【摘 要】針對(duì)當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育存在概念模糊、定位不清、工具不足、應(yīng)用缺乏等問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)一種名為“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”的人工智能教學(xué)工具，通過(guò)給相機(jī)部署不同的AI模型，實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)、頭盔識(shí)別等不同功能，并支持模型訓(xùn)練和快速部署。通過(guò)“安全出行”教學(xué)實(shí)踐，“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”能簡(jiǎn)化人工智能學(xué)習(xí)流程、分解學(xué)習(xí)難度，整合信息科技模塊，有利于推廣人工智能教育，讓學(xué)生更好地實(shí)踐AI、應(yīng)用AI。

【關(guān)鍵詞】信息科技；人工智能；機(jī)器學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）04-094-03

問(wèn)題背景

自2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，要求廣泛開(kāi)展人工智能科普活動(dòng)，中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育已超過(guò)六年。其間，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》為中小學(xué)實(shí)施人工智能教育提供了政策依據(jù)和課程標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，人工智能教育的重要性、必要性已然成為社會(huì)共識(shí)，但人工智能教學(xué)還存在一系列問(wèn)題[1]：一是對(duì)人工智能教育認(rèn)識(shí)不完整、不充分，僅僅是學(xué)習(xí)人工智能科普知識(shí)、使用特定人工智能工具，而沒(méi)有把人工智能教育的核心定位在AI模型上；二是人工智能模型的學(xué)習(xí)和應(yīng)用一般基于Python環(huán)境，受制于學(xué)生認(rèn)知能力，在義務(wù)教育階段實(shí)施面臨困難；三是即使有一些圖形化編程軟件、學(xué)習(xí)平臺(tái)能夠勝任模型訓(xùn)練，一般應(yīng)用于創(chuàng)新競(jìng)賽，無(wú)法常態(tài)化應(yīng)用于真實(shí)的生活場(chǎng)景。因此，在人工智能教育生機(jī)勃勃的義教階段，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的人工智能知識(shí)和能力——訓(xùn)練AI模型。

要改善這些人工智能教學(xué)現(xiàn)狀，首先要從學(xué)生視角理解AI模型，使用通俗的形式表達(dá)智能設(shè)備“推理”“預(yù)測(cè)”等能力的產(chǎn)生過(guò)程，即為什么設(shè)備會(huì)具有智能功能；其次要開(kāi)發(fā)一種學(xué)習(xí)工具式的智能設(shè)備，通過(guò)某種技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能功能，并能應(yīng)用在生活中；最后在學(xué)習(xí)和應(yīng)用中要操作簡(jiǎn)單、模型部署便捷，要易于推廣、普及。

當(dāng)前人工智能教育聚焦于以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的模型訓(xùn)練，和“圖靈測(cè)試”相比較，“會(huì)學(xué)習(xí)”能體現(xiàn)人工智能與人的聯(lián)系。人的智能來(lái)源于學(xué)習(xí)，這更能讓中小學(xué)生理解人工智能是“模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能”的科學(xué)。同時(shí)，人工智能視覺(jué)應(yīng)用比較成熟，在生活中十分常見(jiàn)；圖像數(shù)據(jù)也比較直觀，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，能相對(duì)直觀地判斷人工智能推理效果。因此，這個(gè)學(xué)習(xí)工具式的智能設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“相機(jī)”）以相機(jī)作為形態(tài)，以“會(huì)學(xué)習(xí)”作為特點(diǎn)，給相機(jī)學(xué)習(xí)特定的圖像數(shù)據(jù)，相機(jī)就具有特定的功能；給相機(jī)部署不同的模型，相機(jī)就具有不同的功能，如人臉檢測(cè)、頭盔識(shí)別等。本文以“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”開(kāi)發(fā)來(lái)試圖破解上文所談的人工智能教育困境。

“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.設(shè)計(jì)原則

“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)遵循以下原則。

（1）銜接原則

一是面向內(nèi)容銜接?；诹x教階段學(xué)段分層結(jié)構(gòu)，為了避免人工智能教育知識(shí)割裂，特別是實(shí)現(xiàn)“體驗(yàn)、訓(xùn)練、應(yīng)用”等不同學(xué)習(xí)階段目標(biāo)時(shí)，以學(xué)習(xí)工具為媒介實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接[2]。如在一、二學(xué)段，在相機(jī)上部署不同的AI模型讓學(xué)生體驗(yàn)各種人工智能。在三、四學(xué)段又可以在相機(jī)上部署自學(xué)習(xí)（預(yù)訓(xùn)練）模型，讓學(xué)生體驗(yàn)相機(jī)是怎么學(xué)習(xí)的，甚至應(yīng)用圖形化編程開(kāi)發(fā)人工智能應(yīng)用項(xiàng)目。二是面向其他學(xué)習(xí)工具銜接。多年的人工智能教育積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，也有一些比較優(yōu)秀的工具、軟件，如Mind+、Kittenblock、掌控板等。借助這些成熟工具及其生態(tài)，能更好地開(kāi)展人工智能教育。

