簡(jiǎn)單的模塊開(kāi)發(fā)，不簡(jiǎn)單的教學(xué)實(shí)施

李維明

按照《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》的表述，本單元的題目是“簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)”，何為簡(jiǎn)單？何為人工智能應(yīng)用模塊？又如何開(kāi)發(fā)？這是在開(kāi)始教學(xué)前必須首先明確的幾個(gè)問(wèn)題。

● 簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊的理解

“人工智能應(yīng)用模塊”通常是指能實(shí)現(xiàn)特定人工智能功能的硬件模塊及軟件模塊，如語(yǔ)音識(shí)別模塊、圖像識(shí)別模塊等。硬件模塊是把能實(shí)現(xiàn)某一或某些功能的電子元件組成的電路單元封裝在一起形成的模塊，如集成電路等;軟件模塊則是由一段或多段能實(shí)現(xiàn)某一或某些功能的計(jì)算機(jī)程序封裝在一起形成的模塊。這些模塊可大可小，有專用有通用，不能一概而論。例如，“圖像識(shí)別模塊”是一個(gè)通用模塊，這個(gè)模塊很大，用它可以“識(shí)萬(wàn)物”;而“刷臉開(kāi)門”模塊，則是一個(gè)專用模塊，這個(gè)模塊很小，用它只做“刷臉開(kāi)門”的事。

所謂簡(jiǎn)單，是指這些模塊的使用方法比較簡(jiǎn)單，不會(huì)涉及大量復(fù)雜的程序編制及硬件調(diào)試;同時(shí)，場(chǎng)景應(yīng)用的要求也比較簡(jiǎn)單，也就是應(yīng)用涉及的功能比較單一、環(huán)境不甚復(fù)雜，便于教學(xué)開(kāi)展。

我們知道，人工智能是由人類設(shè)計(jì)、為人類服務(wù)的，它能感知環(huán)境，能產(chǎn)生反應(yīng)，能與人交互，能與人互補(bǔ);它有學(xué)習(xí)能力，有演化迭代，有連續(xù)擴(kuò)展，有適應(yīng)特性。人工智能應(yīng)用的場(chǎng)景包羅萬(wàn)象，但萬(wàn)變不離其宗，它的本質(zhì)為計(jì)算，基礎(chǔ)為數(shù)據(jù)。真正具有“智能”人工智能其算法是十分復(fù)雜的，也需要海量的數(shù)據(jù)，這對(duì)高中學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)論是知識(shí)的儲(chǔ)備還是現(xiàn)有的能力都難以達(dá)到，所以《課標(biāo)》強(qiáng)調(diào)“簡(jiǎn)單”是必要的。在中學(xué)教學(xué)中我們既要理解人工智能的原理，又要強(qiáng)調(diào)“簡(jiǎn)單”，可行的辦法就是將人工智能的應(yīng)用功能模塊化，即利用開(kāi)源人工智能應(yīng)用框架，搭建簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過(guò)程與方法。

● 簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊的開(kāi)發(fā)

所謂人工智能應(yīng)用模塊的開(kāi)發(fā)，就是應(yīng)用人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)、制作特定功能的模塊，而這些模塊可以用在各種生產(chǎn)、生活的實(shí)用器具、設(shè)備、裝置上，為人們服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)人工智能應(yīng)用模塊的開(kāi)發(fā)首先需要確定應(yīng)用場(chǎng)景，即需要用人工智能去做什么事情，去完成什么任務(wù)，如讓智能車刷臉開(kāi)門、讓智能車與用戶對(duì)話等。明確了應(yīng)用需求之后，才能根據(jù)需求去進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、完善等開(kāi)發(fā)活動(dòng)。

例如，要制作一個(gè)刷臉啟動(dòng)的循跡智能車，其需求主要為：可識(shí)別特定人臉啟動(dòng)、可識(shí)別交通標(biāo)識(shí)運(yùn)行。分析這兩個(gè)需求，分別涉及人工智能人臉識(shí)別和圖像識(shí)別的應(yīng)用，在開(kāi)發(fā)時(shí)選用具備人工智能功能的開(kāi)源硬件及軟件平臺(tái)即可設(shè)計(jì)、制作。

