人工智能進(jìn)校園的探索與實(shí)踐

人工智能技術(shù)不斷取得突破，在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用迅速擴(kuò)展，日益成為影響未來國家實(shí)力的重要因素。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出人工智能已經(jīng)成為國際競爭的新焦點(diǎn)，應(yīng)在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步開展全民智能教育項(xiàng)目。為了讓學(xué)生熟知人工智能的特點(diǎn)及其在生活中的廣泛應(yīng)用，并嘗試使用編程軟件及傳感器進(jìn)行人工智能創(chuàng)新設(shè)計(jì)，學(xué)校積極響應(yīng)國家政策，開展了“智能時(shí)代，智慧生活”系列科普活動(dòng)。

一、全域科普，集體參與

根據(jù)不同年級學(xué)生的年齡、認(rèn)知能力和邏輯思維能力的特點(diǎn)，學(xué)校在不同年級開展了針對性的科普活動(dòng)。通過這些活動(dòng)，學(xué)生了解到人工智能的概念、發(fā)展歷程及其在生活中的廣泛應(yīng)用，激發(fā)他們對人工智能的探索、研究興趣，嘗試解決生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

（一）了解AI人工智能

一至三年級學(xué)生年紀(jì)小，對人工智能的概念較為陌生，因此我們側(cè)重于向他們展示人工智能在生活中的應(yīng)用，利用大講堂的形式進(jìn)行科普講座。在講座中，我們從機(jī)器人入手，逐漸引導(dǎo)學(xué)生了解生活中其他的人工智能產(chǎn)品，如“智能掃地機(jī)器人”的應(yīng)用；介紹天津市第一臺(tái)智能機(jī)器人——南翠屏公園“蝸小白”的工作技能與全球首臺(tái)智能電視——長虹智能電視的語音對講功能，讓學(xué)生感受到智能生活就在身邊。對于四至六年級學(xué)生，我們通過訪談、紀(jì)錄片等形式進(jìn)行普及教育，引領(lǐng)學(xué)生了解了人工智能的發(fā)展歷程及未來的應(yīng)用——“究竟什么是AI人工智能”“人工智能到底有多厲害”“現(xiàn)在企業(yè)如果發(fā)揮自身優(yōu)勢，發(fā)展人工智能，可達(dá)到產(chǎn)業(yè)價(jià)值最大化”……這些活動(dòng)拓寬了學(xué)生的視野，他們對人工智能技術(shù)有了更深入的了解，并以極大的熱情和興趣參與進(jìn)來。

（二）暢談人工智能的應(yīng)用

我們鼓勵(lì)低年級學(xué)生通過繪畫并加以展示、介紹的方式，暢談現(xiàn)實(shí)生活中人工智能的應(yīng)用。例如，利用蘋果手機(jī)Siri，人們可以通過語音識(shí)別進(jìn)行智能搜索；現(xiàn)代汽車的智能屏幕上集成了多種功能，如導(dǎo)航、音樂、電話等，讓人們的駕駛操作更加便捷；酒店中的智能機(jī)器人可以用來幫忙完成入住、行李運(yùn)送、制作食物等任務(wù)；長虹智能電視具有多種智能應(yīng)用，如語音搜索、天氣查詢……通過這樣的活動(dòng)，學(xué)生不僅感受到了科技的新奇，而且感受到了高科技智能生活帶給人們的便捷和高效。

（三）了解AI在生活中的應(yīng)用

我們鼓勵(lì)學(xué)生細(xì)心觀察身邊的人工智能應(yīng)用，鼓勵(lì)他們通過手抄報(bào)的形式，介紹生活與家庭中出現(xiàn)的人工智能機(jī)器，如用途、使用方法、操作原理、操作注意事項(xiàng)等。

（四）展望人工智能的發(fā)展前景

在了解了人工智能在生活中的廣泛應(yīng)用之后，我們鼓勵(lì)學(xué)生開動(dòng)腦筋設(shè)想人工智能的發(fā)展前景。例如，我們開辦了“假如我有個(gè)人工智能機(jī)器人”主題論壇，讓學(xué)生互相交流自己對未來的展望。

