基于人工智能教育硬件的中小学校外电子技术教育初探.pdf

-57-基于人工智能教育硬件的中小学校外电子技术教育初探北京市少年宫 刘星汉摘 要：本文站在中小学校外电子技术教育与人工智能教育融合的角度，列举了现阶段校外电子技术教育与人工智能教育融合所面临的问题，对以引入人工智能教育硬件产品的方式解决问题进行了讨论，最后结合笔者自身的教学实践，对人工智能教育硬件产品在中小学校外电子技术教育中的应用进行了总结及反思。关键词：人工智能 中小学 校外教育 电子技术2017 年，国务院印发了新一代人工智能发展规划，其中就教育领域提到：鼓励实施全民智能教育项目，中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设人工智能学科等。传统的校外电子技术课程，课程内容主要包括电路基础、模拟电路、数字电路及电子控制相关的入门知识及实践制作。如何结合人工智能技术，更新教学内容，成为众多教育者的难题。人工智能教育硬件产品随着人工智能教育的发展而不断发展，在融入先进科技同时，力求降低人工智能教育的学习门槛，在高校电子技术相关学科学习中，已得到广泛应用。这类产品必须利用人工智能相关技术，技术上是闭源或者部分开源，具备相对完善的开发资料及生态，学生易于学习掌握。把人工智能教育硬件产品的学习和应用引入电子技术教育利用其特点，可一定程度解决青少年校外电子技术教育与人工智能教育融合的问题。一、中小学校外电子技术教育与人工智能教育融合面临的问题（一）融合方式不明确人工智能如果作为一个单独的学科，包含了很多学科的知识，和一个包罗万象的学科融合，同时保留原学科的特点，是比较难的。（二）中小学生掌握人工智能部分知识较为困难校外电子技术课程的学习群体一般是小学三年级到高中的学生，而人工智能课程的部分知识育人实践Educational Practice中国校外教育AFTERSCHOOL EDUCATION IN CHINA 2023年06月 第3期Jun.2023 No.03-58-对于这个年龄段的学生来说很难懂。如果生搬硬套把这些知识加进来，而不和原有知识进行联系，学生很难理解。（三）运用传统人工智能产品开展普及实践活动很困难较高规格的比赛需要参赛作品与热点科技相结合。人工智能作为前沿科技，有较高的学习门槛，老师学习起来也不容易，再辅导学生就是难上加难。如何让学生的作品结合先进技术，发挥自己的创意，成为一大难题。二、把人工智能教育硬件引入中小学校外电子技术教育的原因（一）更新传统教学内容目前，国家对于人工智能教育没有设立单独的课程，也没有独立的课程标准，校外的课程标准也就没有权威的参考。笔者认为要在校外电子技术课程中的不同学段融合人工智能教育内容，而不是把人工智能作为一个独立模块，变一点融合为多点融合，从入门课程到高阶课程均贯彻人工智能的思想。初级班学生从生活实践的角度理解人工智能的应用。中级班学生尝试应用人工智能教育硬件预置的功能，解决实际问题。高级班学生可以参考人工智能教育硬件社区资料，自行采集训练数据，体验简单的神经网络搭建过程。这样做既融合了人工智能的知识，具有实践性，又没有缺失电子技术课程原本的内容和特点。（二）有利于学生创新思维的培养目前，人工智能教育硬件产品的种类功能繁多，涉及图像识别、颜色识别、标签识别、语音识别等。这些功能是学生参加比赛，进行创新设计时需要又很难掌握的东西。从老师的角度说，利用人工智能教育硬件丰富的资源辅导学生参赛时难度降低了。从学生的角度说，应用人工智能技术的难度降低，解决了技术难题。诸多人工智能教育硬件的应用，也启发了学生，其作品的创新思路得到扩展。三、把人工智能教育硬件引入中小学校外电子技术教育的途径（一）利用人工智能教育硬件产品结合开源硬件进行教具制作在电路控制教学中，教师可以选择将人工智能教育硬件作为传感器模块使用，把模块进行简单封装，实现图像识别、语音识别等功能，极大地丰富了传感器的类别，扩展了教师制作教具的思路。学生使用教具，自己动手进行积木式拼接，在制作过程中感受控制过程，理解知识。（二）应用人工智能教育硬件产品进行分层教学教师引导学生利用人工智能教育硬件产品进行学习的方法也很重要。笔者根据学生的能力水平采取分层教学，在每个层次的教学中加入人工智能教育硬件产品，做到与电子技术课程多点融合。一是对于初学的，学生，其学习主要在老师的引导下进行，利用传感器（成品的人工智能教育硬件产品，如 HuskyLens）、控制器（一般使用开源硬件）、执行器进行硬件学习，教师准备好程序，学生通过写流程图，修改程序进行学习。最后在已有知识的基础上，设定一个简单的新任务，让学生利用所学知识完成。二是对于有一定知识基础的学生，老师对任务中的难点和方法性的知识点进行详细引导，对难度不高的知识点，采用问题引导的方法，让同学逐步学会自主学习。这一阶段引入的人工智能教育硬件产品，需要提供硬件的电路连接图，由学生选择利用人工智能教育硬件替代-59-传感器或替代控制器（例如 Maix 系列），自行完成电路组装。软件部分的学习则由老师提供流程图和关键语句，学生自行完成程序设计。通过与一般开源硬件比较，让学生进一步了解人工智能教育硬件的作用和人工智能中相关的技术。三是对于水平较高的学生，采用基于项目式的学习方法。老师只对关键提供学习资料，而学生应学会利用网络或书籍进行探究学习。在人工智能教育硬件使用上，根据项目特点，利用教师提供的课程资源包，收集数据，进行训练。少数能力突出的学生，还可以尝试自主设计修改小规模神经网络框架，完成一定的任务。（三）引导学生利用人工智能教育硬件产品进行创新实践学生利用人工智能教育硬件产品进行创新实践比较容易。初期，可以让学生对创新制作进行仿制，通过仿制加深学生对硬件知识的理解，了解制作项目的过程。然后由仿制过渡到优化迭代，对他人的设计进行原理修改，或者功能完善。最后教师针对热点或难点技术进行引导，让学生自主研究，进行较高层次的创新实践。四、反思与结语（一）教师应选择合适的人工智能教育硬件产品进行教学人工智能硬件种类繁多。用于教学的硬件应具备技术可靠、成本低、兼容性好、学习资料完善、学习门槛低、利于学生学习等特点，教师在把不同的人工智能教育硬件引入教学或指导学生自学的时候，一定要进行甄别，切勿盲目选择。（二）教师应指导学生合理使用人工智能教育硬件产品人工智能教育硬件在给大家带来方便的同时，自身也存在一些技术缺陷。教师在利用硬件开展教育活动时，一定要合理指导学生，让学生全面认识其优点与缺点，灵活选用。人工智能教育硬件只是一个学习平台，而不是学习的终点，教师要引导学生不仅仅局限于利用其制作作品，也要主动思考，对作品进行优化。五、结语人工智能教育硬件产品的使用，有助于中小学校外电子技术教育与人工智能教育融合得更好。随着技术的发展，人工智能教育硬件产品会不断完善，相信未来这种产品在校外青少年电子技术教育的应用空间一定会更加广阔。