普通物理課程中的 AI 助教設計：互動模組與學習成效

Yu-En Ou^1*, Daw-Wei, Wang^1,2,3

¹Department of Physics, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
²Center for Theory and Computation, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
³Center for the Application and Development of AI in Humanity and Social Sciences, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan

* Presenter:Yu-En Ou, email:oun1221@gapp.nthu.edu.tw

隨著生成式 AI 技術的迅速發展，教育界逐漸關注如何在學習過程中有效整合生成式 AI，以輔助學生的學習。本研究針對普通物理學課程中學習者在概念理解和問題推導上的需求，設計了一套基於生成式 AI 的互動模組，作為物理學習中的 AI 助教。我們設計了三種互動情境：「問題推導」、「物理概念討論」以及「數值繪圖」。透過互動情境的設計，學生可根據學習需求靈活調整指令，精確地引導 AI 助教的回應。我們的設計依據建構式學習理論中的鷹架理論，將 AI 助教定位為「學習鷹架」，幫助學生在學習過程中獲得即時且適度的支持，最終提升其自主解決問題的能力。同時我們也進一步對學生與 AI 助教的互動記錄進行對話分析，透過對話流程及問題類型的分群，找出具有代表性的回答模式，並觀察學生如何透過 AI 助教取得幫助。最後，我們進行了適用性分析，使用113學年下學期普通物理學課程的數據，評估 78 位學生的操作行為與表現的關聯性。結果顯示，高使用量組別的學習進步比例顯著高於低使用量組別（進步比例：高使用量組34.21%，低使用量組26.32%），且退步比例顯著較低（高使用量組13.16%，低使用量組42.11%）。此外，AI 助教的使用量與學習進步呈現顯著正相關（相關係數：0.42，p值：0.001），表明生成式 AI 助教在普通物理學教育中具有效果，能顯著支持學習者的成長。根據目前的研究結果，我們認為生成式 AI 助教在普通物理學課堂中具備實際應用潛力，為未來物理教育中的學習輔助工具設計提供了依據。

Keywords: Intelligent Tutoring Systems, Conversation Analysis, Educational Technology, Physics Education, Generative AI