小學(xué)階段開(kāi)展輕量化人工智能教育初探

程馬峰

“輕量化人工智能教育”是指適應(yīng)于中小學(xué)教育層次的簡(jiǎn)單、輕便、圖形化的以人工智能為學(xué)習(xí)研究對(duì)象的教育，它定位于對(duì)人工智能技術(shù)的普適教育，普及概念，了解原理，讓學(xué)生體驗(yàn)和應(yīng)用文字朗讀、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器翻譯、視覺(jué)偵測(cè)、人臉識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，為以后的深層次的人工智能技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。

一、選擇圖形編程，降低教育門(mén)檻

1. 一體化的人工智能教育產(chǎn)品。這些產(chǎn)品一般含有圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、物體識(shí)別等先進(jìn)的人工智能技術(shù)，具有廠家的專業(yè)服務(wù)，成體系課程可供選擇，教學(xué)方便，安全可靠。如：果小聰、百度小布教育機(jī)器人。但是目前報(bào)價(jià)較高，一定程度上限制了普及使用。

2. 基于樹(shù)莓派人工智能套件。樹(shù)莓派能夠運(yùn)行Raspbian、Windows IoT Core 等操作系統(tǒng)，深受開(kāi)發(fā)者、極客、技術(shù)愛(ài)好者們的追捧和喜愛(ài)。樹(shù)莓派搭配各類開(kāi)源的人工智能模塊就可變身為人工智能教具，但這一方案的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建對(duì)小學(xué)生能力要求較高，不易普及。

3. Scratch3.0. 這是美國(guó)麻省理工學(xué)院提供的一款軟件，支持文字朗讀、視頻偵測(cè)和翻譯等人工智能擴(kuò)展，是青少年學(xué)生編程學(xué)習(xí)和人工智能學(xué)習(xí)的利器，免費(fèi)易用，但其人工智能技術(shù)涵蓋內(nèi)容不夠豐富，人工智能模塊也不能脫機(jī)使用，不足以讓學(xué)生較全面了解人工智能技術(shù)。

4. 基于Scratch3.0的衍生編程軟件。Scratch3.0是一個(gè)開(kāi)源平臺(tái)，很多廠商基于它之上，進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，加入了很多的硬件支持和人工智能模塊。目前小喵科技出品的kittenblock就是其中的優(yōu)秀的代表。它支持圖形化程序的micro：bit，arduino等開(kāi)源硬件控制，支持圖形化轉(zhuǎn)Python/ C++代碼等高級(jí)語(yǔ)言。在它的擴(kuò)展中，把人工智能中的語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音朗讀、視覺(jué)識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、TensorFlow等高級(jí)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)封裝積木塊嵌入其中，讓小學(xué)生都可以輕松使用。它還支持硬件人工智能模塊，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)學(xué)習(xí)。在原有電腦機(jī)房上稍做更改，配上耳麥和攝像頭，就可以實(shí)現(xiàn)輕量化人工智能教學(xué)，適合普適教學(xué)推廣。

二、社團(tuán)活動(dòng)先行，研究普適教學(xué)

輕量化人工智能教育需實(shí)驗(yàn)先行再推進(jìn)推廣，社團(tuán)活動(dòng)時(shí)間是絕好的試驗(yàn)田。筆者在社團(tuán)活動(dòng)中開(kāi)展了30人的教學(xué)研究，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)成果進(jìn)行初步的驗(yàn)證。社團(tuán)活動(dòng)的成功試驗(yàn)為在自然班開(kāi)展人工智能教學(xué)打下了基礎(chǔ)。

三、項(xiàng)目學(xué)習(xí)推進(jìn)，激發(fā)應(yīng)用興趣

教學(xué)當(dāng)中，要從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，讓學(xué)生置身于真實(shí)的生活情景中，引導(dǎo)他們自主地進(jìn)行問(wèn)題分析與探究，通過(guò)制作作品來(lái)完成知識(shí)建構(gòu)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。如讓學(xué)生了解人工智能視覺(jué)識(shí)別時(shí)，以模擬建造智能停車場(chǎng)門(mén)閘系統(tǒng)為項(xiàng)目，研究學(xué)校停車場(chǎng)的自動(dòng)門(mén)閘，分析門(mén)閘動(dòng)作。學(xué)生在制作時(shí)遷移了以前樂(lè)高EV3套件的知識(shí)，探索出Mind+實(shí)時(shí)模式，用藍(lán)牙經(jīng)scratchlink控制樂(lè)高馬達(dá)，模擬出門(mén)閘動(dòng)作升降，利用樂(lè)高小車掛上打印的車牌號(hào)模擬小車，讓攝像頭識(shí)別車牌號(hào)，判斷該小車是否已經(jīng)交費(fèi)，播放回應(yīng)語(yǔ)音，然后升閘放行。這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施比起純粹的車牌識(shí)別顯示在電腦屏幕上來(lái)得更真實(shí)有趣。

