王賢燦

【摘 要】本文首先分析了目前中小學(xué)人工智能教育實驗場所建設(shè)中面臨的問題。然后提出為解決這些問題，需各方協(xié)同，發(fā)揮各自優(yōu)勢，構(gòu)造“學(xué)校制作中心+區(qū)域超算中心+校外體驗中心”的中小學(xué)人工智能教育實驗場所體系。并詳細闡述這個體系中，政府主管部門、學(xué)校和社會機構(gòu)所需解決的問題。

【關(guān)鍵詞】人工智能教育;教育實驗場所;體系

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）011-067-03

中小學(xué)人工智能教育正在全國各地迅速地開展。人工智能技術(shù)具有綜合性、實踐性、開放性的特點，這就決定了建設(shè)中小學(xué)人工智能教育實驗場所很有必要。中小學(xué)推進人工智能教育和智能教育應(yīng)用目前尚處于起步階段[1]。

中小學(xué)人工智能教育實驗場所建設(shè)與管理面臨的問題

1.尚無建設(shè)標準

目前，國家及省級管理層面，尚未有中小學(xué)人工智能教育實驗場所建設(shè)的國家標準或行業(yè)標準;市縣級層面也缺少針對中小學(xué)人工智能教育場所的建設(shè)規(guī)范或指南。

2.建設(shè)成本高

中小學(xué)人工智能課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該定位于人工智能技術(shù)中使得機器能夠會看 （ 機器視覺識別技術(shù) ）、會聽 （ 機器聽覺識別技術(shù) ）、會說 （ 人機對話技術(shù) ）、會行動 （ 機器人技術(shù) ） 等方面的相關(guān)內(nèi)容[2]。教學(xué)內(nèi)容覆蓋面寬，學(xué)習(xí)內(nèi)容多，既有理論學(xué)習(xí)、現(xiàn)場體驗，又有動手實踐。為了滿足教學(xué)要求，人工智能教育實驗場所的建設(shè)項目與傳統(tǒng)實驗室相比必定多了不少，建設(shè)成本相應(yīng)提高了不少。與此同時，人工智能技術(shù)進步飛快，需要不斷地投入確保人工智能教育實驗場所軟硬件的更新和人工智能教育有良好的實驗效果。

3.建設(shè)與發(fā)展不均衡

目前，我國的教育仍存在區(qū)域間發(fā)展不均衡、區(qū)域內(nèi)發(fā)展不均衡的現(xiàn)象。如部分地區(qū)重點建設(shè)了人工智能特色學(xué)校，這些學(xué)校人工智能教育實驗場所的建設(shè)達到了較高水平;有的學(xué)校已經(jīng)對人工智能教育實驗場所進行了再升級或再改造;有些人工智能教育實驗場所卻成為擺設(shè)，使用效益不高，資源浪費嚴重。有些學(xué)校實驗附屬用房不足，理化生實驗室缺少單獨的準備室、儀器室、藥品室等，更談不上建設(shè)人工智能專用教育實驗場所了。

4.后續(xù)運維難點多

搭建一套完備的人工智能教育平臺，哪怕是依靠TensorFlow、Torch或Caffe等開源平臺，都需要進行復(fù)雜的軟硬件環(huán)境配置。面對中小學(xué)生數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等知識儲備有限的問題，面向中小學(xué)生的人工智能教育實驗平臺需要二次開發(fā)，以便適應(yīng)中小學(xué)生學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，機器學(xué)習(xí)的實驗，尤其是深度學(xué)習(xí)方面的實驗，要求教師有較強的編程能力和較豐富的編程經(jīng)驗，平臺內(nèi)容還需要根據(jù)實際教學(xué)情況進行調(diào)整。這些都增加了實驗室建設(shè)和維護的難度。

中小學(xué)人工智能教育實驗體系的組成

中小學(xué)人工智能教育在實施過程中，依據(jù)學(xué)生認知發(fā)展的規(guī)律和教育教學(xué)循序漸進的邏輯，人工智能教育內(nèi)容整體上可以按照感知、體驗、創(chuàng)新的層次展開[3]。中小學(xué)人工智能教育實驗體系由區(qū)域超算中心、學(xué)校制作中心、校外體驗中心等組成。

