增強物理AI系統來(lái)了！讓物理課本上的圖表“動(dòng)”起來(lái)
來(lái)源|多知
作者|Penny
一直以來(lái)，物理學(xué)科中很多抽象問(wèn)題難倒了很多學(xué)生，而今，人工智能有望帶來(lái)新的學(xué)習方式。
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系統將物理課本上的圖表變成動(dòng)畫(huà)，演示物理原理的過(guò)程，從而讓抽象的物理直觀(guān)化。
Aditya Gunturu 等人發(fā)表的這篇關(guān)于增強物理AI系統論文，論文命名的增強物理AI系統為Augmented Physics，這是一個(gè)結合了機器學(xué)習的創(chuàng )作工具，可以將靜態(tài)的物理圖表轉換成嵌入式的交互式物理模擬。
只需在物理圖表上繪畫(huà)一個(gè)方框標記識別范圍，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……
該團隊在論文中指出，基于靜態(tài)文檔創(chuàng )建交互式解釋內容的想法并不新鮮，但這項研究有三大貢獻：
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(mǎn)足物理圖表和模擬的需求，這需要更關(guān)注圖像的方法。
為增強物理模擬工具的設計空間做出了貢獻。為了設計這個(gè)系統，該團隊執行了一個(gè)形成性啟發(fā)(formative elicitation)研究。他們詢(xún)問(wèn)了 7 位物理課講師，了解了他們增強物理教材的方式。
基于這些結果，他們找到了四大關(guān)鍵的增強策略：增強實(shí)驗、動(dòng)畫(huà)圖表、雙向綁定、參數可視化。
該論文發(fā)布后得到了很多人的認可，人們都從中看到了提升學(xué)生學(xué)習效率的潛力，未來(lái)增強物理AI系將用于課堂之中，也或將結合AR達到更好的自主學(xué)習效果，可以說(shuō)，這將重塑教育的未來(lái)。
01
如何使用增強物理AI系統?
在 Augmented Physics 創(chuàng )建一個(gè)工作流程的步驟如下：
1. 導入教科書(shū)頁(yè)面
Augmented Physics 支持計算機端和移動(dòng)端，用戶(hù)可以通過(guò)手機拍照上傳，也可以直接導入 PDF。
2. 選擇模擬類(lèi)型
Augmented Physics 可以讓涉及運動(dòng)學(xué)、光學(xué)和電路的相關(guān)圖像動(dòng)起來(lái)。不屬于這些分類(lèi)的圖像，“動(dòng)畫(huà)”功能也能讓它動(dòng)起來(lái)。
3. 提取并分割圖像
用戶(hù)可以在特定區域用方框和點(diǎn)把要動(dòng)起來(lái)的區域畫(huà)出來(lái)。
4. 定義分割后的圖像
分割完成后，需要標明分割出來(lái)的物體在整個(gè)系統中的角色，比如下面的這張透鏡成像圖，就標記了焦點(diǎn) F、透鏡、和投影對象。
對于電路圖，Augmented Physics 可以通過(guò)圖像識別，自動(dòng)識別電阻器和電池等元素。
5. 生成并運行模擬。圖像分割完成并分配角色之后，系統會(huì )將分割得到的圖像轉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(guò)參數操作與模擬實(shí)現交互。用戶(hù)可以靈活地調整模擬中的參數，例如動(dòng)態(tài)對象的質(zhì)量、靜態(tài)對象的摩擦力和彈簧力常數。系統還可以識別文本或圖像中的參數值，使用戶(hù)能夠操作頁(yè)面上的數值。例如，在電路模擬中，用戶(hù)可以修改電阻和電池的值，以動(dòng)態(tài)改變模擬結果。此外，該系統還能自動(dòng)將文本中的數值鏈接到模擬中對象的特定屬性，并且用戶(hù)可以編輯這些屬性。
02
增強物理AI系統有哪些功能?
根據研究結果，該研究團隊確定了四個(gè)關(guān)鍵的增強策略：
1.增強實(shí)驗：讓用戶(hù)直接操作圖表，如，用戶(hù)在選取電路圖后，該系統會(huì )生成模擬，用戶(hù)可以通過(guò)調整數值來(lái)與之交互，這使他們能夠實(shí)時(shí)觀(guān)察電路中各點(diǎn)之間電流和電壓的變化。
2.動(dòng)畫(huà)圖表：可將靜態(tài)圖表轉換成循環(huán)動(dòng)態(tài)動(dòng)畫(huà)，用戶(hù)可以指定分段對象要遵循的路徑，從而創(chuàng )建模擬運動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。例如，展示光線(xiàn)如何沿著(zhù)不同的路徑反射，或者物體如何沿著(zhù)軌道運動(dòng)。此外，與僅限于可用模擬的增強實(shí)驗不同，動(dòng)畫(huà)圖可以應用于任何圖表。
3.雙向操控：雙向操作器使用戶(hù)能夠將文本中的參數值鏈接到相關(guān)的模擬，此功能允許學(xué)生直接在文本中調整這些值并實(shí)時(shí)觀(guān)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。
4.參數可視化：允許用戶(hù)通過(guò)動(dòng)態(tài)圖形可視化所選值，系統通過(guò)基本的時(shí)間序列圖對其進(jìn)行可視化。例如，顯示鐘擺角度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)圖。
03
增強物理AI系統的前景
Augmented Physics實(shí)際落地中將有哪些可能性?論文提到：
1.處理誤報并賦予教師更多控制權：增強物理學(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(lái)的實(shí)施應包括各種物理學(xué)概念的模擬器，如分子動(dòng)力學(xué)等。同樣，用戶(hù)應獲得更大的控件集來(lái)與模擬內容進(jìn)行交互。完全部署的系統可以從基于插件的系統中受益，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設備集成：管空間限制阻礙了頁(yè)面上的直接圖表增強，但 AR 硬件的進(jìn)步可能會(huì )使這種方法變得可行。未來(lái)，有望將 Augmented Physics 集成到 AR 頭顯中，提供更沉浸式的學(xué)習體驗;
3.更大規模的部署：研究人員計劃在更大的范圍內部署 Augmented Physics，并評估其在課堂環(huán)境中的學(xué)習效果。
此前，多知報道了Gatekeep這個(gè)AI工具，其可以將學(xué)科問(wèn)題轉化為簡(jiǎn)單有趣的教育講解視頻；而增強物理AI系統跟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(huà)，不是視頻講解。
期待該系統早日產(chǎn)品落地，投入到實(shí)際應用中。
(論文原文：)
