基于开源硬件的中学人工智能课程设计与实践
初中人工智能创客教育课程开发与实践
为了更好地适应人工智能创客教育的发展和需求，教师需要不断提升自身的专业素养和能力，包括人工智能技术、编程技能、创新教育理念等方面。
教师专业发展需求
05
初中人工智能创客教育课程评价与改进
评价方法与标准
评估课程的教学目标是否明确、合理，是否符合初中生的认知水平和学习需求。
教学目标评价
教学内容评价
人工智能创客教育注重学生的主动参与和动手实践，将学习与生活、科技、社会等紧密相连，旨在提高学生的综合素质和创新能力。
人工智能创客教育概念
初中人工智能创客教育课程特点
初中人工智能创客教育课程综合了数学、物理、计算机科学等多个学科的知识，强调跨学科的融合和实际应用。
综合性
课程注重学生的实践操作能力，通过设计、制作、调试等实际操作过程，让学生深入理解和掌握人工智能技术。
初中人工智能创客教育课程开发与实践
2023-11-02
引言初中人工智能创客教育课程概述初中人工智能创客教育课程开发初中人工智能创客教育课程实践初中人工智能创客教育课程评价与改进研究结论与展望参考文献
contents
目录
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引言
人工智能技术的快速发展
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随着人工智能技术的飞速进步，将其融入教育领域已成为一种趋势，尤其在初中阶段，开发适合的创客教育课程能够培养学生的创新思维和实践能力。
研究背景与意义
传统教育的不足
02
传统的初中教育模式往往注重知识的传授，而忽视实践能力和创新思维的培养，因此，开发基于人工智能技术的创客教育课程具有重要的实际意义。
课程改革的需要
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在新课程改革背景下，培养学生的创新能力和实践能力已成为初中教育的迫切需求，因此，开发人工智能创客教育课程具有重要的现实意义。
初中综合实践_开源机器人初体验——智能可穿戴设备教学设计学情分析教材分析课后反思
开源机器人初体验——智能可穿戴设备设计教案三、分组合作全班同学分为四个小组。
并设置好组长、外形设计员、资料查询员、程序员、产品组装员、产品介绍员六个角色，时间2分钟。
四、方案设计根据上述问题，大家设计自己的可穿戴设备方案，时间3分钟。
设计完成后，请每个小组的组长介绍本组的设计方案。
学生快速分四个小组，并指定角色。
学生设计可穿戴设备方案草图鼓励学生大胆设想五、资料查询根据自己的方案查询相关材料。
教师讲授本节课所需硬件元器件：1.硬件开发板：通过核心板可以连接控制各种工业级传感器，实现各类实际应用环境场景的构建。
2.振动传感器将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。
3.语音模块语音模块，就是具备语音播放功能的半成学生根据教师提供的资料查询相关知识。
教师要关注学生操作过程中遇到的重难点问题，并及时解决。
品，供用户拿来进行二次开发的模块类产品，具有测试方便，使用简单等特点。
4.同学们根据振动计步器原理，拼接硬件设备，将振动器、语音模块、3.5寸屏幕连接到开发板。
屏幕usb：5.0V - VCCTXD - DINRXD - DOUTGND - GND波特率115200屏幕VCC - 5VDOUT - B11DIN - B10GND - GND音频BUSY - D9GND - GNDDC - 5VSPK--喇叭-SPK+ -喇叭+IO7 - D8震动VCC - 5VGND - GNDDO - D10学生动手拼装电子元件。
六、程序设计由程序设计员，设计程序，设定每天的运动目标值为5公里(8000步)；并设定提醒时间及提示语言。
计算: 路程= 每一步距离*步数七、产品组装各小组组装产品，由小组产品介绍员做总结发言。
八、总结反思（1）在制作过程中你们遇到了那些困难？我们是怎样解决的？（2）我们的产品在那方面还可以优化改进？（3）总结本节课所学到的知识。
学生设计程序，并灌装入开发板，调试程序。
