普通高中簡單人工智能應用系統研究

浙江省麗水第二高級中學 金 松 胡艷俐 嚴麗紅 李初升

現實生活中，我們能夠接觸到的人工智能應用越來越多，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 以絕對優勢戰勝人類圍棋世界冠軍，據說AlphaGo的升級產品AlphaGo Zero 自學了三天后，又以100：0 戰勝了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課程標準中增加“人工智能初步”，要求學生在高中階段就要對人工智能有一定的了解。本文結合具體實例，對如何開展簡單人工智能應用進行研究，以期對教學有一定的啟示。

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，近年來，人工智能的發展呈現出深度學習、跨界融合、人機協同等新特征。2017 年，國務院發布的“新一代人工智能發展規劃”中指出，人工智能發展進入新階段，將成為國際競爭的新焦點和經濟發展的新引擎，并帶來社會建設的新機遇和新挑戰。根據規劃要求，到2020 年，人工智能總體技術和應用將與世界先進水平同步，到2025 年，人工智能基礎理論將實現重大突破，到2030 年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平。

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

教育部發布的《2017 年版普通高中信息技術課程標準》（簡稱“新課標”）中，將“人工智能初步”作為選擇性必修內容。通過本模塊內容的學習，可以讓學生對人工智能的發展以及實現過程有所了解；通過親身體驗簡單人工智能系統的搭建，增強利用智能技術服務人類發展的責任感。

二、研究的意義

通過參與簡單人工智能應用系統研究，可以讓學生對人工智能的概念與基本特征有一個初步了解，知道人工智能的發展歷程、典型應用與趨勢；通過剖析具體案例，了解人工智能的核心算法，理解人工智能技術實現的原理；可以利用開源人工智能應用框架，搭建出簡單的人工智能應用系統；通過參與智能系統的應用體驗，辯證認識人工智能對社會發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用的規范與法規。

三、如何開展研究

根據新課標，普通高中開展人工智能初步模塊的學習，要使學生達到“能描述人工智能的基本特征，會利用開源人工智能應用框架，搭建簡單智能系統”這一目標，培養學生的計算思維。根據這一培養目標，結合當前生活中常見的諸如“小米AI 音箱”等智能設備，本文將結合開源硬件設備，闡述搭建一個簡單的通過語音控制智能插座、開關的人工智能系統過程。

（一）硬件設備的選取

根據需達到的研究效果，選取WEGASUN-M6 語音交互模塊，結合智能插座、開關來完成。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，需用到核心版1塊、底板1塊、USB 設置器1 只、喇叭1 只、射頻+紅外模塊1 套、射頻天線1 根。

（二）設置簡單對話

通過設置“識別詞條”和“反饋語文本”，快速實現對話效果。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”是指智能模塊根據識別詞條做出的回應。

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）設置識別詞條：選擇串口號—打開串口—更新識別詞條—設定內容—發送，如果顯示返回值為“OK02”，則說明識別詞條設置成功；（2）設置反饋語文本：更新反饋語文本—設定內容—發送，如果顯示返回值為“OK13”，則說明反饋語設置成功。

分別設置好“識別詞條”和“反饋語文本”后，就可進行簡單的對話了。這一環節要特別注意以下兩點：首先，要確保COM 口要和電腦的設備管理器中的USB 設置器的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—選項設置—識別模式，在代碼框輸入“@AsrMode#1$”，點擊發送，如果顯示返回值為“OK17”，則表示對話模式設置成功了。

但是對話模式的工作方式是模塊時刻對環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，“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—選項設置—4 字自定義喚醒詞，在指令窗口輸入相應詞條，比如要通過“二丫”來喚醒，可以輸入“@wakeword#二丫二丫$”，點擊發送。如果設置成功，那么會返回信息“OK20”。

4.調用語音文件設置反饋語

如果覺得系統提供的反饋語文本太單調，還可以通過設置文本來完成，以及調用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，重新設置反饋語詞條，若發送后返回值為“OK13”，則表示設置成功。

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

5.利用詞條緩沖區實現多詞條調用

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

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

6.調用記事本設置多個指令

除了手動設置詞條外，還可以通過記事本，一次性對多個功能進行設置。首先創建一個記事本文件（注意要關閉自動換行功能）。一條指令書寫結束才能回車換行，每條指令間最好加幾個回車換行，因為模塊執行指令需要時間，有些指令甚至需要好幾秒才能執行完成。記事本文件設置好后，點擊“調用記事本設置”，打開相應文件發送后，如果相應顯示“OK20”“OK17”“OK02”“OK13”，表示設置成功，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“調用記事本設置”設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 分別對應相應的反饋語；（2）開啟315Mhz 射頻信號發送功能：指令—RF射頻設置—315Mhz 射頻發送使能—@Enble315RF#N$；（3）使用“調用記事本設置”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。

（四）通過語音控制智能開關

實現通過語音控制開關的方法和語音控制插座類似，只是要將LV 無線開關接進原來的開關里，然后對LV 開關進行學習配對就可以了。具體方法如下。

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

（五）通過語音控制繼電器

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

（1）通過“調用記事本設置”設置好詞條和反饋語文本；（2）設置模塊的返回值格式為“自定義返回值輸出”：@AsrReturn#0$—@AsrReturn#0$—點擊“發送”，若返回ok16，則表示ok16 說明設置成功；（3）設置語音識別模塊的返回值和相應繼電器的控制指令：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、關閉、暫停，也可以通過語音來控制，當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“調用記事本設置”設置好詞條和反饋語文本，并且開啟射頻433 信號發送功能和杜亞編碼綁定功能；（2）長按窗簾機學習鍵3 秒，看到綠燈亮起來，表示窗簾機進入配對狀 態：@SendDooYaRF433mhz#009$—@SendDooYaRF433mhz#012$— 點 擊 兩次“發送”；（3）設置完成后，當給出“打開”命令時，則電機正轉；當給出“關閉”命令時，則電機反轉；當給出“停止”命令時，則電機停止轉動。

（七）通過語音控制紅外設備

另外，此模塊如果配備“RFRI-M1模塊”，還可以控制紅外設備，如電視、空調等的運行和停止。紅外信號又分兩種：單碼和雙碼。比如空調、電視的開關按鈕是按一下開啟，再按一下關閉，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”是為學生個性化發展而設計的課程，雖然對高中階段的教學不一定有實際意義，但是能夠對學生升學或者是就業有一定的幫助，可以讓學生初步了解和體驗人工智能的特點，感受智能技術對生活和學習帶來的影響，進一步激發他們學習和探究新技術、新知識的積極性，提高信息技術應用能力，提升核心素養的養成。