人工智能科普套件的研究與分析

孫鄭芬 解迎剛 郭昊 李杰

摘 要：人工智能教育是目前教育發(fā)展的大勢所趨。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能教育自提出后就受到全球教育研究者的廣泛關(guān)注。通過加強(qiáng)人工智能教育構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，已成為當(dāng)前亟需思考和解決的問題。為了響應(yīng)國家政策，培養(yǎng)人工智能人才，文中以Android單片機(jī)為基礎(chǔ)，研制了人工智能科普套件。該套件以單片機(jī)核心開發(fā)板為載體，配套驅(qū)動通信模塊、傳感器模塊等電子元器件，結(jié)合積木等輔助工具，適用于5～12歲階段幼兒及小學(xué)生智力培養(yǎng)，專注于培養(yǎng)孩子科學(xué)素養(yǎng)，開發(fā)智力;同時(shí)也完成了配套人工智能初級課程的編制，設(shè)計(jì)+搭建+編程+操控四位一體鍛煉孩子的邏輯能力。文中從套件的技術(shù)路線、使用方法及技術(shù)原理三個(gè)方面對該智能套件進(jìn)行介紹，同時(shí)分析當(dāng)下智能教育的發(fā)展趨勢，對智能套件的發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;科普套件;智慧教育;人工智能科普套件;智力培養(yǎng);人工智能初級課程

中圖分類號：TP391;G420文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著人工智能技術(shù)應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展，人工智能對發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高生活水平以及促進(jìn)社會進(jìn)步有著重要影響。目前，我國中小學(xué)人工智能教育正處于起步階段[1]，人工智能技術(shù)與教育的深度融合對傳統(tǒng)的教育理念、教育體系和教學(xué)模式產(chǎn)生了較大影響，其技術(shù)應(yīng)用和人才教育培養(yǎng)問題受到我國政府的高度重視[2]。

2017年，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》指出，要不斷加快實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程[3]。2018年4月，發(fā)布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》提到，要在中小學(xué)階段普及人工智能教育，不斷構(gòu)建人工智能多層次教育體系，讓更多孩子提前接受人工智能教育，開發(fā)兒童智力[4]。自此，“人工智能+教育”被賦予了新的內(nèi)容和含義。人工智能教育研究可劃分為兩大類。一是人工智能賦能教育，即人工智能在教育中的應(yīng)用。其主要指人工智能技術(shù)支撐教育實(shí)踐對教學(xué)方式的改變，如精準(zhǔn)診斷、個(gè)性化推薦、智能導(dǎo)師等[5]。二是人工智能教育內(nèi)容，即人工智能教育內(nèi)容本身及其相關(guān)素養(yǎng)能力培養(yǎng)。其主要包含多樣的編程教育、創(chuàng)客教育以及計(jì)算思維能力、創(chuàng)新能力等信息素質(zhì)的培養(yǎng)[6]。由于本文提出的人工智能套件用于培養(yǎng)兒童的動手能力、編程教育、思維能力、創(chuàng)新能力，故屬于第二類人工智能教育研究。

人工智能套件基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，集合多種傳感器，通過對Arduino開發(fā)板的改造，實(shí)現(xiàn)了一款可以滿足中小學(xué)階段使用的開發(fā)模塊套件。作為科學(xué)素養(yǎng)啟蒙，基于物聯(lián)網(wǎng)感知的人工智能科普套件的目標(biāo)是使兒童能夠進(jìn)行場景規(guī)劃，掌握用基礎(chǔ)零件搭建場景的技巧，熟練掌握積木塊、電子積木的混合搭建技術(shù);培養(yǎng)兒童的合作意識、情感交流意識，讓他們能夠與其他小朋友一起完成課程任務(wù)。通過學(xué)習(xí)使用本套件，兒童能夠解決簡單的問題，掌握一些基礎(chǔ)知識，養(yǎng)成良好的動手能力;通過逐步接觸復(fù)雜結(jié)構(gòu)，了解各種動力的性能改變;通過搭建+編程，初步認(rèn)識編程，增加兒童對編程的興趣;強(qiáng)化編程能力;學(xué)習(xí)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為后期人工智能學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

1 人工智能科普套件的技術(shù)路線

Arduino是一款簡單易用、便捷靈活的軟硬件開源電子原型平臺，由開放原碼的簡單I/O界面板衍生而來。其開發(fā)環(huán)境使用類似Java、C語言的編程語言。該開發(fā)板采用AVR系列單片機(jī)，具有功耗低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)和擴(kuò)展能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。Ardunio單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)RIS指令集，有AD、SPI接口等，可以滿足各種項(xiàng)目要求。同時(shí)，該開發(fā)板上的L298N電動機(jī)驅(qū)動模塊內(nèi)置最高9 V電源輸入接口和5 V穩(wěn)定輸出接口，故系統(tǒng)的電源模塊直接采用9 V鋰電池供電。鋰電池具有重量輕、容量大和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

