中小学人工智能教育实验场所构建 面临的问题与体系的组成

王贤灿

【摘 要】本文首先分析了目前中小学人工智能教育实验场所建设中面临的问题。然后提出为解决这些问题，需各方协同，发挥各自优势，构造“学校制作中心+区域超算中心+校外体验中心”的中小学人工智能教育实验场所体系。并详细阐述这个体系中，政府主管部门、学校和社会机构所需解决的问题。

【关键词】人工智能教育;教育实验场所;体系

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）011-067-03

中小学人工智能教育正在全国各地迅速地开展。人工智能技术具有综合性、实践性、开放性的特点，这就决定了建设中小学人工智能教育实验场所很有必要。中小学推进人工智能教育和智能教育应用目前尚处于起步阶段[1]。

中小学人工智能教育实验场所建设与管理面临的问题

1.尚无建设标准

目前，国家及省级管理层面，尚未有中小学人工智能教育实验场所建设的国家标准或行业标准;市县级层面也缺少针对中小学人工智能教育场所的建设规范或指南。

2.建设成本高

中小学人工智能课程教学内容应该定位于人工智能技术中使得机器能够会看 （ 机器视觉识别技术 ）、会听 （ 机器听觉识别技术 ）、会说 （ 人机对话技术 ）、会行动 （ 机器人技术 ） 等方面的相关内容[2]。教学内容覆盖面宽，学习内容多，既有理论学习、现场体验，又有动手实践。为了满足教学要求，人工智能教育实验场所的建设项目与传统实验室相比必定多了不少，建设成本相应提高了不少。与此同时，人工智能技术进步飞快，需要不断地投入确保人工智能教育实验场所软硬件的更新和人工智能教育有良好的实验效果。

3.建设与发展不均衡

目前，我国的教育仍存在区域间发展不均衡、区域内发展不均衡的现象。如部分地区重点建设了人工智能特色学校，这些学校人工智能教育实验场所的建设达到了较高水平;有的学校已经对人工智能教育实验场所进行了再升级或再改造;有些人工智能教育实验场所却成为摆设，使用效益不高，资源浪费严重。有些学校实验附属用房不足，理化生实验室缺少单独的准备室、仪器室、药品室等，更谈不上建设人工智能专用教育实验场所了。

4.后续运维难点多

搭建一套完备的人工智能教育平台，哪怕是依靠TensorFlow、Torch或Caffe等开源平台，都需要进行复杂的软硬件环境配置。面对中小学生数学、工程、技术等知识储备有限的问题，面向中小学生的人工智能教育实验平台需要二次开发，以便适应中小学生学习。在教学过程中，机器学习的实验，尤其是深度学习方面的实验，要求教师有较强的编程能力和较丰富的编程经验，平台内容还需要根据实际教学情况进行调整。这些都增加了实验室建设和维护的难度。

中小学人工智能教育实验体系的组成

中小学人工智能教育在实施过程中，依据学生认知发展的规律和教育教学循序渐进的逻辑，人工智能教育内容整体上可以按照感知、体验、创新的层次展开[3]。中小学人工智能教育实验体系由区域超算中心、学校制作中心、校外体验中心等组成。

1.集中资源，区域建设超算中心

区域超算中心的主要功能是网络支持、数据处理、系统模拟、学习管理、教学管理和资源管理等。区域行政主管部门集中人力、物力、财力优势，遵循系统先进性、实用性、可靠性、开放性、可扩展性的原则，从配套资源、模拟实验及环境设施建设多方面加大建设投入。依托区域城域网和教育资源公共服务平台，采用B/S构架，以網络化、智能化设备为基础，推进人工智能教育课程资源、实验平台、支撑环境三位一体资源体系建设，打造区域中小学共享的人工智能超算中心。

（1）基础设施提供对人工智能应用和核心服务正常运行的基础支撑，包括教学实验平台建设所需与必要的基础网络、安全、存储设备、操作系统、数据库系统、中间件等资源。由数据机房、网络基础设施和系统软硬件组成，包括GPU集群、存储集群和高速网络等物理资源的配备，承担着为教学实验平台提供计算、存储、传输和交换等服务的重要职责，确保人工智能实验所需大流量、高并发、低延迟的处理需求，以及结构化、半结构化和非结构化等多种数据类型的存储、分析、挖掘等关键需求。

（2）学习平台提供各类人工智能模拟学习平台，包括大数据、机器学习、深度学习、神经网络等人工智能框架及开发工具;建立对学习内容进行封装并提供高层次接口的学生人工智能模拟学习平台。在没有过多编程能力和编程经验的情况下，通过该学习平台，学生只需要写出一些简单的程序代码，就可以完成基本的机器学习和深度学习实验，更容易通过实验加深对教学内容的理解。

（3）学习管理记录、分析、处理学生在学习过程中产生的各类数据。通过对学生学习情况的记录，应用学习分析技术处理历史和实时数据，提供用户在线实验代码输入和结果呈现等交互，实现学生学业发展智能分析与诊断。主要包括人工智能实验页面、作业提交、成绩分析等栏目。

