小學(xué)人工智能開源硬件課程的設(shè)計與應(yīng)用實踐研究

沈 忱

（江蘇省昆山市玉山鎮(zhèn)振華實驗小學(xué) 江蘇昆山 215300）

如今，人工智能技術(shù)伴隨著科技以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)。而如今的人才培養(yǎng)，更需要加強人工智能領(lǐng)域的滲透，培養(yǎng)具有人工智能意識的學(xué)生。但是例如行業(yè)內(nèi)前沿的機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對于學(xué)生來說較難以理解，還停留在初步的認(rèn)識和了解水平上?，F(xiàn)今，國內(nèi)的不少教材推出了人工智能的相關(guān)課程，但是大部分缺少一定的可操作性，因此筆者在近年的小學(xué)高年級階段的教學(xué)中，嘗試了人工智能領(lǐng)域的教學(xué)實踐，取得了一定的經(jīng)驗。

人工智能即Artificial Intelligence，英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，是計算機科學(xué)的一個分支。在我國現(xiàn)行的中小學(xué)信息技術(shù)課程體系中，人工智能的相關(guān)知識也有所涉及，但是在實際的教學(xué)實施階段，往往由于缺乏師資、設(shè)備等因素，實際的開展情況不容樂觀，更提不上專門開設(shè)人工智能課程。令人欣慰的是，在一些較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，已經(jīng)陸續(xù)開展了各種形式豐富的人工智能、創(chuàng)客競賽，這給人工智能教學(xué)的開展，起到了良好的帶頭作用，值得在全國廣泛推廣。

一、開源硬件人工智能課程開發(fā)策略

開源硬件系統(tǒng)通過圖形化編程，幫助學(xué)生厘清人工智能的思維方式：編程算法可行性通過開源硬件機器人的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行驗證，開源硬件的執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)效果之間的差距就是需要不斷學(xué)習(xí)改進(jìn)的部分。教師通過創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，學(xué)生通過提出解決方案的方式實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，進(jìn)而利用編程開源硬件執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行反饋與改善，進(jìn)入完善、驗證、評價的循環(huán)學(xué)習(xí)鏈中，在原有的知識技能基礎(chǔ)之上構(gòu)建新的知識，完善新的技能。為此，筆者在構(gòu)建以及實施課程的過程中，注意了如下幾個方面。

（一）切合學(xué)生學(xué)情，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

如今的小學(xué)生是數(shù)字時代的“原住民”，對于很多新興的科學(xué)技術(shù)，也難免會感到麻木，因此，在課程的設(shè)計過程中，如何能夠準(zhǔn)確抓住學(xué)生興趣點，深入淺出地滲透人工智能的知識顯得尤為重要?；陂_源硬件、機器人的課程設(shè)計應(yīng)充分從學(xué)生視角出發(fā)，以學(xué)生的認(rèn)知特點、身心發(fā)展特點、情感需求為抓手，具有極高的可操作性，有效激發(fā)學(xué)生參與熱情，產(chǎn)生有效的學(xué)習(xí)效果。

（二）排除廠家壁壘，注重硬件擴展

縱觀目前國內(nèi)的不少廠商，已經(jīng)開發(fā)了針對中小學(xué)的各類創(chuàng)客硬件器材，并針對自身的硬件開發(fā)了對應(yīng)的編程、控制軟件，同時配備了相應(yīng)課時的教材等資源，以供教師能夠快速地開展課程，可謂“保姆式”的服務(wù)。但細(xì)究其中，不難發(fā)現(xiàn)他們大多是基于Arduino的硬件進(jìn)行二次開發(fā)，軟件則是深度定制的Scratch。并且不同的硬件套件之間存在著廠家設(shè)置的壁壘，不同廠商的器材無法互相連接，造成了器材的浪費。編寫的教材存在較大局限性，課程學(xué)習(xí)完以后就將器材束之高閣，沒有擴展的能力。因此，在本市課題組的帶領(lǐng)下，統(tǒng)一選擇了基于ArduinoUNO優(yōu)化的開發(fā)板，具有豐富的IO接口，并可以簡便有效地連接各類傳感器、執(zhí)行器等部件，并且全球具有豐富的Arduino開發(fā)項目可供學(xué)習(xí)參考。軟件選用基于Scratch開發(fā)的xDing以及AS-Block等，可以在有效銜接課本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行豐富的拓展實驗與嘗試。

