普惠型人工智能課程的實施

刁彬斌 董立

【摘 要】人工智能課程是一門綜合性很強、具有戰(zhàn)略意義的綜合學(xué)科。人工智能課程的實施存在著教什么和如何教的問題。本文以基于Kitten block軟件的體驗型人工智能校本課程的開展為例，以知現(xiàn)象、懂原理、會還原、做創(chuàng)新為目標(biāo)，通過前進與后退的小貓（語音識別）、微笑檢測儀（人臉識別）、石頭剪刀布（機器學(xué)習(xí)）三個課程案例，闡述人工智能校本課程的實施和實施過程中重難點的解決。

【關(guān)鍵詞】人工智能課;校本課程;Kitten block軟件;語音識別;人臉識別;機器學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）05-062-03

人工智能課程的開展與實施，是對一線信息技術(shù)教師實現(xiàn)自我價值的一次重大機會與挑戰(zhàn)。但是現(xiàn)階段實施人工智能課程面臨兩大考驗：“無米下鍋”和如何教的問題。“無米下鍋”指很多人工智能項目動輒幾千甚至上萬元一套的設(shè)備成本。這就需要學(xué)校前期進行大量的課程資金投入。如何教，指很多人工智能項目需要以Python為代表的代碼程序進行人工智能課程的教學(xué)。小學(xué)或初中學(xué)生要學(xué)習(xí)人工智能課程，需要前期進行編程課程的學(xué)習(xí)。

“無米下鍋”與如何教，成為很多學(xué)校開展人工智能課程的攔路虎。而現(xiàn)階段很多小學(xué)在信息技術(shù)課上經(jīng)常使用圖形化編程授課。能不能在圖形化課程基礎(chǔ)上，進行小投入的普惠型人工智能課程的開展呢？現(xiàn)階段有很多圖形化編程軟件已經(jīng)包含很多人工智能體驗?zāi)K。通過使用這些人工智能模塊，完全可以開展體驗型人工智能課程的開展。

筆者以Kitten block軟件為載體，開展了人工智校本課程。下面將自己的一些經(jīng)驗與大家進行分享。

Kitten block是一款免費的圖形化編程軟件。支持圖形化程序控制Micro：bit、Arduino等開源硬件，可以實現(xiàn)輕量化機器學(xué)習(xí)、語音識別/朗讀、視覺識別、Tensor Flow等人工智能項目。官方網(wǎng)址為https：//www.kittenbot.cn/。

在開展人工智能課程的過程中，需要保證計算機處于連接互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。輕量級人工智能模塊的本質(zhì)是本地計算機調(diào)用百度、訊飛等科技公司的人工智能接口完成數(shù)據(jù)解析與數(shù)據(jù)回傳。教師和學(xué)生在開展本課程前需要學(xué)習(xí)圖形化編程的先導(dǎo)課程。Kitten block在界面上沿襲學(xué)生的使用習(xí)慣，學(xué)習(xí)成本比較低。

課程的實施過程

人工智能校本課程的終極目標(biāo)可以概括為十二字：“知現(xiàn)象，懂原理，會還原，做創(chuàng)新”。知現(xiàn)象，就是讓學(xué)生知道生活中，哪些設(shè)備用到了人工智能以及對應(yīng)技術(shù)。懂原理，解決的是學(xué)生知其然，并知其所以然的問題。會還原，做到腦與手的統(tǒng)一，采用Kitten block軟件對現(xiàn)實問題的簡單實驗還原。做創(chuàng)新，主要是讓學(xué)生學(xué)會舉一反三，發(fā)散學(xué)生思維，同時培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力。

如以語音識別課程為例，可以采用小米智能音箱作為課程的引入點，拋出“語音識別”這一人工智能技術(shù)點，然后圖文并茂講解語音識別的技術(shù)原理。講述完語音識別原理之后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生完成基于Kitten block簡單案例的制作過程，使學(xué)生掌握新知識的技術(shù)要點。以教師為主體的講授過程，可以高效地完成新知識的積累過程。

教師授課新知識之后，進入以學(xué)生為主體的“做創(chuàng)新”環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)也是課程的重點環(huán)節(jié)。學(xué)生作為課程主體，發(fā)散自己的思維，結(jié)合新舊知識與自己的個人生活體驗，完成“創(chuàng)造”過程，實現(xiàn)知識的提升與升華。

基于Kitten block軟件的體驗型人工課程校本課，只是在授課過程中以Kitten block軟件為主要實施主體。在上課的過程中可以依照現(xiàn)有條件，引入智能設(shè)備體驗，如手機App程序等可以加強學(xué)生視覺感官的設(shè)備與設(shè)施。學(xué)生在視覺上受到新技術(shù)的震撼，能夠增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動作用。

