基于人工智能教育硬件的中小學(xué)校外電子技術(shù)教育初探

劉星漢

摘? 要：本文站在中小學(xué)校外電子技術(shù)教育與人工智能教育融合的角度，列舉了現(xiàn)階段校外電子技術(shù)教育與人工智能教育融合所面臨的問題，對以引入人工智能教育硬件產(chǎn)品的方式解決問題進(jìn)行了討論，最后結(jié)合筆者自身的教學(xué)實(shí)踐，對人工智能教育硬件產(chǎn)品在中小學(xué)校外電子技術(shù)教育中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)及反思。

關(guān)鍵詞：人工智能? 中小學(xué)? 校外教育? 電子技術(shù)

2017年，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，其中就教育領(lǐng)域提到：鼓勵實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)人工智能學(xué)科等。傳統(tǒng)的校外電子技術(shù)課程，課程內(nèi)容主要包括電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路及電子控制相關(guān)的入門知識及實(shí)踐制作。如何結(jié)合人工智能技術(shù)，更新教學(xué)內(nèi)容，成為眾多教育者的難題。

人工智能教育硬件產(chǎn)品隨著人工智能教育的發(fā)展而不斷發(fā)展，在融入先進(jìn)科技同時，力求降低人工智能教育的學(xué)習(xí)門檻，在高校電子技術(shù)相關(guān)學(xué)科學(xué)習(xí)中，已得到廣泛應(yīng)用。這類產(chǎn)品必須利用人工智能相關(guān)技術(shù)，技術(shù)上是閉源或者部分開源，具備相對完善的開發(fā)資料及生態(tài)，學(xué)生易于學(xué)習(xí)掌握。

把人工智能教育硬件產(chǎn)品的學(xué)習(xí)和應(yīng)用引入電子技術(shù)教育利用其特點(diǎn)，可一定程度解決青少年校外電子技術(shù)教育與人工智能教育融合的問題。

一、中小學(xué)校外電子技術(shù)教育與人工智能教育融合面臨的問題

（一）融合方式不明確

人工智能如果作為一個單獨(dú)的學(xué)科，包含了很多學(xué)科的知識，和一個包羅萬象的學(xué)科融合，同時保留原學(xué)科的特點(diǎn)，是比較難的。

（二）中小學(xué)生掌握人工智能部分知識較為困難

校外電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)群體一般是小學(xué)三年級到高中的學(xué)生，而人工智能課程的部分知識對于這個年齡段的學(xué)生來說很難懂。如果生搬硬套把這些知識加進(jìn)來，而不和原有知識進(jìn)行聯(lián)系，學(xué)生很難理解。

（三）運(yùn)用傳統(tǒng)人工智能產(chǎn)品開展普及實(shí)踐活動很困難

較高規(guī)格的比賽需要參賽作品與熱點(diǎn)科技相結(jié)合。人工智能作為前沿科技，有較高的學(xué)習(xí)門檻，老師學(xué)習(xí)起來也不容易，再輔導(dǎo)學(xué)生就是難上加難。如何讓學(xué)生的作品結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，發(fā)揮自己的創(chuàng)意，成為一大難題。

二、把人工智能教育硬件引入中小學(xué)校外電子技術(shù)教育的原因

（一）更新傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容

目前，國家對于人工智能教育沒有設(shè)立單獨(dú)的課程，也沒有獨(dú)立的課程標(biāo)準(zhǔn)，校外的課程標(biāo)準(zhǔn)也就沒有權(quán)威的參考。筆者認(rèn)為要在校外電子技術(shù)課程中的不同學(xué)段融合人工智能教育內(nèi)容，而不是把人工智能作為一個獨(dú)立模塊，變一點(diǎn)融合為多點(diǎn)融合，從入門課程到高階課程均貫徹人工智能的思想。初級班學(xué)生從生活實(shí)踐的角度理解人工智能的應(yīng)用。中級班學(xué)生嘗試應(yīng)用人工智能教育硬件預(yù)置的功能，解決實(shí)際問題。高級班學(xué)生可以參考人工智能教育硬件社區(qū)資料，自行采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)，體驗(yàn)簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建過程。這樣做既融合了人工智能的知識，具有實(shí)踐性，又沒有缺失電子技術(shù)課程原本的內(nèi)容和特點(diǎn)。

（二）有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

目前，人工智能教育硬件產(chǎn)品的種類功能繁多，涉及圖像識別、顏色識別、標(biāo)簽識別、語音識別等。這些功能是學(xué)生參加比賽，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時需要又很難掌握的東西。從老師的角度說，利用人工智能教育硬件豐富的資源輔導(dǎo)學(xué)生參賽時難度降低了。從學(xué)生的角度說，應(yīng)用人工智能技術(shù)的難度降低，解決了技術(shù)難題。諸多人工智能教育硬件的應(yīng)用，也啟發(fā)了學(xué)生，其作品的創(chuàng)新思路得到擴(kuò)展。

