中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所構(gòu)建 面臨的問題與體系的組成

王賢燦

【摘 要】本文首先分析了目前中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所建設(shè)中面臨的問題。然后提出為解決這些問題，需各方協(xié)同，發(fā)揮各自優(yōu)勢，構(gòu)造“學(xué)校制作中心+區(qū)域超算中心+校外體驗(yàn)中心”的中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所體系。并詳細(xì)闡述這個體系中，政府主管部門、學(xué)校和社會機(jī)構(gòu)所需解決的問題。

【關(guān)鍵詞】人工智能教育;教育實(shí)驗(yàn)場所;體系

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）011-067-03

中小學(xué)人工智能教育正在全國各地迅速地開展。人工智能技術(shù)具有綜合性、實(shí)踐性、開放性的特點(diǎn)，這就決定了建設(shè)中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所很有必要。中小學(xué)推進(jìn)人工智能教育和智能教育應(yīng)用目前尚處于起步階段[1]。

中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所建設(shè)與管理面臨的問題

1.尚無建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國家及省級管理層面，尚未有中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所建設(shè)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);市縣級層面也缺少針對中小學(xué)人工智能教育場所的建設(shè)規(guī)范或指南。

2.建設(shè)成本高

中小學(xué)人工智能課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該定位于人工智能技術(shù)中使得機(jī)器能夠會看 （ 機(jī)器視覺識別技術(shù) ）、會聽 （ 機(jī)器聽覺識別技術(shù) ）、會說 （ 人機(jī)對話技術(shù) ）、會行動 （ 機(jī)器人技術(shù) ） 等方面的相關(guān)內(nèi)容[2]。教學(xué)內(nèi)容覆蓋面寬，學(xué)習(xí)內(nèi)容多，既有理論學(xué)習(xí)、現(xiàn)場體驗(yàn)，又有動手實(shí)踐。為了滿足教學(xué)要求，人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所的建設(shè)項(xiàng)目與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比必定多了不少，建設(shè)成本相應(yīng)提高了不少。與此同時，人工智能技術(shù)進(jìn)步飛快，需要不斷地投入確保人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所軟硬件的更新和人工智能教育有良好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.建設(shè)與發(fā)展不均衡

目前，我國的教育仍存在區(qū)域間發(fā)展不均衡、區(qū)域內(nèi)發(fā)展不均衡的現(xiàn)象。如部分地區(qū)重點(diǎn)建設(shè)了人工智能特色學(xué)校，這些學(xué)校人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所的建設(shè)達(dá)到了較高水平;有的學(xué)校已經(jīng)對人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所進(jìn)行了再升級或再改造;有些人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所卻成為擺設(shè)，使用效益不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。有些學(xué)校實(shí)驗(yàn)附屬用房不足，理化生實(shí)驗(yàn)室缺少單獨(dú)的準(zhǔn)備室、儀器室、藥品室等，更談不上建設(shè)人工智能專用教育實(shí)驗(yàn)場所了。

4.后續(xù)運(yùn)維難點(diǎn)多

搭建一套完備的人工智能教育平臺，哪怕是依靠TensorFlow、Torch或Caffe等開源平臺，都需要進(jìn)行復(fù)雜的軟硬件環(huán)境配置。面對中小學(xué)生數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等知識儲備有限的問題，面向中小學(xué)生的人工智能教育實(shí)驗(yàn)平臺需要二次開發(fā)，以便適應(yīng)中小學(xué)生學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)，尤其是深度學(xué)習(xí)方面的實(shí)驗(yàn)，要求教師有較強(qiáng)的編程能力和較豐富的編程經(jīng)驗(yàn)，平臺內(nèi)容還需要根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)整。這些都增加了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)的難度。

中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)體系的組成

中小學(xué)人工智能教育在實(shí)施過程中，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律和教育教學(xué)循序漸進(jìn)的邏輯，人工智能教育內(nèi)容整體上可以按照感知、體驗(yàn)、創(chuàng)新的層次展開[3]。中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)體系由區(qū)域超算中心、學(xué)校制作中心、校外體驗(yàn)中心等組成。

