普惠型人工智能课程的实施

刁彬斌 董立

【摘 要】人工智能课程是一门综合性很强、具有战略意义的综合学科。人工智能课程的实施存在着教什么和如何教的问题。本文以基于Kitten block软件的体验型人工智能校本课程的开展为例，以知现象、懂原理、会还原、做创新为目标，通过前进与后退的小猫（语音识别）、微笑检测仪（人脸识别）、石头剪刀布（机器学习）三个课程案例，阐述人工智能校本课程的实施和实施过程中重难点的解决。

【关键词】人工智能课;校本课程;Kitten block软件;语音识别;人脸识别;机器学习

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）05-062-03

人工智能课程的开展与实施，是对一线信息技术教师实现自我价值的一次重大机会与挑战。但是现阶段实施人工智能课程面临两大考验：“无米下锅”和如何教的问题。“无米下锅”指很多人工智能项目动辄几千甚至上万元一套的设备成本。这就需要学校前期进行大量的课程资金投入。如何教，指很多人工智能项目需要以Python为代表的代码程序进行人工智能课程的教学。小学或初中学生要学习人工智能课程，需要前期进行编程课程的学习。

“无米下锅”与如何教，成为很多学校开展人工智能课程的拦路虎。而现阶段很多小学在信息技术课上经常使用图形化编程授课。能不能在图形化课程基础上，进行小投入的普惠型人工智能课程的开展呢？现阶段有很多图形化编程软件已经包含很多人工智能体验模块。通过使用这些人工智能模块，完全可以开展体验型人工智能课程的开展。

笔者以Kitten block软件为载体，开展了人工智校本课程。下面将自己的一些经验与大家进行分享。

Kitten block是一款免费的图形化编程软件。支持图形化程序控制Micro：bit、Arduino等开源硬件，可以实现轻量化机器学习、语音识别/朗读、视觉识别、Tensor Flow等人工智能项目。官方网址为https：//www.kittenbot.cn/。

在开展人工智能课程的过程中，需要保证计算机处于连接互联网状态。轻量级人工智能模块的本质是本地计算机调用百度、讯飞等科技公司的人工智能接口完成数据解析与数据回传。教师和学生在开展本课程前需要学习图形化编程的先导课程。Kitten block在界面上沿襲学生的使用习惯，学习成本比较低。

课程的实施过程

人工智能校本课程的终极目标可以概括为十二字：“知现象，懂原理，会还原，做创新”。知现象，就是让学生知道生活中，哪些设备用到了人工智能以及对应技术。懂原理，解决的是学生知其然，并知其所以然的问题。会还原，做到脑与手的统一，采用Kitten block软件对现实问题的简单实验还原。做创新，主要是让学生学会举一反三，发散学生思维，同时培养学生独立思考的能力。

如以语音识别课程为例，可以采用小米智能音箱作为课程的引入点，抛出“语音识别”这一人工智能技术点，然后图文并茂讲解语音识别的技术原理。讲述完语音识别原理之后，教师可以带领学生完成基于Kitten block简单案例的制作过程，使学生掌握新知识的技术要点。以教师为主体的讲授过程，可以高效地完成新知识的积累过程。

教师授课新知识之后，进入以学生为主体的“做创新”环节，这一环节也是课程的重点环节。学生作为课程主体，发散自己的思维，结合新旧知识与自己的个人生活体验，完成“创造”过程，实现知识的提升与升华。

基于Kitten block软件的体验型人工课程校本课，只是在授课过程中以Kitten block软件为主要实施主体。在上课的过程中可以依照现有条件，引入智能设备体验，如手机App程序等可以加强学生视觉感官的设备与设施。学生在视觉上受到新技术的震撼，能够增加学生学习的主观能动作用。