（三）保障課程開展，確保教學(xué)實效

課程的設(shè)計是基礎(chǔ)，而課程開展則是保障。在小學(xué)階段，信息技術(shù)課程的開展實施情況是決定教學(xué)效果的決定性因素。在小學(xué)階段，信息技術(shù)課程的實際開展往往受制于多方面的影響，例如學(xué)校硬件配套設(shè)施的完善程度，專職教師的師資力量配備，學(xué)校資金的支持力度等。在筆者所任教的五年級信息技術(shù)課程中，每周增加了一節(jié)課時，從而讓學(xué)生擁有了充分的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)與探索。同時校方資金有效支持，購置配套的豐富器材，可供學(xué)生實驗與創(chuàng)新運用，確保了校本信息技術(shù)人工智能課程的有效開展。目前普及化的開源硬件課程已經(jīng)達(dá)到18余課，遠(yuǎn)超教材內(nèi)容，教學(xué)實施兩年以來，深受學(xué)生喜愛。同時開設(shè)創(chuàng)客教育學(xué)生社團(tuán)，探索人工智能、3D打印、激光雕刻等前沿項目，培養(yǎng)優(yōu)秀的學(xué)生創(chuàng)客人才。

（四）深度開發(fā)課程，注重思維培養(yǎng)

對于現(xiàn)今的開源硬件、人工智能、機器人控制，其本質(zhì)離不開編程，編程思維的培養(yǎng)成為課程開展的重中之重。“編程思維”并不是編寫程序的技巧，而是一種高效解決問題的思維方式。其本質(zhì)是“理解問題——找出路徑”的思維過程，它由“分解—識別模式—抽象—算法”四個步驟組成：分解是指將一個復(fù)雜的整體問題，拆解成更可執(zhí)行、更好理解的小步驟；模式識別，找出相似模式，高效解決細(xì)分問題；抽象，聚焦最重要的信息，忽視無用細(xì)節(jié)；算法，設(shè)計一步一步的解決路徑，解決整個問題。編程思維可以說是學(xué)習(xí)編程的一種核心技能，是為了培養(yǎng)孩子的編程思維和解決問題的能力，能夠讓孩子在解決問題時能夠思考更全面、條理更清晰，提高解決問題的能力。

二、基于開源硬件的人工智能課例解析

在我校開發(fā)的基于開源硬件的人工智能課程中，設(shè)有一個“人工智能垃圾分類小車”的項目，其項目的運行情況如下：小車首先巡線到達(dá)“垃圾收集區(qū)”，利用色彩識別傳感器，獲得事先擺放的垃圾模型的顏色，從而進(jìn)行分類識別。接著小車裝載上貨物巡線來到岔路口，根據(jù)預(yù)設(shè)的方位，走向?qū)?yīng)垃圾處理場的方向，到達(dá)指定地點后，將垃圾模型卸下。在課程的設(shè)計中，充分結(jié)合了當(dāng)今社會時事，激發(fā)學(xué)生興趣。在課程的實施階段，遵循了如下步驟：

（一）激發(fā)學(xué)生思考問題，分解任務(wù)步驟

“人工智能垃圾分類小車”項目的實施初步階段，教師首先播放現(xiàn)今如火如荼開展的垃圾分類行動相關(guān)視頻，同時播放本項目完成后的實施效果視頻，學(xué)生觀看視頻后，紛紛躍躍欲試，但是無從下手。經(jīng)過小組討論分析后，將任務(wù)進(jìn)行了分解，總結(jié)了“人工智能垃圾分類小車”項目的幾個主要實施模塊子任務(wù)，其涉及顏色識別模塊進(jìn)行色彩判斷，灰度傳感器進(jìn)行巡線行走，舵機執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)推動杠杠完成裝載貨物與卸下貨物的動作。學(xué)生在此過程中將一個大問題進(jìn)行了分解，進(jìn)而逐步實施與調(diào)試，最后獲得成就感，體會到創(chuàng)客學(xué)習(xí)、人工智能的樂趣。

（二）掌握傳感器數(shù)據(jù)獲取，初步完成算法設(shè)計

在人工智能領(lǐng)域，豐富的大數(shù)據(jù)是進(jìn)行人工智能訓(xùn)練的必要材料，通過深度學(xué)習(xí)算法，計算機人工智能可以在大數(shù)據(jù)中總結(jié)歸納出規(guī)律和規(guī)則，進(jìn)而完成人類思維才能完成的任務(wù)。這樣的理論知識對于學(xué)生而言可能無法真正理解與應(yīng)用，但是其思維方式可以通過教師在課程實施中進(jìn)行滲透。以“人工智能垃圾分類小車”項目為例，首先小車需要通過色彩識別傳感器獲得垃圾模型的顏色，而實際傳感器獲取的顏色，并不能完全是純色，其受到觀察角度、現(xiàn)場光線等因素的影響，因此需要學(xué)生多次測試，獲得一個數(shù)值區(qū)間范圍，進(jìn)而在有效獲取顏色數(shù)據(jù)的同時排除錯誤識別。接著在岔路口的位置，當(dāng)雙側(cè)灰度傳感器同時獲得信號時，小車首先需要進(jìn)行停頓，同時根據(jù)貨物顏色的類別進(jìn)行轉(zhuǎn)向，或者選擇直行。裝載和卸貨的舵機杠桿機構(gòu)，需要學(xué)生多次嘗試，獲得最佳的執(zhí)行角度，進(jìn)而有效地進(jìn)行動作。這一系列的過程都涉及數(shù)據(jù)獲取以及算法完善，學(xué)生經(jīng)歷這樣的過程，進(jìn)而體會感悟人工智能的誕生與訓(xùn)練的過程，認(rèn)識到每個出色的人工智能產(chǎn)品背后都蘊藏著人類的智慧。