又如，制作一個(gè)能拍照識(shí)物的智能玩具熊，其功能為：按下玩具熊手上的按鈕時(shí)，玩具熊的眼睛能把眼前的物品拍下來(lái)進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)屏幕將識(shí)別結(jié)果顯示出來(lái)，同時(shí)還可用聲音報(bào)出物品的名稱。這個(gè)項(xiàng)目的需求主要有：識(shí)別給定的物品（如常見(jiàn)的水果）、呈現(xiàn)及報(bào)出物品的名稱。由于該項(xiàng)目同時(shí)涉及圖像識(shí)別和語(yǔ)音合成，設(shè)計(jì)、制作時(shí)所選的硬、軟件要求相應(yīng)需要高一些，制作難度也會(huì)大一些，開(kāi)發(fā)時(shí)可選用人工智能功能較強(qiáng)的開(kāi)源平臺(tái)或平板電腦設(shè)計(jì)、制作。

一般來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊的開(kāi)發(fā)包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、硬件模塊設(shè)計(jì)制作、軟件模塊設(shè)計(jì)制作、模塊組裝調(diào)試等步驟，如下圖所示。

在這個(gè)流程中，需求分析是開(kāi)發(fā)的前提，總體設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵：沒(méi)有透徹的需求分析，就不能準(zhǔn)確判斷模塊的用途和實(shí)現(xiàn)的功能，也不能正確地開(kāi)展模塊的設(shè)計(jì);沒(méi)有全面的總體設(shè)計(jì)，就不能有效地開(kāi)展硬、軟件模塊的設(shè)計(jì)制作，更不能正確地實(shí)施系統(tǒng)的組裝和調(diào)試。這兩個(gè)環(huán)節(jié)在教學(xué)中一定要高度重視。

● 教學(xué)策略

對(duì)于本單元的教學(xué)，《標(biāo)準(zhǔn)》要求：“通過(guò)搭建簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過(guò)程與方法?！痹谶@里，搭建是手段，親歷是過(guò)程，提高學(xué)生綜合應(yīng)用信息技術(shù)的能力才是目的。

要通過(guò)搭建實(shí)現(xiàn)親歷，就必然涉及可搭建、能親歷的環(huán)境，這也許會(huì)讓很多學(xué)校教師產(chǎn)生畏難情緒，擔(dān)心沒(méi)有條件無(wú)法上課。如何創(chuàng)造條件，讓學(xué)生有可以搭建和親歷的軟件和硬件環(huán)境，而又不過(guò)多依賴實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入？答案只有四個(gè)字——因地制宜。經(jīng)費(fèi)充足的學(xué)?？梢钥紤]建設(shè)高端、大氣、上檔次的人工智能實(shí)驗(yàn)室及先進(jìn)的、可開(kāi)放的人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生沉浸在人工智能應(yīng)用的場(chǎng)景中，充分感受到人工智能的優(yōu)勢(shì)及不足;經(jīng)費(fèi)不足的學(xué)校則可以充分利用學(xué)校的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室及開(kāi)源設(shè)計(jì)平臺(tái)，讓學(xué)生在原有基礎(chǔ)上引入人工智能軟件、硬件模塊，實(shí)現(xiàn)親歷;經(jīng)費(fèi)再不濟(jì)的學(xué)校，則需要教師充分利用手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搜索人工智能的應(yīng)用，讓學(xué)生觀摩、體驗(yàn)其優(yōu)勢(shì)與不足。

硬件軟件條件固然重要，但人才是關(guān)鍵因素。在開(kāi)展“簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)”的教學(xué)活動(dòng)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生抓住人工智能的特點(diǎn)，發(fā)揮人工智能的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)想豐富的人工智能應(yīng)用場(chǎng)景，創(chuàng)造性地開(kāi)展應(yīng)用設(shè)計(jì)，親歷需求分析和總體設(shè)計(jì)的過(guò)程。在條件允許的情況下，親歷硬件設(shè)計(jì)制作、軟件設(shè)計(jì)制作的過(guò)程，通過(guò)組裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)模塊開(kāi)發(fā)，達(dá)到提高綜合應(yīng)用信息技術(shù)的能力的目的。

對(duì)于教學(xué)組織的方法，《標(biāo)準(zhǔn)》給出了具體的建議：“在學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)內(nèi)容時(shí)，可以采用小組合作、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等方式組織教學(xué)，充分利用豐富的開(kāi)源硬件和人工智能應(yīng)用框架等資源，搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)生積極探究、大膽實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。”——照此行課，定獲佳績(jī)。

總之，“簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)”的教學(xué)并不簡(jiǎn)單，只有充分理解開(kāi)發(fā)人工智能應(yīng)用模塊的意圖，了解開(kāi)發(fā)的流程，充分發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性，積極創(chuàng)造讓學(xué)生親歷的條件，才能有效地實(shí)施教學(xué)，達(dá)到提升學(xué)生信息素養(yǎng)的目標(biāo)。