佛山市中小学人工智能教育现状及发展路径
胡胜华
摘 要：文章通过问卷及访谈等方式，从师资情况、教学内容、教学设备与资源、课时数量、教学模式、评价方式六个维度，调研了佛山市中小学人工智能教育开展的情况。针对人工智能教育开展中的问题，结合人工智能知识体系和教育产品，文章提出了佛山市中小学人工智能教育发展的三点建议：理清人工智能知识体系，开展师资培训;配置适量的人工智能软件、硬件和课程资源;与创客教育中机器人、创意电子等内容结合开展人工智能教育。
关键词：人工智能教育;教育产品;创客教育;项目案例
中图分类号：G465;G433 ? ? ? ?文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2021）02-0040-04
一、引言
为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，国务院于2017年7月印发了《新一代人工智能发展规划》，指出实施全民智能教育项目，在中小学设置人工智能相关课程[1]。2018年4月，教育部发布的《高等学校人工智能创新行动计划》中要求构建人工智能多层教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育[2]。发展人工智能已经成为国家战略的需要。那么人工智能教育在中小学开展的现状如何？中小学应该如何开展人工智能教育？这些都是教育工作者亟需了解和面对的问题。笔者以佛山市为例开展了人工智能教育现状调查，并针对佛山当前的情况提出了建议。
二、佛山市人工智能教育现状
本研究以佛山五区的中小学信息技术教师为研究对象，采用分层抽样，以问卷调查为主要研究方法，配合访谈调研，从人工智能教育的师资情况、教学内容、教学设备与资源、课时数量、教学模式、评价方式六个维度开展调查。调查问卷通过网络、现场两种途径发放，共回收问卷297份，有效问卷282份，有效率95%，样本覆盖佛山市五区中小学校。通过调查，本研究了解到目前佛山市人工智能教育的现实情况归纳为以下几点：
1.师资学历水平较高，但对人工智能知识普遍把握不准确
从调查对象来看，约18%的受访者具有硕士及以上学历，约81%为本科学历，学历水平较高。但对于vb语言、Scratch编程这类程序设计工具，分别有37%和75%的受访者认为其含有人工智能知识，约87%的受访者没有听说过BP算法，约62%的受访者不清楚决策树算法和指纹识别，约50%的受访者不了解语音识别。由此可见，受访者对人工智能知识的认识不准确，且“泛人工智能”深入人心。
2.人工智能的教学内容尚未统一
高中的人工智能教学内容以信息技术课程中的人工智能知识为主，但不同的学校讲授的重点和形式有所不同。初中、小学的人工智能教学内容并不统一，教学内容涉及机器学习、图像识别、Python语言、Scratch编程等，各个学校有所差异。
3.人工智能课时数量少
人工智能教学主要依托信息技术课或创客教育课程开展，人工智能课时数量少。绝大部分学校每周的课时数量小于5节，只有部分初中课时在5到10节之间，有23%的受访者表示其所在的学校没有开展人工智能教学。
4.缺少专门的教学场地及资源
受访学校都还没有建设专门的人工智能教学场地、实验室或课程资源，人工智能的教学多在多媒体教室、创客工作室或计算机房进行。
5.传统讲授式教学是人工智能教学中主要使用的教学模式
约65%的受访者采用传统讲授式进行教学，75%的受访者认为案例教学、基于问题的教学、项目式学习等教学模式更适合中小学人工智能的教学，但因缺少人工智能实验设备或课程资源，很多教学内容无法实施。
6.作品、成果评价是人工智能教学评价中最常用的方式
在学生成绩评定方面，50%的受访者使用学生作品、成果评价，25%的受访者根据教学过程中学生的表现评定，有12%受访者使用笔试评价，有个别学校以学生参加相应比赛的结果评价。
三、中小学人工智能发展路径
