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這個 AI 系統要讓物理課本“活”過來？增強物理Augmented Physics來了
想象一下，你正在上物理課，老師打開課本，突然，書上的電路圖“動”了起來，電流開始流動，電壓表上的讀數也跟着變化！🤯 是不是很酷炫！
加拿大卡爾加里大學研究生 Aditya Gunturu 等人剛剛發表一篇關於增強物理AI系統 論文！這篇論文初步實現一種未來的基於AI的全新的物理學習教育方式。
Augmented Physics 是什麼？
Augmented Physics 是一個結合了機器學習的創作工具，可以將靜態的物理圖表轉換成嵌入式的交互式物理模擬。它支持各種物理主題，例如光學、運動學、鐘擺和電路等等。
Augmented Physics 的強大功能：
從課本中提取圖表： 利用 Segment Anything 和多模態 LLM 等先進的計算機視覺技術，Augmented Physics 可以半自動地從物理課本頁面中提取圖表，並生成交互式模擬。
創建個性化學習體驗： 老師和學生可以操作圖表中的特定對象，調整參數值，並動態地與模擬結果進行交互，創建個性化、情境化的學習體驗。
無縫集成到課本： 這些交互式圖表可以無縫集成到掃描的教科書頁面中，方便學生學習和實驗，而無需搜索外部資料或從頭開始創建模擬。
Augmented Physics 的設計理念：
為了設計這個系統，研究人員對七位物理教師進行了一項 elicitation study（啓發式研究），瞭解他們希望如何增強物理課本。根據研究結果，他們確定了四個關鍵的增強策略：
1.增強實驗： 讓用户直接操作圖表，例如改變透鏡在光學圖中的位置，或改變電路圖中的電阻值，並實時觀察變化。
2.動畫圖表： 將靜態圖表轉換成循環動態動畫，例如，展示光線如何沿着不同的路徑反射，或者物體如何沿着軌道運動。
3.雙向綁定： 將文本中的參數值與模擬關聯起來，例如，將文本中球的高度與圖表中球的高度綁定，修改其中一個值，另一個值也會隨之改變。
4.參數可視化： 為圖表中缺乏數據的參數創建動態可視化，例如，顯示鐘擺角度隨時間的變化曲線圖。
Augmented Physics 的實現：
Augmented Physics 由一個使用 Python 的 後端計算機視覺流水線模塊 和一個使用 React.js 開發的 前端 Web 界面 組成
計算機視覺模塊： 集成了 Segment Anything、OpenCV 和自定義開發的線條和輪廓檢測算法。
前端和後端之間的通信： 通過 Firebase 實時數據庫進行。
文本識別和數值提取： 使用 Google Cloud Vision API。
模擬類型推薦和參數設置： 使用 GPT-4。
物理引擎： 使用 Matter.js（用於運動學模擬）和 P5.js（用於光學模擬）。
Augmented Physics 的評估：
研究人員對 Augmented Physics 進行了三項評估：
技術評估： 從六本不同的物理教科書中隨機選擇了 200 個圖表，測試了流水線的準確性和通用性。結果顯示，不同類型圖表的成功率各不相同，例如運動學為 64%，光學為 44%，電路為 40%（稍作修改後為 62%），動畫為 66%。
可用性研究： 12 名參與者對系統的可用性和功能偏好進行了評估。結果顯示，系統的整體可用性得分很高，參與者尤其喜歡參數可視化和雙向綁定功能。
專家訪談： 12 位物理教師對該工具的教學用途提供了反饋。專家們普遍認為，Augmented Physics 可以幫助他們為學生創建個性化模擬，並提出了改進建議。
Augmented Physics 的未來：
更大規模的部署： 研究人員計劃在更大的範圍內部署 Augmented Physics，並評估其在課堂環境中的學習效果。
與 AR 設備集成： 將 Augmented Physics 集成到 AR 頭顯中，可以提供更沉浸式的學習體驗。
AI 輔助學習： 將多模態 LLM 集成到 Augmented Physics 中，可以實現更智能的自動內容生成和個性化輔導。
Augmented Physics 為物理教育提供了一種全新的交互式學習方式，讓靜態的物理圖表“活” 起來，讓學習物理變得更有趣、更容易理解！
Augmented Physics 會成為未來物理教育領域的一大利器嗎？