小组组员介绍产品学生总结本节课所学知识。
利用开源硬件进行中小学人工智能教育的实践与研究
利用开源硬件进行中小学人工智能教育的实践与研究摘要：目前人工智能教育是热门的话题，但如果想在学校开展人工智能教育，又面临着师资、课程、资金等因素的影响，本文作者发现在利用开源硬件开展人工智能教育的过程中，其科学性是可行的，设计的课程内容是可以完成相关的人工智能相关课程标准和课程目标的。
关键字：开源硬件人工智能教育 Scratch openMV zigbee当今社会，人工智能话题越来越热，特别是2016年3月阿尔法狗赢了围棋世界冠军，围棋职业棋手李世石九段后，人工智能话题在百度的搜索量飙升，随后，国家很多政策都支持人工智能的发展，2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，战略确立了新一代人工智能发展三步走战略目标，将人工智能上升到国家战略层面，2017年12月，国务院颁布《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018―2020年)》，从培育智能产品、突破核心技术、深化发展智能制造、构建支撑体系和保障措施等方面详细规划了人工智能在未来三年的重点发展方向和目标。
虽然国家政策在人工智能方面支持很大，但人工智能课程在中小学课堂实施过程中，还是面临了很多问题。
下面我们一起来进行探讨。
一、中小学生学习人工智能的意义1.提高学生的信息核心素养学生学习人工智能课程过程中，会涉及到人工智能算法，传感器的应用、python编程、视觉系统编程、模型训练、模板识别、颜色识别、图形识别、大数据的处理、自然语言的处理等知识，学生在学习这些人工智能基础过程中，再进行综合的运用，并能利用这些技术开发人工智能模型，个人的信息核心素养就会得到很好的提升。
1.为学生埋下人工智能工程师的种子，为国家培养人工智能后备力量国家的竞争，归根到底就是核心技术的竞争，而未来核心技术的竞争焦点在人工智能，因为人工智能无论是在军用还是民用，都有着很大的市场前景和应该领域，例如近几年出现的无人机编队舞蹈、无人机编队霓虹灯效果、餐厅点菜机器人、家用扫地机器人、同步翻译机等。
初中人工智能课程设计与实践
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机器学习与深度学习
机器学习基础
机器学习的定义
机器学习是人工智能的一个子集，它使用计算机算法使计算机系 统能够从数据中“学习”并进行自我优化和改进。
机器学习的基本原理
通过训练数据，机器学习算法可以找到数据的内在规律和模式，并 利用这些规律和模式对新的未知数据进行预测和分类。
深度学习的应用场景
深度学习在许多领域都有应用，如图像识别、语音识别、自然语言处 理、自动驾驶等。
常见机器学习与深度学习框架
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TensorFlow
由Google开发的开源机 器学习框架，广泛应用于 深度学习领域。
PyTorch
由Facebook开发的开源 机器学习框架，适合快速 原型设计和研究。
知识工程阶段
20世纪80年代，人工智能进入知识 工程阶段，以知识为基础的专家系统 得到广泛应用。
智能体及互联网智能化阶段
20世纪90年代，人工智能进入智能 体及互联网智能化阶段，互联网智能 化系统开始出现。
人工智能应用领域
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智能机器人
人工智能在机器人领域的应用 ，包括工业机器人、服务机器
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课程总结与展望
课程总结
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课程内容安排
本课程针对初中生的认知水平，设计了涵盖人工智能基础知识、编程语
言、算法等内容的课程体系，旨在培养学生的逻辑思维和创新能力。
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教学方法