（2）便捷原則

一是便于教學(xué)，把各類傳感器、主控、執(zhí)行器等融于一體，像掌控板一樣高度集成，方便教學(xué)管理和操作，實(shí)現(xiàn)大班教學(xué)。二是便于應(yīng)用，包括模型部署和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、使用。如在模型部署與體驗(yàn)等方面向“無(wú)門檻”“零基礎(chǔ)”靠近，項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)能脫離電腦直接使用等。三是便于分享和學(xué)習(xí)交流。如同學(xué)們發(fā)布的個(gè)人AI模型能無(wú)差別地重新部署在相機(jī)上，分享模型、分享成果、分享快樂(lè)。

（3）拓展原則

雖然相機(jī)是為普及人工智能教育設(shè)計(jì)的，面向所有學(xué)生，讓每個(gè)學(xué)生都能有自己的AI模型，但這些模型是最基礎(chǔ)的，是培養(yǎng)全體學(xué)生人工智能素養(yǎng)。模型同時(shí)要兼顧到優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，為他們提供創(chuàng)新發(fā)展的環(huán)境，所以相機(jī)既要面向全體學(xué)生，也要面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

2.功能設(shè)計(jì)

（1）育人功能

義教階段共分為四個(gè)學(xué)段，雖然學(xué)生認(rèn)知能力差異較大，但也有共同特征。如好奇性強(qiáng)、實(shí)踐時(shí)間多，樂(lè)于在游戲中學(xué)習(xí)、在活動(dòng)中學(xué)習(xí)。相機(jī)能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、操作簡(jiǎn)便、隨時(shí)可以使用、可玩性強(qiáng)。因此，選擇圖像分類與檢測(cè)作為相機(jī)的人工智能功能定位。把攝像頭作為圖像采集的工具，借助開(kāi)放平臺(tái)算力訓(xùn)練模型，使用圖形化編程完成項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)。

（2）實(shí)踐功能

“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”支持人工智能學(xué)習(xí)成果實(shí)踐，簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)步驟和學(xué)習(xí)時(shí)間，被稱為“1320”實(shí)踐機(jī)制，即對(duì)于已有AI模型，1分鐘就能完成部署，體驗(yàn)效果。對(duì)于預(yù)訓(xùn)練模型，拍幾下就能完成分類學(xué)習(xí)，3分鐘教會(huì)相機(jī)學(xué)習(xí)。對(duì)于新模型，使用MaixHub在線訓(xùn)練平臺(tái)或離線訓(xùn)練軟件，20分鐘掌握訓(xùn)練新模型，這些模型均能在生活中實(shí)踐應(yīng)用。就實(shí)踐操作層面來(lái)說(shuō)，1分鐘完成部署，是把模型作為一種文件，把相機(jī)作為一種移動(dòng)存儲(chǔ)（如U盤），部署模型等于在電腦中進(jìn)行復(fù)制、粘貼操作；重新啟動(dòng)相機(jī)就能運(yùn)行AI模型。3分鐘教會(huì)相機(jī)學(xué)習(xí)，是針對(duì)預(yù)訓(xùn)練分類模型（如二分類），可以拍攝兩張不同類型的圖片，然后拍攝一組屬于這兩類特征的照片作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，相機(jī)自動(dòng)完成訓(xùn)練，具有分辨這兩類照片（物品）的能力。20分鐘學(xué)會(huì)訓(xùn)練新模型，是指通過(guò)在線平臺(tái)掌握模型訓(xùn)練的原理、步驟及工具，能應(yīng)用資源和工具訓(xùn)練出新模型，包括分類和檢測(cè)兩類AI模型。

（3）技術(shù)功能

依托國(guó)內(nèi)開(kāi)源生態(tài)，相機(jī)參考基于全志V831、MaixPy3的M2dock和基于樂(lè)鑫ESP32的掌控板開(kāi)發(fā)原型，保留了M2dock人工智能特性和掌控板物聯(lián)網(wǎng)主控功能。相機(jī)由人工智能模塊和物聯(lián)網(wǎng)控制模塊組成，兩個(gè)模塊使用串口傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了人工智能推理結(jié)果的拓展和應(yīng)用，并和“過(guò)程與控制”融合，滿足了信息科技課程的技術(shù)要求。相機(jī)保持了開(kāi)源精神，把原型方案發(fā)布到開(kāi)源平臺(tái)，任何教師都可以制作或改良。

