中小學人工智能教育實驗場所構建 面臨的問題與體系的組成

王賢燦

【摘 要】本文首先分析了目前中小學人工智能教育實驗場所建設中面臨的問題。然后提出為解決這些問題，需各方協同，發揮各自優勢，構造“學校制作中心+區域超算中心+校外體驗中心”的中小學人工智能教育實驗場所體系。并詳細闡述這個體系中，政府主管部門、學校和社會機構所需解決的問題。

【關鍵詞】人工智能教育;教育實驗場所;體系

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）011-067-03

中小學人工智能教育正在全國各地迅速地開展。人工智能技術具有綜合性、實踐性、開放性的特點，這就決定了建設中小學人工智能教育實驗場所很有必要。中小學推進人工智能教育和智能教育應用目前尚處于起步階段[1]。

中小學人工智能教育實驗場所建設與管理面臨的問題

1.尚無建設標準

目前，國家及省級管理層面，尚未有中小學人工智能教育實驗場所建設的國家標準或行業標準;市縣級層面也缺少針對中小學人工智能教育場所的建設規范或指南。

2.建設成本高

中小學人工智能課程教學內容應該定位于人工智能技術中使得機器能夠會看 （ 機器視覺識別技術 ）、會聽 （ 機器聽覺識別技術 ）、會說 （ 人機對話技術 ）、會行動 （ 機器人技術 ） 等方面的相關內容[2]。教學內容覆蓋面寬，學習內容多，既有理論學習、現場體驗，又有動手實踐。為了滿足教學要求，人工智能教育實驗場所的建設項目與傳統實驗室相比必定多了不少，建設成本相應提高了不少。與此同時，人工智能技術進步飛快，需要不斷地投入確保人工智能教育實驗場所軟硬件的更新和人工智能教育有良好的實驗效果。

3.建設與發展不均衡

目前，我國的教育仍存在區域間發展不均衡、區域內發展不均衡的現象。如部分地區重點建設了人工智能特色學校，這些學校人工智能教育實驗場所的建設達到了較高水平;有的學校已經對人工智能教育實驗場所進行了再升級或再改造;有些人工智能教育實驗場所卻成為擺設，使用效益不高，資源浪費嚴重。有些學校實驗附屬用房不足，理化生實驗室缺少單獨的準備室、儀器室、藥品室等，更談不上建設人工智能專用教育實驗場所了。

4.后續運維難點多

搭建一套完備的人工智能教育平臺，哪怕是依靠TensorFlow、Torch或Caffe等開源平臺，都需要進行復雜的軟硬件環境配置。面對中小學生數學、工程、技術等知識儲備有限的問題，面向中小學生的人工智能教育實驗平臺需要二次開發，以便適應中小學生學習。在教學過程中，機器學習的實驗，尤其是深度學習方面的實驗，要求教師有較強的編程能力和較豐富的編程經驗，平臺內容還需要根據實際教學情況進行調整。這些都增加了實驗室建設和維護的難度。

中小學人工智能教育實驗體系的組成

中小學人工智能教育在實施過程中，依據學生認知發展的規律和教育教學循序漸進的邏輯，人工智能教育內容整體上可以按照感知、體驗、創新的層次展開[3]。中小學人工智能教育實驗體系由區域超算中心、學校制作中心、校外體驗中心等組成。

1.集中資源，區域建設超算中心

區域超算中心的主要功能是網絡支持、數據處理、系統模擬、學習管理、教學管理和資源管理等。區域行政主管部門集中人力、物力、財力優勢，遵循系統先進性、實用性、可靠性、開放性、可擴展性的原則，從配套資源、模擬實驗及環境設施建設多方面加大建設投入。依托區域城域網和教育資源公共服務平臺，采用B/S構架，以網絡化、智能化設備為基礎，推進人工智能教育課程資源、實驗平臺、支撐環境三位一體資源體系建設，打造區域中小學共享的人工智能超算中心。

（1）基礎設施提供對人工智能應用和核心服務正常運行的基礎支撐，包括教學實驗平臺建設所需與必要的基礎網絡、安全、存儲設備、操作系統、數據庫系統、中間件等資源。由數據機房、網絡基礎設施和系統軟硬件組成，包括GPU集群、存儲集群和高速網絡等物理資源的配備，承擔著為教學實驗平臺提供計算、存儲、傳輸和交換等服務的重要職責，確保人工智能實驗所需大流量、高并發、低延遲的處理需求，以及結構化、半結構化和非結構化等多種數據類型的存儲、分析、挖掘等關鍵需求。

（2）學習平臺提供各類人工智能模擬學習平臺，包括大數據、機器學習、深度學習、神經網絡等人工智能框架及開發工具;建立對學習內容進行封裝并提供高層次接口的學生人工智能模擬學習平臺。在沒有過多編程能力和編程經驗的情況下，通過該學習平臺，學生只需要寫出一些簡單的程序代碼，就可以完成基本的機器學習和深度學習實驗，更容易通過實驗加深對教學內容的理解。

（3）學習管理記錄、分析、處理學生在學習過程中產生的各類數據。通過對學生學習情況的記錄，應用學習分析技術處理歷史和實時數據，提供用戶在線實驗代碼輸入和結果呈現等交互，實現學生學業發展智能分析與診斷。主要包括人工智能實驗頁面、作業提交、成績分析等欄目。

