宋曉玉

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的頒布，社會(huì)各行各業(yè)開始大力發(fā)展人工智能產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí)，教育界也吹響了開展人工智能教育的號(hào)角。那么，在新一代人工智能背景下，小學(xué)階段如何開展人工智能教育，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)和能力呢？筆者在開發(fā)和實(shí)踐人工智能課程“讓機(jī)器‘認(rèn)識(shí)你”的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)人工智能的科普、體驗(yàn)、編程、應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了初步的探索和嘗試。

從廣泛應(yīng)用的“人臉識(shí)別”入手

人工智能作為一門新興的前沿學(xué)科，定位于技術(shù)性，它所涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等專業(yè)的學(xué)科技術(shù)知識(shí)，具有綜合性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，學(xué)生要理解其中的高深算法和原理有很大的難度。因此，在小學(xué)階段開展人工智能教育，要根據(jù)小學(xué)生認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)規(guī)律，做到內(nèi)容淺顯易懂，切合實(shí)際。在課程設(shè)置方面，要遵循人工智能“金字塔”形發(fā)展層級(jí)——感知、認(rèn)知、創(chuàng)新的規(guī)律，通過豐富的實(shí)際體驗(yàn)，讓學(xué)生感知機(jī)器的智能，認(rèn)知人工智能的原理，創(chuàng)新機(jī)器智能的開發(fā)。

在人工智能的研究領(lǐng)域，與小學(xué)生生活聯(lián)系最為密切的就是計(jì)算機(jī)聽覺和計(jì)算機(jī)視覺。例如，家里的智能手機(jī)，可語音對(duì)話;私家車上的導(dǎo)航，可語音控制規(guī)劃路線;小區(qū)的門禁系統(tǒng)，可人臉識(shí)別控制進(jìn)出等。這些“伸手可觸”的智能生活，對(duì)于在小學(xué)階段開展人工智能教育，都是非常好的切入點(diǎn)和體驗(yàn)點(diǎn)。筆者從學(xué)生每天進(jìn)出校門時(shí)必經(jīng)的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)入手，引發(fā)學(xué)生對(duì)“機(jī)器識(shí)人”的思考，展開一系列計(jì)算機(jī)視覺的教學(xué)。

計(jì)算機(jī)視覺類人工智能課程的三個(gè)層級(jí)

圍繞“機(jī)器是怎樣認(rèn)識(shí)你的”這一問題，筆者從人臉識(shí)別、人體識(shí)別、圖像識(shí)別與文字識(shí)別四個(gè)方面展開教學(xué)，讓學(xué)生感知和認(rèn)知機(jī)器是如何具有“慧眼識(shí)萬物”的智能，期望讓每一個(gè)孩子都能了解人工智能，懂得人工智能，甚至能發(fā)明創(chuàng)造出智能的設(shè)備。具體來說，在開發(fā)計(jì)算機(jī)視覺類人工智能教學(xué)時(shí)，應(yīng)循序漸進(jìn)地從以下三個(gè)層級(jí)展開。

1.感知機(jī)器“慧眼識(shí)萬物”的神奇

對(duì)于小學(xué)生來說，最重要的就是感受和了解人工智能給生活和學(xué)習(xí)帶來的革新。通過生活中常見的智能應(yīng)用、AlphaGo的故事、科普小視頻、人工智能相關(guān)動(dòng)畫片等，讓學(xué)生對(duì)人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域建立起直觀的認(rèn)識(shí)，感受智能化生活的神奇。