1.集中資源，區(qū)域建設(shè)超算中心

區(qū)域超算中心的主要功能是網(wǎng)絡(luò)支持、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)模擬、學(xué)習(xí)管理、教學(xué)管理和資源管理等。區(qū)域行政主管部門集中人力、物力、財力優(yōu)勢，遵循系統(tǒng)先進性、實用性、可靠性、開放性、可擴展性的原則，從配套資源、模擬實驗及環(huán)境設(shè)施建設(shè)多方面加大建設(shè)投入。依托區(qū)域城域網(wǎng)和教育資源公共服務(wù)平臺，采用B/S構(gòu)架，以網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)備為基礎(chǔ)，推進人工智能教育課程資源、實驗平臺、支撐環(huán)境三位一體資源體系建設(shè)，打造區(qū)域中小學(xué)共享的人工智能超算中心。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施提供對人工智能應(yīng)用和核心服務(wù)正常運行的基礎(chǔ)支撐，包括教學(xué)實驗平臺建設(shè)所需與必要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、安全、存儲設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、中間件等資源。由數(shù)據(jù)機房、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)軟硬件組成，包括GPU集群、存儲集群和高速網(wǎng)絡(luò)等物理資源的配備，承擔著為教學(xué)實驗平臺提供計算、存儲、傳輸和交換等服務(wù)的重要職責(zé)，確保人工智能實驗所需大流量、高并發(fā)、低延遲的處理需求，以及結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等多種數(shù)據(jù)類型的存儲、分析、挖掘等關(guān)鍵需求。

（2）學(xué)習(xí)平臺提供各類人工智能模擬學(xué)習(xí)平臺，包括大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能框架及開發(fā)工具;建立對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行封裝并提供高層次接口的學(xué)生人工智能模擬學(xué)習(xí)平臺。在沒有過多編程能力和編程經(jīng)驗的情況下，通過該學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生只需要寫出一些簡單的程序代碼，就可以完成基本的機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)實驗，更容易通過實驗加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

（3）學(xué)習(xí)管理記錄、分析、處理學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的記錄，應(yīng)用學(xué)習(xí)分析技術(shù)處理歷史和實時數(shù)據(jù)，提供用戶在線實驗代碼輸入和結(jié)果呈現(xiàn)等交互，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展智能分析與診斷。主要包括人工智能實驗頁面、作業(yè)提交、成績分析等欄目。

（4）教學(xué)管理構(gòu)建人工智能課程教學(xué)管理體系。輔助教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行有針對性的教學(xué)。包括教學(xué)實驗管理、用戶管理、成果管理、成績分析等。

（5）資源管理。提供各類人工智能學(xué)習(xí)的視頻、課件、微課等，實現(xiàn)教學(xué)資源的共建共享，方便師生根據(jù)教與學(xué)需求進行取用。

2.創(chuàng)設(shè)空間，學(xué)校建設(shè)制作中心

學(xué)校制作中心的主要功能是編程學(xué)習(xí)、創(chuàng)意搭建、虛實融合、應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)和學(xué)習(xí)成果展示等。其將人工智能知識學(xué)習(xí)與動手實踐有效整合，打造人工智能教育實踐主陣地，為學(xué)校人工智能教育活動開展提供有力幫助與支持。在制作中心各個功能區(qū)的技術(shù)支持下，在交流中把創(chuàng)意變成現(xiàn)實，在作品分享時進行智慧碰撞。

（1）制作中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。制作中心作為開展人工智能教育的場所，具備通常的網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境，并配有桌椅便于學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，配有工具柜等家具，便于學(xué)生取用工具。制作中心的裝修設(shè)計，要盡可能體現(xiàn)人工智能科技感，為學(xué)生營造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（2）編程學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)。在保證學(xué)生上機訓(xùn)練時間的情況下，合理配備計算機資源，幫助學(xué)生配置編程環(huán)境，學(xué)習(xí)系統(tǒng)化的編程理論，讓學(xué)生掌握基本的編程方法。

