物理實驗中的計算成像

——人工智能與物理的跨學(xué)科課程設(shè)計與實施

文_趙愛慧　張　思　袁中果／中國人民大學(xué)附屬中學(xué)

教學(xué)實施

引入：測重力加速度的方法（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重力加速度。圖2是用打點計時器打出紙帶的示意圖和真實圖，展示學(xué)生傳統(tǒng)實驗過程中完整的打點、數(shù)點、測量長度，然后記錄數(shù)據(jù)表并且作圖的過程，依據(jù)相對充足的測量數(shù)據(jù)，再加上勻加速直線運動的模型，手動擬合做出了直線圖。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)物理實驗，了解其中的不足，提出打點計時器的問題：無法描述真實運動物體形態(tài)——看不見；時間精度為0.10秒——看不清。隨后教師展示從打點計時器到頻閃照片的實驗結(jié)果改進(jìn)，時間精度可以從0.10秒提高到毫秒量級，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。在這個過程中，明確界定研究問題為“物理實驗如何才能看得見、看得清？”

圖2　傳統(tǒng)物理實驗用打點計時器測重力加速度

本環(huán)節(jié)所用資源：幻燈片（PPT）、學(xué)生物理實驗作業(yè)、頻閃照片、白板。

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：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，體會簡單科學(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)生的物理實驗作業(yè)（錄視頻測重力加速度）。第1位學(xué)生在錄制視頻前先確立了一個標(biāo)尺作為參照物，該標(biāo)尺上每個標(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，記錄下對應(yīng)視頻的時間幀數(shù)，再通過公式計算得出重力加速度。用這種方式，學(xué)生可以直觀地看到物體的運動，但是數(shù)據(jù)測量方式較為繁瑣。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)入了一個名為Tracker的軟件中，直接獲取了物體下落的位移和時間信息，然后將這些數(shù)據(jù)錄入Excel表格，計算得到重力加速度。第3位學(xué)生的作業(yè)更加智能化，不僅利用了Tracker軟件自動跟蹤物體獲取位移和時間數(shù)據(jù)，還利用該軟件直接對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到位移時間曲線，自動計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)生的物理實驗過程變得更加簡單直觀，但大部分學(xué)生對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，就是機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程和測試過程，用流程圖的形式鞏固機器學(xué)習(xí)的概念，為后續(xù)理解計算成像作鋪墊。然后讓學(xué)生觀察實驗視頻截取的圖片，提出問題：“大家對視頻結(jié)果滿意嗎？”學(xué)生會發(fā)現(xiàn)光線不好時，看不見物體的細(xì)節(jié)，這是物理光學(xué)的問題；運動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動呢？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)生實驗作業(yè)視頻、白板、Moodle在線討論區(qū)。

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生逐步體驗更加清晰便捷的運動分析方法，建立對機器學(xué)習(xí)更深刻的理解，并強化模型和數(shù)據(jù)兩個概念，為引入計算成像打下基礎(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應(yīng)的時間尺度，說明任何測量都必須比目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化的時間更快，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——阿秒激光的知識。阿秒激光是一個非常前沿的概念，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平臺完成課堂實踐即在線測試選擇題，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在線測試。

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：通過教師引導(dǎo)，學(xué)生在實踐中運用類比和聯(lián)想，理解科學(xué)分析中對于實驗觀測的改進(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)通過課堂實踐，體驗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器學(xué)習(xí)的作用。首先進(jìn)行計算機成像建模，圖像其實也是數(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器學(xué)習(xí)模型。在實踐環(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)如何獲取；④評價標(biāo)準(zhǔn)如何定義。

小組整理好回答，發(fā)帖到Moodle平臺討論區(qū)，通過所有小組討論得出結(jié)論。教師展示機器學(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，而評價標(biāo)準(zhǔn)則有RSNR、結(jié)構(gòu)相似度、意見平均分等。

由此可見，整個問題求解的過程并不是一個學(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。這類研究其實是科學(xué)前沿的一大類問題，即計算成像，也是天然的跨學(xué)科鏈接主題。引導(dǎo)學(xué)生思考計算成像的內(nèi)涵，強化科學(xué)探究與計算思維的結(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)計意圖：通過教師引導(dǎo)，學(xué)生在實踐中體驗?zāi)：龍D像清晰化的過程，強化對機器學(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；思考計算成像的內(nèi)涵，強化科學(xué)探究與計算思維的結(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，理解計算成像的外延。接著講述成像在物理實驗觀測中的重要性。科學(xué)是從測量開始的，而成像在測量中有著不可替代的作用，我們對自然的認(rèn)知、對世界的觀測，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)獎項，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)，從一個物理實驗出發(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)榭吹靡姡斯ぶ悄芗夹g(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、共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。至此學(xué)生對跨學(xué)科有了更深刻的理解，最后在Moodle平臺上或掃描二維碼完成課堂評價。

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，理解計算成像的外延，并對相關(guān)問題進(jìn)行思考，強化對模型建構(gòu)和數(shù)據(jù)分析的理解，并激發(fā)對后續(xù)課程的興趣；通過學(xué)生評價，掌握課堂效果，強化課堂總結(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個階段進(jìn)行課程設(shè)計，以測重力加速度這一學(xué)生非常熟悉的物理實驗為出發(fā)點，提出看不見與看不清的問題，逐步講解視頻分析與機器學(xué)習(xí)原理，借助人工智能與物理的跨學(xué)科知識，從不同角度出發(fā)解決問題，圍繞計算成像的內(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，以真實情境展現(xiàn)科學(xué)家是如何解決問題的，實現(xiàn)了對學(xué)生跨學(xué)科思維能力的訓(xùn)練。

這節(jié)課由于時間所限，物理實驗的部分是在之前的課堂上或以作業(yè)的形式完成，相關(guān)實驗內(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)生的思考和實踐設(shè)計偏少。計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)生討論和思考的時間偏少，師生互動和生生互動不是很充分。

雖然本節(jié)課的設(shè)計缺少真正能讓學(xué)生動手體驗的部分，但是本單元設(shè)計的最后2課“物理實驗中的仿真模擬”會更偏重于動手實踐，以學(xué)生為主體進(jìn)行討論和設(shè)計，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。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)計與實施——基于機器學(xué)習(xí)的物理實驗數(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)實踐研究”（XYJG2023-33）研究成果）■

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來源 | 《中國科技教育》2024-08

文章編輯：畢晨輝

微信編輯、排版 | 孟想

一校 | 孟想

復(fù)校 | 若惜

終校 | 朱志安