增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)來了！讓物理課本上的圖表“動(dòng)”起來

　　來源|多知

　　作者|Penny

　　一直以來，物理學(xué)科中很多抽象問題難倒了很多學(xué)生，而今，人工智能有望帶來新的學(xué)習(xí)方式。

　　最近，卡爾加里大學(xué)和 Adobe研究院的論文提出了一種新可能：用AI系統(tǒng)將物理課本上的圖表變成動(dòng)畫，演示物理原理的過程，從而讓抽象的物理直觀化。

　　Aditya Gunturu 等人發(fā)表的這篇關(guān)于增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)論文，論文命名的增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)為Augmented Physics，這是一個(gè)結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)的創(chuàng)作工具，可以將靜態(tài)的物理圖表轉(zhuǎn)換成嵌入式的交互式物理模擬。

　　只需在物理圖表上繪畫一個(gè)方框標(biāo)記識(shí)別范圍，AI 就能在分析之后將其變成可交互的動(dòng)圖。它支持各種物理主題，如光學(xué)、鐘擺、電路、透鏡、斜坡滑行……

　　該團(tuán)隊(duì)在論文中指出，基于靜態(tài)文檔創(chuàng)建交互式解釋內(nèi)容的想法并不新鮮，但這項(xiàng)研究有三大貢獻(xiàn)：

　　提出了一種全新的圖像到模擬工作流程。之前的研究關(guān)注的是文本到文本或文本到圖表的工作流程，但它們不足以滿足物理圖表和模擬的需求，這需要更關(guān)注圖像的方法。

　　為增強(qiáng)物理模擬工具的設(shè)計(jì)空間做出了貢獻(xiàn)。為了設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)執(zhí)行了一個(gè)形成性啟發(fā)(formative elicitation)研究。他們?cè)儐柫?7 位物理課講師，了解了他們?cè)鰪?qiáng)物理教材的方式。

　　基于這些結(jié)果，他們找到了四大關(guān)鍵的增強(qiáng)策略：增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫圖表、雙向綁定、參數(shù)可視化。

　　該論文發(fā)布后得到了很多人的認(rèn)可，人們都從中看到了提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率的潛力，未來增強(qiáng)物理AI系將用于課堂之中，也或?qū)⒔Y(jié)合AR達(dá)到更好的自主學(xué)習(xí)效果，可以說，這將重塑教育的未來。

　　01

　　如何使用增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)?

　　在 Augmented Physics 創(chuàng)建一個(gè)工作流程的步驟如下：

　　1. 導(dǎo)入教科書頁面

　　Augmented Physics 支持計(jì)算機(jī)端和移動(dòng)端，用戶可以通過手機(jī)拍照上傳，也可以直接導(dǎo)入 PDF。

　　2. 選擇模擬類型

　　Augmented Physics 可以讓涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、光學(xué)和電路的相關(guān)圖像動(dòng)起來。不屬于這些分類的圖像，“動(dòng)畫”功能也能讓它動(dòng)起來。

　　3. 提取并分割圖像

　　用戶可以在特定區(qū)域用方框和點(diǎn)把要?jiǎng)悠饋淼膮^(qū)域畫出來。　　

　　4. 定義分割后的圖像

　　分割完成后，需要標(biāo)明分割出來的物體在整個(gè)系統(tǒng)中的角色，比如下面的這張透鏡成像圖，就標(biāo)記了焦點(diǎn) F、透鏡、和投影對(duì)象。

　　對(duì)于電路圖，Augmented Physics 可以通過圖像識(shí)別，自動(dòng)識(shí)別電阻器和電池等元素。

　　5. 生成并運(yùn)行模擬。圖像分割完成并分配角色之后，系統(tǒng)會(huì)將分割得到的圖像轉(zhuǎn)換成適合物理模擬的多邊形，進(jìn)而生成模擬。如圖 7 中斜坡滑行的示例。

　　6. 通過參數(shù)操作與模擬實(shí)現(xiàn)交互。用戶可以靈活地調(diào)整模擬中的參數(shù)，例如動(dòng)態(tài)對(duì)象的質(zhì)量、靜態(tài)對(duì)象的摩擦力和彈簧力常數(shù)。系統(tǒng)還可以識(shí)別文本或圖像中的參數(shù)值，使用戶能夠操作頁面上的數(shù)值。例如，在電路模擬中，用戶可以修改電阻和電池的值，以動(dòng)態(tài)改變模擬結(jié)果。此外，該系統(tǒng)還能自動(dòng)將文本中的數(shù)值鏈接到模擬中對(duì)象的特定屬性，并且用戶可以編輯這些屬性。

　　02

　　增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)有哪些功能?