“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”教學(xué)應(yīng)用

1.課程規(guī)劃

由于義教階段信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)段劃分和內(nèi)容安排，無(wú)法開(kāi)展常規(guī)的、獨(dú)立教學(xué)的人工智能教育，給中小學(xué)人工智能教育實(shí)施帶來(lái)了挑戰(zhàn)。但從第一學(xué)段開(kāi)始，信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中就有人工智能教育相關(guān)的描述，如學(xué)段目標(biāo)中有“體驗(yàn)文字、圖符、語(yǔ)音等多種輸入方式的表達(dá)與交流效果，有意識(shí)地使用數(shù)字設(shè)備處理文字、圖片和聲音”等表述；學(xué)段內(nèi)容中有“語(yǔ)音輸入、拍照識(shí)圖、點(diǎn)讀筆、智能語(yǔ)音助手、刷臉進(jìn)門、智能可穿戴設(shè)備、數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，掃碼支付、掃碼下載，依靠數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)，因果關(guān)系、預(yù)測(cè)結(jié)果及以數(shù)據(jù)、算法、算力、傳感器”等描述?？梢?jiàn)人工智能教育可以融入不同學(xué)段的信息科技課程中。同時(shí)由于新課標(biāo)面向全國(guó)，對(duì)于教育發(fā)展質(zhì)量較高的地區(qū)，人工智能教育的目標(biāo)和內(nèi)容可能高于標(biāo)準(zhǔn)，因此，開(kāi)展針對(duì)不同地區(qū)、不同學(xué)段的案例教學(xué)更符合當(dāng)前實(shí)施人工智能教育的實(shí)際。

基于以上分析，結(jié)合相機(jī)特征，針對(duì)人工智能學(xué)習(xí)可以劃分為以下四個(gè)階段。第一階段：認(rèn)知體驗(yàn)。了解生活中的人工智能，認(rèn)識(shí)人工智能工具，體會(huì)人工智能在學(xué)習(xí)、生活和工作中的作用和優(yōu)點(diǎn)。第二階段：辨別分析。知道數(shù)據(jù)在人工智能中的作用。在生活場(chǎng)景中理解人工智能的推理、預(yù)測(cè)和生成。第三階段：實(shí)踐應(yīng)用。應(yīng)用人工智能相關(guān)工具，經(jīng)歷生活、學(xué)習(xí)活動(dòng)中的問(wèn)題解決過(guò)程，體會(huì)過(guò)程中的科技與倫理。第四階段創(chuàng)新部署：面對(duì)生活問(wèn)題能采集數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、部署模型、應(yīng)用模型來(lái)創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，提升創(chuàng)新意識(shí)和能力[3]。

以上這四個(gè)階段的教學(xué)過(guò)程與策略，取決于學(xué)校實(shí)施人工智能課程的形式和安排。從第一學(xué)段至第四學(xué)段，獨(dú)立教學(xué)的學(xué)段為三年級(jí)至八年級(jí)，可以根據(jù)四個(gè)階段建設(shè)若干個(gè)教學(xué)案例，結(jié)合校情覆蓋各學(xué)段，案例的實(shí)施也可以根據(jù)學(xué)校的課程內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.課例開(kāi)發(fā)

基于以上規(guī)劃，在認(rèn)知體驗(yàn)階段，可以設(shè)計(jì)人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)、身體檢測(cè)等課例，學(xué)習(xí)部署已經(jīng)完成的AI模型，體驗(yàn)效果。在辨別分析階段，可以設(shè)計(jì)口罩檢測(cè)、眼鏡檢測(cè)、數(shù)字識(shí)別等課例，了解模型推理的原理。在實(shí)踐應(yīng)用階段，可以設(shè)計(jì)二分類學(xué)習(xí)、多分類學(xué)習(xí)課例，通過(guò)部署自學(xué)習(xí)（預(yù)訓(xùn)練）模型，體驗(yàn)機(jī)器是怎樣“學(xué)習(xí)”的，知道數(shù)據(jù)、訓(xùn)練、推理等概念，并使用模型解決生活中的問(wèn)題。在創(chuàng)新部署階段，可以設(shè)計(jì)性別檢測(cè)（分類）、文具檢測(cè)（識(shí)別）、頭盔檢測(cè)（識(shí)別）等課例，掌握AI模型訓(xùn)練的一般步驟，獨(dú)立訓(xùn)練新模型并部署到生活中解決問(wèn)題。

