面向人工智能创客教育的国际考察和发展策略

admin 发表于 2019-04-27 10:56

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本文由《开放教育研究》授权发布

作者:祝智庭 单俊豪 闫寒冰

摘要

人工智能时代催生了人工智能技术的活力与深度应用。以深度学习、云计算、大数据、物联网为代表的人工智能技术为创客教育注入了鲜活的血液。目前,面向K-12学生的人工智能教育已逐步走向教育市场,线上平台提供虚拟的人工智能体验服务,线下主要以开源硬件或机器人的方式为学生带来先进的人工智能体验和教育服务。这些先进的技术服务将为创客教育带来新的生机,也对创客教育的课程设计、师资储备和空间建设提出新的要求。本文从人才培养出发分析了人工智能时代创客教育的人才培养目标,然后梳理了国内外人工智能教育产品或教育服务,最后从人工智能课程设计、师资建设及创客空间建设方面提出了发展建议。

关键词:工智能;创客教育;国际考察;发展策略

一、引言

2017年IT行业报告提到:2018年,75%的开发团队将在他们的一个或多个设计作品中应用人工智能技术。到2019年,美国家庭使用嵌入式认知的电子产品将超过1.1亿台。可见,人工智能技术无论在开发还是产品使用阶段都有广泛的应用前景。李开复等(2017)认为,人工智能指根据对环境的感知,做出合理的行动并获得最大收益的计算机程序。AlphaGo围棋人工智能机器人击败了世界级围棋选手、无人机的普及以及无人车的试运行都标志着人工智能时代的到来。创新人才是推动人工智能时代有序发展的基石。创客教育的兴起让公众看到了“大众创业,万众创新”的希望火苗,面向人工智能时代的创客教育既是一种普惠式的全民科创体验活动,也是面向人工智能专业人才的精英化培养模式。人工智能时代的创客教育旨在培养有志于从事人工智能开发与创新的创客,这些创客不仅要有扎实的技术功底和敏锐的技术前瞻性,同时也应具备懂合作、善交流、不轻言放弃的创客精神。人工智能开放平台、智能机器人、物联网等新兴技术手段为创客教育提供开放新颖的体验和创意实践平台。学生由此从小就可以感受人工智能带来的科技动感,也可以快速上手开展人工智能小项目的实战研发。面向人工智能的创客教育需要兼顾普惠性和精英化课程体系,同时也需要开放多元的创客教师团队,需要O2O的创客空间作为环境支撑。

二、人工智能创客教育人才培养目标

人工智能时代的技术发展对教育教学内容、教学形式、师生关系和教育理念带来了质的变革和全新的挑战。可以说,人工智能的兴起为教学形态带来了巨大的变化(许亚锋等,2018)。人工智能教育也成为“数字土著”一代的必修课。人工智能教育与信息技术教育相辅相成,传统信息技术教育以操作技能训练为核心教学目标,而人工智能教育则需要上升到素养层面,以培养学生信息素养为基本教学目标(陈凯泉等,2018)。人工智能为社会带来大规模、个性灵活的智能制造模式外,也带来了简单劳动力的大量替代。布朗( Borland,2017)认为那些从事“创新、沟通和深度思考”的工作职位很难被取代。这表明社会迫切需要创新人才,人工智能教育应该将培养具备扎实技术素养的创新人才作为教育的终极目标。

创客教育起源于英国二十世纪末的创意产业大发展,其显著特征是政府推动和精英引领,即精英创造主导创客运动。随着政府、高校机构和基础教育集团的不断引导和对创新创造力孜孜以求的不断探索与追求,类似于美国“创客教育计划”MIT Media lab,我国柴火、蘑菇云创客空间、北京景山中学、温州中学等机构纷纷开启了创客教育活动,真正意义上让创客教育从小众的精英创造变为普惠的大众创造(祝智庭等,2015a)。创客教育的核心是工匠精神,目标是培养具备创客素养的人,即培养善于运用技术手段,历经团队协作和反复实验完成创意作品和形成创意思维的创客(王佑镁,2017)。

