全新物理图表交互体验，助力学生轻松掌握受力分析、光学及电路知识

新智元报道

导读：在物理学习中，我们都有过这样的体验——物理教科书中的图表往往非常抽象，难以理解。
为了帮助学生们更好地理解和掌握物理概念，增强物理（AugmentedPhysics）应运而生。
它可以将物理教科书中的静态图表转换成交互式模拟的工具，为学生提供一个更直观、更个性化的学习体验。

一、背景介绍

在电子教学时代，物理图可以是动态、可交互的，有助于更深入地理解复杂原理。
创建交互式模拟既耗时又需要大量的编程工作，因此大部分教学场景只能用已经制作好的模拟图，有时无法完全满足学生对学习材料的特定需求。
最近，卡尔加里大学、科罗拉多大学博尔德分校及Adobe的研究人员提出了一种全新的方法——增强物理（AugmentedPhysics），通过从静态教科书图表中提取和增强内容来创建交互式物理模拟。

二、增强物理的核心功能

增强物理的核心功能在于利用先进的计算机视觉技术，如「Segment-Anything」和多模态LLM，从教科书页面中提取图表，并基于提取的内容生成交互式模拟。
这种增强实验的功能就像是给教科书里的静态图像增添了生命力，学生们不再只是被动地阅读和观看图像，而是能够亲手操作这些图像中的元素，进行实验。

例如，学生可以把一个物体在虚拟的模拟环境中移动到透镜旁边，亲眼看到图像是如何变化的；在电路的学习中，也可以调整电路中的电压和电阻，实时看到电流的变化。
这样的互动方式使得学习过程更加直观和有趣。

三、系统设计步骤

接下来，我们详细介绍一下增强物理系统的设计步骤：

1. 导入教科书图表：用户通过网页界面导入图表，支持桌面和移动设备。用户还可以上传教科书页面的PDF文件，或者使用智能手机拍摄并上传教科书页面的照片。
2. 选择模拟类型：根据用户的需要，从运动学、光学和电路等选项中选择适合的模拟类型。系统还提供了动画选项，适用于不需要特定模拟类型的场景。
3. 分割图像：用户通过在图表上选择特定区域（如物体、斜坡等）来启动分割。分割完成后，每个对象都会被赋予一个标签，以便在模拟中提供特定角色。
4. 生成和运行模拟：系统会将分割的图像转换成具有适当物理属性的多边形，生成模拟。用户可以通过点击运行按钮或与渲染的多边形互动来启动模拟，观察动态的视觉输出。
5. 通过参数操作与模拟互动：用户可以灵活地调整模拟内的参数，如质量、摩擦力等。系统可以在文本或图像中识别参数值，使用户能够操纵页面上的数值。这种双向绑定的特性使得学生能够直接在文本中调整这些值，并实时观察变化。

四、关键增强策略

增强物理系统中探索了四种关键的增强策略：增强实验、动画图表、双向绑定和参数可视化。
这些策略通过不同的方式提升了学生的学习体验。
例如，动画图表可以根据用户的选择创建循环动画，帮助学生更直观地理解物理过程；双向绑定则允许学生直接在文本中调整参数值并观察实时变化；参数可视化则通过图形的方式展示了某个变量随时间的变化情况，帮助用户更直观地理解动态过程中的数值变化。
这些策略共同促进了物理教育中更具吸引力和个性化的学习体验。

五、实验结果与技术评估

根据技术评估结果，不同模拟组件的成功率为：运动学为64%，光学为44%，电路为40%（经过轻微编辑后成功率为62%），动画为66%。
其中对象分割的成功率高达86%，显著促进了运动学、光学和动画组件的相对更高成功率。
由于某些特性的支持限制以及模拟曲面平滑性的问题，运动学模拟仍然面临一些挑战。
为了获得准确的模拟结果，74%的图表需要进行轻微调整。

六、参考资料（略）

总结：增强物理系统通过利用先进的计算机视觉技术，将物理教科书中的静态图表转换成交互式模拟工具，为学生提供了一个更直观、更个性化的学习体验。
它通过分割图像、生成和运行模拟、参数操作与模拟互动等步骤实现这一目标。
同时探索了增强实验、动画图表、双向绑定和参数可视化等关键增强策略来提升学生的学习体验。
尽管面临一些挑战和限制但仍具有巨大的潜力为物理教育带来变革。

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相关标签： 光学、 运动学、 电路图、 物理图表、 受力分析、

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