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从娃娃抓起的AI教育长啥样? | 青岛教育案例

本文作者:德江 2020-01-07 18:56 专题:最佳实践案例
导语:在青岛已有两万多中小学生上AI基础课。

“同学们,我们回忆下刚才的游戏,如果用人眼去分辨一个人,首先是不是得见过他、认识他?然后还要记住他的模样和特征,对着照片进行逐一比较,最后把他找出来。那么,机器(AI)是如何实现这个功能的呢?”

近期,在青岛市崂山区一场人工智能公开课上,郭春蕾向学生们抛出了上述这个颇为专业的问题。

郭春蕾是青岛崂山区第二实验小学的信息技术学科专任教师,从教已有五年,目前正在给学校四年级14个班中的3个班上人工智能启蒙课。

从娃娃抓起的AI教育长啥样? | 青岛教育案例

人工智能公开课上郭春蕾与学生互动(受访者供图)

崂山区第二实验小学是青岛大规模推广人工智能教育的试点学校之一。2019年9月开学季,在青岛教育局的统筹下,人工智能基础课程进入青岛全市100多所中小学,上课的学生数达两万多

近几年,虽有不少地市学校开设人工智能课,但类似青岛这般在全市大规模推广,放眼全国,这样的案例也是寥寥无几。

青岛为何如此重视人工智能教育?

“邓小平曾说计算机要从娃娃抓起,所以后来就出现了马云、马化腾等人。但整个山东区域,包括青岛,我们在那个过程中慢了。现在人工智能的兴起给了我们一个新的机会,这也是为什么省委、市委这么重视。”青岛市教育局副巡视员姜林在接受雷锋网(公众号:雷锋网)等采访时说。

作为北方经济的标杆,山东省GDP常年稳居国内第三,但近年来,山东与广东、江苏二强的差距呈扩大之势,而与追赶者浙江的差距却在不断缩小,从经济层面看,山东在产业结构以及科技创新方面存在一些差距。

去年总书记在视察山东及青岛时曾指示,山东要主动融入国家开放大局,打造对外开放的新高地,要求将青岛建设成国际化大都市。山东省委也表示要将青岛打造成面向世界开放发展的“桥头堡”。

在新目标下,山东开始着力推动科技创新。2019年5月,山东省印发《关于大力推进“现代优势产业集群+人工智能”的指导意见》,提出要发挥人工智能的“头雁”效应,推动全省新旧动能转换;而青岛也希望借助人工智能,改造提升传统产业,培育壮大新兴产业,抢占新一轮产业竞争制高点。

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图片截自:山东省人民政府官网

总而言之,山东乃至青岛希望通过发展人工智能产业,推动经济结构转型升级,在区域竞争中,实现弯道超车

发展人工智能产业,没有人才基本就是空谈。而人才的培养需要从基础教育抓起。早在2017年,国务院印发《新一代人工智能发展规划》,提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。

2019年1月,为了给人工智能产业发展提供人才保障和智力支持,山东省教育厅下发通知,在全省成立人工智能教育领导小组。人工智能教育领导小组负责全面统筹山东省教育系统的人工智能工作,加强对人工智能教育工作的组织领导,结合山东教育资源的特点与实际,开展人工智能基础知识的普及工程。

2019年2月,山东省委常委、青岛市委书记王清宪曾在会议上就人工智能教育作出指示,要求培养一批操作型、技能型的人工智能人才。

姜林在采访中也强调,希望通过发展人工智能教育,使得青岛能够成为引领人工智能乃至其他新技术发展的关键性人才的高地

从上到下,山东已经认识到,推广人工智能基础教育的紧迫性和重要性。而作为整个山东对外开放发展的桥头堡,青岛在全市百所学校试点推广AI课程已然走在了全省教育改革的前沿。

上好一堂人工智能启蒙课

在人工智能公开课上,郭春蕾给学生布置了两个小“游戏”。

课程刚开始,她就给学生们布置了第一个小游戏:在电脑相册中把某位同学的所有照片全部找出来。

时间到了,课堂有点安静,似乎还没有学生能够完成这个任务。于是一位学生向老师提出说可以用人工智能去解决这个问题。但郭春蕾没有急于探讨如何使用人工智能,而是举例说明照片分类的重要性

接下来,郭春蕾则正式开始了她的人工智能启蒙第八课“人脸聚类”