从人工智能教育和创客教育的人才培养目标不难看出,两者存在高度的同质性:无论是人工智能教育还是创客教育,其核心目标都立足于培养善于运用技术的创新人才。人工智能教育关注创新人才运用智能技术进行个性化设计与创作,从而形成系统的创新技能和信息素养;创客教育则关注借助开源技术优势培养综合创新人才(雒亮等,2015b)。从工具本体角度看,人工智能技术为创客教育提供了个性、开放的生长土壤和资源支撑;从人才培养模式角度看,创客教育所培养的创新人才将助力未来人工智能的多元创新发展。笔者认为,面向人工智能的创客教育应以技术素养和综合创新素养为综合导向,培养既懂人工智能核心技术研发的技术性人才,也善于结合团队力量打造新型智能产品的综合性创新人才。

三、人工智能核心技术为创客教育赋能

(一)人工智能技术的衍生发展

2016年10月,美国发布的《国家人工智能研发战略规划》报告展示了人工智能技术在农业、通信、教育、金融、政府服务、法律、物流、医疗和运输等14个领域的具体应用。大数据分析与挖掘、物联网、云计算和人机交互等人工智能核心技术带动了计算机视觉、机器学习、自然语言处理、规划调度、口语识别、智能机器人、过程优化、强规则系统等人类认知技术的发展( David,2014)。云计算和大数据、人机自然交互、机器人与智能控制、知识图谱、虚拟现实和增强现实、计算机视觉、自然语言处理以及机器学习成为了人工智能领域的核心技术。同时,人工智能技术的模块化和较强的封装性使得技术从精英化走向普惠化,这种技术难度的降低为不同等级的创客提供了低门槛、高质量产出的研发体验。目前,IBM、 Google、微软、百度、腾讯、科大讯飞等人工智能技术龙头企业纷纷为创客提供人工智能开放平台,允许创客运用技术实现创意和灵感。

(二)人工智能开放平台为创客提供技术土壤

人工智能开放平台作为人工智能技术在网络空间的具体应用,扩大了人工智能技术的应用广度,同时也为创客提供了必要的体验服务和学习支持。

Intu项目是IBM公司研发的人工智能在线实验平台。该平台旨在将机器学习技术引入IBM Waston人工智能系统,让不同技术级别的开发者将更多的计算机认知功能应用到智能设备开发中,创造更多自然的用户交互( Chirs,2016)。开发者能利用 IBM Waston系统将人机对话、口语识别、语音和语言识别以及视觉识别等技术应用到自己的设备开发中。目前,树莓派已成功连接到 Waston系统的云服务平台,实现数据可视化。IBM在新闻声明中表示:Intu项目的引入让完成特定任务的功能和动作更容易整合到智能设备中,比如在零售场景中协助客户,或者在酒店利用人工智能技术问候客人。在这个平台上,开发者可以在各种操作系统上建立认知体验——从树莓派( Raspberry P)到 MacOs,从Windows到 Linux,不一而足。

Goge公司为各个级别的开发者提供了开源工具包(如 TensorFlow和 ML Kit)和共享数据库,支持其开展人工智能研究和产品研发。Google公司也为初创业的公司提供丰富的教育资源和技术指导,服务不断发展的人工智能业务和应用程序生态系统。

Microsoft①也为开发者提供在线云服务人工智能平台及机器学习、认知服务和人工智能会话等技术服务,具体包含人工智能数据、人工智能计算、可编程逻辑器件以及图形处理器等基础设施,同时提供Azure Ml Studio和 MI Workbench等编程和管理工具以及 Cognitive Toolkit和Cafe等深度学习框架供开发者学习和使用。

百度人工智能教育实验室也开放了语音合成、语音识别、文字识别、人脸识别和图像识别等人工智能技术。以文字识别为例,学生可以将带有文字的图片传到平台上,平台将自动识别图片中的文字。多样化的人工智能技术将进一步服务于学生日常学习和创新活动。

科大讯飞公司也组织研发了人工智能开放平台,全面开放业界领先的语音合成、语音识别、语音、唤醒、人脸识别、麦克风阵列等核心技术,支持“云+端”全环境应用,提供一站式人工智能解决方案。其核心技术已在移动应用、智能家居和可穿戴设备等领域广泛应用,用户可以在讯飞开放平台以及讯飞自营APP中体验学习。