采用项目式学习、案例分析、小组讨论等多种教学方法，激发学生的学
习热情，提高其解决问题的能力。
初中信息技术人工智能校本课程教学资源开发与实践
初中生对信息技术和人工智能有浓厚的兴趣，但他们的认 知能力和经验水平相对较低，因此需要针对不同年级的学 生开发不同难度的课程资源。
教师需求
教师需要具备较高的信息技术和人工智能素养，同时需要 具备创新意识和实践能力，能够根据学生的实际情况和需 求，自主开发、整合和优化课程资源。
初中信息技术人工智能校本课程资源开发策略与方法
校本课程资源的分类
根据其性质和来源，可以将校本课程资源分为校内资源和校外资源。校内资源主 要包括教材、图书馆、实验室、科研项目等；校外资源主要包括社会、企业和科 研机构等提供的各类资源。
初中信息技术人工智能校本课程资源需求分析
课程目标
初中信息技术人工智能校本课程旨在培养学生的信息素养 和人工智能素养，让学生了解和掌握人工智能的基本概念 和应用，以及与信息技术的结合和应用。
技术路线
本研究的技术路线主要包括教学需求分析、教学资源设计、教学实践实施、教学效果评价等环节。其中，教学资 源设计是本研究的重点，包括课程目标设定、教学内容设计、教学活动策划等方面。在教学实践实施环节，我们 将根据设计好的教学资源，开展教学实践，并对教学效果进行评价和改进。
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人工智能基础知识
人工智能概述
鼓励教师进行教学资源的开发和研究，提 高教师的专业素养和实践能力，以满足人 工智能校本课程的发展需求。
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研究结论与展望
研究结论
人工智能技术能够提 升教学效果，帮助学 生掌握知识技能
教学资源的开发与实 践能够促进教师专业 成长，提高教学质量
校本课程开发能够满 足学校和学生的个性 化需求，促进学校特 色发展
随着人工智能技术的广泛应用，越来越多的行业开始重视人工智能技术 的教育。初中作为学生阶段的基础教育，开展人工智能教育具有重要意 义。
初中信息技术人工智能校本课程教 学资源开发与实践
初中信息技术人工智能校本课程教学资源开发与实践初中信息技术是一门很有前景的学科，随着人工智能的兴起，与人工智能相关的内容逐渐成为初中信息技术教学内容的重要部分。
因此，开发人工智能校本课程教学资源并实践教学，对于提升初中信息技术教学水平具有重要意义。
本篇报告将介绍我们在人工智能校本课程教学资源开发与实践过程中做了哪些工作以及取得的成绩。
1. 教学资源开发我们的教学资源分为三个部分：教学视频、教学文档和教学软件。
教学视频：我们制作了一系列人工智能相关主题的视频，包括人工智能的概念介绍、深度学习、神经网络、自然语言处理等。
这些视频不仅可以作为学生掌握知识的辅助材料，也可以作为教师备课的重要参考资料。
教学文档：我们编写了一些针对初中生的人工智能篇幅不太大、却比较易懂的教学文档，力求让学生了解人工智能的基础概念，理解其工作原理，掌握人工智能在日常生活中的应用。
这些教学文档将作为学生课堂笔记和自主学习资料。
教学软件：我们开发了一个人工智能交互式学习软件，学生可以通过这个软件进行人工智能编程体验、人工智能应用设计和人工智能实验。
这个软件将人工智能理论联系到实践，让学生更加深入地理解人工智能的应用及其代码实现方法。
2. 教学实践我们在教学实践的过程中从三个方面入手：课堂教学、作业及考试、课外拓展活动。
课堂教学：我们在教学过程中采取了多种教学方法，包括互动式讲解、案例分析、课堂练习、小组讨论等，以帮助学生更好地理解人工智能知识和应用方法。
同时，我们也不断地根据学生的学习情况进行课堂引导调整，积极发挥学生主体性，提升课堂教学效果。
作业及考试：我们的人工智能校内课程与作业、考试密切相关，旨在评估学生对人工智能知识的理解和掌握程度。
我们通过下发书面作业、小组项目、实验报告等方式，寓教于乐，让学生在实际操作中深入体验人工智能的思路和方法。
课外拓展活动：我们组织了一些人工智能相关的比赛、科普讲座等课外活动，让学生能够在志同道合的同学中互相学习、交流。
