物理實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算成像——人工智能與物理的跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

教學(xué)實(shí)施

引入：測(cè)重力加速度的方法（5分鐘，主導(dǎo)教師：物理）
教師引導(dǎo)學(xué)生回憶物理課上如何測(cè)重力加速度。圖2是用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶的示意圖和真實(shí)圖，展示學(xué)生傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中完整的打點(diǎn)、數(shù)點(diǎn)、測(cè)量長度，然后記錄數(shù)據(jù)表并且作圖的過程，依據(jù)相對(duì)充足的測(cè)量數(shù)據(jù)，再加上勻加速直線運(yùn)動(dòng)的模型，手動(dòng)擬合做出了直線圖。通過該過程回顧模型與數(shù)據(jù)的概念。學(xué)生通過觀察傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，了解其中的不足，提出打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的問題：無法描述真實(shí)運(yùn)動(dòng)物體形態(tài)——看不見；時(shí)間精度為0.10秒——看不清。隨后教師展示從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器到頻閃照片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)，時(shí)間精度可以從0.10秒提高到毫秒量級(jí)，引導(dǎo)學(xué)生思考問題求解的思路，為后續(xù)分析解決問題作鋪墊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在這個(gè)過程中，明確界定研究問題為“物理實(shí)驗(yàn)如何才能看得見、看得清？”

圖2 傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)重力加速度
本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)作業(yè)、頻閃照片、白板。
本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖：通過教師復(fù)習(xí)和學(xué)生展示，觀察傳統(tǒng)科學(xué)分析方法中建模和數(shù)據(jù)處理的過程，體會(huì)簡(jiǎn)單科學(xué)研究的方法，引出問題，為后續(xù)作鋪墊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
視頻分析和機(jī)器學(xué)習(xí)原理及探索（10分鐘，主導(dǎo)教師：物理與信息技術(shù)）物理教師展示不同學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)作業(yè)（錄視頻測(cè)重力加速度）。第1位學(xué)生在錄制視頻前先確立了一個(gè)標(biāo)尺作為參照物，該標(biāo)尺上每個(gè)標(biāo)記間相距20厘米。錄制小球下落的視頻后，通過視頻分析軟件進(jìn)行截圖，當(dāng)畫面中小球通過標(biāo)記位置時(shí)，記錄下對(duì)應(yīng)視頻的時(shí)間幀數(shù)，再通過公式計(jì)算得出重力加速度。用這種方式，學(xué)生可以直觀地看到物體的運(yùn)動(dòng)，但是數(shù)據(jù)測(cè)量方式較為繁瑣。第2位學(xué)生沒有提前準(zhǔn)備標(biāo)尺，而是將錄制的視頻導(dǎo)入了一個(gè)名為Tracker的軟件中，直接獲取了物體下落的位移和時(shí)間信息，然后將這些數(shù)據(jù)錄入Excel表格，計(jì)算得到重力加速度。第3位學(xué)生的作業(yè)更加智能化，不僅利用了Tracker軟件自動(dòng)跟蹤物體獲取位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，還利用該軟件直接對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到位移時(shí)間曲線，自動(dòng)計(jì)算出重力加速度的結(jié)果（見圖3）。

圖3 用Tracker軟件獲取數(shù)據(jù)
得益于信息技術(shù)的助力，學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)過程變得更加簡(jiǎn)單直觀，但大部分學(xué)生對(duì)其背后的原理并不清楚。信息技術(shù)教師引導(dǎo)學(xué)生思考Tracker的建模、調(diào)整參數(shù)、分析數(shù)據(jù)等過程，就是機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程和測(cè)試過程，用流程圖的形式鞏固機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，為后續(xù)理解計(jì)算成像作鋪墊。然后讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)視頻截取的圖片，提出問題：“大家對(duì)視頻結(jié)果滿意嗎？”學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)光線不好時(shí)，看不見物體的細(xì)節(jié)，這是物理光學(xué)的問題；運(yùn)動(dòng)速度加快后圖像變得模糊不清，無法確定小球的位置，這是成像的問題。那么，有沒有什么辦法能更好地看見物體的運(yùn)動(dòng)呢？教師引導(dǎo)學(xué)生在Moodle在線討論區(qū)發(fā)布自己的想法，分析問題的解決方案，即想要看得見和看得清，我們有物理和人工智能兩個(gè)思路解決問題，從而引入后續(xù)課堂內(nèi)容。