課題：安全出行——頭盔檢測(cè)。

學(xué)段：第三、四學(xué)段。

時(shí)長(zhǎng)：3課時(shí)。

目標(biāo)：知道交通安全的重要性，自覺(jué)遵守交通規(guī)則；使用人工智能工具檢測(cè)交通場(chǎng)景中的信息，知道人工智能推理原理，能讓相機(jī)認(rèn)識(shí)更多交通信息，如頭盔、紅綠燈、方向指示牌等。訓(xùn)練出多種關(guān)于交通安全的AI模型。

（1）項(xiàng)目導(dǎo)入活動(dòng)

根據(jù)當(dāng)前學(xué)生上下學(xué)期間交通事故易引起重大人身傷害的情況，學(xué)校要求乘坐電動(dòng)自行車的同學(xué)上學(xué)時(shí)須戴好安全頭盔。為了保障學(xué)生安全，對(duì)沒(méi)有佩戴頭盔的同學(xué)發(fā)出安全警示、提醒下次必須佩戴頭盔。

（2）項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

活動(dòng)一：分析問(wèn)題、形成方案。在校門外安裝頭盔檢測(cè)裝置，具體功能為：發(fā)現(xiàn)電動(dòng)車經(jīng)過(guò)時(shí)，如果學(xué)生沒(méi)有佩戴頭盔，警示紅燈，并播放蜂鳴聲5秒；如果學(xué)生佩戴頭盔，則綠燈提示，播放蜂鳴聲1秒。

活動(dòng)二：模型訓(xùn)練與測(cè)試。為了讓裝備識(shí)別出頭盔，根據(jù)AI模型訓(xùn)練的方法，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)采集100張含有頭盔的圖片。登錄訓(xùn)練平臺(tái)，導(dǎo)入50張圖片，并為每張圖片中的所有頭盔部分打好標(biāo)簽。在線訓(xùn)練完成后，部署到相機(jī)，使用余下的50張照片進(jìn)行推理測(cè)試，看是否能識(shí)別出頭盔。

活動(dòng)三：程序設(shè)計(jì)。根據(jù)場(chǎng)景模擬，如果家長(zhǎng)駕駛電動(dòng)自行車，學(xué)生乘坐，檢測(cè)到兩個(gè)頭盔才符合安全要求。所以，當(dāng)相機(jī)檢測(cè)到兩個(gè)頭盔時(shí)亮綠燈，播放蜂鳴1秒鐘；少于兩個(gè)頭盔時(shí)，亮紅燈，播放蜂鳴5秒鐘。

活動(dòng)四：分享與交流。模擬校門外道路場(chǎng)景，項(xiàng)目組展示智能檢測(cè)效果，看能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。分享項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的知識(shí)學(xué)習(xí)、能力提升和情感狀態(tài)。

活動(dòng)五：優(yōu)化與拓展。通過(guò)采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用在線訓(xùn)練平臺(tái)，我們讓相機(jī)學(xué)會(huì)了識(shí)別頭盔。其實(shí)道路上還有許多重要的交通信息，如“紅綠燈”“方向牌”等，請(qǐng)學(xué)生嘗試讓相機(jī)學(xué)會(huì)識(shí)別（模擬場(chǎng)景的）紅綠燈。

“會(huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”減輕了學(xué)校開(kāi)展人智能教育的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，可以快速形成校本化人工智能課程；課堂中，節(jié)省了AI模型訓(xùn)練和部署時(shí)間，降低了操作難度，使學(xué)生的創(chuàng)意不受工具條件限制，快速變成現(xiàn)實(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生人工智能素養(yǎng)。

思" 考

兩年來(lái)，生成式人工智能的廣泛應(yīng)用，刷新了社會(huì)對(duì)人工智能的認(rèn)知。人們不再像過(guò)去一樣把人工智能當(dāng)成“刷臉”應(yīng)用，也不會(huì)像自動(dòng)駕駛一樣覺(jué)得既遙遠(yuǎn)又不成熟。大家討論的焦點(diǎn)也從過(guò)去技術(shù)視角的“數(shù)據(jù)、算法、算力”轉(zhuǎn)向普通大眾能理解甚至應(yīng)用的AI模型或“大模型”。而人工智能教育也越來(lái)越貼近生活，并在人工智能原理的基礎(chǔ)上，向使用模型、訓(xùn)練模型轉(zhuǎn)變，真正向延展人的智能發(fā)展?！皶?huì)學(xué)習(xí)的相機(jī)”正好扮演這樣一個(gè)角色，讓學(xué)生從知識(shí)和概念中呈現(xiàn)生活化的人工智能，通過(guò)使用模型、訓(xùn)練模型發(fā)展人工智能素養(yǎng)。

注：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“小學(xué)人工智能教育的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)體系建構(gòu)和實(shí)施策略研究”（批準(zhǔn)號(hào)：D/2021/02/148）課題成果

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編" "輯：徐靖程