冯敬益 谢景明

【摘 要】将人工智能引入中学创客教育是一件既有意义又有挑战的工作。本文首先分析人工智能技术在中学创客教育中应用的难点，然后探讨创客案例的设计原则，并设计了适合中学教学的OpenCV教学案例。本案例已经在广州市多所中学推广应用，取得了较好的效果。

【关键词】创客教育;人工智能;案例设计;OpenCV

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2020）010-091-03

创客教育是一种融合信息技术，秉承“开放创新、探究体验”的教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式[1]。近年来，在北京、上海、广州等地的中学兴起了创客教育。我国的中学创客教育已经取得了一定的成绩，在创客教育的环境、开展创客活动的有关要素和创客活动课程等方面进行了研究与探讨[2]。

当前，人工智能技术已在视觉识别、语音识别、运动识别等方面取得了突破。《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》中指出：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，逐步推广编程教育[3]。国家的支持政策以及人工智能技术的快速发展，给中学创客教育带来了重大的机遇和挑战。

计算机视觉是当前人工智能领域研究的一个热点。OpenCV是一个基于开源的跨平台计算机视觉库，具有通用性的机器学习模块，支持Python、MATLAB等语言接口，能够帮助人们快速构建视觉应用[4]。因此非常有必要将OpenCV技术引入中学的创客教育中，提高中学生对人工智能技术的理解与应用能力。

人工智能技术在中学创客教育中应用的难点分析

目前我国中学开展创客教育的覆盖面还比较窄，创客的内容比较单一，跟不上新一代信息技术的发展，特别是人工智能技术的发展。主要原因是存在以下六个方面的难点。

（1）积极性方面。创客教育属于学校的校本课程和校内教育活动，主要以选修课的形式开展，师生参与的积极性比较低。

（2）师资方面。教师对人工智能技术掌握不够，不清楚如何将人工智能技术引入创客教育，设计适合中学生水平层次的项目任务，并为中学生提供实用的学习资源。

（3）内容方面。人工智能技术涉及的知识范围广，并且抽象性大，学习起来难度高。人工智能技术发展较快，目前还没有成熟的面向中学生的人工智能知识体系。如果直接将高校的人工智能培养内容搬到中学，将会事倍功半。

（4）教法方面。中学生习惯了“以教师为中心”的传统教学，对“以学生为中心”的创客教育显得力不从心，学生需要在教师的引导下才能适应新型的创客教育模式。

（5）教学资源。现有的创客资源较为零散、碎片化，指导老师需要花费较多的时间查找相关资料，并进行整理与消化，这给指导老师造成了较大的压力。

（6）经费方面。现有的很多创客教育方案，需要专门的经费去购置软硬件，这在一定程度上提高了开展创客教育的门槛。

以上问题已经影响到了人工智能技术在中学创客教育中的推广。对此，应为中学生的创客教育设计既容易入门又有较好体验的解决方案。

基于创客教育OpenCV技术教学案例设计

1.创客案例设计的原则

本创客教育的主要目标是培养学生对人工智能技术的兴趣，掌握基础的计算机视觉技术，并能够将技术应用于解决学习、生活中遇到的相关问题。从中学生以及指导教师的實际情况出发，制定了如下的创客案例设计原则。

（1）简易法。实现方法简单、原理清晰，能将学习者的主要注意力吸引到具体的实现上。

（2）递进法。例子应具有可扩展性，能够逐步由简单功能扩展到复杂功能，形成具有体系性且难度渐进的案例。

（3）对比法。对于同一个功能采用不同的实现方法，以便学习者能从中对比不同实现方法的差异，从而更好地理解不同的技术实现。

（4）直观显示法。案例被执行后，应能够直观显示给学习者，方便学习者进行观察，更好地理解OpenCV技术的使用方法。

（5）兴趣法。所选用的案例应具有趣味性，能够引起学生的关注。

2.创客案例的设计

OpenCV是人工智能技术体系中的一个重要分支，具有掌握起来快，实现效果直观的优点，比较适用于中学生层次的创客教育。Python语言的优势是简单易用，而且可以调用大量的第三方功能库，适合用于人工智能领域的应用，受到了教育界的广泛关注，已被纳入中小学的信息技术课程体系中。对此，使用Python来调用OpenCV实现创客的相关应用。设计了5个既独立、又关联的案例：图像操作 → 视频操作 → 人脸识别 → 二维码操作 → 创客项目。其中案例1“图像操作”由教师进行传授，将学生引导入门。案例2～4由教师根据实际情况来决定是以教师为主还是以学生为主的教学模式。案例5“创客项目”则是以学生为主，鼓励他们发挥创意完成创客项目，对具体的实现目标和实现方式不做限制。表1选取案例1～2的主要实现、技术点和扩展功能进行了分析。

案例4的“人脸识别”案例，使用的是OpenCV自带训练好的人脸分类器数据进行人脸捕捉，这样可以降低学生开发人脸识别应用的难度。在OpenCV安装目录下的“data＼haarcascades＼”可找到“haarcascade_frontalface_default.xml”人脸分类器数据文件。下面是人脸识别的主要实现代码，能够识别图像中的人脸，并用矩形框起来。本案例的扩展功能是：捕捉眼睛;捕捉视频中的人脸;进行人脸数据采集，生成人脸文件。

总  结

本文深入探讨了在中学创客教育中开展OpenCV人工智能技术应用的主要方法。本研究成果在2018年由教育部基础教育课程教材发展中心组织的第五届全国基础教育课程教学改革研讨会上进行教学研究课展示，与会专家和同行认为有助于提高学生的跨学科解决问题能力、协作能力和创新能力。广州信息工程学校、广州铁一中学等多家学校先后采用了本成果进行了应用试验，取得了较好的教学效果。一方面减轻了中学创客教师的负担，另一方面对提高学生掌握利用Python语言实现计算机视觉应用的能力发挥了良好的促进作用。

综上所述，本创客教育主要的实施关键点有如下两个。

一是从选取精简的OpenCV应用案例入手，实现简单并且效果可视化的案例，方便学生掌握背后的原理。

二是创客教育的案例具有独立性、关联性、扩展性，体现出循序渐进的层次性。

参考文献

杨现民，李翼红.创客教育的价值潜能及其争议[J]. 现代远程教育研究，2015（2）：23-34.

任静. 我国中小学创客教育研究[D]. 华中师范大学， 2017.

国务院. 国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

刘培军，马明栋，王得玉. 基于 OpenCV 图像处理系统的开发与实现[J]. 计算机技术与发展，2019，29（3）： 127-131.