开源文化理念下的中小学人工智能教育实践

摘要：本文针对人工智能教育发展和普及过程中的问题，首先阐述了开源文化的教育意义和价值，及开源文化在人工智能发展中的作用，接着从开源文化的角度，在教学实践层面，提供了三个层次的学习案例，以期为人工智能教育的开展提供有价值的参考。

关键词：人工智能;开源文化;人工智能教育

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）21-0005-04

在基础教育的信息技术教育领域，大家对“开源”一词并不陌生，自2001年第八次基础教育课程改革以来，“开源”曾两次成为热点话题。第一次是2001年至2005年左右，随着信息技术教育的普及，在软件成本较高、正版普及程度不高的背景下，一些技术能力较强的教师开展了对开源软件的教学探索。第二次是2012年至2016年左右，随着创客教育的普及，“开源”又一次成为信息技术学科的重要话题。不同的是，这一次从开源软件转向了开源硬件，从学习的内容转变成信息技术实践和创新的工具。这些转变不仅体现了信息技术学科的发展，还提升了信息技术学科育人的价值。如今，随着《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《标准》）的发布，“开源”成为信息技术学科的常用词汇，同时，开源文化正逐步影响信息技术学科的专业发展。

“开源”和人工智能有着密切的联系，正是由于“开源”才推动了人工智能的蓬勃发展。人工智能教育作为信息技术学科的前沿领域，其如何借助开源文化开展教学，是很多教师在思考的问题。下面，笔者就从开源文化的教育意义入手，借助三个学习案例，谈谈对人工智能教育实践的思考 。

开源文化的教育意义

艾瑞克·雷蒙德（Eric Raymond）提出的“大教堂与集市的比喻”是公认的开源文化特征，具体来说，“大教堂”代表了系统化、统一化，“集市”代表了个体化、自由化，两种模式都能推进社会发展和进步。随着互联网的普及，以及个体参与的便利性、主动性，在信息技术领域，“集市”模式的优势逐渐呈现，操作系统Linux、搜索引擎Google、编程语言Python等被广泛应用，这是开源文化的社会意义。范小青认为，从发展历程来看，开源文化的形成，受到了黑客文化、科学精神与礼物文化三种力量的影响[1]，而这三种力量的背后有深刻的教育意义。

黑客文化：兴趣与动机。黑客常指热心于计算机技术、水平高超的电脑专家，尤其是程序设计人员。在普通人的认知中，黑客属于高级人才，属于最聪明、最会学习、最会探索的人。如果把“黑”这个标签去掉，他就属于我们教育理想的产品。因此，教育工作者有理由相信，一个人能成为黑客，教育起决定作用。其影响的因素较多，笔者认为最核心的就是“兴趣”和“动机”，兴趣是最好的老师，学习动机在实施过程中反过来强化学习兴趣，这就是从教育视角看一个黑客的成长过程。

科学精神：理性与实证。李醒民认为，科学精神即理性精神和实证精神，科学的实证精神和理性精神两大支柱并非孤立地耸立在那里，其上还支撑着其他次生精神或衍生精神，如怀疑批判精神、平权多元精神、创新进取精神、纠错臻美精神、谦逊宽容精神等。[2]2016年发布的《中国学生发展核心素养》提出的科学精神从学生的角度，提出了三个内涵：理性思维、批判质疑、勇于探究。而在开源文化里，参与开源的技术人员倡导“技术为王”“问题解决”“实际贡献”等客观实证，这些又反馈到中国学生发展核心素养的其他方面，因此科学精神本质上就是教育目标与价值。

礼物文化：个性与创造。随着生产资料的丰富和生产工具的先进，人类社会的“交换”发生了本质变化，这种转变在目标上体现了“生存需要”向“社会需要”的转变，在形式上体现了从“物质需要”向“精神需要”的转变，礼物文化就是从两个转变中形成的。从“物”变为“礼”，是创造和分享的过程，但礼物文化有个特质——特殊性，对物提出了特殊的要求，从教育视角看，那就是创新性。因此，开源是一个不断创新、不断分享的过程。

借助开源资源的人工智能教育实践

目前，开源硬件初步可划分为两类：①微控制器（MCU），如Arduino、micro：bit，其可直接在裸机上跑可执行程序;②单板机（SCB）或片上系统（SOC），如掌控板、小齐（K210）以及各种兼容树莓派，其能完整地跑定制化的开源Linux操作系统，内置常用教学或开发工具。而比较成熟的用于教学的开源软件基本上分为两类：一类是图形化编程的软件，或者基于开源图形化软件所做的二次开发（如Mind+、米思齐、kittenblock、mpythonx）;另一类是Python代码编程IDE和扩展库。[3]

