人工智能科普套件的研究与分析

孙郑芬 解迎刚 郭昊 李杰

摘 要：人工智能教育是目前教育发展的大势所趋。随着人工智能技术的不断发展，人工智能教育自提出后就受到全球教育研究者的广泛关注。通过加强人工智能教育构筑我国人工智能发展的先发优势，已成为当前亟需思考和解决的问题。为了响应国家政策，培养人工智能人才，文中以Android单片机为基础，研制了人工智能科普套件。该套件以单片机核心开发板为载体，配套驱动通信模块、传感器模块等电子元器件，结合积木等辅助工具，适用于5～12岁阶段幼儿及小学生智力培养，专注于培养孩子科学素养，开发智力;同时也完成了配套人工智能初级课程的编制，设计+搭建+编程+操控四位一体锻炼孩子的逻辑能力。文中从套件的技术路线、使用方法及技术原理三个方面对该智能套件进行介绍，同时分析当下智能教育的发展趋势，对智能套件的发展做出展望。

关键词：人工智能教育;科普套件;智慧教育;人工智能科普套件;智力培养;人工智能初级课程

中图分类号：TP391;G420文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

随着人工智能技术应用行业的不断发展，人工智能对发展经济、提高生活水平以及促进社会进步有着重要影响。目前，我国中小学人工智能教育正处于起步阶段[1]，人工智能技术与教育的深度融合对传统的教育理念、教育体系和教学模式产生了较大影响，其技术应用和人才教育培养问题受到我国政府的高度重视[2]。

2017年，《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》指出，要不断加快实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程[3]。2018年4月，发布的《高等学校人工智能创新行动计划》提到，要在中小学阶段普及人工智能教育，不断构建人工智能多层次教育体系，让更多孩子提前接受人工智能教育，开发儿童智力[4]。自此，“人工智能+教育”被赋予了新的内容和含义。人工智能教育研究可划分为两大类。一是人工智能赋能教育，即人工智能在教育中的应用。其主要指人工智能技术支撑教育实践对教学方式的改变，如精准诊断、个性化推荐、智能导师等[5]。二是人工智能教育内容，即人工智能教育内容本身及其相关素养能力培养。其主要包含多样的编程教育、创客教育以及计算思维能力、创新能力等信息素质的培养[6]。由于本文提出的人工智能套件用于培养儿童的动手能力、编程教育、思维能力、创新能力，故属于第二类人工智能教育研究。

人工智能套件基于物联网感知技术，集合多种传感器，通过对Arduino开发板的改造，实现了一款可以满足中小学阶段使用的开发模块套件。作为科学素养启蒙，基于物联网感知的人工智能科普套件的目标是使儿童能够进行场景规划，掌握用基础零件搭建场景的技巧，熟练掌握积木块、电子积木的混合搭建技术;培养儿童的合作意识、情感交流意识，让他们能够与其他小朋友一起完成课程任务。通过学习使用本套件，儿童能够解决简单的问题，掌握一些基础知识，养成良好的动手能力;通过逐步接触复杂结构，了解各种动力的性能改变;通过搭建+编程，初步认识编程，增加儿童对编程的兴趣;强化编程能力;学习各种复杂结构，为后期人工智能学习打下良好的基础。

1 人工智能科普套件的技术路线

Arduino是一款简单易用、便捷灵活的软硬件开源电子原型平台，由开放原码的简单I/O界面板衍生而来。其开发环境使用类似Java、C语言的编程语言。该开发板采用AVR系列单片机，具有功耗低、运行速度快、抗干扰能力强和扩展能力强等诸多优点。Ardunio单片机总线结构采用哈佛结构RIS指令集，有AD、SPI接口等，可以满足各种项目要求。同时，该开发板上的L298N电动机驱动模块内置最高9 V电源输入接口和5 V稳定输出接口，故系统的电源模块直接采用9 V锂电池供电。锂电池具有重量轻、容量大和无记忆效应等优点。