本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、學(xué)生實(shí)驗(yàn)作業(yè)視頻、白板、Moodle在線討論區(qū)。
本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖：通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生逐步體驗(yàn)更加清晰便捷的運(yùn)動(dòng)分析方法，建立對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)更深刻的理解，并強(qiáng)化模型和數(shù)據(jù)兩個(gè)概念，為引入計(jì)算成像打下基礎(chǔ)。
物理方法：讓看不見變?yōu)榭吹靡姡?0分鐘，主導(dǎo)教師：物理）
教師介紹更快的頻閃——高速攝影，啟發(fā)學(xué)生思考光在“看見”中的作用。通過展示不同物理過程對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度，說明任何測(cè)量都必須比目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化的時(shí)間更快，否則就只能得到模糊的結(jié)果。引入2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——阿秒激光的知識(shí)。阿秒激光是一個(gè)非常前沿的概念，根據(jù)本課所學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以猜出一些它的物理特性，在Moodle平臺(tái)完成課堂實(shí)踐即在線測(cè)試選擇題，理解解決看不見問題的物理方法及其關(guān)鍵因素。
本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、白板、Moodle在線測(cè)試。
本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖：通過教師引導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用類比和聯(lián)想，理解科學(xué)分析中對(duì)于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的改進(jìn)需求不斷促進(jìn)物理學(xué)發(fā)展的過程，為深入講解計(jì)算成像作鋪墊。
人工智能方法：讓看不清變?yōu)榭吹们澹?0分鐘，主導(dǎo)教師：信息技術(shù)） 本環(huán)節(jié)通過課堂實(shí)踐，體驗(yàn)超分辨率重建中看不清的圖像變?yōu)榭吹们宓倪^程，理解人工智能方法中機(jī)器學(xué)習(xí)的作用。首先進(jìn)行計(jì)算機(jī)成像建模，圖像其實(shí)也是數(shù)據(jù)，那么在硬件限制的情況下如何用算法將看不清的變?yōu)榭吹们迥兀烤鸵玫轿覀兦懊骒柟痰臋C(jī)器學(xué)習(xí)模型。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，給學(xué)生發(fā)放閱讀材料，以小組為單位討論，從原理角度重點(diǎn)關(guān)注以下問題：①輸入數(shù)據(jù)是什么；②輸出數(shù)據(jù)是什么；③訓(xùn)練數(shù)據(jù)如何獲??；④評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如何定義。
小組整理好回答，發(fā)帖到Moodle平臺(tái)討論區(qū)，通過所有小組討論得出結(jié)論。教師展示機(jī)器學(xué)習(xí)過程，即輸入低分辨率圖像，輸出高分辨率圖像，訓(xùn)練數(shù)據(jù)是通過原圖降采樣得到的低分辨率圖，而評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則有RSNR、結(jié)構(gòu)相似度、意見平均分等。
由此可見，整個(gè)問題求解的過程并不是一個(gè)學(xué)科就能完全解決的，是物理與人工智能共同努力的結(jié)果。這類研究其實(shí)是科學(xué)前沿的一大類問題，即計(jì)算成像，也是天然的跨學(xué)科鏈接主題。引導(dǎo)學(xué)生思考計(jì)算成像的內(nèi)涵，強(qiáng)化科學(xué)探究與計(jì)算思維的結(jié)合，突出模型建構(gòu)與數(shù)據(jù)分析的作用，并在后續(xù)介紹有關(guān)計(jì)算成像的遷移應(yīng)用。
本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、白板、Moodle在線閱讀資源、Moodle在線討論區(qū)。
本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖：通過教師引導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)?zāi)：龍D像清晰化的過程，強(qiáng)化對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)原理的理解，突出模型建構(gòu)與數(shù)據(jù)分析的作用；思考計(jì)算成像的內(nèi)涵，強(qiáng)化科學(xué)探究與計(jì)算思維的結(jié)合。
總結(jié)與提升（5分鐘，主導(dǎo)教師：信息技術(shù)與物理）