为了让学生们理解人眼分类的过程,郭春蕾布置了第二个小游戏“火眼金睛”。她在屏幕上放了12张学生的照片,随机说出一个学生的名字,看谁能够最快在12张照片中找出该学生位置。

学生们抢答完毕,她开始和学生讨论人眼识别一个人的过程,于是就出现了开头那一幕,郭春蕾通这个游戏,引出了机器如何实现人脸聚类的话题。

郭春蕾一边讲解一边在黑板上将人工与机器实现“人脸聚类”的步骤分别列举出来。

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公开课上,学生正在听老师讲解“人脸聚类”(图片来源:雷锋网)

她总结道,机器要实现一个功能,本身就是模拟人类的过程。机器识别人,首先它要检测到人脸,一个脸才能定位到一个人,衣服和背景不能。

“检测到人脸后,我们要记住模样,其实你记住的是这个人的特征,再逐一对比,最后把这个人汇总在一个文件里,我们有一个专业的术语,叫‘人脸聚类’。”

讲到这里,老师想让学生知道“特征”的重要性,就让学生用词语来描述她的脸部特征。

“但是单单用语言描述一个人的脸是不能确定这个人的,所以科学家们提取了人脸上的68个点,用来描述一张脸,并且通过很复杂的办法将这些点转化成一系列的值来精确的确认这张脸,这个过程其实就是提取特征值。”

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学生在谈对人脸聚类过程的理解(图片来源:雷锋网)

提取完特征值后,需要对两张脸进行相似度比较,得到一个值,“相似度越高就越像,如果相似度达到一定程度,那么我们就认为这两个人是?”

“是同一个人!”学生们回答。

“那么我们再和相册里所有的照片进行对比,按照相似度从高到底进行排序,那么相似度很高的不管他是笑还是其他表情,放在一起,是不是实现了照片分类?”

郭春蕾用了约半节课给学生讲了机器识别人脸的基本原理,接下来,她让学生打开电脑中商汤SenseStudy AI实验平台用python编程进行实验,进一步体会人工智能软件是如何实现人脸聚类的

1、调试training函数,提取人脸特征;

2、调试test函数,对比所有照片;

3、运行结果,记录实验数据。

三组学生按照步骤完成上述实验操作,然后小组长将各组实验结果和数据上报给老师。

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学生正在使用商汤AI实验平台进行实操(受访者供图)

实验结束后,郭春蕾又以搜索引擎、电商平台上的“以图搜图”和物流机器人为例,讲述人工智能在日常生活中的应用,让学生感受互联网、人工智能技术的发展和对生活的影响。至此,这节“人脸聚类”才算完结。

课后谈及对人工智能课的感受,有的学生认为人工智能课最有意思的是,老师在电脑上输入指令,就能够指挥电脑上的虚拟机器人向前走动;还有学生表示,非常喜欢机器人中的传感器,并对它们的作用非常好奇。

在人工智能课上,学生也会用到一些编程软件。郭春蕾认为,算法是非常复杂的,他们的目标是教给孩子的是一种做事情的逻辑,而不是理解理论内部语句,如果她讲具体的算法等内容,学生就会对人工智能课失去兴趣

“我们是屏蔽底层的细节,因为编程是针对算法一步一步的,不是一下生成结果,要先抠出一张脸来再提取特征再到最后的照片检测,它是一步一步的,对应着孩子的操作步骤和调试过程。我们不能干讲,我的程序确实是这样按部就班做的,但我们的目标还是通过这个编程,加深孩子对算法的理解、体会。”

郭春蕾认为在人工智能课上,最困难的是让孩子能够理解大人能理解的东西,也是他们重点要解决的问题。她在接受采访时表示,大人看似很简单的东西,想让孩子们理解却不容易。每次遇到这种情况,她就结合孩子的生活实际来举例讲解。

背后的故事

给学生上好一堂人工智能课,显然不是一件容易的事。

为了在全市推广AI教育,青岛当初面临的首要问题是没有足够的专职教师。

姜林认为,既然没有足够的AI课老师,就先从学校内部挖掘培养。首先是找学计算机、信息学相关的老师,有兴趣的就成编制的去培训。“培训中也有很多故事,有的老师越学越激动,感觉似乎打开了一扇窗,也有越学越吃力的,年纪轻点的老师学有余力的多。”

“我们也会扩大筛选范围,有些物理以及文科老师,对这个感兴趣,学校也认可的,可进入第二批培训。最终我们不完全是以学科来定,而是看老师实际的能力。”

