人工智能科普套件的研究與分析

孫鄭芬 解迎剛 郭昊 李杰

摘 要：人工智能教育是目前教育發展的大勢所趨。隨著人工智能技術的不斷發展，人工智能教育自提出后就受到全球教育研究者的廣泛關注。通過加強人工智能教育構筑我國人工智能發展的先發優勢，已成為當前亟需思考和解決的問題。為了響應國家政策，培養人工智能人才，文中以Android單片機為基礎，研制了人工智能科普套件。該套件以單片機核心開發板為載體，配套驅動通信模塊、傳感器模塊等電子元器件，結合積木等輔助工具，適用于5～12歲階段幼兒及小學生智力培養，專注于培養孩子科學素養，開發智力;同時也完成了配套人工智能初級課程的編制，設計+搭建+編程+操控四位一體鍛煉孩子的邏輯能力。文中從套件的技術路線、使用方法及技術原理三個方面對該智能套件進行介紹，同時分析當下智能教育的發展趨勢，對智能套件的發展做出展望。

關鍵詞：人工智能教育;科普套件;智慧教育;人工智能科普套件;智力培養;人工智能初級課程

中圖分類號：TP391;G420文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著人工智能技術應用行業的不斷發展，人工智能對發展經濟、提高生活水平以及促進社會進步有著重要影響。目前，我國中小學人工智能教育正處于起步階段[1]，人工智能技術與教育的深度融合對傳統的教育理念、教育體系和教學模式產生了較大影響，其技術應用和人才教育培養問題受到我國政府的高度重視[2]。

2017年，《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》指出，要不斷加快實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程[3]。2018年4月，發布的《高等學校人工智能創新行動計劃》提到，要在中小學階段普及人工智能教育，不斷構建人工智能多層次教育體系，讓更多孩子提前接受人工智能教育，開發兒童智力[4]。自此，“人工智能+教育”被賦予了新的內容和含義。人工智能教育研究可劃分為兩大類。一是人工智能賦能教育，即人工智能在教育中的應用。其主要指人工智能技術支撐教育實踐對教學方式的改變，如精準診斷、個性化推薦、智能導師等[5]。二是人工智能教育內容，即人工智能教育內容本身及其相關素養能力培養。其主要包含多樣的編程教育、創客教育以及計算思維能力、創新能力等信息素質的培養[6]。由于本文提出的人工智能套件用于培養兒童的動手能力、編程教育、思維能力、創新能力，故屬于第二類人工智能教育研究。

人工智能套件基于物聯網感知技術，集合多種傳感器，通過對Arduino開發板的改造，實現了一款可以滿足中小學階段使用的開發模塊套件。作為科學素養啟蒙，基于物聯網感知的人工智能科普套件的目標是使兒童能夠進行場景規劃，掌握用基礎零件搭建場景的技巧，熟練掌握積木塊、電子積木的混合搭建技術;培養兒童的合作意識、情感交流意識，讓他們能夠與其他小朋友一起完成課程任務。通過學習使用本套件，兒童能夠解決簡單的問題，掌握一些基礎知識，養成良好的動手能力;通過逐步接觸復雜結構，了解各種動力的性能改變;通過搭建+編程，初步認識編程，增加兒童對編程的興趣;強化編程能力;學習各種復雜結構，為后期人工智能學習打下良好的基礎。

1 人工智能科普套件的技術路線

Arduino是一款簡單易用、便捷靈活的軟硬件開源電子原型平臺，由開放原碼的簡單I/O界面板衍生而來。其開發環境使用類似Java、C語言的編程語言。該開發板采用AVR系列單片機，具有功耗低、運行速度快、抗干擾能力強和擴展能力強等諸多優點。Ardunio單片機總線結構采用哈佛結構RIS指令集，有AD、SPI接口等，可以滿足各種項目要求。同時，該開發板上的L298N電動機驅動模塊內置最高9 V電源輸入接口和5 V穩定輸出接口，故系統的電源模塊直接采用9 V鋰電池供電。鋰電池具有重量輕、容量大和無記憶效應等優點。

Arduino開發板主要由兩個部分組成：一是開發所需的硬件資源，即各種各樣的 Arduino 電路板;二是開發所需的軟件資源，包括特有的開發工具Arduino IDE編程環境及 Arduino編程語言。使用Arduino技術進行開發的第一步是硬件選型，即選擇符合所需功能的開發板。Arduino開發板目前具有多種開發功能：具備不同開發功能的開發板，可以使用同樣的開發語言，具有統一的對外接口。Arduino 101是一個性能出色的低功耗開發板。它基于Intel Curie模組，有著和UNO一樣的特性和外設。但是由于它使用了低功耗的Intel單片機，板載有藍牙和姿態傳感器，因此其性能更優。