2.2开源硬件开发基础优秀教学案例人教中图版高中信息技术选择性必修6开源硬件项目设计
4. 教师对学生的项目设计过程和成果进行全面评价，关注学生的知识掌握、能力发展和品质培养，为学生的持续进步提供指导和建议。
四、教学内容与过程
（一）导入新课
1. 利用多媒体展示一些生活中常见的开源硬件应用案例，如智能家居、可穿戴设备等，引发学生的兴趣和好奇心。
2. 向学生介绍本节课的主题：“开源硬件项目设计”，并提出本节课之前学过的相关知识，为新课的学习做好铺垫。
（二）讲授新知
1. 介绍开源硬件的定义、特点和应用领域，让学生了解开源硬件的概念和基本知识。
2. 讲解开源硬件平台的使用方法，如Arduino、Raspberry Pi等，让学生掌握基本的使用技巧。
1. 培养学生对信息技术学科的兴趣，增强他们对开源硬件和创新的热爱，激发他们不断探索未知领域的动力。
2. 通过开源硬件项目设计，让学生体验到成功的喜悦，增强他们的自信心和自我成就感。
3. 培养学生关注社会、关爱环境的责任感，使他们意识到开源硬件在可持续发展方面的重要作用。
4. 引导学生树立正确的价值观，明白知识的力量，学会与他人分享、协作，培养良好的团队精神。
2. 创新性：在教学过程中，本案例鼓励学生进行创新性设计，引导学生关注开源硬件在实际生活中的应用，激发他们的创新意识。学生通过独立思考和团队协作，设计出具有创新性的开源硬件项目，提高了他们的创新能力。
3. 合作性：本案例采用小组合作的形式，组织学生进行项目设计和讨论。在合作过程中，学生学会了沟通、协商、分工和合作，培养了团队精神和协作能力。
在学科知识方面，本章节主要介绍了开源硬件的定义、特点和应用领域，以及如何使用开源硬件平台进行项目设计。为了让学生更好地掌握这些知识，我以实际项目为载体，引导学生深入了解开源硬件的原理和应用，提高他们在实际项目中解决问题的能力。
人工智能课堂教学实践(3篇)
第1篇随着信息技术的飞速发展，人工智能（Artificial Intelligence，AI）已经成为当今社会的一个重要研究领域。
在教育领域，人工智能的应用也逐渐普及，为课堂教学带来了新的活力。
本文将探讨人工智能在课堂教学中的实践，分析其优势与挑战，并提出相应的改进措施。
一、人工智能课堂教学的优势1. 个性化学习人工智能可以根据学生的学习情况，为学生提供个性化的学习方案。
通过分析学生的学习数据，AI系统能够识别学生的兴趣、优势和不足，从而为学生量身定制学习内容和方法。
2. 智能辅导人工智能可以帮助教师减轻工作负担，实现智能辅导。
例如，AI系统可以自动批改作业，提供即时反馈，帮助学生及时调整学习策略。
同时，AI还可以根据学生的学习进度，推荐合适的学习资源。
3. 丰富教学手段人工智能技术可以丰富教学手段，提高课堂互动性。
例如，利用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术，可以为学生提供沉浸式的学习体验；利用语音识别技术，可以实现课堂问答的智能化，提高学生的参与度。
4. 数据驱动教学人工智能可以收集和分析大量教学数据，为教师提供决策依据。
通过对学生学习数据的分析，教师可以了解学生的学习效果，调整教学策略，提高教学质量。
二、人工智能课堂教学的实践案例1. 智能辅导系统某学校引入了智能辅导系统，该系统可以根据学生的学习进度和成绩，为学生推荐合适的学习内容。
系统还提供了自动批改作业、智能问答等功能，帮助学生及时巩固知识点。
2. 虚拟现实课堂某高校利用VR技术开设了虚拟现实课堂，让学生在虚拟环境中学习。
例如，在生物课上，学生可以进入虚拟的细胞世界，观察细胞的结构和功能；在历史课上，学生可以穿越时空，亲身体验历史事件。
3. 智能语音助手某中学引入了智能语音助手，用于课堂问答。
学生可以通过语音提问，系统会自动识别问题并给出答案。
这有助于提高课堂互动性，激发学生的学习兴趣。
三、人工智能课堂教学的挑战1. 技术限制目前，人工智能技术在课堂教学中的应用还处于初级阶段，存在技术限制。
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基于开源硬件的中学人工智能课程设计与实践