1.应用开源软件的人工智能教育实践

应用开源软件是指以开源软件为主，结合其他软硬件的优点，围绕人工智能教育的目标，进行一些教学實践活动，如体验活动、实践活动等。

案例一：漫像。

活动目标：应用百度大脑、Python等体验人像漫画的技术过程，掌握平台的基础使用方法。

活动对象：中学生。

技术准备：掌控Python基本使用方法，了解百度大脑的基本功能。

程序实现[4]：①使用百度账号获得接口授权。②读取人像图片信息。③提交人像图片信息，请求获取漫像图片信息。④保存漫像图片。

案例二：测量亲子相似度。

活动目标：将家庭成员进行相貌对比，通过软件计算得出具体相似度，体验人工智能的图像识别魅力。

活动对象：小学生。

技术准备：掌握Mind+基本操作。

实现过程：①采集学生头像图片，保存并设置为“本地文件图片”。②编写程序（如图1）。③调试程序（分别采集父母、兄妹、爷爷、姐姐头像）进行对比。④读取相似度。

2.应用开源硬件的人工智能教育实践

开源硬件在教学中的应用比较广泛，常见的有Arudino、掌控板、树莓派、虚谷号等，相关的资源也相对比较丰富。下面，笔者以当前较流行的人工智能开源硬件K210主控为例介绍实践项目。

K210是嘉楠出品的“勘智K210”兼容板的简称，采用RISC-V处理器架构，具有视听一体、自主IP核与可编程能力强三大特点，支持机器视觉与机器听觉多模态识别，广泛应用于智能家居、智能园区、智能能耗和智能农业等场景。[5]笔者利用K210兼容板“小齐”开展了相关实践。

案例三：积木种类识别。

活动目标：通过摄像头、LCD屏等进行积木各类的分类识别，了解机器学习的一般过程和图像识别的一些知识。

活动对象：中小学生。

技术准备：中学生使用MaixPy，小学生使用米思齐软件。教师协助进行模型训练。

实现过程：①注册登录（www.maixhub.com）。②按规范提交数据训练与下载训练模型，具体详见网站。③安装好米思齐软件，导入mixly for MaixPy。支持K210编程（如图2）。④导入模型，编写程序（如图3）。

经过实践可知，K210主控板功能强大，当然，一些教育企业也提供了丰富的生态，如Mind+软件支持下的博派等。

应用开源资源开展人工智能教育实践的建议

1.充分挖掘开源社区的价值

开源社区即开放源代码网络社区，开展人工智能教育实践的教师，非常有必要以不同的身份来挖掘开源社区的教育价值，可以学习者身份，采用开源社区学习模式进行专业学习。同时，他们还可以教师身份利用好开源社区资源，如：①了解知名的开源社区，参与其中，获取帮助;②选择适合的、学习资源丰富的人工智能开源项目，提升项目在中小学人工智能教育中的意义;③参与项目，获得社区技术人员的支持，让其成为人工智能教育的校外导师团，壮大人工智能教师队伍。

2.正确理解开源对人工智能教育的意义

在《标准》中，“开源”一词共提及41次，在“人工智能初步”模块提出，“充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源，搭建面向实际生活的应用场景，发挥学生的自主学习与探究学习的能力，鼓励学生积极探究、大胆实践，激发学生的创新思维”。可以明确，开源技术在信息技术教育中的应用会随着开源技术在技术发展中的作用和地位的提升而不断扩大。

3.合理利用开源资源特点促进人工智能教育发展

雒亮、祝智庭等认为开源硬件有三大优势，分别是低成本、完整的生态、协作迭代。[6]而陈健、陈志等则认为开源软件具有“信息安全隐患风险”“知识产权及合规风险”“出口管制面临‘断供风险”三大风险，须敲响开源警钟。[7]开源资源的丰富性给人工智能教育内容的多样选择提供了可能性，便于教师在不同阶段开展不同類型人工智能教育。开源资源的低成本，也大大降低了人工智能教育的成本，为普及中小学人工智能提供了更多选择。另外，开源资源的发展性，保障了人工智能教育的时代性和先进性。因此，利用开源资源开发人工智能教育课程，能促进人工智能教育的发展和普及，同时，也需要对开源资源的风险进行必要的评估，从教育的角度来看，影响尚未体现。

结语

在程序员中流传着这样一句俗语：代码无用，思想无价。在开源的文化里，“精神”和“思想”相互供养。因此，信息技术教师在开展人工智能教育实践时，应充分利用“开源”，拥抱“开源”，发展“开源”，看到开源世界给我们提供的技术、资源、平台和思想，不断提升自我的育人意识、技能能力、教学水平。

参考文献：

[1]范小青.开源文化的三大源头[J].教育传媒研究，2016（05）：59-63.

[2]李醒民.什么是科学精神[N].中国科学报，2014-12-26.

[3]李红印，梁森山，谢作如.从开源开放到教育自信[J].中国信息技术教育，2021（12）：4-9.

[4]https：//ms.jse.edu.cn/index.php？r=studio/index/index&sid=41.

[5]勘智K210[DB/OL].https：//canaan-creative.com/product/kendryteai.

[6]雒亮，祝智庭.开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J].中国电化教育，2015（04）：7-14.

[7]陈健，陈志.警惕开源软件风险 提升我国软件供应链科技安全[J].科技中国，2021（03）：19-22.

本文系江苏省管雪沨网络名师工作室人工智能教育研究阶段性成果。