新的交互式人工智能工具让教科书变得生动活泼
只需一台 iPad，世界各地任何教室的学生都可以很快重新想象任何物理教科书中的普通图表——将这些静态图像转换为在页面上运行、跳跃或旋转的 3D 模拟。这些新的、生动的教科书是科罗拉多大学博尔德分校 Ryo Suzuki 领导的计算机科学家团队的创意。这项研究发表在第 37 届 ACM 用户界面软件和技术研讨会论文集上。
“通常，这些图表都是固定的。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 Suzuki 说道。“但如果我们可以从任何教科书中取出任何静态图表并使其具有交互性，那会怎样呢？”
他和他的同事最近因今年 10 月在匹兹堡举行的第 37届 ACM 用户界面软件和技术年度研讨会上的工作而获得了“最佳论文”奖。
想象一下：你打开高中物理课本，看到一幅滑雪者在跳台顶端摇摇晃晃的图画。这张图本应教你一些动能之类的知识，比如滑雪者从山上飞驰而下时的能量。但滑雪者实际上并没有移动。他只是坐在那里。
到目前为止。
在这项新研究中，铃木的团队设计了一个工具，让学生用 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。他飞速冲下山坡，跳跃并腾空而起。从科学上讲，这也是准确的：学生可以调整雪的摩擦力，只需轻轻滑动几下，就可以让滑雪者飞得更快或更慢。
铃木将该项目视为重新发明教科书的机会——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实际作用。
铃木在加拿大卡尔加里大学担任研究员期间开始了这一项目，他表示：“我们相信未来的教育和学习应该更加互动和个性化。”
它还活着！
这项研究的第一作者阿迪亚·冈图鲁 (Aditya Gunturu) 还记得自己学习物理的日子。他曾经在高中时坐在科学课上，认为一定有更好的方法将主题可视化以传达运动。
“我非常沮丧，”卡尔加里大学计算机科学硕士生 Gunturu 说道。“我想将这些概念形象化。”
他并不是唯一一个：冈图鲁的母亲是印度的一名生物老师，她经常在黑板上画画来向学生展示，例如，细胞如何分裂——这是一种教科书只能用快照捕捉到的现象。
该团队的发明——增强物理学——可以提供帮助。
该工具依赖于科技公司 Meta 的 Segment Anything 模型。它是一种计算机可视化工具，允许用户点击照片来分离特定对象——一只狗，或者一张脸。同样，通过增强物理学，学生和老师可以在图表中选择各种对象，例如滑雪者和滑雪跳台，并分配这些对象的角色。然后，人工智能应用一些基本的物理原理，例如重力，使这些物体移动。
它也适用于几种不同类型的图表。它们包括光学图表（例如，这样学生就可以模拟棱镜如何折射阳光）和电路图表（这样他们可以看到电流沿着电线流动）。研究人员在 Gunturu 多年前的物理教科书中的一些相同图表上测试了他们的工具。
超越物理
该团队还根据物理专业学生和科学教师的反馈设计了该产品。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，该工具还不够完美。到目前为止，它只能在 60% 的时间内将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希望超越物理学——使用类似的技术将任何类型的文档中的任何图表转换成生动的 3D 世界，学生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——从静态的二维世界进入交互式的三维世界。”
与此同时，Gunturu 的妈妈迫不及待地想让他设计一种适用于生物学教科书的工具。
他说：“那将是她梦想成真。”
这项新研究的其他合著者包括 Adobe Research 的 Rubaiat Habib Kazi、卡尔加里大学的 Nandi Zhang 和 Jarin Thundathil 以及德克萨斯 A&M 大学的 Yi Wen。
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