2 人工智能科普套件的制作與實驗探索

該套件以單片機核心開發板為載體，配套驅動通信模塊、傳感器模塊等電子元器件，結合積木等輔助工具。智能套件如圖1所示。

此外，該套件也是一款樂高兼容的開發模塊套件。它集合有多種傳感器，同時可以將傳感器外形包裝后與樂高拼接，接頭采用小朋友容易拆卸安裝的橡膠頭。此外，它搭配多種顏色，可吸引小朋友的興趣，同時也可以通過與樂高組裝實現音樂門鈴、芝麻開門、交通燈、有禮貌的垃圾桶等。讓孩子充分發揮自己的想像力，用該套件制作出更多新奇好玩的東西，開發孩子智力。

3 人工智能科普套件的使用及實現

3.1 使用方法

人工智能科普套件的使用流程如圖2所示。

（1）如果想制作一個小臺燈，那么第一步就是用簡單的代碼編寫一個開關控制燈亮滅的程序，并編譯、上傳。程序邏輯如圖3所示。

程序關鍵代碼如下：

#include

int RECV_PIN = 8;

int LED_PIN1 = 10;

int LED_PIN2 = 12;

int gPWMval=0;

IRrecv irrecv（RECV_PIN）;

decode_results results;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

irrecv.enableIRIn（）;// Start the receiver

pinMode（LED_PIN1，OUTPUT）;

pinMode（LED_PIN2，OUTPUT）;

digitalWrite（LED_PIN1，LOW）;

digitalWrite（LED_PIN2，LOW）;

gPWMval=0;

}

void loop（） {

if（gPWMval==0）{

if （irrecv.decode（&results）） {

Serial.println（results.value，HEX）;

if （results.value == 0xFF30CF）

{

gPWMval=1;

} else if （results.value == 0xFF18E7）

{

gPWMval=2;

}

irrecv.resume（）;// Receive the next value

}

}

if（gPWMval==1）{

digitalWrite（LED_PIN1，HIGH）;

delay（3000）;

digitalWrite（LED_PIN1，LOW）;

delay（3000）;}

else {digitalWrite（LED_PIN2，HIGH）;

delay（5000）;

digitalWrite（LED_PIN2，LOW）;

delay（3000）;}

（2）接下來用五顏六色的積木搭建一個小臺燈。

（3）將套件模塊與搭建好的臺燈拼接在一起，彩燈放在燈泡的位置，開關放在底座上，核心板和其他東西可以隨意擺放。

（4）將燈泡、開關和核心板用連接線連接起來。

（5）按下開關，燈泡被點亮。

3.2 模型示例

臺燈模型示例如圖4所示。

4 結 語

人工智能教育是目前教育發展的新趨勢[7]，當前的人工智能教育還處于初級階段。我國人工智能技術的發展需要中小學教育的變革支撐[8]。好的教育方式并不只是方便教師或學生完成已有知識的被動學習，而是應該激勵學生進行知識的創新和分享，并形成創新和分享到再一次激勵創新和分享的正向循環，讓學生更具有創造性[9]。希望人工智能套件可以培養孩子的學習興趣，激發其創新創造能力潛能。我們相信，伴隨著人工智能教育應用的不斷研究和實踐、教與學效率的不斷提高，人工智能教育最終將促進師生共同發展，培養出新時代所需要的創新型人才[10]。

注：本文通訊作者為解迎剛。

參考文獻

[1]馬陸亭，張偉，鞠光宇，等.加快推進教育和人工智能的融合發展[J].國家教育行政學院學報，2019，26（12）：3-8.

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[3]劉永，胡欽曉.論人工智能教育的未來發展：基于學科建設的視角[J].中國電化教育，2020，41（2）：37-42.

[4]謝昱，陳映曉.深化中小學生教育改革迎接人工智能時代挑戰[J].科學大眾（科學教育），2020，84（1）：16-17.

[5]謝昱，陳映曉.我國中學人工智能教育狀況的調查研究[J].未來與發展，2019，43（12）：103-105.

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[9]陳林龍，李志飛，向凱悅，等.基于SSM的創客教育教學資源庫研發系統[J].物聯網技術，2019，9（1）：111-113.

[10]宋吉凱.2009—2018年我國人工智能教育主題研究文獻的可視化解讀：基于中國知網收錄的期刊文獻[J].新疆教育學院學報，2019，35（2）：24-28.