（4）教学管理构建人工智能课程教学管理体系。辅助教师根据学生的学习情况进行有针对性的教学。包括教学实验管理、用户管理、成果管理、成绩分析等。

（5）资源管理。提供各类人工智能学习的视频、课件、微课等，实现教学资源的共建共享，方便师生根据教与学需求进行取用。

2.创设空间，学校建设制作中心

学校制作中心的主要功能是编程学习、创意搭建、虚实融合、应用系统软件开发和学习成果展示等。其将人工智能知识学习与动手实践有效整合，打造人工智能教育实践主阵地，为学校人工智能教育活动开展提供有力帮助与支持。在制作中心各个功能区的技术支持下，在交流中把创意变成现实，在作品分享时进行智慧碰撞。

（1）制作中心基础设施建设。制作中心作为开展人工智能教育的场所，具备通常的网络连接环境，并配有桌椅便于学生学习和讨论，配有工具柜等家具，便于学生取用工具。制作中心的装修设计，要尽可能体现人工智能科技感，为学生营造沉浸式的学习环境。

（2）编程学习环境建设。在保证学生上机训练时间的情况下，合理配备计算机资源，帮助学生配置编程环境，学习系统化的编程理论，让学生掌握基本的编程方法。

（3）配置创意搭建设备。在制作中心，学生可以根据人工智能学习的情况，搭建软硬结合的创意作品，如LED设计、机器人搭建、无人机组装、物联网控制等，学习和掌握传感器、单片机、机器控制（人、车、机械臂、无人机等）等技术。

（4）提供虚实融合场景。学生利用虚拟仿真等技术，学习人机对弈、语音识别、机器视觉、自然语言处理、机器人搭建与智能控制、AR体验等知识，观察、分析、掌握人工智能技术的基本工作原理。

（5）人工智能应用系统开发体验。通过人工智能项目的开发实践，掌握人工智能应用系统开发的规划、设计、测试等环节，学习利用人工智能技术解决生产生活中出现的各种问题，提高学生发现问题、提出问题、研究问题、解决问题、处理问题的能力，加速基础知识转化为实际应用的能力。制作中心可以选择与生活贴近度高的人工智能应用，如人脸考勤、车牌识别、扫地机器人等。

（6）学习成果展示空间建设。学校可以充分利用校园内的宣传墙、宣传栏、宣传展板、电子宣传屏、校园电视台等，开辟人工智能学习成果展示空间，展示学生的人工智能项目成果。这些成果可以包括但不限于学生创意、思维导图、机器人、无人机以及智慧城市、智慧校园、智慧医疗等学生创作的系统，还包括师生有关人工智能的随笔、论文，关于人工智能伦理、人工智能未来的讨论等。

3.共建共享，校外建设体验中心

校外体验中心的主要功能是了解人工智能相关知识，感知和体验人工智能各类应用。体验中心的建立旨在提高学生学习人工智能知识的兴趣，直观感知人工智能科技给人们生产生活学习带来的便利。人工智能体验中心的建设，要体现科学性、先进性、交互性，要能使学生清晰了解人工智能科技的历史，如人工智能发展历史进程中的著名人物、著名公司、重要协议、重要事件等;体验人工智能科技的应用场景，如智能家居、智能工业、智能交通、智能城市、智能醫疗、智能农业等;要能让学生展开无限的想象，激发学生为将来科技进步贡献力量的勇气和信心。企业、高校、研究院所等单位紧跟科技的脚步，它们能提供最新的人工智能研究和应用成果，如人工智能与通信技术、云计算、物联网、混合现实、量子计算、区块链、边缘计算等技术的相互渗透与发展研究等。

由政府主管部门、学校、社会机构共同建设和运维的中小学人工智能教育实验体系，从教育资源均衡配置的角度解决了目前人工智能实验教学中遇到的问题，促进中小学人工智能实验室建设与运维从单一走向整合，从各自为政走向共同发展。政府、学校、社会机构应主动作为，发挥自身优势，各方协调沟通配合，通过会议、研讨、展示的方式，加强交流合作，让学生在人工智能教育实验场所体系中更好地了解和学习人工智能知识，培养创造性解决问题的能力，充分感悟并分享创新的快乐，形成创新的思维与意识，更好地达到面向未来的核心素养目标的要求。为更好地做好中小学人工智能教育，还需通过多方努力，制定好教育实验场所建设与运维规范、利用好多方资源、落实好各自的任务。

参考文献

钟祖荣，高山艳，邸磊. 人工智能进校园仍需多方努力——基于对部分校长的“人工智能教育”和“智能教育应用”认知的调研[J]. 中小学管理，2020（6）： 44-47.

艾伦. 中小学人工智能课程定位分析[J]. 中国现代教育装备，2017（10）：1-5.

张云峰. 普及人工智能教育的思考与策略[J]. 教育传播与技术，2020（6）： 60-63 .

作者单位：广东深圳市南山区松坪学校