腾讯人工智能实验室②依托腾讯的丰富应用场景、海量数据、强大计算能力和一流科技人才,专注于AI基础技术的应用探索。该实验室专注于计算机视觉、语音识别、自然语言处理和机器学习等人工智能技术的研究,并在社交、游戏、内容、平台等领域有着广泛应用。创客们已基于该平台成功研发了智能助手、客服机器人、腾讯AI围棋游戏、个性化推荐、聊天机器人等人工智能产品。

(三)人工智能融入机器人创客教育

我国学者彭绍东(2002)最早关注机器人教育研究。机器人教育的目标在于利用机器人优化教育效果及师生劳动方式。面向基础教育的机器人教育近五年来发展迅速,且往往融入创客教育的大背景中,学生通过对机器人进行编程和再设计,在了解相关结构和运动知识外也锻炼了学生的主动思考问题解决方案和创新思维能力。丹麦的乐高Ev3、美国的 General robotics是国际比较有名的机器人教育套件。随着蓝牙、红外和传感器等技术的普及和模块化,各类机器人教育套件也相继融合了这些先进的技术手段以实现与人工智能技术的逐步接轨。线上方面,对虚拟机器人的编程和设计也逐步成为机器人教育的另一重要实践分支。

实体机器人在创客教学中主要有两种操作模式:一是拼装+编程模式。这种模式需要学生完全或者部分按照机器人搭建手册完成机器人的主体结构,然后根据具体问题情景和功能要求对机器人的主机进行模块化编程。典型代表为乐高Ev3套件;是完全封装+编程模式。这种模式要求机器人本体在物理结构上有较高的封装性,学生仅需要在电脑上对机器人进行编程以操控其行为或动作。典型代表有 Poppy3D打印机器人。

虚拟机器人在创客教学中主要有体验和虚拟现实模拟两种操作模式。百度公司研发的人工智能实验室推出的语言识别技术,允许学生体验将音频转换成文字的智能操作,该操作准确率可达到98%以上;人脸识别技术可以识别图片中主体人物的性别年龄、表情、脸型等特征。虚拟智能机器人设计平台“萝卜圈”③是典型的3D机器人在线互动平台,学生可在平台上进行模块化编程,设计3D虚拟现实项目。该平台同时引入物理引擎技术模拟真实世界的物体运动规律,极大地增强了学科知识整合程度,满足学生在线STEM创新学习需求。

(四)人工智能对接物联网创客教育

物联网指通过红外传感器、GPS等信息传感设备将物品和互联网连接并进行信息交换,最终实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理(冯翔,2012)拉吉夫( Lajiv,2018)指出,到2020年,企业将在物联网上投入2500亿美元。

比特实验室(bit@Biud)率先推出了物联模块编程平台,学生只需在手机或电脑上下载APP,就可通过模块化编程实时控制其他电子模块,电子模块接收各种客观信息(如温度、光照等)并做出智能反馈。在新版本比特装备中,学生可通过WIFI或蓝牙方式自定义设计智能家居,收集生活环境数据。Google近期也发布物联网、人工智能与云平台相同的创客工具箱。其中, Photon微控制器是一款方便实用的物联网原型开发板,开发者可通过 Google提供的系列开源代码包获得语音交互等人工智能技术服务( Vikvam,2017)。Makeblock④公司2018年推出的 Makeblock Neuron是一款面向创客和STEM教育设计的可编程电子积木平台,有30余种电子模块和100多种可能的交互效果。电子模块的功能覆盖声学、光学和动态交互模式,学生可通过在线编程平台对电子积木实现在线或离线编程,并通过手机接收和控制电子积木,实现真正意义上的物联互通该公司还研发了Mbot可编程机器人套件和Air block模块化可编程无人机等适合初级创客的开源技术工具。Seeed Studio⑤是一家提供模块化快速开发工具服务的公司,旨在为创客提供便捷开源的电子模块。该公司目前已成功研发了上百款包括声控、光控、磁控等物联网传感装置,为广大创客利用物联网技术进行创意活动提供丰富的技术资源。

