開源文化理念下的中小學(xué)人工智能教育實(shí)踐

摘要：本文針對(duì)人工智能教育發(fā)展和普及過程中的問題，首先闡述了開源文化的教育意義和價(jià)值，及開源文化在人工智能發(fā)展中的作用，接著從開源文化的角度，在教學(xué)實(shí)踐層面，提供了三個(gè)層次的學(xué)習(xí)案例，以期為人工智能教育的開展提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;開源文化;人工智能教育

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）21-0005-04

在基礎(chǔ)教育的信息技術(shù)教育領(lǐng)域，大家對(duì)“開源”一詞并不陌生，自2001年第八次基礎(chǔ)教育課程改革以來，“開源”曾兩次成為熱點(diǎn)話題。第一次是2001年至2005年左右，隨著信息技術(shù)教育的普及，在軟件成本較高、正版普及程度不高的背景下，一些技術(shù)能力較強(qiáng)的教師開展了對(duì)開源軟件的教學(xué)探索。第二次是2012年至2016年左右，隨著創(chuàng)客教育的普及，“開源”又一次成為信息技術(shù)學(xué)科的重要話題。不同的是，這一次從開源軟件轉(zhuǎn)向了開源硬件，從學(xué)習(xí)的內(nèi)容轉(zhuǎn)變成信息技術(shù)實(shí)踐和創(chuàng)新的工具。這些轉(zhuǎn)變不僅體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，還提升了信息技術(shù)學(xué)科育人的價(jià)值。如今，隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）的發(fā)布，“開源”成為信息技術(shù)學(xué)科的常用詞匯，同時(shí)，開源文化正逐步影響信息技術(shù)學(xué)科的專業(yè)發(fā)展。

“開源”和人工智能有著密切的聯(lián)系，正是由于“開源”才推動(dòng)了人工智能的蓬勃發(fā)展。人工智能教育作為信息技術(shù)學(xué)科的前沿領(lǐng)域，其如何借助開源文化開展教學(xué)，是很多教師在思考的問題。下面，筆者就從開源文化的教育意義入手，借助三個(gè)學(xué)習(xí)案例，談?wù)剬?duì)人工智能教育實(shí)踐的思考 。

開源文化的教育意義

艾瑞克·雷蒙德（Eric Raymond）提出的“大教堂與集市的比喻”是公認(rèn)的開源文化特征，具體來說，“大教堂”代表了系統(tǒng)化、統(tǒng)一化，“集市”代表了個(gè)體化、自由化，兩種模式都能推進(jìn)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，以及個(gè)體參與的便利性、主動(dòng)性，在信息技術(shù)領(lǐng)域，“集市”模式的優(yōu)勢(shì)逐漸呈現(xiàn)，操作系統(tǒng)Linux、搜索引擎Google、編程語(yǔ)言Python等被廣泛應(yīng)用，這是開源文化的社會(huì)意義。范小青認(rèn)為，從發(fā)展歷程來看，開源文化的形成，受到了黑客文化、科學(xué)精神與禮物文化三種力量的影響[1]，而這三種力量的背后有深刻的教育意義。

黑客文化：興趣與動(dòng)機(jī)。黑客常指熱心于計(jì)算機(jī)技術(shù)、水平高超的電腦專家，尤其是程序設(shè)計(jì)人員。在普通人的認(rèn)知中，黑客屬于高級(jí)人才，屬于最聰明、最會(huì)學(xué)習(xí)、最會(huì)探索的人。如果把“黑”這個(gè)標(biāo)簽去掉，他就屬于我們教育理想的產(chǎn)品。因此，教育工作者有理由相信，一個(gè)人能成為黑客，教育起決定作用。其影響的因素較多，筆者認(rèn)為最核心的就是“興趣”和“動(dòng)機(jī)”，興趣是最好的老師，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)在實(shí)施過程中反過來強(qiáng)化學(xué)習(xí)興趣，這就是從教育視角看一個(gè)黑客的成長(zhǎng)過程。

科學(xué)精神：理性與實(shí)證。李醒民認(rèn)為，科學(xué)精神即理性精神和實(shí)證精神，科學(xué)的實(shí)證精神和理性精神兩大支柱并非孤立地聳立在那里，其上還支撐著其他次生精神或衍生精神，如懷疑批判精神、平權(quán)多元精神、創(chuàng)新進(jìn)取精神、糾錯(cuò)臻美精神、謙遜寬容精神等。[2]2016年發(fā)布的《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》提出的科學(xué)精神從學(xué)生的角度，提出了三個(gè)內(nèi)涵：理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究。而在開源文化里，參與開源的技術(shù)人員倡導(dǎo)“技術(shù)為王”“問題解決”“實(shí)際貢獻(xiàn)”等客觀實(shí)證，這些又反饋到中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的其他方面，因此科學(xué)精神本質(zhì)上就是教育目標(biāo)與價(jià)值。