课程实施的难点解决

Kitten block软件中集成了语音识别、语言翻译、语音合成、人脸识别、机器学习等人工智能项目。下面就课程的实施难点提出一点解决思路。

1.程序模块的加载方法

Kitten block可以支持若干开源硬件及人工智能模块的编程，它默认展示基本的Scratch功能，其他程序模块通过扩展的方式进行加载。加载扩展程序的方法很简单，点击程序左下角的扩展按钮，在展开的扩展程序界面点击相应的功能名称，即可完成相应模块的加载（图1）。

2.语音识别项目的干扰问题

在语音识别项目中，结果准确率是困扰大家的一个普遍问题。提高语音识别准确率，可以从以下几个方面入手：（1）尽量使用外接麦克风。有些电脑内置麦克风设备，但电脑运行过程中可能会产生一定的电磁干扰。在实施语音识别项目时若出现识别成功率低的问题，可以尝试使用外接麦克风。（2）环境噪音干扰问题。环境噪音干扰，也是语音识别率低下的重要因素。在语音输入实现过程中，尽量要保持环境处于安静状态。在课程的开展过程中，会有多组学生实施语音输入实验。各个不同输入者，也存在互相干扰的问题，应保持错峰有序输入。（3）实验实施者语音语速问题。在语音输入过程中，要尽量语音正确、语速适中，尽量使用普通话进行语音输入。

3.接受体验型项目的局限性

在体验人工智能项目时，需要接受程序的局限性。主要体现在“按键事件”的唤醒机制，即人工智能项目还需要按键盘唤醒。如以语音识别的“前进与后退的小猫”程序为例（图2）。本程序需要使用“Baidu Ai”拓展模块，实现语音前进、后退控制小猫向右走和向左走。但是需要使用空格键实现语音的输入过程。图像识别、机器学习等项目也存在这个局限性。

4.人脸识别项目的图像问题

Kitten block的“Face All”模块可以通过人脸检测实现年龄、性别、表情等人脸特征分析。但初学者开展本项目时，常常遇到不知道如何开启摄像头的问题。其实解决方法也很简单，只需在使用前加载并开启“视频侦测”模块。

讲授人工智能课程的同时，可以渗透情感价值观的教育。如以“微笑检测仪”程序为例（图3）。这个程序不仅涉及人脸识别的程序模块，同时还希望学生保持乐观向上的精神，多多微笑。编写程序时，先引入微笑、平静、愤怒三个角色。在背景中进行人脸识别程序的编写，程序执行时，点击绿旗，开始摄像并开启人脸检测功能，当空格键被按下，进行人脸检测。当检测到人脸时，执行微笑率检测程序，然后根据微笑率的数值范围发送不同的广播。相应的角色收到广播之后，显示两秒之后隐藏。

5.机器学习的实施

机器学习是研究如何使用机器来模拟人类学习活动的一门学科。机器学习的重要环节是完成模型训练的过程。Kitten block软件中，可以进行轻量级的机器学习程序设计。如以“石头剪刀布”机器识别程序为例。这个程序实现了人与电脑的对战过程，如果训练得当，机器胜算的概率几乎是100%。其实现思路是绿旗子被点击时，初始化特征库。然后通过A、S、D三个按键分别完成手部锤子、剪刀、布特征的提取，最后当空格被按下的时候，完成人机对战过程。其成功率的高低，取决于特征模型的精确性。大家录制锤子等手势时，需要尽量保证摄像头视野内无杂物，且尽量让摄像头从多个角度拍摄锤子手势。

开展人工智能课程的学习，可以开阔学生的视野，提高学生的认知层次，完成看得见摸得着的实际作品，更能实现学生手与脑的联动。Kitten block软件对Arduino、Micro：bit开源硬件及拓展传感器有着良好的支持。同时，它还能支持KOI锦鲤等离线型人工智能模块。学生完全可以结合开源硬件课程完成人工智能型创客作品。

实施普惠型人工智能课程只起到敲门砖和抛砖引玉的作用。如果想完成更加强大和高阶的人工智能课程，需要深入研究代码编程与人工智能框架结构。为了在人工智能时代，自己不落伍，需要大家更艰辛的付出。

作者单位：北京宏志中学  北京市通州区漷县中学