2.理解機(jī)器“慧眼識(shí)萬物”的道理

在學(xué)生初步感知“機(jī)器能看見萬物”的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：機(jī)器是怎樣看見人臉或者其他物體的。把“人類看世界”與“機(jī)器看世界”進(jìn)行對(duì)比和遷移，讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)自己“看世界”的基礎(chǔ)上，通過動(dòng)畫視頻演示，形象化、具體化、差異化地展示機(jī)器識(shí)人的道理。例如，在人臉識(shí)別方面，人類是通過眼睛獲取人臉的五官特征，以外貌識(shí)記一個(gè)人的，簡而言之為“以貌識(shí)人”。而機(jī)器則是通過攝像頭獲取人臉的特征值，記錄為一串?dāng)?shù)據(jù)，以人臉數(shù)據(jù)庫的形式來識(shí)記一個(gè)人，簡而言之為“以庫識(shí)人”。從而讓學(xué)生能理解，雖然機(jī)器需要向人類學(xué)習(xí)智能，但是機(jī)器的智能方式與人類的智能方式卻又完全不一樣。

3.創(chuàng)作具有簡單智能的程序或者設(shè)備

小學(xué)人工智能課程不能停留在感知與理解層面，而應(yīng)在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。目前，學(xué)生正在學(xué)習(xí)的有Mblock、mPython等圖形化編程工具，還有實(shí)體的Ardiuno套件、掌控板等可外接的編程硬件，我們通過讓學(xué)生借助圖形化編程設(shè)計(jì)人工智能相關(guān)作品，或者更改某些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)人工智能作品，對(duì)學(xué)生進(jìn)行編程思維、算法思想的啟蒙與滲透。例如，學(xué)生可在圖形化編程語言中編寫一個(gè)模擬人臉識(shí)別的門禁判斷程序，是該校學(xué)生，門閘打開可進(jìn)入，否則不可進(jìn)入。學(xué)生也可在mPython中編程，外接實(shí)體掌控板，編寫識(shí)別人體動(dòng)作的程序，進(jìn)行猜拳類互動(dòng)小游戲。筆者通過在Python中編寫調(diào)用百度大腦的程序，控制外接攝像頭，用來統(tǒng)計(jì)班級(jí)人數(shù)、男女人數(shù)、識(shí)別人臉戴眼鏡與否，統(tǒng)計(jì)班級(jí)學(xué)生的近視率等，讓學(xué)生進(jìn)一步感知程序設(shè)計(jì)與人工智能的高階應(yīng)用。在這個(gè)過程中，主要讓學(xué)生思考遇到了問題可以怎么做、如何分步做等，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維及動(dòng)手實(shí)踐能力。

人工智能課程“讓機(jī)器‘認(rèn)識(shí)你”教學(xué)實(shí)踐

1.課程設(shè)計(jì)

教學(xué)從計(jì)算機(jī)的視覺研究入手，圍繞“機(jī)器是如何認(rèn)識(shí)你”的核心問題，完成對(duì)人工智能的感知、體驗(yàn)、創(chuàng)新三個(gè)層級(jí)的學(xué)習(xí)，如下圖所示。

2.教學(xué)內(nèi)容

前兩節(jié)課屬于人工智能的科普感知，旨在從認(rèn)知層面讓學(xué)生初步感受人工智能在生活中的廣泛應(yīng)用。第1課《疫情好幫手——人工智能》，從抗擊2020年新冠肺炎疫情出發(fā)，給學(xué)生展示了疫情期間使用的人工智能技術(shù)，如在人員密集的機(jī)場、火車站等用到的AI測溫儀、利用百度地圖慧眼實(shí)施大數(shù)據(jù)分析人口流向、疫情實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)報(bào)告，以及智能機(jī)器人輔助醫(yī)療診斷和治療等。讓學(xué)生對(duì)使用人工智能抗擊疫情有全面和深刻的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣。第2課《初識(shí)人工智能的三大應(yīng)用》，則回歸到人們的日常生活，從語言、圖像和娛樂三方面，展示了人工智能的廣泛應(yīng)用，并由此引出人工智能的概念和研究范疇。