在學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了視覺(jué)識(shí)別，還應(yīng)用了之前學(xué)習(xí)的語(yǔ)音合成等綜合知識(shí)。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過(guò)程提高了學(xué)生的知識(shí)水平和專業(yè)素養(yǎng)，經(jīng)過(guò)4個(gè)課時(shí)的努力，項(xiàng)目完成之時(shí)，學(xué)生的興奮難以言表。因此，人工智能教學(xué)應(yīng)盡量貼近學(xué)生生活環(huán)境，宜以智慧家居、智慧農(nóng)業(yè)、垃圾分類主題進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)。

四、結(jié)合開(kāi)源硬件，推動(dòng)應(yīng)用創(chuàng)新

目前輕量化人工智能教學(xué)內(nèi)容核心有文字朗讀、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器翻譯、視覺(jué)偵測(cè)、機(jī)器學(xué)習(xí)五大塊，如果純技術(shù)教學(xué)，5個(gè)課時(shí)即可完成，但是這樣不能讓學(xué)生深刻體會(huì)到人工智能巨大的產(chǎn)業(yè)作用。教育需要結(jié)合開(kāi)源硬件，推動(dòng)人工智能應(yīng)用創(chuàng)新，才有生命力。Kittenblock對(duì)開(kāi)源硬件有良好的支持，如micro：bit、arduino或者基于這兩者之上的衍生硬件。這些開(kāi)源硬件有非常多的傳感器和執(zhí)行器支持，如超聲波、人體感應(yīng)、紅外、光線、溫濕度、聲音等傳感器和舵機(jī)、馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)、喇叭、LED燈等執(zhí)行器。在Kittenblock利用人工智能結(jié)合開(kāi)源硬件搭配各種傳感器和執(zhí)行器，可推動(dòng)人工智能進(jìn)一步創(chuàng)新應(yīng)用，制作出一項(xiàng)小發(fā)明小制作，服務(wù)于生活與學(xué)習(xí)。如講語(yǔ)音識(shí)別時(shí)，結(jié)合arduino控制馬達(dá)就成為語(yǔ)音控制小風(fēng)扇，成為智能家居的一部分。這些小制作和小發(fā)明成了學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)應(yīng)用人工智能的興趣點(diǎn)。

五、AIoT萬(wàn)物互聯(lián)，提升應(yīng)用高度

人工智能（AI）+物聯(lián)網(wǎng)（IoT）成為現(xiàn)在炙手可熱的人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT），在小米生態(tài)中，通過(guò)自然語(yǔ)言命令小米智能音箱聯(lián)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)控制燈光、空調(diào)、窗簾開(kāi)關(guān)，是AIoT應(yīng)用的典型代表?，F(xiàn)在很多物聯(lián)網(wǎng)廠商開(kāi)放IoT接口，如EASY IOT、Azure IOT、onenet、阿里云等，可以用在教學(xué)中。為了便于教學(xué)，國(guó)內(nèi)的一些基于Scratch3.0的衍生編程軟件也開(kāi)放出本地IoT，如Mind+提供SIoT，它是一個(gè)針對(duì)學(xué)校教育場(chǎng)景的開(kāi)源免費(fèi)的MQTT服務(wù)器軟件，可一鍵創(chuàng)建本地物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，Kittenblock也內(nèi)置了本地IoT服務(wù)，做到了一鍵開(kāi)啟，這些設(shè)計(jì)讓小學(xué)生都可以輕松上手物聯(lián)網(wǎng)。本地IoT在利用人工智能搭載開(kāi)源硬件，配上物聯(lián)網(wǎng)IoT就立馬升級(jí)為AIoT。筆者曾在教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生利用攝像頭、開(kāi)源硬件配合傳感器聯(lián)接IoT服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程入侵聯(lián)動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，學(xué)生大呼神奇。

六、活用軟件教程，補(bǔ)充教學(xué)資源不足

小學(xué)階段的人工智能教育目前正處于起步階段，存在著教學(xué)資源不足的現(xiàn)象。一般的編程軟件為了教會(huì)用戶操作，都會(huì)配套一些技術(shù)文檔和基礎(chǔ)例程，這些例程文檔往往是針對(duì)軟件某種單一功能的介紹，熟悉后進(jìn)行組合項(xiàng)目化運(yùn)用，就是一份很好的教學(xué)資源，也可以提供給學(xué)生自學(xué)，一定程度上能緩解人工智能教學(xué)資源欠缺的困難。