文｜苏晓静 王曦廷 刘梦
究”课题编号（No.FCB170641AI03BJ）
近年来，以深度学习为代表的人工智能技术取得了极大进步，对推动新技术变革、产业发展发挥着重要作用。
同时，人工智能带来的教育变革方兴未艾，人工智能与智慧教育引领教育教学的创新，已经成为教育信息化发展的必然趋势。
在当今科技飞速发展的社会背景下，通用技术课程应该发挥它培养学生创造性思维与实践能力的作用。
《普通高中通用技术课程标准》中的基本理念提出，“选择体现时代特点，与生活紧密联系的课程内容”，表明通用技术课程内容选择应与时俱进。
目前，将人工智能嵌入中学通用技术教育仍处于初步探索实践阶段，对于人工智能教育的理论研究与实践经验都比较匮乏。
由于简单易用、性能强大和集成化成熟，以TensorFlow、Caffe等为代表的开源深度学习框架受到了广泛认可。
因此，基于开源深度学习框架进行中学生人工智能课程设计，将是中学生体验与学习人工智能的优势途径。
一、课程设计理念及思路
（一）课程设计架构
本课程设计将STEAM教育理念和项目式学习理念贯穿在课程设计过程中，课程设计融入深度学习的相关内容。
人工智能相关的复杂算法对中学生来说理解起来有难度，课程设计中选用了智能机器人作为载体，围绕搭建智能机器人实现人工智能技术和机器人技术的学习。
通过课程综合设计，旨在让学生通过一系列案例实践，掌握深度学习的基本内容和树莓派交互控制，提升学生的主观体验和自主学习能力。
（二）深度学习框架的应用
深度学算法是近年来在人工神经网络领域的一项重大突破，是机器学习研究的一个新领域。
它通过组合低层特征形成更加抽象的高层特征来发现数据的分布式特征。
2006年加拿大多伦多大学教授、机器学习领域的领军人物Hinton和他的学生Salakhutdinov，在著名学术刊物《科学》上发表的文章中提出了深度网络和深度学习概念，开启了深度学习的研究热潮。
经过多年的快速发展，它已经在计算机视觉、语音识别和自然语言处理等许多重要问题上取得了杰出成就。
同时，以深度学习为核心的人工智能技术在教育领域的广泛应用，为传统的学校教育注入了新活力，推动了教学、学习与管理模式的变革，也使得教育在一次又一次的模式变革中不断由量变走向质变。
深度学习在科研与工业领域的优越表现，使得机器智能开始加速走进人类生活，一些深度学习开源框架随之发展起来。
目前，深度学习开源框架主要有C a ff e、TensorFlow、Keras以及Pytroch等。
本系列课程设计主
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信息化研究
要基于Caffe 深度学习框架。
Caffe （Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding ）是一个清晰而高效的深度学习开源框架，核心语言是C++，支持命令行、Python 和MATLAB 接口。
Caffe 可提供一套完整的工具包，用来训练、测试、微调和部署模型，可以应用在视觉、语音识别、机器人、神经科学和天文学领域。
它具有较好的灵活性和较强的可移植性（既可以在CPU 上运行也可以在GPU 上运行，还可以
将模型部署在云端服务器）。
由于Caffe 的部署对于计算机系统环境要求较为复杂，而中学的每个计算机型号不尽相同，使得框架部署难度较大，不利于学校便捷地开展课程。
因此，本课题组使用人工智能芯片，将训练好的基于Caffe 框架的SSD 迁移到人工智能芯片上，然后将人工智能芯片与树莓派相结合，以实现树莓派对SSD 模型的调用。
（三）树莓派调试与交互准备
树莓派（Raspberry Pi ）是一款基于Linux 系统的信用卡大小的单片机，是智能化通用板级开源硬件的代表，配置了众多外围电路与外部交互接口，被称为嵌入式的综合实验平台。
树莓派支持主流的编程语言，如C++、Python 以及Java 等。
树莓派硬件可以结合物联网、机器人以及人工智能等领域设计创新作品，受到创客教育者的青睐。
以开源硬件为代表的教学技术工具有价格低廉、应用方便、良好的跨平台性、简易的编程环境、软硬件可扩展以及应用丰富等优势。