1.集中資源，區(qū)域建設(shè)超算中心

區(qū)域超算中心的主要功能是網(wǎng)絡(luò)支持、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)模擬、學(xué)習(xí)管理、教學(xué)管理和資源管理等。區(qū)域行政主管部門集中人力、物力、財力優(yōu)勢，遵循系統(tǒng)先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、開放性、可擴(kuò)展性的原則，從配套資源、模擬實(shí)驗(yàn)及環(huán)境設(shè)施建設(shè)多方面加大建設(shè)投入。依托區(qū)域城域網(wǎng)和教育資源公共服務(wù)平臺，采用B/S構(gòu)架，以網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)備為基礎(chǔ)，推進(jìn)人工智能教育課程資源、實(shí)驗(yàn)平臺、支撐環(huán)境三位一體資源體系建設(shè)，打造區(qū)域中小學(xué)共享的人工智能超算中心。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施提供對人工智能應(yīng)用和核心服務(wù)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)所需與必要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、安全、存儲設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、中間件等資源。由數(shù)據(jù)機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)軟硬件組成，包括GPU集群、存儲集群和高速網(wǎng)絡(luò)等物理資源的配備，承擔(dān)著為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺提供計算、存儲、傳輸和交換等服務(wù)的重要職責(zé)，確保人工智能實(shí)驗(yàn)所需大流量、高并發(fā)、低延遲的處理需求，以及結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等多種數(shù)據(jù)類型的存儲、分析、挖掘等關(guān)鍵需求。

（2）學(xué)習(xí)平臺提供各類人工智能模擬學(xué)習(xí)平臺，包括大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能框架及開發(fā)工具;建立對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行封裝并提供高層次接口的學(xué)生人工智能模擬學(xué)習(xí)平臺。在沒有過多編程能力和編程經(jīng)驗(yàn)的情況下，通過該學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生只需要寫出一些簡單的程序代碼，就可以完成基本的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，更容易通過實(shí)驗(yàn)加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

（3）學(xué)習(xí)管理記錄、分析、處理學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的記錄，應(yīng)用學(xué)習(xí)分析技術(shù)處理歷史和實(shí)時數(shù)據(jù)，提供用戶在線實(shí)驗(yàn)代碼輸入和結(jié)果呈現(xiàn)等交互，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展智能分析與診斷。主要包括人工智能實(shí)驗(yàn)頁面、作業(yè)提交、成績分析等欄目。

（4）教學(xué)管理構(gòu)建人工智能課程教學(xué)管理體系。輔助教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行有針對性的教學(xué)。包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理、用戶管理、成果管理、成績分析等。

（5）資源管理。提供各類人工智能學(xué)習(xí)的視頻、課件、微課等，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共建共享，方便師生根據(jù)教與學(xué)需求進(jìn)行取用。

2.創(chuàng)設(shè)空間，學(xué)校建設(shè)制作中心

學(xué)校制作中心的主要功能是編程學(xué)習(xí)、創(chuàng)意搭建、虛實(shí)融合、應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)和學(xué)習(xí)成果展示等。其將人工智能知識學(xué)習(xí)與動手實(shí)踐有效整合，打造人工智能教育實(shí)踐主陣地，為學(xué)校人工智能教育活動開展提供有力幫助與支持。在制作中心各個功能區(qū)的技術(shù)支持下，在交流中把創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，在作品分享時進(jìn)行智慧碰撞。

（1）制作中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。制作中心作為開展人工智能教育的場所，具備通常的網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境，并配有桌椅便于學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，配有工具柜等家具，便于學(xué)生取用工具。制作中心的裝修設(shè)計，要盡可能體現(xiàn)人工智能科技感，為學(xué)生營造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（2）編程學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)。在保證學(xué)生上機(jī)訓(xùn)練時間的情況下，合理配備計算機(jī)資源，幫助學(xué)生配置編程環(huán)境，學(xué)習(xí)系統(tǒng)化的編程理論，讓學(xué)生掌握基本的編程方法。

（3）配置創(chuàng)意搭建設(shè)備。在制作中心，學(xué)生可以根據(jù)人工智能學(xué)習(xí)的情況，搭建軟硬結(jié)合的創(chuàng)意作品，如LED設(shè)計、機(jī)器人搭建、無人機(jī)組裝、物聯(lián)網(wǎng)控制等，學(xué)習(xí)和掌握傳感器、單片機(jī)、機(jī)器控制（人、車、機(jī)械臂、無人機(jī)等）等技術(shù)。

