人工智能在高中科技社团活动中的实践

李岩 王一凡 赵可忻 马晓阳

国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中明确指出：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。教育部也于2018年1月16日宣布，正式将人工智能写入高中新课标，并于当年秋季学期开始执行。由此可以看出，高中阶段开展人工智能教育，是新时代对基础教育提出的任务和要求，也是满足国家意志的教育需要，更是基础教育的新任务和新担当。

高中开展人工智能教育的意义

自从《普通中学技术课程标准》颁布以来，人工智能课程已相继在中学阶段开设，人工智能教育在高中落地具有重要的指导与发展意义。首先，人工智能人才培养必须从基础教育抓起，高中阶段实施人工智能教育，既有利于培养具有智能时代信息素养的学生，也能为高等教育人工智能专业人才的培养打下坚实的基础。其次，高中阶段的学生已经具有一定的知识积累和创新思维，针对高中学生开展人工智能教育，能够进一步培养学生的信息观念与创新精神，从而提高学生的创造能力与实践能力。最后，人工智能教育是综合知识和技能的培养，这对于学生之后的理科、工科学习具有积极的正面影响。在全球都大力发展“人工智能”的背景下，我国在高中阶段开展人工智能教学，能够培养更多的科技创新人才，实现弯道超车，从而最终为国家的发展战略贡献相应的科技力量。

高中开展人工智能课程的选择

教育部在高中课程标准中，将人工智能归入高中信息技术课程，并制定了相关的标准和依据，明确指出，通过学习能够让学生了解人工智能的概念及发展历程，描述典型人工智能算法的实现过程，并能够亲历设计与实现简单智能系统的基本过程和方法，从而增强学生利用智能技术服务人类发展的能力及责任感。然而，人工智能的科学技术含量较高，尤其是一些算法涉及编程的知识，需要更加深入的学习。因此，考虑到学生的基础水平和学习兴趣具有较大的差异，人工智能教育必须有别于传统的教学课程，采用分层教学的教育方式。在信息技术课上进行人工智能基础理论知识的传授，帮助基础薄弱和兴趣有限的学生了解人工智能的基本概念和发展过程。而针对基础好、有兴趣且善钻研的学生，则可以通过学校的科技社团来提供学习的平台，真正给学生搭建起以学生为中心的学习环境，让学生在解决问题的过程中，成为学习的主导者。通过开设语音识别、图像识别、机器学习、深度学习等难易适当的课程，帮助学生更深层次地掌握人工智能更高端的技术，从而尝试自己动手设计和制作人工智能的产品。

高中科技社团中人工智能的实践

1.科技社团活动介绍

本科技社团隶属于学校金鹏科技团，由25名来自高一和高二年级对科技创新感兴趣的学生构成。这些学生具有一定的编程基础和动手实践能力，且有较高的热情参与到实践创新中来。社团活动的主要内容涉及虚拟现实（VR）、3D打印和人工智能的相关知识和技能。在之前的社团活动中，以创客教育为主要形式，将学生看作活动的主体，注重激发学生的学习和探究欲望，引导和帮助学生综合应用所学的技能将自己的创意变为现实，并在各类竞赛中取得成绩。

人工智能主要包含语音识别、图像识别、自然语言处理和深度学习等模块，不同模块有着不同的作用与内容。本社团选择了相对易于被学生理解和掌握的语音识别技术作为起始点，向学生重点介绍了语音识别技术的相关知识和内容，引导学生尝试应用自身所掌握的技能，并结合3D打印技术，探究应用语音识别技术的创新产品设计。

2.人工智能项目选题

北京即将举办2022年北京冬季奥运会，各种以“冬奥”为主题的创意设计不断涌入我们的视线，特别是作为冬奥会吉祥物的冰墩墩，憨态可掬的外形给人们留下了深刻的印象。冰墩墩，象征纯洁和坚强，是冬奥会的特点;墩墩，意喻敦厚、健康、活泼、可爱，契合熊猫的整体形象，同时也象征着冬奥会运动员们强健的身体、坚韧的意志和鼓舞人心的奥林匹克精神，还蕴含着中华民族坚韧不拔的民族气节、民族精神以及源远流长、博大精深的中华文化。

学生以此为灵感，设计一款可以进行语音交互的冰敦敦玩具，力求将冬奥文化与现代科技相结合，进行创新产品的设计与制造。使用3D打印制作玩具的外壳，内置语音交互模块，输入编写的程序，实现人与冰敦敦的语音交互，从而可以准确了解冬奥会的由来以及冬奥会比赛的日程安排等内容。

