簡單的模塊開發，不簡單的教學實施

李維明

按照《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020修訂）》的表述，本單元的題目是“簡單人工智能應用模塊開發”，何為簡單？何為人工智能應用模塊？又如何開發？這是在開始教學前必須首先明確的幾個問題。

● 簡單人工智能應用模塊的理解

“人工智能應用模塊”通常是指能實現特定人工智能功能的硬件模塊及軟件模塊，如語音識別模塊、圖像識別模塊等。硬件模塊是把能實現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現某一或某些功能的計算機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，“圖像識別模塊”是一個通用模塊，這個模塊很大，用它可以“識萬物”;而“刷臉開門”模塊，則是一個專用模塊，這個模塊很小，用它只做“刷臉開門”的事。

所謂簡單，是指這些模塊的使用方法比較簡單，不會涉及大量復雜的程序編制及硬件調試;同時，場景應用的要求也比較簡單，也就是應用涉及的功能比較單一、環境不甚復雜，便于教學開展。

我們知道，人工智能是由人類設計、為人類服務的，它能感知環境，能產生反應，能與人交互，能與人互補;它有學習能力，有演化迭代，有連續擴展，有適應特性。人工智能應用的場景包羅萬象，但萬變不離其宗，它的本質為計算，基礎為數據。真正具有“智能”人工智能其算法是十分復雜的，也需要海量的數據，這對高中學生來說無論是知識的儲備還是現有的能力都難以達到，所以《課標》強調“簡單”是必要的。在中學教學中我們既要理解人工智能的原理，又要強調“簡單”，可行的辦法就是將人工智能的應用功能模塊化，即利用開源人工智能應用框架，搭建簡單的人工智能應用模塊，親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程與方法。

● 簡單人工智能應用模塊的開發

所謂人工智能應用模塊的開發，就是應用人工智能技術設計、制作特定功能的模塊，而這些模塊可以用在各種生產、生活的實用器具、設備、裝置上，為人們服務。要實現人工智能應用模塊的開發首先需要確定應用場景，即需要用人工智能去做什么事情，去完成什么任務，如讓智能車刷臉開門、讓智能車與用戶對話等。明確了應用需求之后，才能根據需求去進行設計、制作、調試、完善等開發活動。

例如，要制作一個刷臉啟動的循跡智能車，其需求主要為：可識別特定人臉啟動、可識別交通標識運行。分析這兩個需求，分別涉及人工智能人臉識別和圖像識別的應用，在開發時選用具備人工智能功能的開源硬件及軟件平臺即可設計、制作。

又如，制作一個能拍照識物的智能玩具熊，其功能為：按下玩具熊手上的按鈕時，玩具熊的眼睛能把眼前的物品拍下來進行識別，并通過屏幕將識別結果顯示出來，同時還可用聲音報出物品的名稱。這個項目的需求主要有：識別給定的物品（如常見的水果）、呈現及報出物品的名稱。由于該項目同時涉及圖像識別和語音合成，設計、制作時所選的硬、軟件要求相應需要高一些，制作難度也會大一些，開發時可選用人工智能功能較強的開源平臺或平板電腦設計、制作。

一般來說，簡單人工智能應用模塊的開發包括需求分析、總體設計、硬件模塊設計制作、軟件模塊設計制作、模塊組裝調試等步驟，如下圖所示。

在這個流程中，需求分析是開發的前提，總體設計是開發的關鍵：沒有透徹的需求分析，就不能準確判斷模塊的用途和實現的功能，也不能正確地開展模塊的設計;沒有全面的總體設計，就不能有效地開展硬、軟件模塊的設計制作，更不能正確地實施系統的組裝和調試。這兩個環節在教學中一定要高度重視。

● 教學策略

對于本單元的教學，《標準》要求：“通過搭建簡單的人工智能應用模塊，親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程與方法。”在這里，搭建是手段，親歷是過程，提高學生綜合應用信息技術的能力才是目的。

要通過搭建實現親歷，就必然涉及可搭建、能親歷的環境，這也許會讓很多學校教師產生畏難情緒，擔心沒有條件無法上課。如何創造條件，讓學生有可以搭建和親歷的軟件和硬件環境，而又不過多依賴實驗經費的投入？答案只有四個字——因地制宜。經費充足的學校可以考慮建設高端、大氣、上檔次的人工智能實驗室及先進的、可開放的人工智能實驗平臺，讓學生沉浸在人工智能應用的場景中，充分感受到人工智能的優勢及不足;經費不足的學校則可以充分利用學校的創客實驗室及開源設計平臺，讓學生在原有基礎上引入人工智能軟件、硬件模塊，實現親歷;經費再不濟的學校，則需要教師充分利用手機、網絡平臺搜索人工智能的應用，讓學生觀摩、體驗其優勢與不足。

硬件軟件條件固然重要，但人才是關鍵因素。在開展“簡單人工智能應用模塊開發”的教學活動中，教師可以引導學生抓住人工智能的特點，發揮人工智能的優勢，構想豐富的人工智能應用場景，創造性地開展應用設計，親歷需求分析和總體設計的過程。在條件允許的情況下，親歷硬件設計制作、軟件設計制作的過程，通過組裝調試，實現模塊開發，達到提高綜合應用信息技術的能力的目的。

對于教學組織的方法，《標準》給出了具體的建議：“在學習簡單智能系統開發內容時，可以采用小組合作、項目學習等方式組織教學，充分利用豐富的開源硬件和人工智能應用框架等資源，搭建面向實際生活的應用場景，發揮學生的自主學習與探究學習能力，鼓勵學生積極探究、大膽實踐，激發學生的創新思維。”——照此行課，定獲佳績。

總之，“簡單人工智能應用模塊開發”的教學并不簡單，只有充分理解開發人工智能應用模塊的意圖，了解開發的流程，充分發揮教師的主觀能動性，積極創造讓學生親歷的條件，才能有效地實施教學，達到提升學生信息素養的目標。