小学阶段开展轻量化人工智能教育初探

程马峰

“轻量化人工智能教育”是指适应于中小学教育层次的简单、轻便、图形化的以人工智能为学习研究对象的教育，它定位于对人工智能技术的普适教育，普及概念，了解原理，让学生体验和应用文字朗读、语音识别、机器翻译、视觉侦测、人脸识别、机器学习等人工智能技术，为以后的深层次的人工智能技术研究打下基础。

一、选择图形编程，降低教育门槛

1. 一体化的人工智能教育产品。这些产品一般含有图像识别、人脸识别、物体识别等先进的人工智能技术，具有厂家的专业服务，成体系课程可供选择，教学方便，安全可靠。如：果小聪、百度小布教育机器人。但是目前报价较高，一定程度上限制了普及使用。

2. 基于树莓派人工智能套件。树莓派能够运行Raspbian、Windows IoT Core 等操作系统，深受开发者、极客、技术爱好者们的追捧和喜爱。树莓派搭配各类开源的人工智能模块就可变身为人工智能教具，但这一方案的实验环境搭建对小学生能力要求较高，不易普及。

3. Scratch3.0. 这是美国麻省理工学院提供的一款软件，支持文字朗读、视频侦测和翻译等人工智能扩展，是青少年学生编程学习和人工智能学习的利器，免费易用，但其人工智能技术涵盖内容不够丰富，人工智能模块也不能脱机使用，不足以让学生较全面了解人工智能技术。

4. 基于Scratch3.0的衍生编程软件。Scratch3.0是一个开源平台，很多厂商基于它之上，进行了二次开发，加入了很多的硬件支持和人工智能模块。目前小喵科技出品的kittenblock就是其中的优秀的代表。它支持图形化程序的micro：bit，arduino等开源硬件控制，支持图形化转Python/ C++代码等高级语言。在它的扩展中，把人工智能中的语音识别、语音朗读、视觉识别、机器学习、TensorFlow等高级技术进行技术封装积木块嵌入其中，让小学生都可以轻松使用。它还支持硬件人工智能模块，实现脱机学习。在原有电脑机房上稍做更改，配上耳麦和摄像头，就可以实现轻量化人工智能教学，适合普适教学推广。

二、社团活动先行，研究普适教学

轻量化人工智能教育需实验先行再推进推广，社团活动时间是绝好的试验田。笔者在社团活动中开展了30人的教学研究，对教学内容、教学组织、教学成果进行初步的验证。社团活动的成功试验为在自然班开展人工智能教学打下了基础。

三、项目学习推进，激发应用兴趣

教学当中，要从学生已有的经验出发，让学生置身于真实的生活情景中，引导他们自主地進行问题分析与探究，通过制作作品来完成知识建构，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。如让学生了解人工智能视觉识别时，以模拟建造智能停车场门闸系统为项目，研究学校停车场的自动门闸，分析门闸动作。学生在制作时迁移了以前乐高EV3套件的知识，探索出Mind+实时模式，用蓝牙经scratchlink控制乐高马达，模拟出门闸动作升降，利用乐高小车挂上打印的车牌号模拟小车，让摄像头识别车牌号，判断该小车是否已经交费，播放回应语音，然后升闸放行。这个项目的实施比起纯粹的车牌识别显示在电脑屏幕上来得更真实有趣。

在学习过程，学生不仅学习了视觉识别，还应用了之前学习的语音合成等综合知识。项目实现的过程提高了学生的知识水平和专业素养，经过4个课时的努力，项目完成之时，学生的兴奋难以言表。因此，人工智能教学应尽量贴近学生生活环境，宜以智慧家居、智慧农业、垃圾分类主题进行项目学习。

四、结合开源硬件，推动应用创新

目前轻量化人工智能教学内容核心有文字朗读、语音识别、机器翻译、视觉侦测、机器学习五大块，如果纯技术教学，5个课时即可完成，但是这样不能让学生深刻体会到人工智能巨大的产业作用。教育需要结合开源硬件，推动人工智能应用创新，才有生命力。Kittenblock对开源硬件有良好的支持，如micro：bit、arduino或者基于这两者之上的衍生硬件。这些开源硬件有非常多的传感器和执行器支持，如超声波、人体感应、红外、光线、温湿度、声音等传感器和舵机、马达、步进电机、喇叭、LED灯等执行器。在Kittenblock利用人工智能结合开源硬件搭配各种传感器和执行器，可推动人工智能进一步创新应用，制作出一项小发明小制作，服务于生活与学习。如讲语音识别时，结合arduino控制马达就成为语音控制小风扇，成为智能家居的一部分。这些小制作和小发明成了学生持续学习应用人工智能的兴趣点。

五、AIoT万物互联，提升应用高度

人工智能（AI）+物联网（IoT）成为现在炙手可热的人工智能物联网（AIoT），在小米生态中，通过自然语言命令小米智能音箱联动物联网子系统控制灯光、空调、窗帘开关，是AIoT应用的典型代表。现在很多物联网厂商开放IoT接口，如EASY IOT、Azure IOT、onenet、阿里云等，可以用在教学中。为了便于教学，国内的一些基于Scratch3.0的衍生编程软件也开放出本地IoT，如Mind+提供SIoT，它是一个针对学校教育场景的开源免费的MQTT服务器软件，可一键创建本地物联网服务器，Kittenblock也内置了本地IoT服务，做到了一键开启，这些设计让小学生都可以轻松上手物联网。本地IoT在利用人工智能搭载开源硬件，配上物联网IoT就立马升级为AIoT。笔者曾在教学当中，让学生利用摄像头、开源硬件配合传感器联接IoT服务，实现远程入侵联动语音报警，学生大呼神奇。

六、活用软件教程，补充教学资源不足

小学阶段的人工智能教育目前正处于起步阶段，存在着教学资源不足的现象。一般的编程软件为了教会用户操作，都会配套一些技术文档和基础例程，这些例程文档往往是针对软件某种单一功能的介绍，熟悉后进行组合项目化运用，就是一份很好的教学资源，也可以提供给学生自学，一定程度上能缓解人工智能教学资源欠缺的困难。