从总体上看,人工智能教育产品呈现出功能模块化与服务精准化的趋势。技术门槛的降低为更多有志于开展创意活动但苦于技术壁垒的创客们提供了丰富多元的创新机遇。人工智能技术的另一趋势在于技术开放、服务精准,即先进人工智能技术代码的开放获取或打包分享,让功能服务导向的人工智能技术得以深化和多维度延伸,面向用户需求的技术服务更加精准。Google、百度、腾讯等世界级IT公司营造的开放包容的技术环境,为世界范围内的创客提供了人工智能核心技术服务,更突破了传统创客作品的技术局限,让创客作品真正与科技前沿接轨。

四、面向人工智能的创客课程

(一)国际人工智能教育产业的发展

传统人工智能教育仅存在于高等教育和部分职业教育中。随着信息社会的发展和人才技能结构的转型,人工智能教育逐渐转向基础教育阶段。基础阶段人工智能教育的核心载体是青少儿编程教育。世界各国纷纷开展基础教育阶段编程教育的普及工作。美国前总统奥巴马2012年推出了“编程一小时”活动,扎克伯格和比尔·盖茨等为3万学生讲解基本编程概念。2013年,英国前首相卡梅伦组织重构了中小学计算机科学教学大纲,以保证英国基础教育体系全部覆盖儿童编程学习;日本2017年发布的《新一期学习指导要领解说》,倡导中小学开展以编程为技术载体的 STEAM教学;欧盟成员国至少有15个国家在基础教育阶段增设编程课程,9个国家在小学开展编程教育。国外以项目式教学开展线下课程和线上课程已初具规模,很多教学者将人工智能与真实情境相联,帮助学生建构真实生活环境下的人工智能学习生态( George,2017)。

我国人工智能教育略晚于国外发达国家。不过,受惠于时代需求和政策引导,发展势头迅猛。2017年,国务院发布的《新一代人工智能发展规划》报告指出:“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”等,鼓励学校和社会逐步推广编程教育;2018年,我国浙江省高考首次将信息技术纳入选考科目;同年,我国发布基础教育人工智能教材,内容涵盖人工智能发展历史、基本概念及应用案例。目前,我国低年段主要利用国外的热门语言 Scratch和国内自主研发的 Kitten语言开展浅层次的创意教学,在高年段及成人教育利用Python、C++、Java等语言进行深度的智能编程⑥。

编程环境和编程工具是编程教育的重要技术支撑,学生通过运用模块化编程和智能开源硬件技术创造性地设计智能产品,逐步提升创新能力和问题解决能力。封装好的编程模块和便捷化的智能硬件为青少儿编程带来了技术便利,降低了编程难度。目前,国际上无论是面向校内创客教育课程还是面向校外的创客技能培训课程都巧妙利用了这些开源编程技术,其中经典的是 Scratch和乐高套件。

(二)人工智能融合的创客课程建设

课程是人工智能在创客教育落地生根的重要抓手。创客课程的基本要素包括学习内容、活动项目、学习环境、网络资源和课程评价(杨现民,2016)美国 Intel未来教育运用设计思维的理念为11~15岁的青少年提供课外工程类创客教育体验。课程特点在于运用设计思维系统的问题解决流程和创意启蒙方法引导学生逐步成为创客(闫寒冰等,2017a;闫寒冰,2017b)。人工智能技术的发展为创客教育提供了先进、可持续发展的课程素材。Exploring robotics⑦是美国设计智能机器人及相关在线课程的教育科技公司,为美国500余所中小学提供创客教育系统的规划和实施方案。该公司设计了机器人体验、机器人编程和系统工程设计与发明三个阶段的渐进式课程。在高中教育中,2018年4月,《人工智能基础(高中版)》教材正式发布,内容涉及图片识别、声音识别、视频识别、计算机写作和深度学习等人工智能技术的原理和应用情景。在高校层面,美国北卡罗莱纳州立大学从创客空间建设、创客文化辐射、研讨学习、课程资源整合、作品展示分享和主题交流六方面实施学校创客教育体系(陈珊,2017)。从教育表现形态看,创客教育同STEM教育类似,在技术本体难度和整合难度上,可以分为科普教育、嵌入式课程、项目型课程和整合性学科(祝智庭等,2018)。从科普课程到整合性课程,课程特点呈现学习目标由体验导向转变为能力导向;活动组织形式从大班集体活动转变为小组多维深入研讨;学习环境由开放体验向项目聚焦转变。本文从学习目标构建、活动组织形式、学习环境和适用学段三方面剖析面向人工智能的创客课程建设思路。

