小學階段開展輕量化人工智能教育初探

程馬峰

“輕量化人工智能教育”是指適應于中小學教育層次的簡單、輕便、圖形化的以人工智能為學習研究對象的教育，它定位于對人工智能技術的普適教育，普及概念，了解原理，讓學生體驗和應用文字朗讀、語音識別、機器翻譯、視覺偵測、人臉識別、機器學習等人工智能技術，為以后的深層次的人工智能技術研究打下基礎。

一、選擇圖形編程，降低教育門檻

1. 一體化的人工智能教育產品。這些產品一般含有圖像識別、人臉識別、物體識別等先進的人工智能技術，具有廠家的專業服務，成體系課程可供選擇，教學方便，安全可靠。如：果小聰、百度小布教育機器人。但是目前報價較高，一定程度上限制了普及使用。

2. 基于樹莓派人工智能套件。樹莓派能夠運行Raspbian、Windows IoT Core 等操作系統，深受開發者、極客、技術愛好者們的追捧和喜愛。樹莓派搭配各類開源的人工智能模塊就可變身為人工智能教具，但這一方案的實驗環境搭建對小學生能力要求較高，不易普及。

3. Scratch3.0. 這是美國麻省理工學院提供的一款軟件，支持文字朗讀、視頻偵測和翻譯等人工智能擴展，是青少年學生編程學習和人工智能學習的利器，免費易用，但其人工智能技術涵蓋內容不夠豐富，人工智能模塊也不能脫機使用，不足以讓學生較全面了解人工智能技術。

4. 基于Scratch3.0的衍生編程軟件。Scratch3.0是一個開源平臺，很多廠商基于它之上，進行了二次開發，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就是其中的優秀的代表。它支持圖形化程序的micro：bit，arduino等開源硬件控制，支持圖形化轉Python/ C++代碼等高級語言。在它的擴展中，把人工智能中的語音識別、語音朗讀、視覺識別、機器學習、TensorFlow等高級技術進行技術封裝積木塊嵌入其中，讓小學生都可以輕松使用。它還支持硬件人工智能模塊，實現脫機學習。在原有電腦機房上稍做更改，配上耳麥和攝像頭，就可以實現輕量化人工智能教學，適合普適教學推廣。

二、社團活動先行，研究普適教學

輕量化人工智能教育需實驗先行再推進推廣，社團活動時間是絕好的試驗田。筆者在社團活動中開展了30人的教學研究，對教學內容、教學組織、教學成果進行初步的驗證。社團活動的成功試驗為在自然班開展人工智能教學打下了基礎。

三、項目學習推進，激發應用興趣

教學當中，要從學生已有的經驗出發，讓學生置身于真實的生活情景中，引導他們自主地進行問題分析與探究，通過制作作品來完成知識建構，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力。如讓學生了解人工智能視覺識別時，以模擬建造智能停車場門閘系統為項目，研究學校停車場的自動門閘，分析門閘動作。學生在制作時遷移了以前樂高EV3套件的知識，探索出Mind+實時模式，用藍牙經scratchlink控制樂高馬達，模擬出門閘動作升降，利用樂高小車掛上打印的車牌號模擬小車，讓攝像頭識別車牌號，判斷該小車是否已經交費，播放回應語音，然后升閘放行。這個項目的實施比起純粹的車牌識別顯示在電腦屏幕上來得更真實有趣。

在學習過程，學生不僅學習了視覺識別，還應用了之前學習的語音合成等綜合知識。項目實現的過程提高了學生的知識水平和專業素養，經過4個課時的努力，項目完成之時，學生的興奮難以言表。因此，人工智能教學應盡量貼近學生生活環境，宜以智慧家居、智慧農業、垃圾分類主題進行項目學習。

四、結合開源硬件，推動應用創新

目前輕量化人工智能教學內容核心有文字朗讀、語音識別、機器翻譯、視覺偵測、機器學習五大塊，如果純技術教學，5個課時即可完成，但是這樣不能讓學生深刻體會到人工智能巨大的產業作用。教育需要結合開源硬件，推動人工智能應用創新，才有生命力。Kittenblock對開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。這些開源硬件有非常多的傳感器和執行器支持，如超聲波、人體感應、紅外、光線、溫濕度、聲音等傳感器和舵機、馬達、步進電機、喇叭、LED燈等執行器。在Kittenblock利用人工智能結合開源硬件搭配各種傳感器和執行器，可推動人工智能進一步創新應用，制作出一項小發明小制作，服務于生活與學習。如講語音識別時，結合arduino控制馬達就成為語音控制小風扇，成為智能家居的一部分。這些小制作和小發明成了學生持續學習應用人工智能的興趣點。

五、AIoT萬物互聯，提升應用高度

人工智能（AI）+物聯網（IoT）成為現在炙手可熱的人工智能物聯網（AIoT），在小米生態中，通過自然語言命令小米智能音箱聯動物聯網子系統控制燈光、空調、窗簾開關，是AIoT應用的典型代表。現在很多物聯網廠商開放IoT接口，如EASY IOT、Azure IOT、onenet、阿里云等，可以用在教學中。為了便于教學，國內的一些基于Scratch3.0的衍生編程軟件也開放出本地IoT，如Mind+提供SIoT，它是一個針對學校教育場景的開源免費的MQTT服務器軟件，可一鍵創建本地物聯網服務器，Kittenblock也內置了本地IoT服務，做到了一鍵開啟，這些設計讓小學生都可以輕松上手物聯網。本地IoT在利用人工智能搭載開源硬件，配上物聯網IoT就立馬升級為AIoT。筆者曾在教學當中，讓學生利用攝像頭、開源硬件配合傳感器聯接IoT服務，實現遠程入侵聯動語音報警，學生大呼神奇。

六、活用軟件教程，補充教學資源不足

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