（4）提供虛實(shí)融合場景。學(xué)生利用虛擬仿真等技術(shù)，學(xué)習(xí)人機(jī)對弈、語音識別、機(jī)器視覺、自然語言處理、機(jī)器人搭建與智能控制、AR體驗(yàn)等知識，觀察、分析、掌握人工智能技術(shù)的基本工作原理。

（5）人工智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)體驗(yàn)。通過人工智能項(xiàng)目的開發(fā)實(shí)踐，掌握人工智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)劃、設(shè)計、測試等環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)利用人工智能技術(shù)解決生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的各種問題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題、解決問題、處理問題的能力，加速基礎(chǔ)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的能力。制作中心可以選擇與生活貼近度高的人工智能應(yīng)用，如人臉考勤、車牌識別、掃地機(jī)器人等。

（6）學(xué)習(xí)成果展示空間建設(shè)。學(xué)?？梢猿浞掷眯@內(nèi)的宣傳墻、宣傳欄、宣傳展板、電子宣傳屏、校園電視臺等，開辟人工智能學(xué)習(xí)成果展示空間，展示學(xué)生的人工智能項(xiàng)目成果。這些成果可以包括但不限于學(xué)生創(chuàng)意、思維導(dǎo)圖、機(jī)器人、無人機(jī)以及智慧城市、智慧校園、智慧醫(yī)療等學(xué)生創(chuàng)作的系統(tǒng)，還包括師生有關(guān)人工智能的隨筆、論文，關(guān)于人工智能倫理、人工智能未來的討論等。

3.共建共享，校外建設(shè)體驗(yàn)中心

校外體驗(yàn)中心的主要功能是了解人工智能相關(guān)知識，感知和體驗(yàn)人工智能各類應(yīng)用。體驗(yàn)中心的建立旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識的興趣，直觀感知人工智能科技給人們生產(chǎn)生活學(xué)習(xí)帶來的便利。人工智能體驗(yàn)中心的建設(shè)，要體現(xiàn)科學(xué)性、先進(jìn)性、交互性，要能使學(xué)生清晰了解人工智能科技的歷史，如人工智能發(fā)展歷史進(jìn)程中的著名人物、著名公司、重要協(xié)議、重要事件等;體驗(yàn)人工智能科技的應(yīng)用場景，如智能家居、智能工業(yè)、智能交通、智能城市、智能醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)等;要能讓學(xué)生展開無限的想象，激發(fā)學(xué)生為將來科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量的勇氣和信心。企業(yè)、高校、研究院所等單位緊跟科技的腳步，它們能提供最新的人工智能研究和應(yīng)用成果，如人工智能與通信技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、混合現(xiàn)實(shí)、量子計算、區(qū)塊鏈、邊緣計算等技術(shù)的相互滲透與發(fā)展研究等。

由政府主管部門、學(xué)校、社會機(jī)構(gòu)共同建設(shè)和運(yùn)維的中小學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)體系，從教育資源均衡配置的角度解決了目前人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題，促進(jìn)中小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)維從單一走向整合，從各自為政走向共同發(fā)展。政府、學(xué)校、社會機(jī)構(gòu)應(yīng)主動作為，發(fā)揮自身優(yōu)勢，各方協(xié)調(diào)溝通配合，通過會議、研討、展示的方式，加強(qiáng)交流合作，讓學(xué)生在人工智能教育實(shí)驗(yàn)場所體系中更好地了解和學(xué)習(xí)人工智能知識，培養(yǎng)創(chuàng)造性解決問題的能力，充分感悟并分享創(chuàng)新的快樂，形成創(chuàng)新的思維與意識，更好地達(dá)到面向未來的核心素養(yǎng)目標(biāo)的要求。為更好地做好中小學(xué)人工智能教育，還需通過多方努力，制定好教育實(shí)驗(yàn)場所建設(shè)與運(yùn)維規(guī)范、利用好多方資源、落實(shí)好各自的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：廣東深圳市南山區(qū)松坪學(xué)校