　　根據(jù)研究結(jié)果，該研究團(tuán)隊(duì)確定了四個(gè)關(guān)鍵的增強(qiáng)策略：

　　1.增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)： 讓用戶直接操作圖表，如，用戶在選取電路圖后，該系統(tǒng)會(huì)生成模擬，用戶可以通過調(diào)整數(shù)值來與之交互，這使他們能夠?qū)崟r(shí)觀察電路中各點(diǎn)之間電流和電壓的變化。

　　2.動(dòng)畫圖表：可將靜態(tài)圖表轉(zhuǎn)換成循環(huán)動(dòng)態(tài)動(dòng)畫，用戶可以指定分段對(duì)象要遵循的路徑，從而創(chuàng)建模擬運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫。例如，展示光線如何沿著不同的路徑反射，或者物體如何沿著軌道運(yùn)動(dòng)。此外，與僅限于可用模擬的增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)不同，動(dòng)畫圖可以應(yīng)用于任何圖表。

　　3.雙向操控： 雙向操作器使用戶能夠?qū)⑽谋局械膮?shù)值鏈接到相關(guān)的模擬，此功能允許學(xué)生直接在文本中調(diào)整這些值并實(shí)時(shí)觀察變化。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(gè)值，另一個(gè)值也會(huì)隨之自動(dòng)改變。

　　4.參數(shù)可視化：允許用戶通過動(dòng)態(tài)圖形可視化所選值，系統(tǒng)通過基本的時(shí)間序列圖對(duì)其進(jìn)行可視化。例如，顯示鐘擺角度隨時(shí)間的變化曲線圖。

　　03

　　增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)的前景

　　Augmented Physics實(shí)際落地中將有哪些可能性?論文提到：

　　1.處理誤報(bào)并賦予教師更多控制權(quán)：增強(qiáng)物理學(xué)的商業(yè)可行版本將涉及物理教學(xué)的所有主題的完全可用性。因此，未來的實(shí)施應(yīng)包括各種物理學(xué)概念的模擬器，如分子動(dòng)力學(xué)等。同樣，用戶應(yīng)獲得更大的控件集來與模擬內(nèi)容進(jìn)行交互。完全部署的系統(tǒng)可以從基于插件的系統(tǒng)中受益，教師可以創(chuàng)建自己的模擬器，其他人可以使用這些模擬器創(chuàng)建動(dòng)態(tài)和交互式嵌入式模擬，以促進(jìn)更加個(gè)性化的教學(xué)。

　　2.與AR設(shè)備集成：管空間限制阻礙了頁面上的直接圖表增強(qiáng)，但 AR 硬件的進(jìn)步可能會(huì)使這種方法變得可行。未來，有望將 Augmented Physics 集成到 AR 頭顯中，提供更沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn);

　　3.更大規(guī)模的部署：研究人員計(jì)劃在更大的范圍內(nèi)部署 Augmented Physics，并評(píng)估其在課堂環(huán)境中的學(xué)習(xí)效果。

　　此前，多知報(bào)道了Gatekeep這個(gè)AI工具，其可以將學(xué)科問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單有趣的教育講解視頻；而增強(qiáng)物理AI系統(tǒng)跟Gatekeep又有所不同，Augmented Physics是一個(gè)聚焦物理學(xué)科的模型，而非直接的工具，且Augmented Physics生成的是可以互動(dòng)操作的動(dòng)畫，不是視頻講解。

　　期待該系統(tǒng)早日產(chǎn)品落地，投入到實(shí)際應(yīng)用中。

　　(論文原文：https://arxiv.org/pdf/2405.18614)