂文化具有文化回应性与动态生成性，能够包容多元价值，鼓励师生共同尝试教学创新与学习变革。它不仅规约着当下的课堂生态，更在长远意义上深刻影响着学生的个体人格与社会适应能力。

2 基于MRP路径的课堂文化跨学科拓展实践探究

智能时代的教学变革，要求构建由学科知识、跨学科知识与智能技术知识共同组成的结构化知识系统，从而实现教学智慧的迭代升级^［6］。

为了将MRP（Mind map，Role play，Presentation）教学路径（单元思维导图制作、科学家角色扮演、科技前沿小组汇报）有机嵌入单元整体设计中，笔者以人教版高中物理必修第一册第二章“匀变速直线运动的研究”为例，依托AI的多元融合优势，推动数字化资源深度赋能实体课堂。在具体实施中，于单元导学阶段向学生发布三项拓展任务，引导其基于兴趣自主组建项目小组，每组聚焦一项任务开展协作探究，并最终在章末举行成果展示与综合评价。

2.1 团队制作单元思维导图（Mind map）

高中物理知识具有高度的系统性、综合性与抽象性，对学生的记忆品质、理解深度及高阶思维能力提出了较高要求。

绘制思维导图本质上是一个对知识进行系统性编码与输出的过程。通过重构知识网络，知识体系变得更加清晰且契合认知逻辑，不仅有助于学习者自身内化知识，亦能促进同伴间的知识迁移与共享^［7］。单元思维导图的制作贯穿整个教学周期，涉及分支细化、信息整合与动态修正等环节。为强化教学效果并提升学生的设计思维导图的能力，笔者将其设计为一项项目化学习任务，引导学生在持续迭代中重构知识体系，建构结构化的物理模型。

在实施过程中，教师需依据图1所示的科学流程，为学生提供必要的支架式指导。在完成知识架构的基础上，鼓励学生利用数字化工具对思维导图进行可视化优化，借助AI辅助生成动态演示与交互界面，通过符号设计与布局创新，实现物理知识的多模态表征，以此深化基于物理图景的空间想象力与创造力。

在单元结束后，小组推选代表向全班展示思维导图作品及其创作过程与设计理念，直观呈现知识逻辑与思维路径，以促进同伴间的交流互鉴，打破认知壁垒，共同完善知识结构，实现思维的可视化进阶与深度学习。

2.2 演绎伟大科学家（Role play）

科学家是科学活动的主体，其形象蕴含着理性精神与人文情怀的双重特质。通过挖掘科学家事迹，学生不仅能习得知识，更能在价值观念与科学态度上获得隐性提升^［8］。

基于此，在项目实施初期，引导学生以教材中的科学家插图为切入点，利用多媒体资源搜集其生平、贡献及相关轶事。

以“自由落体运动”为例，重点聚焦伽利略挑战权威、坚持实验验证的科学精神^［9］。随后，各小组选取最具感染力的片段，利用生成式AI技术（如文生视频模型）将静态的文字史料转化为动态的情境短剧。该技术能够根据文本指令（如“晚年伽利略在书房沉思”）自动生成影像素材，大幅降低了创作门槛。

小组对生成的素材进行剪辑与配音，并在班级进行汇报展演。这种“跨时空对话”形式，将抽象的物理学史具象化为生动的视听体验，不仅实现了AI技术与人文教育的深度融合，更有效激发了学生对科学探索精神的共鸣^［10］。正如《伽利略传》所言：“追求科学需要特殊的勇敢。”^［11］

2.3 小组汇报本单元中的科技前沿动态或展望（Presentation）

匀变速直线运动作为经典力学的基础模型，描述了质点在直线轨迹上加速度恒定的运动规律。该模型不仅是高中物理的核心内容，更是理解复杂运动形式的基石。

尽管匀变速直线运动本身属于经典物理范畴，但其原理广泛渗透于现代科技应用中，是连接基础理论与工程实践的桥梁。

典型应用包括但不限于：①自动驾驶汽车的平顺性控制；②工业机器人的精密轨迹规划；③航天器的发射与着陆动力学；④动作捕捉与虚拟现实仿真；⑤运动生物力学分析；等等。这些领域虽已相对成熟，但仍是当前工程优化与算法迭代的热点，其核心逻辑依然根植于对匀变速运动规律的精准把控。

在项目的汇报阶段，学生可借助生成式人工智能技术（AIGC），将上述抽象的应用场景转化为可视化的动态演示。通过构建如“自动驾驶中的加速度优化”等具体情境，利用AI工具生成相应的模拟视频，并结合物理原理进行深度剖析与解说。

这种基于AI辅助的项目化展示，不仅实现了物理知识与前沿技术的深度融合，且通过虚实结合的情境模拟重构了传统课堂形态，更有效提升了学生解决复杂工程问题的思维品质，从而为拔尖创新人才的早期培养提供了实践范式。

3 结语

物理源于生活并服务于生活，唯有将物理知识与生产生活实际紧密结合，才能彰显学科育人价值。

施大宁教授曾言：“清晰的阴影是一种美，朦胧的阴影也是一种美，问题的关键在于画家如何去感悟光的奥秘。人类首先要学会看风景，然后尝试去描绘风景，进而去思考风景。”^［5］

这一论断深刻揭示了物理学习的进阶路径：从感性观察走向理性建模，最终抵达科学思维的彼岸。在教育数字化转型的背景下，教师更应该超越单纯的知识传授，立足学科育人高地，引导学生从“看风景”的旁观者转变为“思风景”的思考者与“画风景”的创造者，在师生协同探究中，实现对物理之美的深度体悟与核心素养的全面发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.数字化赋能基础教育高质量发展论坛在京举行［EB/0L］.（2023-02-14）［2024-08-10］.

[2] 夏惠贤.以创造性视角变革课堂［N］.中国教师报，2021-08-25（04）.

[3] 吕立杰，荆鹏.基础教育课堂：数字化转型下的现实冲击、应然形态与未来图景［J］.中国电化教育，2024（01）：31-37.

[4] 雅斯贝尔斯.什么是教育［M］.邹进，译.北京：生活·读书·新知三联书店，1991.

[5] 施大宁.物理与艺术［M］.北京：科学出版社，2023.

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[8] 冯楠，高银莉.《义务教育物理课程标准（2022年版）》与课程思政教育理念的融合探究［J］.物理教师，2023，44（08）：30-32，36.

[9] 赵蕾，刘兵.科学家肖像画与科学传播研究［J］.科普研究，2009（04）：29-35.

[10] 吴宗汉.物理学史与物理学思想方法论［M］.北京：清华大学出版社，2007.

[11] 库兹涅佐夫.伽利略传［M］.陈太先，马世元，译.北京：商务印书馆，2001.