人工智能在高中科技社團(tuán)活動中的實(shí)踐

李巖 王一凡 趙可忻 馬曉陽

國務(wù)院在印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。教育部也于2018年1月16日宣布，正式將人工智能寫入高中新課標(biāo)，并于當(dāng)年秋季學(xué)期開始執(zhí)行。由此可以看出，高中階段開展人工智能教育，是新時代對基礎(chǔ)教育提出的任務(wù)和要求，也是滿足國家意志的教育需要，更是基礎(chǔ)教育的新任務(wù)和新?lián)?dāng)。

高中開展人工智能教育的意義

自從《普通中學(xué)技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布以來，人工智能課程已相繼在中學(xué)階段開設(shè)，人工智能教育在高中落地具有重要的指導(dǎo)與發(fā)展意義。首先，人工智能人才培養(yǎng)必須從基礎(chǔ)教育抓起，高中階段實(shí)施人工智能教育，既有利于培養(yǎng)具有智能時代信息素養(yǎng)的學(xué)生，也能為高等教育人工智能專業(yè)人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，高中階段的學(xué)生已經(jīng)具有一定的知識積累和創(chuàng)新思維，針對高中學(xué)生開展人工智能教育，能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的信息觀念與創(chuàng)新精神，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造能力與實(shí)踐能力。最后，人工智能教育是綜合知識和技能的培養(yǎng)，這對于學(xué)生之后的理科、工科學(xué)習(xí)具有積極的正面影響。在全球都大力發(fā)展“人工智能”的背景下，我國在高中階段開展人工智能教學(xué)，能夠培養(yǎng)更多的科技創(chuàng)新人才，實(shí)現(xiàn)彎道超車，從而最終為國家的發(fā)展戰(zhàn)略貢獻(xiàn)相應(yīng)的科技力量。

高中開展人工智能課程的選擇

教育部在高中課程標(biāo)準(zhǔn)中，將人工智能歸入高中信息技術(shù)課程，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，明確指出，通過學(xué)習(xí)能夠讓學(xué)生了解人工智能的概念及發(fā)展歷程，描述典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過程，并能夠親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)的基本過程和方法，從而增強(qiáng)學(xué)生利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的能力及責(zé)任感。然而，人工智能的科學(xué)技術(shù)含量較高，尤其是一些算法涉及編程的知識，需要更加深入的學(xué)習(xí)。因此，考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)水平和學(xué)習(xí)興趣具有較大的差異，人工智能教育必須有別于傳統(tǒng)的教學(xué)課程，采用分層教學(xué)的教育方式。在信息技術(shù)課上進(jìn)行人工智能基礎(chǔ)理論知識的傳授，幫助基礎(chǔ)薄弱和興趣有限的學(xué)生了解人工智能的基本概念和發(fā)展過程。而針對基礎(chǔ)好、有興趣且善鉆研的學(xué)生，則可以通過學(xué)校的科技社團(tuán)來提供學(xué)習(xí)的平臺，真正給學(xué)生搭建起以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在解決問題的過程中，成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者。通過開設(shè)語音識別、圖像識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等難易適當(dāng)?shù)恼n程，幫助學(xué)生更深層次地掌握人工智能更高端的技術(shù)，從而嘗試自己動手設(shè)計(jì)和制作人工智能的產(chǎn)品。

高中科技社團(tuán)中人工智能的實(shí)踐

1.科技社團(tuán)活動介紹

本科技社團(tuán)隸屬于學(xué)校金鵬科技團(tuán)，由25名來自高一和高二年級對科技創(chuàng)新感興趣的學(xué)生構(gòu)成。這些學(xué)生具有一定的編程基礎(chǔ)和動手實(shí)踐能力，且有較高的熱情參與到實(shí)踐創(chuàng)新中來。社團(tuán)活動的主要內(nèi)容涉及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、3D打印和人工智能的相關(guān)知識和技能。在之前的社團(tuán)活動中，以創(chuàng)客教育為主要形式，將學(xué)生看作活動的主體，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究欲望，引導(dǎo)和幫助學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的技能將自己的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并在各類競賽中取得成績。

人工智能主要包含語音識別、圖像識別、自然語言處理和深度學(xué)習(xí)等模塊，不同模塊有著不同的作用與內(nèi)容。本社團(tuán)選擇了相對易于被學(xué)生理解和掌握的語音識別技術(shù)作為起始點(diǎn)，向?qū)W生重點(diǎn)介紹了語音識別技術(shù)的相關(guān)知識和內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生嘗試應(yīng)用自身所掌握的技能，并結(jié)合3D打印技術(shù)，探究應(yīng)用語音識別技術(shù)的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.人工智能項(xiàng)目選題

北京即將舉辦2022年北京冬季奧運(yùn)會，各種以“冬奧”為主題的創(chuàng)意設(shè)計(jì)不斷涌入我們的視線，特別是作為冬奧會吉祥物的冰墩墩，憨態(tài)可掬的外形給人們留下了深刻的印象。冰墩墩，象征純潔和堅(jiān)強(qiáng)，是冬奧會的特點(diǎn);墩墩，意喻敦厚、健康、活潑、可愛，契合熊貓的整體形象，同時也象征著冬奧會運(yùn)動員們強(qiáng)健的身體、堅(jiān)韌的意志和鼓舞人心的奧林匹克精神，還蘊(yùn)含著中華民族堅(jiān)韌不拔的民族氣節(jié)、民族精神以及源遠(yuǎn)流長、博大精深的中華文化。

