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

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，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題的能力，可幫助青少年形成全新的未來科學(xué)研究認(rèn)識。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)識別，在種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)中用攝像頭統(tǒng)計(jì)數(shù)量，對大量的非結(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”上，使用攝像頭采集畫面，通過土壤濕度傳感器記錄土壤信息。當(dāng)攝像頭的畫面發(fā)生變化（如開花、結(jié)果、有害蟲等），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。其中判斷是否開花結(jié)果與蟲害，使用了MMEdu訓(xùn)練的目標(biāo)識別人工智能模型。借助這類系統(tǒng)，能夠?qū)⑷藦姆爆?、無聊的觀測工作中解放出來。

二、另辟蹊徑，通過采集數(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)意識和計(jì)算思維。

例如，通過使用深度學(xué)習(xí)模擬數(shù)學(xué)公式，使小學(xué)高年級沒有學(xué)過三角函數(shù)的學(xué)生也能完成復(fù)雜的障礙物角度計(jì)算。通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫BaseNN，只需幾層簡單的全連接神經(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：模式識別，簡化復(fù)雜場景的數(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)級別上升，尤其是涉及到時(shí)間、空間變化等較復(fù)雜的場景。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)開發(fā)了一個(gè)能夠識別不同手勢并實(shí)現(xiàn)不同功能的魔法棒，如點(diǎn)燃火把、拉開窗簾。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，通過不斷重復(fù)手勢標(biāo)注過的加速度數(shù)據(jù)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出模型用于識別不同手勢。經(jīng)過測試，他們實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的識別效果。

人工智能是青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)的新研究對象

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)面對一個(gè)真實(shí)的問題情境，即使在最新SOTA模型（SOTA是state-of-the-art的縮寫，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

在面對復(fù)雜的識別任務(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，在圖像中識別特定手勢可以采用人體識別模型和圖像分類模型的組合，或者采用多目標(biāo)檢測的方式同時(shí)識別人體和手勢。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ο蟆?/p>

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。相對來講，一些內(nèi)置模型的人工智能應(yīng)用平臺運(yùn)行速度較快，如OpenCV識別人臉，MediaPipe識別人臉特征點(diǎn)、識別手勢的速度，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)用平臺快速識別的特點(diǎn)，在其識別結(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、解決科學(xué)問題，以及技術(shù)與工程實(shí)踐過程中，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?！笨梢姽こ虇栴}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，能解決的問題更多了。

以設(shè)計(jì)一個(gè)看到小朋友的笑臉會打招呼的“微笑機(jī)器人”為例，除了訓(xùn)練并部署識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；能合成語音的工具，如Pyttsx。

隨著人工智能教育的普及，越來越多的地區(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營活動(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《中國科技教育》公眾號題為“【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