人工智能的研究开始于20世纪50年代，近年来人工智能在计算机科学、金融、医药、诊断、重工业、交通等方面应用十分普遍。但我国的人工智能本科专业2018年才获批建立[3]，目前还没有毕业生。虽然大部分的信息技术教师都是计算机或相关专业毕业，但对人工智能的了解都是非常有限的。要切实发展中小学人工智能教育，既要考虑人工智能知识的特点，也要考虑目前人工智能非主科、课时少的现实情况，笔者认为发展中小学人工智能教育可遵循以下路径：
1.理清人工智能知识体系，开展师资培训
（1）人工智能知识体系
要合理实施中小学人工智能教育，必须先理清人工智能本身的知识结构和关系。因人工智能包含内容广泛，很多知识需要有良好的数理基础才能理解。笔者依据目前人工智能的研究情况，从基础知识、核心知识、应用领域三个层面梳理了人工智能领域的相关知识。
①人工智能基础知识，包含数学知識和计算机知识。数学知识中微积分、线性代数、矩阵分析、信息论、概论统计等是人工智能技术的数理基础。而计算机知识则包括计算机原理、程序设计语言、操作系统、算法基础等方面的知识。这些基础知识严格来说不属于人工智能的范畴，却是深入学习人工智能知识的基础。
②人工智能的核心知识，现阶段是以机器学习这一学科知识为核心的。机器学习[4]就是研究如何通过计算的手段，利用经验来改善系统自身的性能，这里经验指的是数据，机器学习研究的主要内容是关于在计算机上从数据中产生“模型”的算法，包括线性模型、决策树模型、神经网络、贝叶斯分类器、支持向量机等。有了这些学习算法，再根据数据产生模型，这些模型在遇到新的情况时会提供相应的判断。机器学习是人工智能的核心技术，是机器获得智慧的源泉。
③人工智能应用领域知识，主要包括机器视觉、自然语言处理、知识推理、自动控制、数据挖掘、人机对弈等。其中机器视觉包含字符识别、物品识别、视频动作识别、视频内容分析等，知识、自然语言处理包含机器翻译、语音翻译、文本分类、人机对话等。
（2）结合人工智能知识体系，开展师资培训
人工智能知识比较复杂，需要一定的数理基础才能理解。从调研的情况来看，佛山市信息技术教师对于人工智能的了解缺乏系统性和全面性，要顺利开展人工智能教育，必须根据不同学段的要求对教师进行培训。实施人工智能师资培训，可从培训内容、知识深度、培训形式三个层面考虑。人工智能培训不但要让教师对人工智能知识有全面的了解，而且不同学段培训的内容和重点应有所区别。教师培训的侧重点可按照小学阶段感悟人工智能、初中阶段体验人工智能、高中解读探索人工智能[5]的教学要求，选择合适的内容对教师进行培训。培训方式可采用线上线下相结合的方式进行，线上培训的内容主要为人工智能相关理论知识，线下培训内容更多的是人工智能应用的实践与操作。
2.配置适量的人工智能软件、硬件和课程资源
（1）配置人工智能软件、硬件和课程资源的必要性
人工智能领域的知识普遍深奥复杂，人工智能的核心算法需要有良好的数理基础和计算机基础才能理解。对于中小学生采用直接讲授法进行人工智能教学，不利于其理解和掌握人工智能知识。人工智能软硬件或课程资源中的图形化及实物化的工具能够有效弥合抽象计算与中小学生具象思维之间的鸿沟，降低中小学生学习人工智能的难度与门槛。从人工智能教育产品的设计理念中不难发现，在青少年人工智能教育过程中，运用可视化技术与实物工具进行教学，能够实现抽象思维具象化，有利于青少年主动、高效地进行知识建构，表征内部思维过程，促进知识分享与协作交流，提升学生对人工智能学习的兴趣。因此配置适量的人工智能软、硬件和课程资源辅助人工智能的教学十分必要。
（2）目前市面上可用作人工智能教育的相关软件、硬件和课程资源功能分析
笔者以百度为搜索引擎，以人工智能教育产品为检索关键字进行检索。搜出具有“人工智能教育”标签的教育产品若干，去除一些单纯具有编程内容的产品，保留具有人工智能应用和核心知识内容的产品。因产品众多，只选取了部分产品（排名不分先后），并对其功能进行分析，见表1。
（3）人工智能软件、硬件和课程资源的配置