第3課到第6課，著重學(xué)習(xí)人工智能的計(jì)算機(jī)視覺，以第二人稱的口吻授課，把學(xué)生直接帶入學(xué)習(xí)的核心問題“機(jī)器是如何認(rèn)識(shí)你”的，分別從機(jī)器能“看見”你的面容——人臉識(shí)別、機(jī)器能“欣賞”你的身形——人體識(shí)別、機(jī)器能“看懂”你的文字——文字識(shí)別、機(jī)器能“識(shí)別”你的?？ā獔D像識(shí)別四個(gè)方面展開計(jì)算視覺的學(xué)習(xí)，以課堂AI體驗(yàn)+原理講授的方式進(jìn)行。課堂上直接給學(xué)生拍照采集人臉照片，給手寫文字、卡片、手勢等拍照，上傳到手機(jī)“百度AI體驗(yàn)中心”，通過手機(jī)投屏展示結(jié)果，讓學(xué)生得到充分的AI體驗(yàn)。另外，筆者嘗試調(diào)用百度大腦，在Python中編寫了API接口的程序控制外接攝像頭，讓攝像頭能智能化地統(tǒng)計(jì)班級(jí)人數(shù)、男女生人數(shù)、戴眼鏡人數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輕松解決統(tǒng)計(jì)班級(jí)近視率的問題。在理解人臉識(shí)別的原理時(shí)，聯(lián)系學(xué)生每天進(jìn)出校門時(shí)人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的切身體驗(yàn)，注重人類學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)的對(duì)比、人類視覺與機(jī)器視覺的遷移，讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)視覺既有現(xiàn)象又有本質(zhì)上的認(rèn)識(shí)和理解。

最后兩節(jié)課，則是學(xué)習(xí)人工智能的實(shí)踐編程課和創(chuàng)作課，第7課《模擬門禁系統(tǒng)小程序——Scratch編程》，讓學(xué)生利用圖形化編程語言編寫一個(gè)小程序，模擬學(xué)校門口的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)。第8課《掌控板上猜拳小游戲——mPython編程+掌控板》，在mPython中編程，外接實(shí)體掌控板，編寫識(shí)別人體動(dòng)作的程序，進(jìn)行猜拳類互動(dòng)小游戲。

3.教學(xué)效果及反思

在這8節(jié)課的探索中，學(xué)生課堂參與度非常高，學(xué)習(xí)的熱情高漲。在課堂上教師利用動(dòng)畫視頻形象地講解人臉識(shí)別的原理時(shí)，由于學(xué)生有進(jìn)出校門必經(jīng)人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，也很容易理解和接受。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生利用圖形化編程語言編程、掌控板+mPython編程開發(fā)小程序，目前正在進(jìn)行中，相信學(xué)生一定會(huì)腦洞大開。筆者也嘗試?yán)肞ython編程調(diào)用百度大腦，使得外接攝像頭具有識(shí)別人臉屬性的能力，從而輕松解決身邊的問題——統(tǒng)計(jì)班級(jí)近視率，但是由于受到API接口免費(fèi)調(diào)用的人數(shù)和次數(shù)限制，每次識(shí)別最多10人。

結(jié)束語

實(shí)踐證明，在小學(xué)階段按照人工智能的三個(gè)層級(jí)——感知、認(rèn)知、創(chuàng)新的規(guī)律來開發(fā)課程，既遵循人工智能的學(xué)科規(guī)律，又符合小學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。該課程主要是在研究計(jì)算機(jī)視覺，同樣的學(xué)習(xí)方式也適用于計(jì)算機(jī)聽覺、自然語言系統(tǒng)、專家推薦系統(tǒng)等人工智能領(lǐng)域的教學(xué)。學(xué)生在充分感知和認(rèn)知人工智能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行編程實(shí)踐，甚至是創(chuàng)作出智能化的作品，科技創(chuàng)新意識(shí)和能力都能得到鍛煉和提升，符合當(dāng)下國家對(duì)人才培養(yǎng)的需求。

基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構(gòu)建與實(shí)施”（課題編號(hào)：2020YQJK234）。