（4）教學管理構建人工智能課程教學管理體系。輔助教師根據學生的學習情況進行有針對性的教學。包括教學實驗管理、用戶管理、成果管理、成績分析等。

（5）資源管理。提供各類人工智能學習的視頻、課件、微課等，實現教學資源的共建共享，方便師生根據教與學需求進行取用。

2.創設空間，學校建設制作中心

學校制作中心的主要功能是編程學習、創意搭建、虛實融合、應用系統軟件開發和學習成果展示等。其將人工智能知識學習與動手實踐有效整合，打造人工智能教育實踐主陣地，為學校人工智能教育活動開展提供有力幫助與支持。在制作中心各個功能區的技術支持下，在交流中把創意變成現實，在作品分享時進行智慧碰撞。

（1）制作中心基礎設施建設。制作中心作為開展人工智能教育的場所，具備通常的網絡連接環境，并配有桌椅便于學生學習和討論，配有工具柜等家具，便于學生取用工具。制作中心的裝修設計，要盡可能體現人工智能科技感，為學生營造沉浸式的學習環境。

（2）編程學習環境建設。在保證學生上機訓練時間的情況下，合理配備計算機資源，幫助學生配置編程環境，學習系統化的編程理論，讓學生掌握基本的編程方法。

（3）配置創意搭建設備。在制作中心，學生可以根據人工智能學習的情況，搭建軟硬結合的創意作品，如LED設計、機器人搭建、無人機組裝、物聯網控制等，學習和掌握傳感器、單片機、機器控制（人、車、機械臂、無人機等）等技術。

（4）提供虛實融合場景。學生利用虛擬仿真等技術，學習人機對弈、語音識別、機器視覺、自然語言處理、機器人搭建與智能控制、AR體驗等知識，觀察、分析、掌握人工智能技術的基本工作原理。

（5）人工智能應用系統開發體驗。通過人工智能項目的開發實踐，掌握人工智能應用系統開發的規劃、設計、測試等環節，學習利用人工智能技術解決生產生活中出現的各種問題，提高學生發現問題、提出問題、研究問題、解決問題、處理問題的能力，加速基礎知識轉化為實際應用的能力。制作中心可以選擇與生活貼近度高的人工智能應用，如人臉考勤、車牌識別、掃地機器人等。

（6）學習成果展示空間建設。學校可以充分利用校園內的宣傳墻、宣傳欄、宣傳展板、電子宣傳屏、校園電視臺等，開辟人工智能學習成果展示空間，展示學生的人工智能項目成果。這些成果可以包括但不限于學生創意、思維導圖、機器人、無人機以及智慧城市、智慧校園、智慧醫療等學生創作的系統，還包括師生有關人工智能的隨筆、論文，關于人工智能倫理、人工智能未來的討論等。

3.共建共享，校外建設體驗中心

校外體驗中心的主要功能是了解人工智能相關知識，感知和體驗人工智能各類應用。體驗中心的建立旨在提高學生學習人工智能知識的興趣，直觀感知人工智能科技給人們生產生活學習帶來的便利。人工智能體驗中心的建設，要體現科學性、先進性、交互性，要能使學生清晰了解人工智能科技的歷史，如人工智能發展歷史進程中的著名人物、著名公司、重要協議、重要事件等;體驗人工智能科技的應用場景，如智能家居、智能工業、智能交通、智能城市、智能醫療、智能農業等;要能讓學生展開無限的想象，激發學生為將來科技進步貢獻力量的勇氣和信心。企業、高校、研究院所等單位緊跟科技的腳步，它們能提供最新的人工智能研究和應用成果，如人工智能與通信技術、云計算、物聯網、混合現實、量子計算、區塊鏈、邊緣計算等技術的相互滲透與發展研究等。

由政府主管部門、學校、社會機構共同建設和運維的中小學人工智能教育實驗體系，從教育資源均衡配置的角度解決了目前人工智能實驗教學中遇到的問題，促進中小學人工智能實驗室建設與運維從單一走向整合，從各自為政走向共同發展。政府、學校、社會機構應主動作為，發揮自身優勢，各方協調溝通配合，通過會議、研討、展示的方式，加強交流合作，讓學生在人工智能教育實驗場所體系中更好地了解和學習人工智能知識，培養創造性解決問題的能力，充分感悟并分享創新的快樂，形成創新的思維與意識，更好地達到面向未來的核心素養目標的要求。為更好地做好中小學人工智能教育，還需通過多方努力，制定好教育實驗場所建設與運維規范、利用好多方資源、落實好各自的任務。

參考文獻

鐘祖榮，高山艷，邸磊. 人工智能進校園仍需多方努力——基于對部分校長的“人工智能教育”和“智能教育應用”認知的調研[J]. 中小學管理，2020（6）： 44-47.

艾倫. 中小學人工智能課程定位分析[J]. 中國現代教育裝備，2017（10）：1-5.

張云峰. 普及人工智能教育的思考與策略[J]. 教育傳播與技術，2020（6）： 60-63 .

作者單位：廣東深圳市南山區松坪學校