禮物文化：個(gè)性與創(chuàng)造。隨著生產(chǎn)資料的豐富和生產(chǎn)工具的先進(jìn)，人類社會(huì)的“交換”發(fā)生了本質(zhì)變化，這種轉(zhuǎn)變?cè)谀繕?biāo)上體現(xiàn)了“生存需要”向“社會(huì)需要”的轉(zhuǎn)變，在形式上體現(xiàn)了從“物質(zhì)需要”向“精神需要”的轉(zhuǎn)變，禮物文化就是從兩個(gè)轉(zhuǎn)變中形成的。從“物”變?yōu)椤岸Y”，是創(chuàng)造和分享的過程，但禮物文化有個(gè)特質(zhì)——特殊性，對(duì)物提出了特殊的要求，從教育視角看，那就是創(chuàng)新性。因此，開源是一個(gè)不斷創(chuàng)新、不斷分享的過程。

借助開源資源的人工智能教育實(shí)踐

目前，開源硬件初步可劃分為兩類：①微控制器（MCU），如Arduino、micro：bit，其可直接在裸機(jī)上跑可執(zhí)行程序;②單板機(jī)（SCB）或片上系統(tǒng)（SOC），如掌控板、小齊（K210）以及各種兼容樹莓派，其能完整地跑定制化的開源Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)置常用教學(xué)或開發(fā)工具。而比較成熟的用于教學(xué)的開源軟件基本上分為兩類：一類是圖形化編程的軟件，或者基于開源圖形化軟件所做的二次開發(fā)（如Mind+、米思齊、kittenblock、mpythonx）;另一類是Python代碼編程IDE和擴(kuò)展庫(kù)。[3]

1.應(yīng)用開源軟件的人工智能教育實(shí)踐

應(yīng)用開源軟件是指以開源軟件為主，結(jié)合其他軟硬件的優(yōu)點(diǎn)，圍繞人工智能教育的目標(biāo)，進(jìn)行一些教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，如體驗(yàn)活動(dòng)、實(shí)踐活動(dòng)等。

案例一：漫像。

活動(dòng)目標(biāo)：應(yīng)用百度大腦、Python等體驗(yàn)人像漫畫的技術(shù)過程，掌握平臺(tái)的基礎(chǔ)使用方法。

活動(dòng)對(duì)象：中學(xué)生。

技術(shù)準(zhǔn)備：掌控Python基本使用方法，了解百度大腦的基本功能。

程序?qū)崿F(xiàn)[4]：①使用百度賬號(hào)獲得接口授權(quán)。②讀取人像圖片信息。③提交人像圖片信息，請(qǐng)求獲取漫像圖片信息。④保存漫像圖片。

案例二：測(cè)量親子相似度。

活動(dòng)目標(biāo)：將家庭成員進(jìn)行相貌對(duì)比，通過軟件計(jì)算得出具體相似度，體驗(yàn)人工智能的圖像識(shí)別魅力。

活動(dòng)對(duì)象：小學(xué)生。

技術(shù)準(zhǔn)備：掌握Mind+基本操作。

實(shí)現(xiàn)過程：①采集學(xué)生頭像圖片，保存并設(shè)置為“本地文件圖片”。②編寫程序（如圖1）。③調(diào)試程序（分別采集父母、兄妹、爺爺、姐姐頭像）進(jìn)行對(duì)比。④讀取相似度。

2.應(yīng)用開源硬件的人工智能教育實(shí)踐

開源硬件在教學(xué)中的應(yīng)用比較廣泛，常見的有Arudino、掌控板、樹莓派、虛谷號(hào)等，相關(guān)的資源也相對(duì)比較豐富。下面，筆者以當(dāng)前較流行的人工智能開源硬件K210主控為例介紹實(shí)踐項(xiàng)目。

K210是嘉楠出品的“勘智K210”兼容板的簡(jiǎn)稱，采用RISC-V處理器架構(gòu)，具有視聽一體、自主IP核與可編程能力強(qiáng)三大特點(diǎn)，支持機(jī)器視覺與機(jī)器聽覺多模態(tài)識(shí)別，廣泛應(yīng)用于智能家居、智能園區(qū)、智能能耗和智能農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景。[5]筆者利用K210兼容板“小齊”開展了相關(guān)實(shí)踐。

案例三：積木種類識(shí)別。

活動(dòng)目標(biāo)：通過攝像頭、LCD屏等進(jìn)行積木各類的分類識(shí)別，了解機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程和圖像識(shí)別的一些知識(shí)。

