カナダ・カルガリー大学の研究者らが、「Augmented Physics」という新しいツールを開発しました。これは、静的な物理教科書の図表をインタラクティブなシミュレーションに変換し、物理教育に革新をもたらすことを目指しています。

このツールは、Segment Anythingやマルチモーダル大規模言語モデルなどの高度なコンピュータビジョン技術を利用することで、教師と生徒が教科書のページから図表を半自動的に抽出、そしてその内容に基づいてインタラクティブなシミュレーションを生成することを可能にします。

「Augmented Physics」は、ニュートンの運動、光学、回路、循環アニメーションなど、さまざまな種類のシミュレーションに対応しています。ユーザーは、簡単な操作で図表内の特定のオブジェクトを選択して分割し、それらの分割されたオブジェクトを操作したり、パラメーター値を調整したりすることで、シミュレーション結果と動的にインタラクトできます。

これらのインタラクティブな視覚出力は、教科書PDF上にシームレスに重ね合わされ、ウェブベースのインターフェースで表示されます。生徒は、外部資料を検索したり、シミュレーションを最初から作成したりすることなく、教科書上で直接学習、実験、探求を行うことができます。

研究者らは7人の物理教師を対象としたヒューリスティック研究を実施し、実験の強化、図表のアニメーション化、双方向バインディング、パラメーターの可視化という4つの重要な拡張戦略を探りました。

「Augmented Physics」では、光学図表内の物体の位置や回路図内の抵抗値などを変更し、リアルタイムの変化を観察するなど、教科書の図表を直接操作できます。

さらに、このツールは静的な図表を循環する動的なアニメーションに変換し、時間の経過に伴う物理プロセスの変化を示すことができます。

「Augmented Physics」は、テキスト内のパラメーター値とシミュレーションを双方向にバインドすることもできます。例えば、テキストの数値をバネの圧縮特性にバインドすることで、更新された数値に基づいてシーンをシミュレートできます。

また、このツールはシミュレーション内のパラメーター値を可視化することもできます。例えば、動的なグラフを使用して、振り子の角度が時間とともにどのように変化するかを示すことができます。

研究者らは、技術評価、ユーザビリティ研究（参加者12名）、専門家インタビュー（物理教師12名）を通じてこのシステムを評価しました。その結果、このシステムは、より魅力的でパーソナライズされた物理学習体験を促進できることが示されました。

専門家らは、このシステムはビデオやオンラインシミュレーターなどの既存の学習教材を補完するものであり、置き換えるものではないと考えています。既存の教材は準備されたトピックには適しているかもしれませんが、このツールは教育関係者に、特定の状況に合わせてオンデマンドでパーソナライズされた学習教材を作成する方法を提供し、これは既存の慣習では十分にサポートされていません。

今後、研究者らは、より広範な物理分野へのシステムの拡張、教室での応用の可能性に関する研究、そして物理教育体験を強化するための複合現実モードの探求を計画しています。

論文アドレス：https://arxiv.org/pdf/2405.18614