（三）反復(fù)試驗改進(jìn)，嘗試多種方法

隨著前期的算法設(shè)計初步完成，“人工智能垃圾分類小車”的設(shè)計已進(jìn)入實施階段。在小車的制作過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的積木套件無法搭建出完全滿足裝載和卸載貨物的貨斗，經(jīng)過小組討論后，決定經(jīng)過3D打印的方式制作一個合適的貨斗。小組成員首先繪制出貨斗的草圖，小組討論通過后，利用學(xué)習(xí)的3D建模知識技能，通過DesignSpark Mechanical軟件設(shè)計出貨斗的3D模型。接著通過切片軟件，產(chǎn)生合適的G-Code文件，利用3D打印機產(chǎn)出需要的貨斗。其間學(xué)生充分運用學(xué)習(xí)掌握的知識與技能，協(xié)同合作，充分思考，反復(fù)試驗，雖然可能會經(jīng)歷試誤與曲折，但在這個過程中，體會了類似人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完善的過程，也感受到人工智能開發(fā)的艱辛與曲折。

垃圾信息中攜帶的不良信息以及病毒等，也會對計算機網(wǎng)絡(luò)安全造成負(fù)面影響。在網(wǎng)絡(luò)世界，廣告彈窗以及部分不良信息，不僅會危害青少年的身心健康，更是會降低人們的工作效率。垃圾信息的存在還會增加人們獲取有效信息的難度，誤導(dǎo)人們的行為，其中攜帶的病毒以及支付選項，更是容易增加人們的支付風(fēng)險，導(dǎo)致人們的錢款損失等。

（四）發(fā)揮團(tuán)隊協(xié)作優(yōu)勢，小組分工合作

通過參與多次的人工智能應(yīng)用競賽，學(xué)生了解到開發(fā)完整的產(chǎn)品，不僅僅需要有硬件和算法，還需要有幻燈片講解以及人工講解作品演示的過程，因此在有限的開發(fā)時間內(nèi)，需要充分的團(tuán)隊協(xié)作，才能高效地完成整個流程。一般在實際的操作過程中，學(xué)生由4～5人一組，其中分別負(fù)責(zé)程序開發(fā)與調(diào)試，硬件設(shè)計與制作，幻燈片講解制作等環(huán)節(jié)。當(dāng)然其分工合作并不是一味固定的，學(xué)生在開發(fā)制作的過程，往往相互取長補短，分工協(xié)作。教師在引導(dǎo)學(xué)生的時候，也需要有意識地讓學(xué)生參與到不同的分工中，避免學(xué)生掌握的技能單一化。學(xué)生在協(xié)同合作的過程中，不斷磨合與優(yōu)化，碰撞出思維的火花。

人工智能的運用將是自信息化工業(yè)革命以來最大的一次浪潮，其在可見的未來，必將形成深遠(yuǎn)的影響。鄧小平曾提出“教育要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來”，作為信息技術(shù)開展的前鋒陣地——小學(xué)階段，一定要將人工智能教學(xué)納入信息技術(shù)教育的課程，給予學(xué)生必要的啟蒙教育。小學(xué)信息技術(shù)教師在這場浪潮之中，一定要扮演好啟蒙者的角色，積極學(xué)習(xí)與運用信息技術(shù)變革的前沿知識與技術(shù)，開發(fā)、開展課程，帶領(lǐng)學(xué)生體驗開源硬件、創(chuàng)客教育、人工智能等前沿領(lǐng)域。

三、結(jié)束語

人工智能技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)安全中具有重要的運用價值，也是未來計算機網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)的重要趨勢。隨著我國綜合國力的增強以及經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)和加固成為當(dāng)下亟待解決的問題，提升我國信息安全是為國家發(fā)展創(chuàng)造良好發(fā)展環(huán)境的重點之一。將人工智能技術(shù)應(yīng)用到計算機網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)當(dāng)中，能夠利用大數(shù)據(jù)識別網(wǎng)絡(luò)安全威脅、通過關(guān)聯(lián)性安全態(tài)勢分析感知內(nèi)外部安全威脅，也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防御的智能化和自動化。