普通高中簡單人工智能應(yīng)用系統(tǒng)研究

浙江省麗水第二高級中學(xué) 金 松 胡艷俐 嚴(yán)麗紅 李初升

現(xiàn)實生活中，我們能夠接觸到的人工智能應(yīng)用越來越多，掃碼支付、機器換人等，極大方便了人們的生活。世界上第一位取得公民身份的機器人索菲婭的誕生，AlphaGo 以絕對優(yōu)勢戰(zhàn)勝人類圍棋世界冠軍，據(jù)說AlphaGo的升級產(chǎn)品AlphaGo Zero 自學(xué)了三天后，又以100：0 戰(zhàn)勝了AlphaGo……所有這些，都說明人工智能就在我們身邊。教育部在新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中增加“人工智能初步”，要求學(xué)生在高中階段就要對人工智能有一定的了解。本文結(jié)合具體實例，對如何開展簡單人工智能應(yīng)用進行研究，以期對教學(xué)有一定的啟示。

一、研究的目的

人工智能是通過智能機器延伸、增強人類改造自然和治理社會能力的新興技術(shù)，近年來，人工智能的發(fā)展呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機協(xié)同等新特征。2017 年，國務(wù)院發(fā)布的“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”中指出，人工智能發(fā)展進入新階段，將成為國際競爭的新焦點和經(jīng)濟發(fā)展的新引擎，并帶來社會建設(shè)的新機遇和新挑戰(zhàn)。根據(jù)規(guī)劃要求，到2020 年，人工智能總體技術(shù)和應(yīng)用將與世界先進水平同步，到2025 年，人工智能基礎(chǔ)理論將實現(xiàn)重大突破，到2030 年，人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達到世界領(lǐng)先水平。

《教育信息化2.0 行動計劃》提出“完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容”，表明從國家層面對人工智能進入中小學(xué)教育有了明確的要求。

教育部發(fā)布的《2017 年版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱“新課標(biāo)”）中，將“人工智能初步”作為選擇性必修內(nèi)容。通過本模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生對人工智能的發(fā)展以及實現(xiàn)過程有所了解；通過親身體驗簡單人工智能系統(tǒng)的搭建，增強利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感。

二、研究的意義

通過參與簡單人工智能應(yīng)用系統(tǒng)研究，可以讓學(xué)生對人工智能的概念與基本特征有一個初步了解，知道人工智能的發(fā)展歷程、典型應(yīng)用與趨勢；通過剖析具體案例，了解人工智能的核心算法，理解人工智能技術(shù)實現(xiàn)的原理；可以利用開源人工智能應(yīng)用框架，搭建出簡單的人工智能應(yīng)用系統(tǒng)；通過參與智能系統(tǒng)的應(yīng)用體驗，辯證認識人工智能對社會發(fā)展的價值和潛在的威脅，自覺維護和遵守人工智能社會化應(yīng)用的規(guī)范與法規(guī)。

三、如何開展研究

根據(jù)新課標(biāo)，普通高中開展人工智能初步模塊的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生達到“能描述人工智能的基本特征，會利用開源人工智能應(yīng)用框架，搭建簡單智能系統(tǒng)”這一目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。根據(jù)這一培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前生活中常見的諸如“小米AI 音箱”等智能設(shè)備，本文將結(jié)合開源硬件設(shè)備，闡述搭建一個簡單的通過語音控制智能插座、開關(guān)的人工智能系統(tǒng)過程。

（一）硬件設(shè)備的選取

根據(jù)需達到的研究效果，選取WEGASUN-M6 語音交互模塊，結(jié)合智能插座、開關(guān)來完成。該模塊是一款集語音識別、語音合成、語音點播、射頻功能、紅外功能于一體的多功能模塊。為了搭建這一套簡單的智能家居系統(tǒng)，需用到核心版1塊、底板1塊、USB 設(shè)置器1 只、喇叭1 只、射頻+紅外模塊1 套、射頻天線1 根。

（二）設(shè)置簡單對話

通過設(shè)置“識別詞條”和“反饋語文本”，快速實現(xiàn)對話效果。所謂“識別詞條”，是指智能模塊能夠識別的語音文本；“反饋語文本”是指智能模塊根據(jù)識別詞條做出的回應(yīng)。

1.特定喚醒模式

主要通過兩步操作來完成，具體操作步驟如下。（1）設(shè)置識別詞條：選擇串口號—打開串口—更新識別詞條—設(shè)定內(nèi)容—發(fā)送，如果顯示返回值為“OK02”，則說明識別詞條設(shè)置成功；（2）設(shè)置反饋語文本：更新反饋語文本—設(shè)定內(nèi)容—發(fā)送，如果顯示返回值為“OK13”，則說明反饋語設(shè)置成功。