科普教育阶段的人工智能创客教育主要以学生理解人工智能基本概念和开展互动体验活动为主。学生需要理解人工智能的发展历史和基本概念;了解人工智能核心技术的功能和服务对象;明确人工智能给社会和人们生活带来的便利。同时,学生需要在与人工智能技术的互动体验活动中感受人工智能的技术魅力。在此阶段,科技场馆和创客空间是学生线下体验活动的重要场所。同时,类似于百度人工智能实验室也为学生提供了线上体验人工智能技术服务。这一阶段的课程主要覆盖K—6年级学生,课程目标以体验为主,理论讲解为辅。

嵌入式课程强调人工智能入门技术与学校校本创客课程的融合。目前,我国各地均在开展以校本课程为单位的创客课程建设,需要学生掌握基本的编程技术以操控人工智能设备。同时,学生需要掌握基本的工程设计思想,了解工程设计的基本规范,掌握核心技能。这个阶段的课程载体以校本课程为主。学校建设的创客实验室是学生学习活动的线下场所,同时一些线上的开源人工智能编程平台也可为学生提供学习机会。教师可组织定期的线上研讨,与学生讨论课程作品的细节和答疑解惑。课程内容需要视学生的知识储备程度选择,包括但不限于 Scratch编程、 App inventor编程、 Arduino编程、Python编程等。课程以工程设计学习模式驱动,在保证培养学生基本编程素养的基础上提升学生工程设计思维和创意思维能力。

项目型课程是嵌入式课程的强化和拓展,强调技术的深入学习和工程设计理念的强化。该阶段的课程需要遴选对人工智能和高新科技感兴趣,同时有较强的技术基础和项目开发经验的学生。学生在教师的带领下深入学习技术,由模块化编程全面转为代码化编程。同时,教师需要加强学生的项目研发能力和工程设计规范训练。由于这个阶段课程的项目精度和深度继续增大,因此需要整合多方师资合理打造项目。项目需要同时兼备创新型和社会实用性,为后续各类科技竞赛做准备。这一阶段的课程主要在小学、初中和高中的高年段开设,也可以作为大学的普惠性课程。

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整合性课程是在项目型课程的基础上,培养学生成熟技术素养和项目研发能力的跨学科课程。该阶段课程主要适用于大学生和研究生。该阶段学生已有较强的跨学科知识基础,但需要继续深入学习人工智能的相关编程技术和项目开发技巧,熟练运用系统设计思维方法实现项目转型升级和产品化。主要学习活动场所是高校创客空间,同时社会性创客空间也是大学生创客活动的重要场所。项目设计与转型升级以及产品化是整合性课程的重要学习目标。该阶段的课程主要服务于学生日后自主创业和生涯规划,是大学双创教育的重要实践平台和人才诞生基地。

五、面向人工智能的创客师资建设

创客导师是从事创客教学或指导学生开展创客实践的教师。他们本身要热爱创客教育事业,热衷于创新科技、敢于实践、乐于分享,设法把各种创意转变为现实。创客导师不仅要有基本的技术知识和项目研发经验,还需要掌握先进的创客教学法、创客教学评价和管理知识以及整合技术的学科教学经验等(闫志明等,2018)。由于不同年级的创客教育有不同的知识深度和技术难度,因此创客导师的能力也要逐步提升。研究表明,创客导师与普通单学科教师不同,其知识储备和能力结构需要具备跨学科和多梯度的特点。从我国目前的人工智能发展速度和教师能力结构看,创客导师需要团队化而非孤军奋战。本文仍以创客教育的四阶段为主线,探讨各阶段创客导师团队的构成和具体能力指标。