给崂山区第二实验小学上启蒙课的郭春蕾老师就是计算机专业出身。之前出于兴趣,她曾自学过一些人工智能知识,所以当初就去报名兼任AI课的老师。同时,为了给学生上好启蒙课,她经常会去参加市里组织的AI教育培训活动。

按照规划,教育局计划先从这100多所试点学校中培养出一批骨干种子教师,帮助他们成长为有理论思考、有实践经验的专业AI课老师,最后通过这批种子教师继续培训更多的师资。

据青岛市教育装备与信息技术中心副主任刘秀元介绍,师资培训是走在开课前的,青岛和商汤人工智能教育研究院合作,一共培训了五六批,共300多名AI课老师。“而且青岛的STEAM课程实行了很多年,老师们在这方面经验比较多,他们也接触过一些机器人课程。”

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老师们在参加商汤组织的AI教育培训(受访者供图)

虽然小初高同步开设了AI课,但老师们参加的是统一的培训内容,暂时还未能按照学段来分层培训老师,所以如何把握小初高AI课的难度和教研设计,对他们而言都是一个新课题。

随着人工智能课的开课,老师在准备过程中还是会有些难处和压力,多数是计算机、数学和物理老师兼职过来做这件事。姜林表示,虽然已有人工智能专业毕业的老师,相较需求而言,专业的老师还是相当缺乏的。

其次,人工智能课是一门手脑结合的课程,学生学习教材上的AI知识,相应而言,还要上机做实验把它复现出来,于是就需要超算平台支持

“小学是启蒙,到了初中和高中还有一个AI实验室,有些程序编完了以后会指挥小车按照轨道跑(自动驾驶实验),指挥机械臂去动,或者指挥机器人去完成一项任务,这都是我们人工智能课程中涉及到的。这些程序都是基于超算平台运行。”青岛市崂山区教体育局张泽治说。

但算力资源是有限的。为了避免青岛2万多学生在AI课上同时做实验造成算力紧张,所以需要对算力进行合理分配,因此由教育局统一进行排课。

“所以每个学校的课时分配,学校自己都说了不算,可能得在区域里统筹分配。我们在开学初就排好了,到那个点课时已经定好了,这个班必须去上课,不上就浪费这个算力了,其他时间想补这个课,就提供不了算力,因为其他班正在上课。”刘秀元强调。

人工智能再重要,学校里还是有其他一些更重要的任务,例如升学,所以在课时协调方面也有不小难度。正是要协调算力资源,有的学校第一节可能就被安排上AI课,一般情况下这样其实很难被接受,但还是得有人上。

据介绍,青岛第一期按照“1+4”规划超算平台,即市教育局有一个平台,四个区同时也布置各自的平台。四个区负责各自学区的算力支撑,同时市教育局的平台作为公共共享服务平台,随时能支援各区,这样就形成了两级保证,使得课时排布、教学教研都能顺利开展。

最后,老师、教材有了,为了完成教学任务,还需要与AI课相匹配的辅助性内容。由于刚开始试点,作为一门新课,基本上没有太多教辅类资源,还需要在课程实施过程中由学校和老师自己来生成。

同时,姜林提到,以这次人工智能教育的试点为契机,青岛教育主管部门想要改变以往的教辅资源采购模式。

“原来是教育主管部门和几位专家去购买配套资源也好,是邀请别人送过来也好,这是几个人定的。这次我们想拿人工智能教育做一个全新的模式,尊重一线教师,一线教师要什么才是我们要去采购、编写和寻找的目录,改变原来买回来后让老师用、但好不好用不知道的模式。”

刘秀元表示,课程刚开始推行的几个月,这些困难还是比较大,但作为一个新鲜事物,课程在其他方面得到了很多支持,“青岛从上到下的政治大环境有了,推进过程中还是比较顺利的。”

开课后,1500名学生积极报名AI课

经过顶层设计和统筹规划,青岛想以人工智能教育课程为载体,培养一批操作型、技能型人才。

由此,青岛也提出了“1+4+100”行动方案,在全市普及的基础上,确定崂山区、城阳区、西海岸新区、胶州市四个区市作为试验区重点推进,重点打造100所实验校

崂山区副区长张咏雁在采访中认为,2019年3月,商汤科技人工智能教育研究院落户在崂山区,这对崂山区来说是一个非常重要的开始。

“在人工智能教育方面,区里也是加大了投入。到现在为止,我们一共投入了1100多万元用于学校里人工智能教育软硬件设施的建设。”张咏雁说。

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青岛某学校学生们正在上AI课(受访者供图)

