基于人工智能教育硬件的中小學校外電子技術教育初探

劉星漢

摘? 要：本文站在中小學校外電子技術教育與人工智能教育融合的角度，列舉了現階段校外電子技術教育與人工智能教育融合所面臨的問題，對以引入人工智能教育硬件產品的方式解決問題進行了討論，最后結合筆者自身的教學實踐，對人工智能教育硬件產品在中小學校外電子技術教育中的應用進行了總結及反思。

關鍵詞：人工智能? 中小學? 校外教育? 電子技術

2017年，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，其中就教育領域提到：鼓勵實施全民智能教育項目，中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設人工智能學科等。傳統的校外電子技術課程，課程內容主要包括電路基礎、模擬電路、數字電路及電子控制相關的入門知識及實踐制作。如何結合人工智能技術，更新教學內容，成為眾多教育者的難題。

人工智能教育硬件產品隨著人工智能教育的發展而不斷發展，在融入先進科技同時，力求降低人工智能教育的學習門檻，在高校電子技術相關學科學習中，已得到廣泛應用。這類產品必須利用人工智能相關技術，技術上是閉源或者部分開源，具備相對完善的開發資料及生態，學生易于學習掌握。

把人工智能教育硬件產品的學習和應用引入電子技術教育利用其特點，可一定程度解決青少年校外電子技術教育與人工智能教育融合的問題。

一、中小學校外電子技術教育與人工智能教育融合面臨的問題

（一）融合方式不明確

人工智能如果作為一個單獨的學科，包含了很多學科的知識，和一個包羅萬象的學科融合，同時保留原學科的特點，是比較難的。

（二）中小學生掌握人工智能部分知識較為困難

校外電子技術課程的學習群體一般是小學三年級到高中的學生，而人工智能課程的部分知識對于這個年齡段的學生來說很難懂。如果生搬硬套把這些知識加進來，而不和原有知識進行聯系，學生很難理解。

（三）運用傳統人工智能產品開展普及實踐活動很困難

較高規格的比賽需要參賽作品與熱點科技相結合。人工智能作為前沿科技，有較高的學習門檻，老師學習起來也不容易，再輔導學生就是難上加難。如何讓學生的作品結合先進技術，發揮自己的創意，成為一大難題。

二、把人工智能教育硬件引入中小學校外電子技術教育的原因

（一）更新傳統教學內容

目前，國家對于人工智能教育沒有設立單獨的課程，也沒有獨立的課程標準，校外的課程標準也就沒有權威的參考。筆者認為要在校外電子技術課程中的不同學段融合人工智能教育內容，而不是把人工智能作為一個獨立模塊，變一點融合為多點融合，從入門課程到高階課程均貫徹人工智能的思想。初級班學生從生活實踐的角度理解人工智能的應用。中級班學生嘗試應用人工智能教育硬件預置的功能，解決實際問題。高級班學生可以參考人工智能教育硬件社區資料，自行采集訓練數據，體驗簡單的神經網絡搭建過程。這樣做既融合了人工智能的知識，具有實踐性，又沒有缺失電子技術課程原本的內容和特點。

（二）有利于學生創新思維的培養

目前，人工智能教育硬件產品的種類功能繁多，涉及圖像識別、顏色識別、標簽識別、語音識別等。這些功能是學生參加比賽，進行創新設計時需要又很難掌握的東西。從老師的角度說，利用人工智能教育硬件豐富的資源輔導學生參賽時難度降低了。從學生的角度說，應用人工智能技術的難度降低，解決了技術難題。諸多人工智能教育硬件的應用，也啟發了學生，其作品的創新思路得到擴展。

三、把人工智能教育硬件引入中小學校外電子技術教育的途徑

（一）利用人工智能教育硬件產品結合開源硬件進行教具制作

在電路控制教學中，教師可以選擇將人工智能教育硬件作為傳感器模塊使用，把模塊進行簡單封裝，實現圖像識別、語音識別等功能，極大地豐富了傳感器的類別，擴展了教師制作教具的思路。學生使用教具，自己動手進行積木式拼接，在制作過程中感受控制過程，理解知識。

（二）應用人工智能教育硬件產品進行分層教學

教師引導學生利用人工智能教育硬件產品進行學習的方法也很重要。筆者根據學生的能力水平采取分層教學，在每個層次的教學中加入人工智能教育硬件產品，做到與電子技術課程多點融合。一是對于初學的，學生，其學習主要在老師的引導下進行，利用傳感器（成品的人工智能教育硬件產品，如HuskyLens）、控制器（一般使用開源硬件）、執行器進行硬件學習，教師準備好程序，學生通過寫流程圖，修改程序進行學習。最后在已有知識的基礎上，設定一個簡單的新任務，讓學生利用所學知識完成。二是對于有一定知識基礎的學生，老師對任務中的難點和方法性的知識點進行詳細引導，對難度不高的知識點，采用問題引導的方法，讓同學逐步學會自主學習。這一階段引入的人工智能教育硬件產品，需要提供硬件的電路連接圖，由學生選擇利用人工智能教育硬件替代傳感器或替代控制器（例如Maix系列），自行完成電路組裝。軟件部分的學習則由老師提供流程圖和關鍵語句，學生自行完成程序設計。通過與一般開源硬件比較，讓學生進一步了解人工智能教育硬件的作用和人工智能中相關的技術。三是對于水平較高的學生，采用基于項目式的學習方法。老師只對關鍵提供學習資料，而學生應學會利用網絡或書籍進行探究學習。在人工智能教育硬件使用上，根據項目特點，利用教師提供的課程資源包，收集數據，進行訓練。少數能力突出的學生，還可以嘗試自主設計修改小規模神經網絡框架，完成一定的任務。

（三）引導學生利用人工智能教育硬件產品進行創新實踐

學生利用人工智能教育硬件產品進行創新實踐比較容易。初期，可以讓學生對創新制作進行仿制，通過仿制加深學生對硬件知識的理解，了解制作項目的過程。然后由仿制過渡到優化迭代，對他人的設計進行原理修改，或者功能完善。最后教師針對熱點或難點技術進行引導，讓學生自主研究，進行較高層次的創新實踐。

四、反思與結語

（一）教師應選擇合適的人工智能教育硬件產品進行教學

人工智能硬件種類繁多。用于教學的硬件應具備技術可靠、成本低、兼容性好、學習資料完善、學習門檻低、利于學生學習等特點，教師在把不同的人工智能教育硬件引入教學或指導學生自學的時候，一定要進行甄別，切勿盲目選擇。

（二）教師應指導學生合理使用人工智能教育硬件產品

人工智能教育硬件在給大家帶來方便的同時，自身也存在一些技術缺陷。教師在利用硬件開展教育活動時，一定要合理指導學生，讓學生全面認識其優點與缺點，靈活選用。人工智能教育硬件只是一個學習平臺，而不是學習的終點，教師要引導學生不僅僅局限于利用其制作作品，也要主動思考，對作品進行優化。

五、結語

人工智能教育硬件產品的使用，有助于中小學校外電子技術教育與人工智能教育融合得更好。隨著技術的發展，人工智能教育硬件產品會不斷完善，相信未來這種產品在校外青少年電子技術教育的應用空間一定會更加廣闊。