人工智能软件、硬件和课程资源的配置可根据学段、师资力量、现有基础进行。根据不同的学段选择不同的人工智能产品，没有开发能力的学校可使用带有课程的产品，有开发能力的学校可以进行人工智能案例资源设计与开发[6]，利用百度、讯飞、腾讯等公司的开放人工智能API，通过使用Python等语言调用完成语言识别、人面识别等项目案例用于辅助教学。因目前人工智能教学课时少，而人工智能技术和相关产品的更新速度很快，所以配置人工智能软件、硬件和课程资源时需把握适度原则，避免浪费。
3.与创客教育中机器人、创意电子等内容结合开展人工智能教育
（1）创客教育与人工智能教育结合开展的可行性与必要性
佛山地区创客教育起步较早，普及程度较高。佛山地区的中小学校主要开设的创客类课程有创意电子、3D打印、Scratch编程等，以项目式学习为主要形式，融合科学、技术、工程、数学、人文等多学科的知识与技能。创客教育中的机器人、创意电子等内容跟人工智能同属计算机技术范畴，因此两者可以结合开展。此外，中小学创客课程、人工智能、信息技术这类课程属于非主科，课时数量少，而增加课时不是一个短期可以解决的问题，因此在有限的课时内结合创客教育开展人工智能教育，融合它们之间有交叉的内容，是一个可以推行实施的方案。
（2）创客教育与人工智能教育结合开展的案例
创客教育与人工智能教育结合开展的结合点很多，以下这个简单案例旨在抛砖引玉供同行参考。本案例利用哈士奇对图1中轮子、电池、VGA接头、木方四种物件进行识别，利用机器手臂把识别出的物体分别放置到对应的盒子里（见图2）。教学的目的有3个：①了解物体识别的原理及体现真实的效果。②了解机械手臂工作原理及控制方式。③了解机器人分拣物体的原理及过程。案例使用的材料包括哈士奇AI 视觉传感器、Arduino Leonardo、乐幻索尔的6自由度机械手臂各一个。电路连接见图3，哈士奇通过I2C模式与Arduino相连，Arduino的串口与机器臂的舵机控制板串口相连。
实现过程：①利用哈士奇对四个物体进行学习，学习的结果分别存为ID1、ID2、ID3、ID4。②機械臂编制四个动作组，动作组1完成车轮的夹取和放置，动作组2完成电池的夹取和放置，其他类推。③连接好电路、编制程序。程序的流程如图4所示。当哈士奇的摄像头拍摄到放在机械臂前的物体时，能识别出相应物体，识别结果通过I2C总线传输到Arduino Leonardo控制板，Arduino Leonardo控制板根据哈士奇传输过来的参数，发送控制指令到机械臂的舵机控制板，控制机械臂做相应的夹取动作。
这个案例结合了创意电子中Arduino、机器人中的机器手臂和人工智能中的图像识别知识，把抽象的人工智能概念转化成一个所见即所得的作品，既培养了学生的创造性，提高了动手能力，又降低了其对人工智能抽象概念的理解难度。
四、结语
目前中小学人工智能教育处在起步阶段，良好的顶层设计、相应的专业师资、有效的教学方式及优质的课程资源、配套的硬件环境等各方面都亟需完善。面对这些摆在面前的困难与挑战，中小学校应以师资培养为着力点，既要考虑人工智能技术复杂、发展迅速的特点，又要考虑学生的接受能力等问题，大胆创新、交叉融合，开拓人工智能教育之路。
参考文献：
[1]国发[2017]35号.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[Z].
[2]教技[2018]3号.教育部关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知[Z].
[3]教高函[2019]7号.教育部关于公布2018年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[Z].
[4]周志华.机器学习[M].北京：清华大学出版社，2016：1-13.
[5]张丹，崔光佐.中小学阶段的人工智能教育研究[J].现代教育技术，2020，30（1）：39-44.
[6]张学军，董晓辉.高中人工智能课程项目案例资源设计与开发[J].电化教育研究，2019（8）：87-93.
（编辑：鲁利瑞）
