青少年在科創(chuàng)新活動(dòng)中受益：人工智能教育開(kāi)啟未來(lái)的可能性

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都受到了深刻影響，特別是中小學(xué)人工智能教育的普及，已經(jīng)成為當(dāng)今不可忽視的重要課程。ChatGPT等人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，讓我們看到了人工智能將成為未來(lái)推動(dòng)科技跨越發(fā)展、生產(chǎn)力整體躍升的重要驅(qū)動(dòng)力量之一。在這個(gè)背景下，中小學(xué)教育已經(jīng)將人工智能作為重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將科技創(chuàng)新活動(dòng)與科普活動(dòng)作為跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)的代表。未來(lái)，人工智能將成為青少年最重要的學(xué)習(xí)和工作助手之一。因此，融合人工智能技術(shù)的科技創(chuàng)新活動(dòng)將成為未來(lái)人工智能教育中不可或缺的一部分。

人工智能是青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)的新研究工具

隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)日益成為科學(xué)發(fā)現(xiàn)的核心工具?？茖W(xué)家認(rèn)為“機(jī)器猜想+科學(xué)智能”將成為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)范式。在青少年科技創(chuàng)新中，注重培養(yǎng)利用人工智能解決問(wèn)題的能力，可幫助青少年形成全新的未來(lái)科學(xué)研究認(rèn)識(shí)。人工智能在青少年科技創(chuàng)新中具有廣泛潛力，可發(fā)揮三個(gè)方面的作用。

一、解放人力，輔助處理復(fù)雜繁瑣的數(shù)據(jù)處理任務(wù)等

數(shù)據(jù)探究在青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)中備受關(guān)注，但數(shù)據(jù)收集整理是最繁瑣的工作之一。利用人工智能能夠解放人力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、智能處理等，更好地體現(xiàn)出人工智能的重要價(jià)值。

比如，在科學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)中用攝像頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，在種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)中用攝像頭統(tǒng)計(jì)數(shù)量，對(duì)大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理等。

“科學(xué)觀察輔助工具”工作流程圖

溫州中學(xué)學(xué)生編寫(xiě)了一個(gè)能夠同步記錄圖像與傳感器數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。這個(gè)“科學(xué)觀察輔助工具”可以運(yùn)行在“行空板”或者“虛谷號(hào)”上，使用攝像頭采集畫(huà)面，通過(guò)土壤濕度傳感器記錄土壤信息。當(dāng)攝像頭的畫(huà)面發(fā)生變化（如開(kāi)花、結(jié)果、有害蟲(chóng)等），或者傳感器的數(shù)值發(fā)生變化，則自動(dòng)保存圖像，并在圖像上標(biāo)注相應(yīng)信息。其中判斷是否開(kāi)花結(jié)果與蟲(chóng)害，使用了MMEdu訓(xùn)練的目標(biāo)識(shí)別人工智能模型。借助這類系統(tǒng)，能夠?qū)⑷藦姆爆?、無(wú)聊的觀測(cè)工作中解放出來(lái)。

二、另辟蹊徑，通過(guò)采集數(shù)據(jù)解決數(shù)學(xué)難題

學(xué)生在科技創(chuàng)新活動(dòng)中會(huì)遇到需要用數(shù)學(xué)解決的難題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)擬合多種物理量之間的關(guān)系，有助于培養(yǎng)數(shù)據(jù)意識(shí)和計(jì)算思維。

例如，通過(guò)使用深度學(xué)習(xí)模擬數(shù)學(xué)公式，使小學(xué)高年級(jí)沒(méi)有學(xué)過(guò)三角函數(shù)的學(xué)生也能完成復(fù)雜的障礙物角度計(jì)算。通過(guò)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)BaseNN，只需幾層簡(jiǎn)單的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和少量的訓(xùn)練就能有效地模擬復(fù)雜函數(shù)，這大大降低了難度，并能夠解決小學(xué)生難以理解的數(shù)學(xué)難題。

三：模式識(shí)別，簡(jiǎn)化復(fù)雜場(chǎng)景的數(shù)據(jù)編程

在青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)中，使用多個(gè)傳感器的編程難度呈指數(shù)級(jí)別上升，尤其是涉及到時(shí)間、空間變化等較復(fù)雜的場(chǎng)景。然而，使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式可以大大減低編程的難度。

