輕人工智能：聚焦中小學生的智能教育

摘要： 當前，義務教育階段尚未出臺人工智能課程標準，中小學人工智能教育缺乏統一的課程資源，大部分人工智能讀物中的技術復雜難懂，讓學生敬而遠之。“輕人工智能”理念即為改變這一現狀而提出的，它以智能感知為主要研究對象，以計算機視覺與圖像處理作為課程的主體內容，并通過設計輕人工智能課程框架、梳理輕人工智能知識圖譜、與生活與學習深度融合等策略，降低中小學生學習人工智能的難度。

關鍵詞：輕人工智能;人工智能教育;項目學習;計算機視覺;圖像處理

自2017年國務院印發《新一代人工智能發展規劃》起，人工智能教育就作為高頻詞經常出現在廣大教育工作者視野中。2018年，教育部進一步明確，要“構建人工智能多層次教育體系，在中小學階段引入人工智能普及教育”。與政策要求相呼應，全國各地積極布局規劃人工智能教育，有的利用地域優勢，與高校合作開展人工智能專業課程的先修課;有的與研究機構或智能設備企業合作，共同研究人工智能教育的課程框架。我校與人工智能教育的“第一次親密接觸”發生在2018年。當時，學生在完成創客項目的過程中需要增加人工智能視覺識別的內容，由此引發師生對人工智能教育的研究和探索。為少走彎路，我們采取了與研究機構合作的方式，希望在專家的帶領下，運用人工智能前沿技術解決身邊發生的真實問題。這一年，我們在第二課堂上增設了人工智能教育相關的內容。經過兩年的嘗試與積累，2020年正式將人工智能教育內容納入常規課堂，面向所有學生開設。

一、“輕人工智能”理念的提出

人工智能教育是提升學生人工智能素養的泛學科性教育，旨在培養學生理解和掌握人工智能的知識、原理，體驗和實踐人工智能技術，并運用技術嘗試創造性解決實際問題的能力。我們在嘗試人工智能教育時發現，大部分學生對人工智能技術與應用抱有很大熱情，但對于部分人工智能學科分支，他們是無法理解的，或者說他們的生活經驗不足以支撐其感受到技術應用的場景。如果教師在教學內容、教學方法、知識應用方面把握不當，很容易使學生的熱情迅速減退，認為人工智能技術復雜、難懂，繼而敬而遠之。

經過咨詢人工智能專業人士，我們深切體會到，中小學人工智能課程不能上成大學先修課。在中小學階段設置的人工智能課程，應該以中小學生能夠理解與實施為主要依據，以人工智能應用體驗和簡單的人工智能技術學習為主要內容。為此，我們提出了“輕人工智能”的理念。所謂“輕人工智能”，即人工智能的輕度應用。其研究范疇可界定為中小學生能夠理解與實施的人工智能技術。在人工智能研究的各領域中，適于中小學生理解與學習的內容包括：語音識別、TTS、計算機視覺與圖像處理等。語音識別和TTS屬于較為成熟的技術。在教學時，教師應側重于讓學生體驗人工智能的應用，尤其是同一技術在不同場景下的應用，感受人工智能對生活的影響。計算機視覺與圖像處理相對容易可視化，且學生也較易理解其相關原理，計算機視覺中的部分算法也易于向學生開放，學生有自主設計模型的可能性。因此，輕人工智能課程更多聚焦在計算機視覺與圖像處理領域。

由此，我們將“輕人工智能”理念進一步完善為：以智能感知為主要研究對象，以計算機視覺與圖像處理作為課程的主體內容，學生在學習人工智能技術的同時，感受人工智能在學習與生活中的應用，同時嘗試應用人工智能技術來改善學習與生活場景，提高學習與生活的效率。基于以上理念，我校于2019年初聯合順德區以及粵東、粵西、粵北共24所學校結成“輕人工智能作品制作與創意”實踐共同體，帶領學生走進人工智能，從簡單的數據模擬人工智能到輕人工智能的探索與應用研究，使學生利用軟硬件實現簡單的人工智能應用，制作相應的人工智能作品。

二、輕人工智能課程框架設計

目前，中小學開展人工智能教育最大的障礙是沒有統一的課程資源。由于義務教育階段尚未出臺人工智能課程標準和評價標準，各機構、企業出版的人工智能讀物良莠不齊、標準不一，甚至有誤導成分。這對我們開展教學實踐造成了一定的困擾。因此，輕人工智能課程內容的建設就顯得尤為重要。