分別設(shè)置好“識別詞條”和“反饋語文本”后，就可進行簡單的對話了。這一環(huán)節(jié)要特別注意以下兩點：首先，要確保COM 口要和電腦的設(shè)備管理器中的USB 設(shè)置器的COM 口一致；其次，確保詞條格式書寫正確，特別要注意口令詞條中001 和002 的前面要有空格、后面要有“｜”。

2.對話模式

如果覺得每次要通過呼喚識別詞條來喚醒智能模塊很麻煩，也可以將其設(shè)置成對話模式，就好像我們平時對話一樣。具體操作如下：指令—選項設(shè)置—識別模式，在代碼框輸入“@AsrMode#1$”，點擊發(fā)送，如果顯示返回值為“OK17”，則表示對話模式設(shè)置成功了。

但是對話模式的工作方式是模塊時刻對環(huán)境中口令詞條進行識別操作，較容易造成誤識別。如果要提高識別率，那么還是使用“特定喚醒模式”或“自定義喚醒模式”，因為這兩種模式都會對口令進行過濾，能大大降低誤識別的概率，保證識別效果。

3.自定義喚醒模式

如果覺得“特定喚醒模式”太單調(diào)，“對話模式”又容易誤判，那么就可以嘗試“自定義喚醒模式”，具體操作如下：指令—選項設(shè)置—4 字自定義喚醒詞，在指令窗口輸入相應(yīng)詞條，比如要通過“二丫”來喚醒，可以輸入“@wakeword#二丫二丫$”，點擊發(fā)送。如果設(shè)置成功，那么會返回信息“OK20”。

4.調(diào)用語音文件設(shè)置反饋語

如果覺得系統(tǒng)提供的反饋語文本太單調(diào)，還可以通過設(shè)置文本來完成，以及調(diào)用TF 卡中的語音文件。具體操作過程如下：（1）將語音文件如“泡沫.mp3”復(fù)制到TF 卡，并更改文件名如“0002.mp3”；（2）將TF 卡插入模塊后，重新設(shè)置反饋語詞條，若發(fā)送后返回值為“OK13”，則表示設(shè)置成功。

這里有兩個地方要特別注意，一是TF 卡中的文件名要設(shè)成四位數(shù)，二是文件擴展名一定要小寫，否則無法讀取。

5.利用詞條緩沖區(qū)實現(xiàn)多詞條調(diào)用

在使用@WriteKeywords#進行詞條設(shè)置時，最多只能設(shè)置3500 字節(jié)（約1750 個字）內(nèi)容。如果需要設(shè)置更多詞條，可以使用“詞條緩沖區(qū)”指令進行設(shè)置，最多可以設(shè)置50 組詞條緩沖，每組可以設(shè)置3500 字節(jié)內(nèi)容。要特別注意，詞條總數(shù)不能超過2000 句。具體操作步驟如下：（1）指令—內(nèi)容更新—寫詞條緩沖區(qū)—編寫指令—發(fā)送，若返回值為“OK01”，則表示設(shè)置成功了；（2）指令—內(nèi)容更新—上傳詞條緩沖區(qū)內(nèi)容—發(fā)送。

如果有多組詞條緩沖，那么就需要分別設(shè)置好點擊發(fā)送按鈕后才能進行第（2）步，且發(fā)送過程中不能發(fā)送其他指令，否則會清除緩沖區(qū)。

6.調(diào)用記事本設(shè)置多個指令

除了手動設(shè)置詞條外，還可以通過記事本，一次性對多個功能進行設(shè)置。首先創(chuàng)建一個記事本文件（注意要關(guān)閉自動換行功能）。一條指令書寫結(jié)束才能回車換行，每條指令間最好加幾個回車換行，因為模塊執(zhí)行指令需要時間，有些指令甚至需要好幾秒才能執(zhí)行完成。記事本文件設(shè)置好后，點擊“調(diào)用記事本設(shè)置”，打開相應(yīng)文件發(fā)送后，如果相應(yīng)顯示“OK20”“OK17”“OK02”“OK13”，表示設(shè)置成功，就可和模塊進行語音對話。

（三）通過語音控制智能插座

要想通過語音控制插座，那么這個插座要具有“配對”功能，具體方法如下。

（1）首先通過“調(diào)用記事本設(shè)置”設(shè)置好詞條和反饋語文本，然后編輯好配對文件，例如分別輸入“@Send2262RF315mhz#001$”“@Send2262RF315mhz#002$”， 其 中001、002 分別對應(yīng)相應(yīng)的反饋語；（2）開啟315Mhz 射頻信號發(fā)送功能：指令—RF射頻設(shè)置—315Mhz 射頻發(fā)送使能—@Enble315RF#N$；（3）使用“調(diào)用記事本設(shè)置”和插座進行信號配對，完成后就可以通過語音控制插座的開與關(guān)。