學(xué)生以此為靈感，設(shè)計(jì)一款可以進(jìn)行語音交互的冰敦敦玩具，力求將冬奧文化與現(xiàn)代科技相結(jié)合，進(jìn)行創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。使用3D打印制作玩具的外殼，內(nèi)置語音交互模塊，輸入編寫的程序，實(shí)現(xiàn)人與冰敦敦的語音交互，從而可以準(zhǔn)確了解冬奧會的由來以及冬奧會比賽的日程安排等內(nèi)容。

3.作品設(shè)計(jì)與制作過程

（1）冰敦敦外形設(shè)計(jì)

結(jié)合科技社團(tuán)之前的課程，學(xué)生們一致決定使用3D打印來制作冰敦敦的外殼。借助3Done軟件，進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模。由于冰敦敦的外形圓潤，所以在設(shè)計(jì)時多采用曲面彎折的設(shè)計(jì)。與此同時，為了在內(nèi)部安裝語音識別單元，對外觀模型進(jìn)行了抽殼處理，并預(yù)留了語音發(fā)生孔位。最后，考慮到3D打印機(jī)尺寸的限制，將冰敦敦分割為兩個部分，分別進(jìn)行打印。

外殼打印成型后，學(xué)生們使用丙烯涂料為模型上色。冰敦敦頭部裝飾的彩色光環(huán)，靈感源自于北京冬奧會的國家速滑館——“冰絲帶”，流動的明亮色彩線條象征著冰雪運(yùn)動的賽道和5G高科技;左手掌心的心形圖案，代表著我國對全世界朋友的熱情歡迎。涂裝時對顏色的選擇和運(yùn)用，很大程度上提升了學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)了他們的審美情趣。

（2）語音識別與交互

人工智能的語音交互技術(shù)是基于語音輸入的新一代交互模式，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。典型的應(yīng)用是蘋果手機(jī)推出的SIRI和科大訊飛的語點(diǎn)。本產(chǎn)品選用珠海時代電子科技有限公司開發(fā)的WEGASUN-M6語音識別模塊與Arduino控制板和音箱連接來實(shí)現(xiàn)智能語音交互功能。硬件連接好之后，我們將“你好墩墩”設(shè)置為語音控制單元的喚醒指令，并將對話的內(nèi)容進(jìn)行語音合成后寫入語音控制單元。

（3）產(chǎn)品組裝與調(diào)試

程序?qū)懭胝Z音識別模塊后，將連接好的語音識別模塊、Arduino控制板和音箱放入殼體內(nèi)的相應(yīng)位置并固定好。音箱位置需要靠近預(yù)設(shè)的聲音孔，而為了給內(nèi)部模塊提供電源，特意在外殼預(yù)留了USB插槽，并設(shè)計(jì)成短尾巴的造型以便與整體外觀融為一體。

組裝完成后，接通電源。對著冰敦敦說：“你好墩墩！”冰敦敦則會回答：“我在呢！”繼續(xù)對它說：“請為我們介紹一下冬奧會好嗎？”冰敦敦會向我們介紹冬奧會的歷史。還可以對它說：“能否為我們介紹一下冬奧會的比賽安排？”此時，冰敦敦會告訴我們冬奧會的各個賽事場地和比賽時間的安排。測試表明冰敦敦成功實(shí)現(xiàn)了智能語音交互，達(dá)到了學(xué)生們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.分享與評價

在與社團(tuán)其他同學(xué)進(jìn)行交流與分享時，他們非常自豪地向大家介紹了設(shè)計(jì)的靈感來源與制作過程。他們?yōu)檫@個可愛的“智能語音交互冰敦敦”命名為潔竹，“潔”代表了冰雪的圣潔、典雅;“竹”則體現(xiàn)了熊貓的特性。與此同時，還特別強(qiáng)調(diào)了他們在制作過程中遇到問題時是如何通過自主探究和組內(nèi)討論而有效解決的，并在自我評價表中將自己的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程進(jìn)行了認(rèn)真的記錄。

活動總結(jié)與展望

科技社團(tuán)的學(xué)生在完成“智能語音冰敦敦”的作品后非常興奮，而且這種興奮是一種持久的體驗(yàn)。在人工智能教育逐漸普及的今天，學(xué)生們?yōu)槟軌蛴袡C(jī)會學(xué)習(xí)和制作人工智能產(chǎn)品而感到非常幸運(yùn)。而作為教師，必須要改變以往的授課方式，借助先進(jìn)的人工智能技術(shù)來吸引學(xué)生主動學(xué)習(xí)，他們對于全新的人工智能技術(shù)充滿著期待，希望能夠深入學(xué)習(xí)并一展身手。這種期待對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是非常有益的。

此外，教師在開展人工智能教學(xué)活動過程中需要站在學(xué)生的視角，關(guān)注學(xué)生的個性化成長，充分考慮到參加科技社團(tuán)活動學(xué)生的能力差異，并制定更加合理的教學(xué)評價體系。通過難度適當(dāng)?shù)恼n程設(shè)計(jì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主式探究，給予學(xué)生充分的自由，讓他們能夠在規(guī)定的主題內(nèi)獲取自己感興趣的知識和技能。我們相信，學(xué)生在這次社團(tuán)活動中所收獲的不僅僅是持久的興奮，更多的是對知識持久的掌握，而這恰恰也是教師最大的收獲。

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