輕人工智能課程的開設，需要學習一些前置課程。這些課程包括程序設計和開源硬件。我校自2008年起就從項目學習開始著手改革課堂教學，逐漸加入趣味程序設計、3D創意設計、開源硬件等課程。如今，這些課程已經融入常規教學。在七年級學生剛入校時，他們在信息技術課堂上就開始了項目學習之旅。在教師的引領下，他們在“德勝大搜查”項目中經歷了項目學習的全過程，接下來通過“海報制作”項目進一步加深對項目學習的認識與理解，“趣味程序設計”項目又培養了他們的軟件工程思維。學生學完程序設計之后，“IoT入門”項目緊接著引入開源硬件，讓學生把計算機程序的輸入、輸出延伸到硬件上，引導學生學會如何利用傳感器采集和應用數據。“3D創意設計”項目則運用CDIO工程教育模式，讓學生的項目學習更上一層樓。學生發現，項目不是孤立的，它還與很多周圍環境相關，上述項目的經歷會讓學生像產品經理那樣思考和設計制作作品。

有了這些前置課程做準備，我們在八年級的下學期把人工智能中的計算機視覺知識移植到課堂上。在課程設置上，我們安排了“初識人工智能”的科普內容，讓學生認識將要學習的軟件與硬件設備，然后通過設計一個“會學習的程序”拉開人工智能學習的序幕。接下來，學生先學習計算機視覺中最基礎的圖像獲取、顏色識別、色塊追蹤、幾何圖形識別與繪畫，了解到人工智能技術的基礎內容，再接觸最簡單的TensorFlow模型和YOLO模型，經歷模型訓練的過程，自己去采集訓練所需要的數據。最后，學生把所學到的人工智能技術應用到學習與生活中的真實場景。根據上述實踐探索，我們構建了表1所示的輕人工智能課程框架。

三、輕人工智能教育實施

（一）通過外聘專家，快速提升教師專業能力

兵馬未動，糧草先行。要開展人工智能教育，首先需要有足夠的師資力量。但教師們在大學期間并未接受過人工智能專業教育，甚至連人工智能技術都未曾接觸過，而目前各類人工智能師資培訓，往往是智能硬件企業主導的操作性培訓，或者是一些“發燒友”教師的示范性培訓，存在著技術片面或方向不明確等問題。考慮到人工智能師資培訓必須專業且方向正確，經過考察我們最終決定從香港中文大學深圳研究院聘請全球排名前十的人工智能先鋒實驗室的研究員為學生授課。從2018年起，每年研究員們都會通過學校舉辦的人工智能夏令營和冬令營活動，開展人工智能的入門與進階培訓。全體信息技術教師參與其中，與學生一起學習人工智能的入門知識與技術。這些培訓開闊了教師的視野，讓他們了解到人工智能領域最前沿的技術，在設計項目學習課程時，他們也更有能力指導學生利用人工智能技術去解決生活中實際問題。

（二）基于學生的認知特點，選擇適切的教學內容

近年來，各類冠以“人工智能”的研討會和培訓活動鋪天蓋地。但當我們細看這些活動的內容時，往往會發現它們還是編程教育、機器人教育、創客教育或STEM教育等，真正涉及人工智能的活動較少，而關于人工智能教育的活動更少。面對如此眼花繚亂的活動，如何為學生選擇適合的教學內容成了重要問題。人工智能是一門獨立的學科，而它又與上述學科有著交叉關系。目前，人工智能學科的知識體系已經趨于完善，只是大部分內容對于中小學生來說過于復雜，不適合在中小學教育體系中學習。為此，我們與專家一起梳理人工智能入門的知識點，并從中篩選出輕人工智能的技術范疇（如圖1）。

在輕人工智能知識內容的選擇上，我們參考專家意見，從知識基礎、經典機器學習、深度學習算法以及應用方向做了一定深入思考。如對于人工智能視覺技術，我們選擇了相對輕量級的計算機視覺技術以及圖像處理與分析技術。計算機視覺技術主要研究單幅或多幅圖像的三維場景，圖像處理與分析技術的研究對象主要是二維圖像，實現圖像的轉化，尤其擅長像素級操作。從最基本的圖像/視頻采集、顏色識別、二維碼識別、幾何圖形識別與繪畫等入門技術，到物體分類模型、人臉檢測模型、物體識別模型等進階技術，我們盡量把技術難度降低。首先讓學生了解人是如何進行這些工作的，理清順序之后，再遷移到計算機是如何完成這些工作的，中間需要什么來輔助完成，涉及什么原理等。在實踐過程中，我們選擇了國內自主研發的K210芯片的主控板、擁有自主知識產權的國產開源圖形化編程軟件。這順延了前置課程中的程序設計和IoT入門所使用的軟件與部分開源傳感器，讓學生有足夠的基礎，同時也免去了更換軟硬件的麻煩。