在四个阶段中,课程内容的组织和整合能力是教师的基本技能,创客导师需要根据不同阶段的课程目标设计学科整合性和探索研究性相结合的课程内容。除科普课程外,创客导师还需具备运用系统工程设计流程安排教学活动的能力;创客导师也需要掌握过程性和总结性评价的基本方法,掌握运用评价数据分析学生能力提升的基本方法和技巧;创客导师的另一职责是熟练开展创客实验室教学设备的更新和维护,确保创客课程的顺利开展;最后是协调沟通能力。他们需要有效组织创客教学活动,积极协调学习小组关系,以及联系多方学校和社会资源以保证创意作品的产品化。

在科普课程阶段,创客导师需要掌握基本的人工智能基础操作,学会引导学生体验人工智能技术技巧;在嵌入式课程阶段,思维技巧培训是启发学生创造力的关键,因此面向学生创新思维技巧的训练是创客导师的另一重要技能;在项目型课程中,学生的成果主要以竞赛或创新项目形式呈现,导师需具备组织和指导学生竞赛的经验和能力;在整合性课程阶段,学生的创作产品已初具形态,具备一定的产品推广价值,因此产品推广和创新能力是该阶段创客导师的关键技能。

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六、面向人工智能的创客空间建设

面向人工智能创客教育的创客空间应在满足基本人工智能技术需求的基础上,尽可能给予创客集体验、学习、实践、展示和推广为一体的多元创新服务。O2O的创客空间模式同样适用于面向人工智能的创客空间的建设需求,为学生提供时间、空间和方式维度的无缝学习与创造体验(祝智庭等,2015b;雒亮等,2015a)。借鉴创客空间2.0的理论经验,面向人工智能创客教育的创客空间需具备体验营、常态化课程教学、创客工作坊、挑战赛和产品推广五个主体功能(雒亮等,2015a)。

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在体验营阶段,学生主要在创客空间中完成人工智能体验活动。教师可以先在线上发布人工智能体验信息,学生根据兴趣爱好选择不同的体验活动。在线创客平台也为学生提供分享体验心得和完成体验总结,线上人工智能平台也为学生提供感受自然语言处理、深度学习、云计算等在线服务。线下是学生体验人工智能技术魅力和创意灵感诞生的主要场所,学生可近距离感受虚拟现实、深度学习给生活带来的便捷和科技魅力。

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在常态化课程教学阶段,学生可根据学习任务选择线上或线下学习形式。在掌握编程技术后,教师需引导学生以创意项目的形式开发作品。此时,线上可作为讨论和资源分享的平台,线下主要涉及小组深入讨论和作品搭建与完善等环节。

在创客工作坊阶段,学生在线上可继续与导师深入交流讨论,也可以将项目的过程性资料上传整合。线下活动主要以作品深加工和作品展示为主。学生和老师需针对作品进行外观、结构和功能的深入优化。同时创客工作坊也需为师生提供展示交流的平台,不同组间可以交换意见,批判性地思考对方作品的优缺点。

在挑战赛阶段,学生在线上主要完成项目讨论和专家远程辅导等。学生需在规定时间完成作品功能的修正和补充,专家需亲临现场指导以保证在竞赛中,学生作品能得到较高的评价甚至取得奖项。

最后是产品推广。学生的人工智能作品经历了体验、学习、项目研发和挑战赛的层层磨练,部分作品的含金量可以满足推广和批量生产的要求。在这个阶段,学生和指导教师可组织相关专家团队撰写创业计划书或产品推广方案,也可借助各种社会投资基金推广人工智能产品。此时的创客空间已不局限于学校或社会性创客空间。广义上讲,人工智能作品的本身价值和未来市场前景都是创客空间的有效延伸。

纵观国内外创客教育实践,以人工智能技术为研发载体的课程不胜枚举,授课形式多样,授课内容囊括人工智能理论和技术学习与开发实战指导。我国基于设计思维的课程设计模式与创客导师培训弥补了传统创客课程“技术本位”的思维内涵缺失。因此,从课程研发和师资培训角度看,我国已拥有相对成熟的实践经验和前瞻性的国际视野。为充分响应李克强总理提出的“全民创业,万众创新”号召,深度构建面向人工智能的创客教育生态圈,增强创客课程的研究性、学生创新能力微认证开发以及各级创新赛事将成为未来创客教育研究的新方向。

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