3.作品设计与制作过程

（1）冰敦敦外形设计

结合科技社团之前的课程，学生们一致决定使用3D打印来制作冰敦敦的外壳。借助3Done软件，进行三维设计建模。由于冰敦敦的外形圆润，所以在设计时多采用曲面弯折的设计。与此同时，为了在内部安装语音识别单元，对外观模型进行了抽壳处理，并预留了语音发生孔位。最后，考虑到3D打印机尺寸的限制，将冰敦敦分割为两个部分，分别进行打印。

外壳打印成型后，学生们使用丙烯涂料为模型上色。冰敦敦頭部装饰的彩色光环，灵感源自于北京冬奥会的国家速滑馆——“冰丝带”，流动的明亮色彩线条象征着冰雪运动的赛道和5G高科技;左手掌心的心形图案，代表着我国对全世界朋友的热情欢迎。涂装时对颜色的选择和运用，很大程度上提升了学生的艺术素养，培养了他们的审美情趣。

（2）语音识别与交互

人工智能的语音交互技术是基于语音输入的新一代交互模式，可以实现人机对话。典型的应用是苹果手机推出的SIRI和科大讯飞的语点。本产品选用珠海时代电子科技有限公司开发的WEGASUN-M6语音识别模块与Arduino控制板和音箱连接来实现智能语音交互功能。硬件连接好之后，我们将“你好墩墩”设置为语音控制单元的唤醒指令，并将对话的内容进行语音合成后写入语音控制单元。

（3）产品组装与调试

程序写入语音识别模块后，将连接好的语音识别模块、Arduino控制板和音箱放入壳体内的相应位置并固定好。音箱位置需要靠近预设的声音孔，而为了给内部模块提供电源，特意在外壳预留了USB插槽，并设计成短尾巴的造型以便与整体外观融为一体。

组装完成后，接通电源。对着冰敦敦说：“你好墩墩！”冰敦敦则会回答：“我在呢！”继续对它说：“请为我们介绍一下冬奥会好吗？”冰敦敦会向我们介绍冬奥会的历史。还可以对它说：“能否为我们介绍一下冬奥会的比赛安排？”此时，冰敦敦会告诉我们冬奥会的各个赛事场地和比赛时间的安排。测试表明冰敦敦成功实现了智能语音交互，达到了学生们的设计目标。

4.分享与评价

在与社团其他同学进行交流与分享时，他们非常自豪地向大家介绍了设计的灵感来源与制作过程。他们为这个可爱的“智能语音交互冰敦敦”命名为洁竹，“洁”代表了冰雪的圣洁、典雅;“竹”则体现了熊猫的特性。与此同时，还特别强调了他们在制作过程中遇到问题时是如何通过自主探究和组内讨论而有效解决的，并在自我评价表中将自己的学习和实践过程进行了认真的记录。

活动总结与展望

科技社团的学生在完成“智能语音冰敦敦”的作品后非常兴奋，而且这种兴奋是一种持久的体验。在人工智能教育逐渐普及的今天，学生们为能够有机会学习和制作人工智能产品而感到非常幸运。而作为教师，必须要改变以往的授课方式，借助先进的人工智能技术来吸引学生主动学习，他们对于全新的人工智能技术充满着期待，希望能够深入学习并一展身手。这种期待对于激发学生的学习兴趣是非常有益的。

此外，教师在开展人工智能教学活动过程中需要站在学生的视角，关注学生的个性化成长，充分考虑到参加科技社团活动学生的能力差异，并制定更加合理的教学评价体系。通过难度适当的课程设计激发学生学习兴趣，引导学生自主式探究，给予学生充分的自由，让他们能够在规定的主题内获取自己感兴趣的知识和技能。我们相信，学生在这次社团活动中所收获的不仅仅是持久的兴奋，更多的是对知识持久的掌握，而这恰恰也是教师最大的收获。

参考文献

张学军，董晓辉. 高中人工智能课程项目案例资源设计与开发[J]. 电化教育研究，2019（8）.

蔡连玉，韩倩倩. 人工智能与教育的融合研究：一种纲领探索[J]. 电化教育研究，2018（10）.

赵丽. 我国中小学人工智能教育的现状与反思[J]. 现代职业教育，2018（13）.