（五）開展人工智能科普講座

學(xué)校依托南開大學(xué)人工智能學(xué)院的優(yōu)質(zhì)資源，邀請以人工智能學(xué)院李濤教授為首的講師團(tuán)多次到學(xué)校為全體教師開展人工智能科普活動(dòng)。通過學(xué)習(xí)，教師了解了人工智能的發(fā)展歷程及其在生活中的應(yīng)用。他們認(rèn)識(shí)到，人工智能不等同于機(jī)器人，而是機(jī)器人的大腦；通過人工智能，我們可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的工作、活動(dòng)，從而解放人類的雙手，方便人類的生活。

二、智能授課，智慧應(yīng)用

為了在全校普及人工智能教學(xué)，學(xué)校購進(jìn)了一大批人工智能教學(xué)工具箱擴(kuò)展包和神經(jīng)元人工智能創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室套裝；在全校范圍內(nèi)，科學(xué)課、實(shí)踐活動(dòng)課和信息技術(shù)課等相關(guān)課程及社團(tuán)的相關(guān)活動(dòng)都納入了人工智能教學(xué)內(nèi)容。此外，學(xué)校還建設(shè)了科普營地，開展了機(jī)器人科普活動(dòng)。學(xué)生對新鮮又有趣味的課程很感興趣，紛紛踴躍報(bào)名參加。

全新的課程帶來全新的挑戰(zhàn)，而大家面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是人工智能神經(jīng)元。學(xué)校所采購的實(shí)驗(yàn)套裝和擴(kuò)展包包含聲音傳感器、光纖傳感器、人體紅外傳感器等30多個(gè)可編程電子模塊，這些模塊分為三大類，分別是能源與通信模塊、輸入模塊與輸出模塊。學(xué)生需要遵循連接原則安裝三個(gè)模塊，以達(dá)成一定的目標(biāo)，比如，將輸入模塊中的聲音傳感器和電源模塊、輸出模塊中的燈帶相連接，就可以得到一組設(shè)施，它可以隨著制造出的聲音點(diǎn)亮燈帶，聲音越大燈帶越亮。學(xué)生對這套教學(xué)設(shè)備產(chǎn)生了很大興趣，設(shè)計(jì)了“智能小屋”，可以通過音量點(diǎn)亮小屋的燈，通過按鈕啟動(dòng)門鈴；利用遠(yuǎn)程辦公真正地使“房屋”智能起來。神經(jīng)元系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上百種互動(dòng)，它不僅滿足了學(xué)生在聽覺、視覺、體感等多個(gè)方面的創(chuàng)造需求，而且極大地開拓了他們的思維，使學(xué)生了解了科學(xué)原理與現(xiàn)象，提升創(chuàng)造能力。

高年級學(xué)生使用人工智能教學(xué)工具擴(kuò)展包的模塊進(jìn)行創(chuàng)意編程設(shè)計(jì)，巧妙地將各種傳感器輸入到搭建好的機(jī)器人中。結(jié)合建黨百年慶祝活動(dòng)，學(xué)生進(jìn)行了創(chuàng)意設(shè)計(jì)，如旗子舞動(dòng)、更換字體顏色等，受到了大家的一致好評。

三、巧用智能，創(chuàng)新設(shè)計(jì)

學(xué)生不僅愛上了編程，而且愛上了創(chuàng)造，利用編程設(shè)計(jì)了很多可以在生活中應(yīng)用的“智能機(jī)器人”。

（一）智能澆花機(jī)器人

學(xué)生搭建了一個(gè)履帶式行走抓手機(jī)器人——智能澆花機(jī)器人。它基于優(yōu)必選Jimu積木式機(jī)器人而來，學(xué)生使用scratch編程語言在iPad上設(shè)計(jì)了一個(gè)遙控界面，學(xué)生可以在界面上控制機(jī)器人前后左右地自由行走。當(dāng)走到水瓶位置，機(jī)器人就會(huì)抓起水瓶走到花盆位置，實(shí)現(xiàn)給花盆澆水的操作。因此，無論身在何地，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控澆花。這個(gè)項(xiàng)目獲得天津市科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)，并被推薦參加全國的“宋慶齡發(fā)明獎(jiǎng)”評選。