为了实现深度学习开源框架与开源硬件之间实时有效的信息交互，在“物联网”思维的启发下，将开源硬件与计算机建立无线通信，同时以Python 编程语言为基础，将深度学习算法与硬件控制进行交互设计，流程如图1所示。
部署深度学习开源框架的计算机相当于“大脑”，开源硬件相当于信息交互的“中继”，摄像头、传感器等相当于收集信息的“五官”，舵机等相当于执行命令的“四肢”。
图1 深度学习开源框架与开源硬件交互模式
二、课程筹备与实践
通过本项目可以经历机械手的设计及物化过程，在机械手的控制中加入图像识别、目标检测等内容。
本项目以树莓派为控制器，以Python 为编程语言。
在实现小车智能抓取任务过程中，分为利用深度学习算法实现物体检测与识别、利用GPIO （通用输入输出口）控制树莓派小车运动与舵机控制、利用神经网络输出作为简单的判断逻辑，从而实现小车对物体的追踪，完成小车识别到物体完成抓取任务等。
机器人智能抓取的流程控制思路见图2，主要根据物体在机器人摄像头获取的成像中的位置来判断其位置，进而调整机器人运动的姿态和机械抓手的动作。
智能追踪和智能抓取的任务中，通过物体检测模型判断是否检测到目标，把结果返回给电脑，从而决定是否执行相应的动作。
图2 机器人智能抓取的流程思路53
信息化研究
三、课程实践效果与反思
（一）课程实践效果
基于深度学习的高中通用技术课程，将人工智能技术应用于“动手做”的实践课程中，受到了学生的欢迎。
这是人民大学附属中学首个将人工智能技术与高中通用技术相结合的课程，从课程设计到实现耗时1年余。
随着课程的开展，诸多想法在课程中得以不断完善。
学生在课堂中学习到了人工智能的基本知识，对于python基本语言及机器人的设计建立了初步认识，课程实践取得了较好效果，但仍存在较多问题。
从课程体系、课程难易程度、学生学习进度方面而言，均出现了不同程度的问题。
Python是一种面向对象、解释型的计算机程序设计语言。
尽管Python语言通俗易懂，学生较容易接受，但学生对于Python语言掌握的程度不一，导致模型调用问题较多，占用了课程较多时间。
因此，需要在课程前期加强学生的编程和机器人操作能力。
（二）课程设计应符合中学生特点
面向中学生的人工智能教育要结合中学生自身特点，注重培养学生自主学习能力，将适宜的知识与技术应用于真实问题。
因此，教学设计层面应当舍弃较为繁冗的算法及学术理论，基于较为公认的概念与成熟的技术，设计难度适宜、循序渐进以及趣味性强的课程。
在教学内容选择与整合中，首先要解决降低课程难度的问题。
（三）课程设计应突出过程培养与能力导向
在深度学习教学中，应注重以真实问题为导向，注重研究过程，提升学生的知识迁移能力和问题解决能力。
可以结合当前人工智能应用的热点领域，如图像识别、语音识别以及数据挖掘等领域内问题进行课程设计。
基于深度学习的机器人通用课程是为了让学生了解和体验新技术，并在创新实践中经历设计过程，体验技术与设计带来的快乐与便利。
因此，需要适当降低难度，重在“体验”与“尝试”。
为了提升课堂教学效率，在教学
工具准备阶段，应该联合专业的人工智能研究人员部署各算法平台。
任课教师应当对本课程系列的每个环节进行较
作者单位：苏晓静人民大学附属中学
王曦廷，刘梦北京中医药大学为细致的准备。
四、结语
社会的发展对创新性人才的培养提出了更高要求，人工智能技术可为中学通用技术教育提高学生的创新素养。
因此，基于深度学习的中学通用技术研究与实践，是新技术、新理念下教育创新的新途径。
本文重点介绍Caffe深度学习开源框架及树莓派开源硬件，对于二者的交互进行了探索尝试，并认为基于双开源交互的课程设计具有较好的学科整合性、创新性及有效性。
二者的结合使用，可为中学阶段智能科技教育提供启发思路及实践借鉴。
通过系列课程可以激发学生对技术的浓厚兴趣，培养中学生的创新能力。
同时，在将人工智能教育应用于通用技术课程的过程中，要注意教学有效性问题。
基于深度学习开源框架设计中学人工智能教育，可以降低知识难度、促进学科间的有机整合、提高学科知识与研究问题之间的匹配度、解决真实世界问题，以推动中学生科技教育事业的发展。
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信息化研究。