新的交互式人工智能工具让教科书变得生动起来

在一本普通的物理教科书中，滑雪者在山顶上摇摇欲坠。现在，有了一种叫做增强物理的新工具，学生们可以做出滑雪动作——让他们有机会看到实际的物理。

　　

只要有一台iPad，世界各地任何教室的学生都可以很快重新想象物理教科书上的普通图表——将这些静态图像转化为在页面上奔跑、跳跃或旋转的3D模拟。

这些新的、活生生的教科书是由科罗拉多大学博尔德分校的铃木亮领导的一个计算机科学家团队的心血结晶。

“通常，这些图表是固定的。我们必须想象会发生什么，”ATLAS研究所和计算机科学系的助理教授铃木说。“但是，如果我们可以从任何教科书中获取任何静态图表，并使其具有互动性呢？”

今年10月，他和他的同事们在匹兹堡举行的第37届ACM用户界面软件与技术年度研讨会上获得了“最佳论文”奖。

想象一下：你打开高中物理课本，看到一幅滑雪运动员在跳台顶端摇摇欲坠的图。这个图表应该教你关于动能的话题，比如滑雪者急速下山的能量。但是滑雪者从来没有真正移动过。他只是坐在那里。

直到现在。

在这项新研究中，铃木的团队设计了一个工具，让学生们可以用ipad记录下这个图表。然后，在用户调整一些设置后，该工具利用人工智能让滑雪者在屏幕上移动。他急速冲下山坡，跳起来，飞起来。它在科学上也是准确的：学生们可以调整雪的摩擦力，通过几次滑动，让滑雪者变快或变慢。

铃木认为这个项目是重塑教科书的一个机会——让学习者不仅有机会阅读物理知识，还能看到动量和电流等主题的作用。

“我们相信，未来的教育和学习应该更具互动性和个性化，”铃木说，他在加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）担任研究员时开始了这个项目。

它是可视化的

该研究的第一作者Aditya Gunturu回忆起自己学习物理的日子。他曾经在高中上科学课，认为一定有更好的方式来可视化主题来传达运动。

“我很沮丧，”冈图鲁说，他是卡尔加里大学计算机科学专业的硕士生。“我想把这些概念形象化。”他并不孤单：Gunturu的母亲是印度的一名生物教师，她经常在黑板上画画给学生们看，比如细胞是如何分裂的——这是课本上只能用快照来捕捉的现象。

该团队的发明“增强物理”可能会有所帮助。

该工具依赖于科技公司Meta的一个名为Segment Anything的模型。它是一种计算机可视化工具，允许用户点击一张照片来分离出特定的物体——一只狗，或者一张脸。类似地，通过增强物理，学生和教师可以在图中选择各种对象，例如滑雪者和滑雪跳台，并为这些对象分配角色。然后，人工智能应用一些基本的物理原理，比如重力，让这些物体移动。

它也适用于几种不同类型的图表。它们包括光学图——这样学生就可以模拟棱镜如何折射阳光，例如——和电路——这样他们就可以看到电流沿着电线移动。在一个完整的循环时刻，研究人员在Gunturu多年前的物理教科书中的一些相同的图表上测试了他们的工具。

除了物理

该团队还根据学习物理的真实学生和科学教师的反馈来设计产品。一位教育工作者对该工具帮助学生进行“自己的小实验”的能力印象深刻。

铃木指出，这个工具还不完美。到目前为止，它只能在60%的时间里将一个全新的图表转化为有效的模拟。但该团队正在努力提高成功率。

最终，研究人员和他的同事们想要超越物理——使用类似的技术将任何类型文档中的任何图表转换成一个生动的3D世界，学生们可以借助增强现实眼镜进入这个世界。

铃木说：“这就是我们的目标——从静态的2D世界逃到交互式的3D世界。”与此同时，Gunturu的妈妈迫不及待地想让他设计出一种可以在生物教科书上使用的工具。

“那将是她的梦想成真，”他说。