Arduino开发板主要由两个部分组成：一是开发所需的硬件资源，即各种各样的 Arduino 电路板;二是开发所需的软件资源，包括特有的开发工具Arduino IDE编程环境及 Arduino编程语言。使用Arduino技术进行开发的第一步是硬件选型，即选择符合所需功能的开发板。Arduino开发板目前具有多种开发功能：具备不同开发功能的开发板，可以使用同样的开发语言，具有统一的对外接口。Arduino 101是一个性能出色的低功耗开发板。它基于Intel Curie模组，有着和UNO一样的特性和外设。但是由于它使用了低功耗的Intel单片机，板载有蓝牙和姿态传感器，因此其性能更优。

2 人工智能科普套件的制作与实验探索

该套件以单片机核心开发板为载体，配套驱动通信模块、传感器模块等电子元器件，结合积木等辅助工具。智能套件如圖1所示。

此外，该套件也是一款乐高兼容的开发模块套件。它集合有多种传感器，同时可以将传感器外形包装后与乐高拼接，接头采用小朋友容易拆卸安装的橡胶头。此外，它搭配多种颜色，可吸引小朋友的兴趣，同时也可以通过与乐高组装实现音乐门铃、芝麻开门、交通灯、有礼貌的垃圾桶等。让孩子充分发挥自己的想像力，用该套件制作出更多新奇好玩的东西，开发孩子智力。

3 人工智能科普套件的使用及实现

3.1 使用方法

人工智能科普套件的使用流程如图2所示。

（1）如果想制作一个小台灯，那么第一步就是用简单的代码编写一个开关控制灯亮灭的程序，并编译、上传。程序逻辑如图3所示。

程序关键代码如下：

#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）接下来用五颜六色的积木搭建一个小台灯。

（3）将套件模块与搭建好的台灯拼接在一起，彩灯放在灯泡的位置，开关放在底座上，核心板和其他东西可以随意摆放。

（4）将灯泡、开关和核心板用连接线连接起来。

（5）按下开关，灯泡被点亮。

3.2 模型示例

台灯模型示例如图4所示。

4 结 语

人工智能教育是目前教育发展的新趋势[7]，当前的人工智能教育还处于初级阶段。我国人工智能技术的发展需要中小学教育的变革支撑[8]。好的教育方式并不只是方便教师或学生完成已有知识的被动学习，而是应该激励学生进行知识的创新和分享，并形成创新和分享到再一次激励创新和分享的正向循环，让学生更具有创造性[9]。希望人工智能套件可以培养孩子的学习兴趣，激发其创新创造能力潜能。我们相信，伴随着人工智能教育应用的不断研究和实践、教与学效率的不断提高，人工智能教育最终将促进师生共同发展，培养出新时代所需要的创新型人才[10]。

注：本文通讯作者为解迎刚。

参考文献

[1]马陆亭，张伟，鞠光宇，等.加快推进教育和人工智能的融合发展[J].国家教育行政学院学报，2019，26（12）：3-8.

[2]张丹，崔光佐.中小学阶段的人工智能教育研究[J].现代教育技术，2020，30（1）：39-44.

[3]刘永，胡钦晓.论人工智能教育的未来发展：基于学科建设的视角[J].中国电化教育，2020，41（2）：37-42.

[4]谢昱，陈映晓.深化中小学生教育改革迎接人工智能时代挑战[J].科学大众（科学教育），2020，84（1）：16-17.

[5]谢昱，陈映晓.我国中学人工智能教育状况的调查研究[J].未来与发展，2019，43（12）：103-105.

[6]吕婷婷，石志国，冀燕丽.国内人工智能教学研究热点及趋势分析[J].高等理科教育，2019，27（6）：98-107.

[7]朱光辉.人工智能在基础教育中的创新应用[J].物联网技术，2020，10（3）：55-57.

[8]李福华，年浩，张家年.人工智能教育应用论纲[J].现代大学教育，2020，36（1）：1-8.

[9]陈林龙，李志飞，向凯悦，等.基于SSM的创客教育教学资源库研发系统[J].物联网技术，2019，9（1）：111-113.

[10]宋吉凯.2009—2018年我国人工智能教育主题研究文獻的可视化解读：基于中国知网收录的期刊文献[J].新疆教育学院学报，2019，35（2）：24-28.