除了常規課程按這個知識圖譜進行教學外，在第二課堂的內容選擇上，我們也參考了該圖譜。這樣，優秀的學生就能夠自己根據圖譜確定深入學習的方向與路徑。在該圖譜的引導下，在2019年首屆國際中學生人工智能交流展示活動上，我校學生展示的項目獲得了全場評委的一致好評，奪得了珠峰獎（全場冠軍）。

（三）教學過程與生活和學習深度整合

一方面，人工智能涉及較多數理邏輯和信息技術等學科的背景知識，內容抽象且枯燥;另一方面，它與其他學科的交叉融合非常明顯。因此，將人工智能與學生當前的學科知識相結合，不僅可以把人工智能學科知識教授給學生，還可以把人工智能賦能學科落到實處。與此同時，我們沒有按照多數教材“先講系統理論與知識，再做綜合應用案例”的順序開展教學，而是采取了“邊學邊做”的方式，即只要所講的知識可以應用，馬上就以實際應用作為延伸來引導學生學以致用。

以輕人工智能課程“幾何圖形識別”為例，教師就引導學生利用計算機視覺技術來解決數學問題，再運用數學知識實現人工智能技術的應用，使學生在學習人工智能技術的同時，也鞏固了學科知識。首先，教師在計算機屏幕上畫一個圓和一個矩形，要求學生求出圓和矩形的面積比。由于不知道圓和矩形的任何一項數據，以學生現有的數學知識無法解決這一問題。教師告訴學生可以通過應用人工智能技術加以解決，學生的好奇心由此被激發。接著，教師向學生介紹了幾何圖形的識別流程：采集圖像→圖像分析（找出邊緣點并記錄像素坐標）→求圖像面積（所有內部點的個數）→求圖像周長（所有邊緣點的個數）→求周長與面積的比值確定圖形→繪畫出識別到的圖形。這里需要強調的是，教師向學生介紹的只是流程，而不是原理。畢竟要跟學生講霍夫變換，不亞于講“天書”。因此，我們在設計上跳過了這一內容，但又在授課平臺上留下了霍夫變換原理的鏈接，供有興趣的學生在課后學習。了解了識別流程之后，學生知道，在繪畫出識別到的圖形時，即可分析出該圖形的關鍵數據。譬如：圓的圓心坐標位置、半徑，矩形左上角的坐標位置，矩形的寬度和高度。結合他們已有的“求面積公式”知識，就能夠求出繪畫出來的圓和矩形的面積。由于它們與原圖的比例是一致的，當我們求出繪畫的圓和矩形的面積比，也就能求出教師給出的圓和矩形的面積比了。在這個過程中，教師只需要告訴學生如何識別圓形和矩形，接下來的事情學生基本上都可以自己完成。完成這個例子之后，教師又拋出另一個問題“已知屏幕左邊的圓的半徑為15 cm，求右邊的正方形的邊長”，以鞏固本節課學到的人工智能知識與數學知識。有了前面的例子，這個問題就容易多了。在課堂的最后環節，教師要求學生在教學平臺上出一道與識別圓和矩形有關的測量題，看誰的題目出得巧妙。解決問題容易，發現問題、設置問題就有一定的難度了。學生只有理解了本節課所學的知識，才能設計出更加有技巧性的題目。

中小學人工智能教育應當具有鮮明的價值觀導向。為此，我們在教學中還特別注意引導學生細心觀察身邊的事物，關愛身邊的弱勢群體，對大自然保持足夠的敬畏之心，對人工智能技術形成正確的使用目的、科學的使用方法。在學生制作作品的選題上，我們引導學生往這些方向思考。學生做出了“基于深度學習的養老院老人看護系統”“基于機器視覺的學生心理健康預警系統”和“基于孿生網絡的疫情連鎖防控跟蹤系統”等，體現了學生的社會責任感與使命感。

輕人工智能教育，我們希望可以通過研究中小學生能夠理解與應用的人工智能技術，帶領學生走進人工智能世界，創新設計出人工智能應用項目作品，使人工智能成為學生日常生活與學習的一部分。

注：本文系廣東省教育廳2019年度教育信息化教學應用創新實踐共同體“輕人工智能作品制作與創意”（立項號：GDSJGTT332）的階段性研究成果。

[作者系廣東順德德勝學校（國際）信息技術教師，廣東教育學會網絡教育專業委員會常務理事]

責任編輯：牟艷娜