活動(dòng)對(duì)象：中小學(xué)生。

技術(shù)準(zhǔn)備：中學(xué)生使用MaixPy，小學(xué)生使用米思齊軟件。教師協(xié)助進(jìn)行模型訓(xùn)練。

實(shí)現(xiàn)過程：①注冊(cè)登錄（www.maixhub.com）。②按規(guī)范提交數(shù)據(jù)訓(xùn)練與下載訓(xùn)練模型，具體詳見網(wǎng)站。③安裝好米思齊軟件，導(dǎo)入mixly for MaixPy。支持K210編程（如圖2）。④導(dǎo)入模型，編寫程序（如圖3）。

經(jīng)過實(shí)踐可知，K210主控板功能強(qiáng)大，當(dāng)然，一些教育企業(yè)也提供了豐富的生態(tài)，如Mind+軟件支持下的博派等。

應(yīng)用開源資源開展人工智能教育實(shí)踐的建議

1.充分挖掘開源社區(qū)的價(jià)值

開源社區(qū)即開放源代碼網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，開展人工智能教育實(shí)踐的教師，非常有必要以不同的身份來挖掘開源社區(qū)的教育價(jià)值，可以學(xué)習(xí)者身份，采用開源社區(qū)學(xué)習(xí)模式進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)。同時(shí)，他們還可以教師身份利用好開源社區(qū)資源，如：①了解知名的開源社區(qū)，參與其中，獲取幫助;②選擇適合的、學(xué)習(xí)資源豐富的人工智能開源項(xiàng)目，提升項(xiàng)目在中小學(xué)人工智能教育中的意義;③參與項(xiàng)目，獲得社區(qū)技術(shù)人員的支持，讓其成為人工智能教育的校外導(dǎo)師團(tuán)，壯大人工智能教師隊(duì)伍。

2.正確理解開源對(duì)人工智能教育的意義

在《標(biāo)準(zhǔn)》中，“開源”一詞共提及41次，在“人工智能初步”模塊提出，“充分利用豐富的開源硬件和人工智能應(yīng)用框架等資源，搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)的能力，鼓勵(lì)學(xué)生積極探究、大膽實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維”?？梢悦鞔_，開源技術(shù)在信息技術(shù)教育中的應(yīng)用會(huì)隨著開源技術(shù)在技術(shù)發(fā)展中的作用和地位的提升而不斷擴(kuò)大。

3.合理利用開源資源特點(diǎn)促進(jìn)人工智能教育發(fā)展

雒亮、祝智庭等認(rèn)為開源硬件有三大優(yōu)勢(shì)，分別是低成本、完整的生態(tài)、協(xié)作迭代。[6]而陳健、陳志等則認(rèn)為開源軟件具有“信息安全隱患風(fēng)險(xiǎn)”“知識(shí)產(chǎn)權(quán)及合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)”“出口管制面臨‘?dāng)喙╋L(fēng)險(xiǎn)”三大風(fēng)險(xiǎn)，須敲響開源警鐘。[7]開源資源的豐富性給人工智能教育內(nèi)容的多樣選擇提供了可能性，便于教師在不同階段開展不同類型人工智能教育。開源資源的低成本，也大大降低了人工智能教育的成本，為普及中小學(xué)人工智能提供了更多選擇。另外，開源資源的發(fā)展性，保障了人工智能教育的時(shí)代性和先進(jìn)性。因此，利用開源資源開發(fā)人工智能教育課程，能促進(jìn)人工智能教育的發(fā)展和普及，同時(shí)，也需要對(duì)開源資源的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行必要的評(píng)估，從教育的角度來看，影響尚未體現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

在程序員中流傳著這樣一句俗語(yǔ)：代碼無用，思想無價(jià)。在開源的文化里，“精神”和“思想”相互供養(yǎng)。因此，信息技術(shù)教師在開展人工智能教育實(shí)踐時(shí)，應(yīng)充分利用“開源”，擁抱“開源”，發(fā)展“開源”，看到開源世界給我們提供的技術(shù)、資源、平臺(tái)和思想，不斷提升自我的育人意識(shí)、技能能力、教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]范小青.開源文化的三大源頭[J].教育傳媒研究，2016（05）：59-63.

[2]李醒民.什么是科學(xué)精神[N].中國(guó)科學(xué)報(bào)，2014-12-26.

[3]李紅印，梁森山，謝作如.從開源開放到教育自信[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2021（12）：4-9.

[4]https：//ms.jse.edu.cn/index.php？r=studio/index/index&sid=41.

[5]勘智K210[DB/OL].https：//canaan-creative.com/product/kendryteai.

[6]雒亮，祝智庭.開源硬件：撬動(dòng)創(chuàng)客教育實(shí)踐的杠桿[J].中國(guó)電化教育，2015（04）：7-14.

[7]陳健，陳志.警惕開源軟件風(fēng)險(xiǎn) 提升我國(guó)軟件供應(yīng)鏈科技安全[J].科技中國(guó)，2021（03）：19-22.

本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡(luò)名師工作室人工智能教育研究階段性成果。