信息技術(shù)教師展示手機(jī)HDR攝影、黑洞照片的誕生、非視距成像等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)據(jù)的采集和模型的建構(gòu)，以及最終結(jié)果的生成過程，理解計(jì)算成像的外延。接著講述成像在物理實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中的重要性?？茖W(xué)是從測(cè)量開始的，而成像在測(cè)量中有著不可替代的作用，我們對(duì)自然的認(rèn)知、對(duì)世界的觀測(cè)，都需要看得見、看得清。這促使人類在成像方面有一系列的科技進(jìn)步，催生了各種科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，也極大地改善了我們的生產(chǎn)與生活。
最后進(jìn)行課程總結(jié)，從一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)出發(fā)，提出如何解決看不見、看不清的問題。在分析問題的過程中，探索出借助物理前沿手段可以讓看不見變?yōu)榭吹靡?，人工智能技術(shù)可以從看不清變?yōu)榭吹们宓那蠼馑悸罚@就是跨學(xué)科前沿領(lǐng)域計(jì)算成像的內(nèi)涵。在進(jìn)一步的遷移應(yīng)用中可見科研上很多突破往往都是學(xué)科間互相推動(dòng)、共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。至此學(xué)生對(duì)跨學(xué)科有了更深刻的理解，最后在Moodle平臺(tái)上或掃描二維碼完成課堂評(píng)價(jià)。
本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、在線調(diào)研問卷。
本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖：通過教師引導(dǎo)，學(xué)生了解更多的遷移應(yīng)用，理解計(jì)算成像的外延，并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行思考，強(qiáng)化對(duì)模型建構(gòu)和數(shù)據(jù)分析的理解，并激發(fā)對(duì)后續(xù)課程的興趣；通過學(xué)生評(píng)價(jià)，掌握課堂效果，強(qiáng)化課堂總結(jié)。
教學(xué)總結(jié)與思考
本節(jié)課從界定問題、分析問題、求解問題、遷移應(yīng)用4個(gè)階段進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，以測(cè)重力加速度這一學(xué)生非常熟悉的物理實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，提出看不見與看不清的問題，逐步講解視頻分析與機(jī)器學(xué)習(xí)原理，借助人工智能與物理的跨學(xué)科知識(shí)，從不同角度出發(fā)解決問題，圍繞計(jì)算成像的內(nèi)涵與外延，展示跨學(xué)科的迭代創(chuàng)新，最終解決真實(shí)問題并應(yīng)用到教學(xué)、科研和日常生活中。課上將前沿技術(shù)引進(jìn)課堂，以真實(shí)情境展現(xiàn)科學(xué)家是如何解決問題的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生跨學(xué)科思維能力的訓(xùn)練。
這節(jié)課由于時(shí)間所限，物理實(shí)驗(yàn)的部分是在之前的課堂上或以作業(yè)的形式完成，相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過教師展示的形式呈現(xiàn)，問題的提出以教師引導(dǎo)為主，學(xué)生的思考和實(shí)踐設(shè)計(jì)偏少。計(jì)算成像概念本身較為復(fù)雜，探索及理解需要逐步進(jìn)行，但是由于課程信息量較大，在課上留給學(xué)生討論和思考的時(shí)間偏少，師生互動(dòng)和生生互動(dòng)不是很充分。
雖然本節(jié)課的設(shè)計(jì)缺少真正能讓學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)的部分，但是本單元設(shè)計(jì)的最后2課“物理實(shí)驗(yàn)中的仿真模擬”會(huì)更偏重于動(dòng)手實(shí)踐，以學(xué)生為主體進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。教師在人工智能與物理跨學(xué)科單元教學(xué)的探究與實(shí)踐中不斷迭代創(chuàng)新，最終將促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)與物理學(xué)科的核心素養(yǎng)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)
[1] 趙愛慧，武迪，袁中果．人工智能+物理的跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)與實(shí)施——基于機(jī)器學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[J]．中國信息技術(shù)教育，2021（5）：66-70．
[2] 中華人民共和國教育部制定．普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）．
[3] 中華人民共和國教育部制定．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）．
（本文系北京教育學(xué)院教改課題“人工智能交叉賦能的中學(xué)跨學(xué)科創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐研究”（XYJG2023-33）研究成果）