（四）通過語音控制智能開關(guān)

實現(xiàn)通過語音控制開關(guān)的方法和語音控制插座類似，只是要將LV 無線開關(guān)接進原來的開關(guān)里，然后對LV 開關(guān)進行學(xué)習(xí)配對就可以了。具體方法如下。

（1）通過設(shè)置軟件開啟模塊的315Mhz 射頻信號發(fā)送功能；（2）在將LV 無線開關(guān)接好后，在“燈熄滅”的狀態(tài)下長按學(xué)習(xí)鍵3 秒鐘進入學(xué)碼模式（此時指示燈一下一下地閃），再按一下學(xué)碼鍵（此時指示燈兩下兩下地閃），表示進入設(shè)置“開”的配對狀態(tài)；（3）在LV 無線開關(guān)進入“開”配對狀態(tài)的時候，在設(shè)置軟件中設(shè)置“開”編碼的信號配 對：@Send2262RF315mhz#001$—@Send2262RF315mhz#001$— 點 擊“ 發(fā)送”；（4）在“燈熄滅”的狀態(tài)下長按學(xué)習(xí)鍵3 秒鐘進入學(xué)碼模式（此時指示燈一下一下地閃），再按兩下學(xué)碼鍵（此時指示燈三下三下地閃），表示進入設(shè)置“關(guān)”的配對狀態(tài)；（5）在LV無線開關(guān)進入“關(guān)”配對狀態(tài)的時候，在設(shè)置軟件中設(shè)置“關(guān)”編碼的信號配對：@Send2262RF315mhz#002$—點擊“發(fā)送”。

（五）通過語音控制繼電器

若要識別多路設(shè)備，則需要通過繼電器來訪問，并且可以根據(jù)實際需要，對多個繼電器進行連接來實現(xiàn)。具體設(shè)置方法如下。

（1）通過“調(diào)用記事本設(shè)置”設(shè)置好詞條和反饋語文本；（2）設(shè)置模塊的返回值格式為“自定義返回值輸出”：@AsrReturn#0$—@AsrReturn#0$—點擊“發(fā)送”，若返回ok16，則表示ok16 說明設(shè)置成功；（3）設(shè)置語音識別模塊的返回值和相應(yīng)繼電器的控制指令：更新自由編輯的返回值—@FreeEditReturn#|001 FF010102ee|002 FF010001EE$—點擊“發(fā)送”；（4）將USB 模塊拔出，將語音識別模塊接到繼電器模塊上。

（六）通過語音智能控制窗簾

窗簾的打開、關(guān)閉、暫停，也可以通過語音來控制，當(dāng)然前提是要選用具備特定功能的電機，如杜亞KT320窗簾機。具體配置如下。

（1）通過“調(diào)用記事本設(shè)置”設(shè)置好詞條和反饋語文本，并且開啟射頻433 信號發(fā)送功能和杜亞編碼綁定功能；（2）長按窗簾機學(xué)習(xí)鍵3 秒，看到綠燈亮起來，表示窗簾機進入配對狀 態(tài)：@SendDooYaRF433mhz#009$—@SendDooYaRF433mhz#012$— 點 擊 兩次“發(fā)送”；（3）設(shè)置完成后，當(dāng)給出“打開”命令時，則電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)給出“關(guān)閉”命令時，則電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)給出“停止”命令時，則電機停止轉(zhuǎn)動。

（七）通過語音控制紅外設(shè)備

另外，此模塊如果配備“RFRI-M1模塊”，還可以控制紅外設(shè)備，如電視、空調(diào)等的運行和停止。紅外信號又分兩種：單碼和雙碼。比如空調(diào)、電視的開關(guān)按鈕是按一下開啟，再按一下關(guān)閉，一個鍵代表兩個紅外信號，這就叫雙碼。而如果一個鍵只對應(yīng)一個紅外信號，則稱為單碼。單碼和雙碼的配對方法基本相同，只是詞條返回值的取值范圍不同而已。單碼返回值為100—207，共108 組；雙碼的返回值為208—243，共36 組。

綜上所述， “人工智能初步”是為學(xué)生個性化發(fā)展而設(shè)計的課程，雖然對高中階段的教學(xué)不一定有實際意義，但是能夠?qū)W(xué)生升學(xué)或者是就業(yè)有一定的幫助，可以讓學(xué)生初步了解和體驗人工智能的特點，感受智能技術(shù)對生活和學(xué)習(xí)帶來的影響，進一步激發(fā)他們學(xué)習(xí)和探究新技術(shù)、新知識的積極性，提高信息技術(shù)應(yīng)用能力，提升核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。