（3）配置創(chuàng)意搭建設(shè)備。在制作中心，學(xué)生可以根據(jù)人工智能學(xué)習(xí)的情況，搭建軟硬結(jié)合的創(chuàng)意作品，如LED設(shè)計、機器人搭建、無人機組裝、物聯(lián)網(wǎng)控制等，學(xué)習(xí)和掌握傳感器、單片機、機器控制（人、車、機械臂、無人機等）等技術(shù)。

（4）提供虛實融合場景。學(xué)生利用虛擬仿真等技術(shù)，學(xué)習(xí)人機對弈、語音識別、機器視覺、自然語言處理、機器人搭建與智能控制、AR體驗等知識，觀察、分析、掌握人工智能技術(shù)的基本工作原理。

（5）人工智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)體驗。通過人工智能項目的開發(fā)實踐，掌握人工智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)劃、設(shè)計、測試等環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)利用人工智能技術(shù)解決生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的各種問題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題、解決問題、處理問題的能力，加速基礎(chǔ)知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的能力。制作中心可以選擇與生活貼近度高的人工智能應(yīng)用，如人臉考勤、車牌識別、掃地機器人等。

（6）學(xué)習(xí)成果展示空間建設(shè)。學(xué)?？梢猿浞掷眯@內(nèi)的宣傳墻、宣傳欄、宣傳展板、電子宣傳屏、校園電視臺等，開辟人工智能學(xué)習(xí)成果展示空間，展示學(xué)生的人工智能項目成果。這些成果可以包括但不限于學(xué)生創(chuàng)意、思維導(dǎo)圖、機器人、無人機以及智慧城市、智慧校園、智慧醫(yī)療等學(xué)生創(chuàng)作的系統(tǒng)，還包括師生有關(guān)人工智能的隨筆、論文，關(guān)于人工智能倫理、人工智能未來的討論等。

3.共建共享，校外建設(shè)體驗中心

校外體驗中心的主要功能是了解人工智能相關(guān)知識，感知和體驗人工智能各類應(yīng)用。體驗中心的建立旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識的興趣，直觀感知人工智能科技給人們生產(chǎn)生活學(xué)習(xí)帶來的便利。人工智能體驗中心的建設(shè)，要體現(xiàn)科學(xué)性、先進性、交互性，要能使學(xué)生清晰了解人工智能科技的歷史，如人工智能發(fā)展歷史進程中的著名人物、著名公司、重要協(xié)議、重要事件等;體驗人工智能科技的應(yīng)用場景，如智能家居、智能工業(yè)、智能交通、智能城市、智能醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)等;要能讓學(xué)生展開無限的想象，激發(fā)學(xué)生為將來科技進步貢獻力量的勇氣和信心。企業(yè)、高校、研究院所等單位緊跟科技的腳步，它們能提供最新的人工智能研究和應(yīng)用成果，如人工智能與通信技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、混合現(xiàn)實、量子計算、區(qū)塊鏈、邊緣計算等技術(shù)的相互滲透與發(fā)展研究等。

由政府主管部門、學(xué)校、社會機構(gòu)共同建設(shè)和運維的中小學(xué)人工智能教育實驗體系，從教育資源均衡配置的角度解決了目前人工智能實驗教學(xué)中遇到的問題，促進中小學(xué)人工智能實驗室建設(shè)與運維從單一走向整合，從各自為政走向共同發(fā)展。政府、學(xué)校、社會機構(gòu)應(yīng)主動作為，發(fā)揮自身優(yōu)勢，各方協(xié)調(diào)溝通配合，通過會議、研討、展示的方式，加強交流合作，讓學(xué)生在人工智能教育實驗場所體系中更好地了解和學(xué)習(xí)人工智能知識，培養(yǎng)創(chuàng)造性解決問題的能力，充分感悟并分享創(chuàng)新的快樂，形成創(chuàng)新的思維與意識，更好地達到面向未來的核心素養(yǎng)目標的要求。為更好地做好中小學(xué)人工智能教育，還需通過多方努力，制定好教育實驗場所建設(shè)與運維規(guī)范、利用好多方資源、落實好各自的任務(wù)。

參考文獻

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作者單位：廣東深圳市南山區(qū)松坪學(xué)校