据张咏雁介绍,崂山区当初遴选了23所学校,作为人工智能教育第一批开始推广的基地,其中包括5所引领型的实验校,还有18所规范化的实验校。这些学校,从2019年5月就开始慢慢开展人工智能教育课程。“像今天上的人工智能课,到现在为止有1500多名学生积极地报名。”

“我们的目标是到2020年,我们希望崂山区所有的公办中小学都要达到青岛市人工智能实验校的标准,让人工智能教育能够达到常态化的水平。”

张咏雁表示,现在讲人工智能赋能百业,崂山区从教育方面做起,想做成比较好的示范点。在人工智能对其他行业的引领带动方面,“我们下一步还要加大力度,再多做一些工作。”

同时,据张泽治介绍,崂山区很早开始探索素质教育工作。2009年,崂山区就做了机器人比赛,2016年开始接入STEAM课程,“后来我们遇到了瓶颈,商汤这次一介入,我们的工作正好就顺下来了。”

张泽治表示,现在崂山区大部分学校对机器人、人工智能教育是非常感兴趣的。他们原计划在崂山区第二实验小学只收50名学生,但是学校后来报了400人,相当踊跃

“孩子们对科技感兴趣了,反过来也会很积极地学习语数外。这种精神状态,无论是学生还是老师,都表现得非常积极。”张泽治如此形容AI课的效果。

人工智能也要从娃娃抓起

“站在我们的角度来讲,更重视的是小学。因为小学是一个大的受众群体,教给学生的不是具体的算法,交给学生的是打开人工智能这扇窗,让学生有思维逻辑方法,知道人工智能是这样的。”姜林在接受采访时如此看待在小学开设人工智能启蒙课的重要性。

刘秀元介绍,青岛人工智能课程走的是全学段,高中、初中和小学都有开设。当初考虑到学校的接受能力和师资准备,在全市遴选了100多所学校作为试点班,后续总结经验教训后再向全市推广。

目前人工智能课并没有纳入国家课程体系,但国家允许地方和学校自主选择开设部分校本必修课程。所以,这100多所试点学校的人工智能课其实走的是校本必修课程,保证每周会上一节,学生可自主选择。

对于青岛教育局来说,由于是首次在全市范围进行AI教育试点,所以他们首要的目标是要保障本学期教学任务的顺利完成,按照教学计划、教学进度有序推进,直到这学期结束。

刘秀元提到,为了调动师生的积极性,他们还有很多教学配套工作,例如建立相应的人工智能竞赛交流体系,让老师和学生能够在学习过程中有一个更高的诉求。

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人工智能交流展示会(受访者供图)

随着课程的有序开展,青岛也计划将人工智能教育总结发展成为一套经验模式

“刚才说了教学的目标,站在我们青岛教育行政主管部门的角度考虑还有一个模式的目标。刚才也说了很多困难,但我们坚定一个想法,发展是解决问题的关键,只有在做的过程中才能发现问题,才能看怎么解决问题,这个怎么办就是一套模式。比如师资配置的模式、老师授课的模式,后面老师教研活动的管理、应该谁来管、管到什么程度,甚至包括奖励措施、老师积极性调动的措施,还有以什么标准来评估小初高学生的学习效果等等。”

姜林表示,这个模式需要由青岛教育行政主管部门来做。他们的想法是,从9月开始,等到一个学期甚至一个学年结束后,要静下心把青岛模式稳定下来,包括教研活动、教师培训、学生上课评估等等。待模式稳定后,在这个基础上再高层次地去推进青岛的AI教育。

据商汤科技教育事业部总经理尚海龙介绍,人工智能教育研究院落地崂山后,已经吸引了全国大概8个省、自治区、直辖市的200多名老师前来培训,而且有不少地市的教育厅表示想来青岛接受培训,并且要来青岛参观学习学校的现场教学。“等到一个学期结束、一个学年结束后,我们也会系统性的请内外部专家共同交流、评比、总结,逐步形成越来越好的青岛经验。”

2019年国家统计局、人社局和国家市场监督总局发布新职业报告称,未来5年,12个新职业人才缺口将达3000万,而人工智能工程技术人员人才缺口将达500万,人工机器人系统操作员和运维员人才缺口也有500万。

未来,人才缺口的问题只能从基础教育抓起。这样看来,人工智能从娃娃抓起,人工智能教育实践经验的总结和推广,更显得尤为必要了。

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