課程實施的難點解決

Kitten block軟件中集成了語音識別、語言翻譯、語音合成、人臉識別、機器學(xué)習(xí)等人工智能項目。下面就課程的實施難點提出一點解決思路。

1.程序模塊的加載方法

Kitten block可以支持若干開源硬件及人工智能模塊的編程，它默認展示基本的Scratch功能，其他程序模塊通過擴展的方式進行加載。加載擴展程序的方法很簡單，點擊程序左下角的擴展按鈕，在展開的擴展程序界面點擊相應(yīng)的功能名稱，即可完成相應(yīng)模塊的加載（圖1）。

2.語音識別項目的干擾問題

在語音識別項目中，結(jié)果準(zhǔn)確率是困擾大家的一個普遍問題。提高語音識別準(zhǔn)確率，可以從以下幾個方面入手：（1）盡量使用外接麥克風(fēng)。有些電腦內(nèi)置麥克風(fēng)設(shè)備，但電腦運行過程中可能會產(chǎn)生一定的電磁干擾。在實施語音識別項目時若出現(xiàn)識別成功率低的問題，可以嘗試使用外接麥克風(fēng)。（2）環(huán)境噪音干擾問題。環(huán)境噪音干擾，也是語音識別率低下的重要因素。在語音輸入實現(xiàn)過程中，盡量要保持環(huán)境處于安靜狀態(tài)。在課程的開展過程中，會有多組學(xué)生實施語音輸入實驗。各個不同輸入者，也存在互相干擾的問題，應(yīng)保持錯峰有序輸入。（3）實驗實施者語音語速問題。在語音輸入過程中，要盡量語音正確、語速適中，盡量使用普通話進行語音輸入。

3.接受體驗型項目的局限性

在體驗人工智能項目時，需要接受程序的局限性。主要體現(xiàn)在“按鍵事件”的喚醒機制，即人工智能項目還需要按鍵盤喚醒。如以語音識別的“前進與后退的小貓”程序為例（圖2）。本程序需要使用“Baidu Ai”拓展模塊，實現(xiàn)語音前進、后退控制小貓向右走和向左走。但是需要使用空格鍵實現(xiàn)語音的輸入過程。圖像識別、機器學(xué)習(xí)等項目也存在這個局限性。

4.人臉識別項目的圖像問題

Kitten block的“Face All”模塊可以通過人臉檢測實現(xiàn)年齡、性別、表情等人臉特征分析。但初學(xué)者開展本項目時，常常遇到不知道如何開啟攝像頭的問題。其實解決方法也很簡單，只需在使用前加載并開啟“視頻偵測”模塊。

講授人工智能課程的同時，可以滲透情感價值觀的教育。如以“微笑檢測儀”程序為例（圖3）。這個程序不僅涉及人臉識別的程序模塊，同時還希望學(xué)生保持樂觀向上的精神，多多微笑。編寫程序時，先引入微笑、平靜、憤怒三個角色。在背景中進行人臉識別程序的編寫，程序執(zhí)行時，點擊綠旗，開始攝像并開啟人臉檢測功能，當(dāng)空格鍵被按下，進行人臉檢測。當(dāng)檢測到人臉時，執(zhí)行微笑率檢測程序，然后根據(jù)微笑率的數(shù)值范圍發(fā)送不同的廣播。相應(yīng)的角色收到廣播之后，顯示兩秒之后隱藏。

5.機器學(xué)習(xí)的實施

機器學(xué)習(xí)是研究如何使用機器來模擬人類學(xué)習(xí)活動的一門學(xué)科。機器學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)是完成模型訓(xùn)練的過程。Kitten block軟件中，可以進行輕量級的機器學(xué)習(xí)程序設(shè)計。如以“石頭剪刀布”機器識別程序為例。這個程序?qū)崿F(xiàn)了人與電腦的對戰(zhàn)過程，如果訓(xùn)練得當(dāng)，機器勝算的概率幾乎是100%。其實現(xiàn)思路是綠旗子被點擊時，初始化特征庫。然后通過A、S、D三個按鍵分別完成手部錘子、剪刀、布特征的提取，最后當(dāng)空格被按下的時候，完成人機對戰(zhàn)過程。其成功率的高低，取決于特征模型的精確性。大家錄制錘子等手勢時，需要盡量保證攝像頭視野內(nèi)無雜物，且盡量讓攝像頭從多個角度拍攝錘子手勢。

開展人工智能課程的學(xué)習(xí)，可以開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生的認知層次，完成看得見摸得著的實際作品，更能實現(xiàn)學(xué)生手與腦的聯(lián)動。Kitten block軟件對Arduino、Micro：bit開源硬件及拓展傳感器有著良好的支持。同時，它還能支持KOI錦鯉等離線型人工智能模塊。學(xué)生完全可以結(jié)合開源硬件課程完成人工智能型創(chuàng)客作品。

實施普惠型人工智能課程只起到敲門磚和拋磚引玉的作用。如果想完成更加強大和高階的人工智能課程，需要深入研究代碼編程與人工智能框架結(jié)構(gòu)。為了在人工智能時代，自己不落伍，需要大家更艱辛的付出。

作者單位：北京宏志中學(xué) ?北京市通州區(qū)漷縣中學(xué)