三、把人工智能教育硬件引入中小學(xué)校外電子技術(shù)教育的途徑

（一）利用人工智能教育硬件產(chǎn)品結(jié)合開源硬件進(jìn)行教具制作

在電路控制教學(xué)中，教師可以選擇將人工智能教育硬件作為傳感器模塊使用，把模塊進(jìn)行簡單封裝，實(shí)現(xiàn)圖像識別、語音識別等功能，極大地豐富了傳感器的類別，擴(kuò)展了教師制作教具的思路。學(xué)生使用教具，自己動手進(jìn)行積木式拼接，在制作過程中感受控制過程，理解知識。

（二）應(yīng)用人工智能教育硬件產(chǎn)品進(jìn)行分層教學(xué)

教師引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能教育硬件產(chǎn)品進(jìn)行學(xué)習(xí)的方法也很重要。筆者根據(jù)學(xué)生的能力水平采取分層教學(xué)，在每個層次的教學(xué)中加入人工智能教育硬件產(chǎn)品，做到與電子技術(shù)課程多點(diǎn)融合。一是對于初學(xué)的，學(xué)生，其學(xué)習(xí)主要在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行，利用傳感器（成品的人工智能教育硬件產(chǎn)品，如HuskyLens）、控制器（一般使用開源硬件）、執(zhí)行器進(jìn)行硬件學(xué)習(xí)，教師準(zhǔn)備好程序，學(xué)生通過寫流程圖，修改程序進(jìn)行學(xué)習(xí)。最后在已有知識的基礎(chǔ)上，設(shè)定一個簡單的新任務(wù)，讓學(xué)生利用所學(xué)知識完成。二是對于有一定知識基礎(chǔ)的學(xué)生，老師對任務(wù)中的難點(diǎn)和方法性的知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)引導(dǎo)，對難度不高的知識點(diǎn)，采用問題引導(dǎo)的方法，讓同學(xué)逐步學(xué)會自主學(xué)習(xí)。這一階段引入的人工智能教育硬件產(chǎn)品，需要提供硬件的電路連接圖，由學(xué)生選擇利用人工智能教育硬件替代傳感器或替代控制器（例如Maix系列），自行完成電路組裝。軟件部分的學(xué)習(xí)則由老師提供流程圖和關(guān)鍵語句，學(xué)生自行完成程序設(shè)計。通過與一般開源硬件比較，讓學(xué)生進(jìn)一步了解人工智能教育硬件的作用和人工智能中相關(guān)的技術(shù)。三是對于水平較高的學(xué)生，采用基于項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方法。老師只對關(guān)鍵提供學(xué)習(xí)資料，而學(xué)生應(yīng)學(xué)會利用網(wǎng)絡(luò)或書籍進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。在人工智能教育硬件使用上，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，利用教師提供的課程資源包，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行訓(xùn)練。少數(shù)能力突出的學(xué)生，還可以嘗試自主設(shè)計修改小規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，完成一定的任務(wù)。

（三）引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能教育硬件產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐

學(xué)生利用人工智能教育硬件產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐比較容易。初期，可以讓學(xué)生對創(chuàng)新制作進(jìn)行仿制，通過仿制加深學(xué)生對硬件知識的理解，了解制作項(xiàng)目的過程。然后由仿制過渡到優(yōu)化迭代，對他人的設(shè)計進(jìn)行原理修改，或者功能完善。最后教師針對熱點(diǎn)或難點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生自主研究，進(jìn)行較高層次的創(chuàng)新實(shí)踐。

四、反思與結(jié)語

（一）教師應(yīng)選擇合適的人工智能教育硬件產(chǎn)品進(jìn)行教學(xué)

人工智能硬件種類繁多。用于教學(xué)的硬件應(yīng)具備技術(shù)可靠、成本低、兼容性好、學(xué)習(xí)資料完善、學(xué)習(xí)門檻低、利于學(xué)生學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，教師在把不同的人工智能教育硬件引入教學(xué)或指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)的時候，一定要進(jìn)行甄別，切勿盲目選擇。

（二）教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生合理使用人工智能教育硬件產(chǎn)品

人工智能教育硬件在給大家?guī)矸奖愕耐瑫r，自身也存在一些技術(shù)缺陷。教師在利用硬件開展教育活動時，一定要合理指導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生全面認(rèn)識其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，靈活選用。人工智能教育硬件只是一個學(xué)習(xí)平臺，而不是學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生不僅僅局限于利用其制作作品，也要主動思考，對作品進(jìn)行優(yōu)化。

五、結(jié)語

人工智能教育硬件產(chǎn)品的使用，有助于中小學(xué)校外電子技術(shù)教育與人工智能教育融合得更好。隨著技術(shù)的發(fā)展，人工智能教育硬件產(chǎn)品會不斷完善，相信未來這種產(chǎn)品在校外青少年電子技術(shù)教育的應(yīng)用空間一定會更加廣闊。