物理课本上的图也能“动”起来？大杀器“增强物理”来了

这个 AI 系统要让物理课本“活”过来？增强物理Augmented Physics来了

想象一下，你正在上物理课，老师打开课本，突然，书上的电路图“动”了起来，电流开始流动，电压表上的读数也跟着变化！🤯 是不是很酷炫？！

加拿大卡尔加里大学研究生 Aditya Gunturu 等人刚刚发表一篇关于增强物理AI系统 论文！这篇论文初步实现一种未来的基于AI的全新的物理学习教育方式

Augmented Physics 是什么？

Augmented Physics 是一个结合了机器学习的创作工具，可以将静态的物理图表转换成嵌入式的交互式物理模拟。它支持各种物理主题，例如光学、运动学、钟摆和电路等等

Augmented Physics 的强大功能：

从课本中提取图表：利用 Segment Anything 和多模态 LLM 等先进的计算机视觉技术，Augmented Physics 可以半自动地从物理课本页面中提取图表，并生成交互式模拟

创建个性化学习体验：老师和学生可以操作图表中的特定对象，调整参数值，并动态地与模拟结果进行交互，创建个性化、情境化的学习体验

无缝集成到课本：这些交互式图表可以无缝集成到扫描的教科书页面中，方便学生学习和实验，而无需搜索外部资料或从头开始创建模拟

Augmented Physics 的设计理念：

为了设计这个系统，研究人员对七位物理教师进行了一项 elicitation study（启发式研究），了解他们希望如何增强物理课本。根据研究结果，他们确定了四个关键的增强策略：

1.增强实验：让用户直接操作图表，例如改变透镜在光学图中的位置，或改变电路图中的电阻值，并实时观察变化

2.动画图表：将静态图表转换成循环动态动画，例如，展示光线如何沿着不同的路径反射，或者物体如何沿着轨道运动

3.双向绑定：将文本中的参数值与模拟关联起来，例如，将文本中球的高度与图表中球的高度绑定，修改其中一个值，另一个值也会随之改变

4.参数可视化：为图表中缺乏数据的参数创建动态可视化，例如，显示钟摆角度随时间的变化曲线图

Augmented Physics 的实现：

Augmented Physics 由一个使用 Python 的后端计算机视觉流水线模块和一个使用 React.js 开发的前端 Web 界面组成

计算机视觉模块：集成了 Segment Anything、OpenCV 和自定义开发的线条和轮廓检测算法

前端和后端之间的通信：通过 Firebase 实时数据库进行

文本识别和数值提取：使用 Google Cloud Vision API

模拟类型推荐和参数设置：使用 GPT-4

物理引擎：使用 Matter.js（用于运动学模拟）和 P5.js（用于光学模拟）

Augmented Physics 的评估：

研究人员对 Augmented Physics 进行了三项评估：

技术评估：从六本不同的物理教科书中随机选择了 200 个图表，测试了流水线的准确性和通用性。结果显示，不同类型图表的成功率各不相同，例如运动学为 64%，光学为 44%，电路为 40%（稍作修改后为 62%），动画为 66%

可用性研究：12 名参与者对系统的可用性和功能偏好进行了评估。结果显示，系统的整体可用性得分很高，参与者尤其喜欢参数可视化和双向绑定功能

专家访谈：12 位物理教师对该工具的教学用途提供了反馈。专家们普遍认为，Augmented Physics 可以帮助他们为学生创建个性化模拟，并提出了改进建议

Augmented Physics 的未来：

更大规模的部署：研究人员计划在更大的范围内部署 Augmented Physics，并评估其在课堂环境中的学习效果

与 AR 设备集成：将 Augmented Physics 集成到 AR 头显中，可以提供更沉浸式的学习体验

AI 辅助学习：将多模态 LLM 集成到 Augmented Physics 中，可以实现更智能的自动内容生成和个性化辅导

Augmented Physics 为物理教育提供了一种全新的交互式学习方式，让静态的物理图表“活” 起来，让学习物理变得更有趣、更容易理解！

Augmented Physics 会成为未来物理教育领域的一大利器吗？

⭐星标AI寒武纪，好内容不错过⭐

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