（二）智能節(jié)水器

根據(jù)生活中所見水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，學(xué)生利用編程方法設(shè)計(jì)了一款智能節(jié)水器。他們用簡單的材料制成了冷水處理箱和轉(zhuǎn)換裝置，并將溫度設(shè)為40℃。在冷水狀態(tài)下，漏斗不動(dòng)，冷水會(huì)順著漏斗被收集到儲(chǔ)水箱中；待水溫上升后，傳感器會(huì)感受到水溫變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變漏斗的位置，人們就可以正常使用熱水了。這款設(shè)計(jì)避免了電熱水器使用時(shí)，先出來的涼水排出后順著管道流走而造成的浪費(fèi)現(xiàn)象，獲得天津市科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)。

（三）圍棋分揀器

在下圍棋的時(shí)候，分揀黑白棋子非常麻煩，于是學(xué)生就想制作一個(gè)機(jī)器，以使棋子放入之后就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀。學(xué)生采用實(shí)證研究法的思路，以“提出設(shè)計(jì)—技術(shù)學(xué)習(xí)—項(xiàng)目實(shí)踐—觀察記錄—迭代優(yōu)化”為基本流程，設(shè)計(jì)了一款由分揀裝置、漏斗、擋板、顏色傳感器、電機(jī)等組成的機(jī)器。分揀裝置是整個(gè)作品的核心部件，它是一個(gè)由3D打印制作的圓形部件，把一個(gè)圓盤三等分，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)棋子分揀。在調(diào)試過程中，擋板的往復(fù)移動(dòng)和分揀裝置的左右轉(zhuǎn)動(dòng)需要反復(fù)調(diào)試，這主要是對電機(jī)功率和時(shí)間進(jìn)行觀察與測試。這個(gè)項(xiàng)目獲得天津市機(jī)器人競賽和科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。

（四）溫控風(fēng)扇

為了實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的生活需求，我們可以利用人工智能技術(shù)來提高能源利用效率，降低能源消耗。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用26℃作為溫控風(fēng)扇的恒溫度，不會(huì)導(dǎo)致過度的耗電和寒冷。當(dāng)室溫高于26℃時(shí)，溫控風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，幫助降低室溫；當(dāng)室溫低于26℃時(shí)，風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)停止，避免不必要的能源浪費(fèi)。機(jī)器人制作用到了主控板、舵機(jī)，溫度傳感器、顯示屏和燈泡等設(shè)備，其結(jié)構(gòu)分為風(fēng)扇的扇葉、風(fēng)扇底座、主體支撐桿三部分。溫度gt;26℃，舵機(jī)驅(qū)使扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，LED燈泡亮輸出為高電平；溫度lt;26℃，舵機(jī)功率為0，扇葉不轉(zhuǎn)，LED燈泡不亮輸出為低電平。溫度越高扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，LED燈閃爍越快；當(dāng)溫度達(dá)到32℃時(shí)，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到峰值，溫度再升高扇葉也不再加速。這個(gè)項(xiàng)目獲得天津市科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)，在天津電視臺(tái)科教頻道舉辦的全域科普成果頒獎(jiǎng)典禮上進(jìn)行了展示，并被推薦參加全國“宋慶齡發(fā)明獎(jiǎng)”評選。

通過一系列科普活動(dòng)的開展，全校師生沉浸在了“人工智能”的探究氛圍中。精彩的講座、活躍的論壇、隨心的描繪、夢幻的展望……都留下了學(xué)生積極熱情投入的身影，“人工智能”氛圍已浸潤入了校園。

（焦" 佳）