Arduino開發(fā)板主要由兩個(gè)部分組成：一是開發(fā)所需的硬件資源，即各種各樣的 Arduino 電路板;二是開發(fā)所需的軟件資源，包括特有的開發(fā)工具Arduino IDE編程環(huán)境及 Arduino編程語言。使用Arduino技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的第一步是硬件選型，即選擇符合所需功能的開發(fā)板。Arduino開發(fā)板目前具有多種開發(fā)功能：具備不同開發(fā)功能的開發(fā)板，可以使用同樣的開發(fā)語言，具有統(tǒng)一的對外接口。Arduino 101是一個(gè)性能出色的低功耗開發(fā)板。它基于Intel Curie模組，有著和UNO一樣的特性和外設(shè)。但是由于它使用了低功耗的Intel單片機(jī)，板載有藍(lán)牙和姿態(tài)傳感器，因此其性能更優(yōu)。

2 人工智能科普套件的制作與實(shí)驗(yàn)探索

該套件以單片機(jī)核心開發(fā)板為載體，配套驅(qū)動通信模塊、傳感器模塊等電子元器件，結(jié)合積木等輔助工具。智能套件如圖1所示。

此外，該套件也是一款樂高兼容的開發(fā)模塊套件。它集合有多種傳感器，同時(shí)可以將傳感器外形包裝后與樂高拼接，接頭采用小朋友容易拆卸安裝的橡膠頭。此外，它搭配多種顏色，可吸引小朋友的興趣，同時(shí)也可以通過與樂高組裝實(shí)現(xiàn)音樂門鈴、芝麻開門、交通燈、有禮貌的垃圾桶等。讓孩子充分發(fā)揮自己的想像力，用該套件制作出更多新奇好玩的東西，開發(fā)孩子智力。

3 人工智能科普套件的使用及實(shí)現(xiàn)

3.1 使用方法

人工智能科普套件的使用流程如圖2所示。

（1）如果想制作一個(gè)小臺燈，那么第一步就是用簡單的代碼編寫一個(gè)開關(guān)控制燈亮滅的程序，并編譯、上傳。程序邏輯如圖3所示。

程序關(guān)鍵代碼如下：

#include

int RECV_PIN = 8;

int LED_PIN1 = 10;

int LED_PIN2 = 12;

int gPWMval=0;

IRrecv irrecv（RECV_PIN）;

decode_results results;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

irrecv.enableIRIn（）;// Start the receiver

pinMode（LED_PIN1，OUTPUT）;

pinMode（LED_PIN2，OUTPUT）;

digitalWrite（LED_PIN1，LOW）;

digitalWrite（LED_PIN2，LOW）;

gPWMval=0;

}

void loop（） {

if（gPWMval==0）{

if （irrecv.decode（&results）） {

Serial.println（results.value，HEX）;

if （results.value == 0xFF30CF）

{

gPWMval=1;

} else if （results.value == 0xFF18E7）

{

gPWMval=2;

}

irrecv.resume（）;// Receive the next value

}

}

if（gPWMval==1）{

digitalWrite（LED_PIN1，HIGH）;

delay（3000）;

digitalWrite（LED_PIN1，LOW）;

delay（3000）;}

else {digitalWrite（LED_PIN2，HIGH）;

delay（5000）;

digitalWrite（LED_PIN2，LOW）;

delay（3000）;}

（2）接下來用五顏六色的積木搭建一個(gè)小臺燈。

（3）將套件模塊與搭建好的臺燈拼接在一起，彩燈放在燈泡的位置，開關(guān)放在底座上，核心板和其他東西可以隨意擺放。

（4）將燈泡、開關(guān)和核心板用連接線連接起來。

（5）按下開關(guān)，燈泡被點(diǎn)亮。

3.2 模型示例

臺燈模型示例如圖4所示。

4 結(jié) 語

人工智能教育是目前教育發(fā)展的新趨勢[7]，當(dāng)前的人工智能教育還處于初級階段。我國人工智能技術(shù)的發(fā)展需要中小學(xué)教育的變革支撐[8]。好的教育方式并不只是方便教師或?qū)W生完成已有知識的被動學(xué)習(xí)，而是應(yīng)該激勵學(xué)生進(jìn)行知識的創(chuàng)新和分享，并形成創(chuàng)新和分享到再一次激勵創(chuàng)新和分享的正向循環(huán)，讓學(xué)生更具有創(chuàng)造性[9]。希望人工智能套件可以培養(yǎng)孩子的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其創(chuàng)新創(chuàng)造能力潛能。我們相信，伴隨著人工智能教育應(yīng)用的不斷研究和實(shí)踐、教與學(xué)效率的不斷提高，人工智能教育最終將促進(jìn)師生共同發(fā)展，培養(yǎng)出新時(shí)代所需要的創(chuàng)新型人才[10]。

注：本文通訊作者為解迎剛。

參考文獻(xiàn)

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