例如，溫州中學(xué)學(xué)生利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)能夠識(shí)別不同手勢(shì)并實(shí)現(xiàn)不同功能的魔法棒，如點(diǎn)燃火把、拉開(kāi)窗簾。魔法棒的揮動(dòng)其實(shí)是改變加速度的物理量。他們選擇掌控板，通過(guò)不斷重復(fù)手勢(shì)標(biāo)注過(guò)的加速度數(shù)據(jù)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出模型用于識(shí)別不同手勢(shì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，他們實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的識(shí)別效果。

人工智能是青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)的新研究對(duì)象

與其他經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法不同的是，人工智能模型的訓(xùn)練與數(shù)據(jù)集的關(guān)聯(lián)特別密切。當(dāng)面對(duì)一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境，即使在最新SOTA模型（SOTA是state-of-the-art的縮寫(xiě)，指在某項(xiàng)研究任務(wù)中目前表現(xiàn)最好、最先進(jìn)的模型）的支持下，也需要微調(diào)很多參數(shù)，因而人工智能專家會(huì)戲稱訓(xùn)練人工智能模型為“煉丹”。要訓(xùn)練出一個(gè)優(yōu)秀的模型，得做大量實(shí)驗(yàn)，甚至需要對(duì)經(jīng)典模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，值得不斷研究。

1、不同算法模型的聯(lián)合工作

在面對(duì)復(fù)雜的識(shí)別任務(wù)時(shí)，采用多種不同SOTA模型進(jìn)行聯(lián)合工作的做法可以取得很好的效果。例如，在圖像中識(shí)別特定手勢(shì)可以采用人體識(shí)別模型和圖像分類模型的組合，或者采用多目標(biāo)檢測(cè)的方式同時(shí)識(shí)別人體和手勢(shì)。這種“笨拙”但有效的方法也適用于青少年的科技創(chuàng)新活動(dòng)，因?yàn)槿斯ぶ悄苁侵档锰剿鞯男卵芯繉?duì)象。

2、低算力環(huán)境下的人工智能算法設(shè)計(jì)

在中小學(xué)階段算力匱乏是普遍現(xiàn)象。如何在有限的算力中訓(xùn)練模型，或者在有限的算力中實(shí)現(xiàn)快速推理，都值得深入研究。相對(duì)來(lái)講，一些內(nèi)置模型的人工智能應(yīng)用平臺(tái)運(yùn)行速度較快，如OpenCV識(shí)別人臉，MediaPipe識(shí)別人臉特征點(diǎn)、識(shí)別手勢(shì)的速度，比我們自行訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)要快，充分利用人工智能應(yīng)用平臺(tái)快速識(shí)別的特點(diǎn)，在其識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步訓(xùn)練模型，是一種可行的低算力解決方案。

人工智能是青少年解決工程問(wèn)題的新神兵利器

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出“探究實(shí)踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識(shí)、解決科學(xué)問(wèn)題，以及技術(shù)與工程實(shí)踐過(guò)程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。”可見(jiàn)工程問(wèn)題是科技創(chuàng)新活動(dòng)的重要方向。在創(chuàng)客空間借助Arduino、掌控板這些開(kāi)源硬件，設(shè)計(jì)各種創(chuàng)客作品是青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)的主要形式之一?，F(xiàn)在，人工智能為青少年提供了新的神兵利器，能解決的問(wèn)題更多了。

以設(shè)計(jì)一個(gè)看到小朋友的笑臉會(huì)打招呼的“微笑機(jī)器人”為例，除了訓(xùn)練并部署識(shí)別微笑表情的模型外，還需要多個(gè)相關(guān)工具：實(shí)時(shí)獲取攝像頭畫(huà)面的工具，如OpenCV；能夠驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的軟硬件工具，如pingpong和掌控板；能夠部署人工智能模型的迷你電腦，如行空板；能合成語(yǔ)音的工具，如Pyttsx。

隨著人工智能教育的普及，越來(lái)越多的地區(qū)和學(xué)校參與到人工智能科技創(chuàng)新活動(dòng)中。教育部和上海人工智能實(shí)驗(yàn)室也推出了中小學(xué)人工智能教育實(shí)踐研究項(xiàng)目和新一代人工智能師資成長(zhǎng)營(yíng)活動(dòng)，使中小學(xué)人工智能科技創(chuàng)新活動(dòng)“飛入”了更多尋常學(xué)校的課堂中，使人工智能成為了中小學(xué)科技創(chuàng)新活動(dòng)中不可或缺的元素。

備注：文本觀點(diǎn)摘自謝作如老師（浙江省溫州中學(xué)）發(fā)表于《中國(guó)科技教育》公眾號(hào)題為“【新技術(shù)背景下的人工智能教育】當(dāng)人工智能遇上青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)” 的文章

審核編輯黃宇