由表及里，初識人工智能
——高中人工智能項目制作教學策略

◆甘肅省秦安縣第一中學 魏鵬飛

“簡單人工智能應用模塊開發”是高中信息技術課程選擇性必修模塊4“人工智能初步”中的重要組成部分。根據新課標的要求，我通過設計制作簡單的人工智能項目，讓學生親歷利用人工智能解決問題的過程。

本文以“圖片文字提取工具”的設計與實現過程為例，提出“高中人工智能項目制作教學策略”（以下簡稱“策略”）：以解決現實情境中的真實問題為導向，采用項目式學習模式，增加學習的探究性與趣味性；通過調用百度接口，使學生繞過人工智能核心算法的學習，降低學習難度；弱化學生對核心算法的學習，強調學生解決問題的思路和方法，有利于學生問題解決能力、計算思維能力以及創新能力的培養。

一、創設問題情境，引發思考

創設真實的問題情境引發學生深度思考，是開展項目式學習的首要環節，也是尤為重要的一步。設定的問題情境應貼近學生的現實生活，能引發學生思考，激發學生的學習興趣，繼而以興趣為驅動，主動開展探究活動。

人們時常需要提取圖片中的文字，但目前使用專業的圖片文字提取工具大多需付費，百度、科大訊飛等免費使用接口缺乏統一的用戶界面，只得依靠其提供的代碼調用接口。這種缺乏界面的操作方式對普通用戶不太友好。

基于此，我讓學生通過所學的Python 知識并結合百度接口框架，設計制作了一款用于解決上述問題的工具。創設問題的理由如下：

1.文字識別是人工智能應用的一個領域，符合教育主題；

2.提取圖片中的文字是學生在學習和生活中經常遇到的問題，易激發學生的學習興趣；

3.學生在提取圖片中的文字失敗的情況下，若能利用自己制作的工具成功提取文字，能增強自信心和榮譽感。

二、聚焦問題情境，功能可視化

項目的功能通常隱含于真實的問題情境中，教師應引導學生通過分析問題、剔除無關項、保留關鍵點，最后形成可視化項目功能思維導圖。

圖1 圖片文字提取工具的思維導圖

結合本項目的教學案例，圍繞問題情境組織學生開展探究活動，最后將可視化項目功能分為選擇圖片類型、打開圖片、加載圖片、識別文字、顯示文字、提取文字，形成圖片文字提取工具的思維導圖。

三、提供學習支架，掃清盲區

“策略”以項目式學習為主，教學活動的開展以學生為中心，教師是教學活動的組織者、引導者和幫助者。在開展項目式學習中，由于項目具有開放性、綜合性和復雜性等特點，學生在實踐過程中難免會遇到知識盲區，需要教師為學生提供相關的學習支架（包括學習資料和技術指導），保證項目的有序開展。

以“圖片文字提取工具”項目為例。在開展項目式學習前，學生首先需熟練掌握Python 編程語言中的內置庫Tkinter，因為它是制作用戶交互界面必須具備的基礎知識。然而Tkinter 庫中方法繁多，且每種方法都有諸多屬性，學生易混淆或遺忘。這時，我會教學生“Lable”（標簽）、“Entry”(輸入框)、“Button”（按鈕）、“Text”(多行文本框)等使用方法。我還提供了包括注冊、登陸、選擇文字識別、創建應用以及自動生成賬號等調用百度接口的方法，其中自動生成的賬號包含AppID、APIKey、Secret Key 三部分內容，其賬號列表具體內容如圖2 所示。

圖2 文字識別賬號列表

四、參考簡單項目，突破難點

在項目界面設計與實現中，如何設定與獲取輸入類控件的值也是難點之一。我在教學中發現，學生經常在此類問題上犯錯。可基于控件的使用方法制作一個簡單的項目，以學習資源的形式提供給學生，讓學生在反復學習與使用過程中，逐漸熟練其具體用法，從而達到知識的學習與重構，實現教學難點上的突破。

比如：簡單項目“用戶登錄界面”的實現過程就要用到文本框值的綁定、初始值的設定、輸出值的提取等知識。將該項目以學習支架的形式提供給學生，方便其在使用相關控件時查找資源，這不僅有利于培養學生的自主能力，還能減少教師的工作量。

以“圖片文字提取工具”為例，學生根據教師提供的學習支架，結合項目要實現的功能，設計制作主界面。用到的控件及其功能如下：“Lable”（標簽）——用于顯示靜態的文本信息及其圖片的顯示信息；“Combobox”(下拉列表框)——用于顯示要選擇的圖片類型；“Button”（按鈕）——用于人機交互，發送和接受交互信息；“Text”（多行文本框）——用于識別文字的顯示。

圖3 主界面運行效果

五、面向算法設計，培養思維

高中階段，基于程序設計培養學生的計算思維應聚焦在算法設計上，而并非某種語言或程序設計上。利用計算機解決問題，編程語言只是工具，程序設計只是手段，而算法才是靈魂。

一個好的算法不僅需要有強大的可讀性和可移植性，還應考慮其時間和空間的復雜性，即程序的執行效率。這種高度不是設計幾個算法或編制一個程序就能達到的，需在教師的指導下通過長期訓練形成。

圖4 學生分組開展項目式學習

六、依據算法設計，指導編程

如果說算法是解決問題的方法和步驟，那么編程就是通過某種編程語言將算法轉化為程序，實現某種特定功能的過程。兩者最大的區別在于，算法不能直接被計算機執行，而程序可以。

以“圖片文字提取工具”的編程實現過程為例，將整個項目封裝在一個名叫“Image_recognition”的類中，類方法又包含“openfile_path(self)”（打開圖片）、“get_file_content”（讀取圖片）、“showidentify_result”（文字識別）、“copy_text”（文字提取）等功能模塊。

七、運行測試程序，迭代優化

項目采用單元測試與集成測試結合的測試方法。

在程序編制過程中采用單元測試，即對每個函數及其實現的功能進行測試。這是在編制程序早期發現語法和語義錯誤的較好辦法。

程序編寫完成后，采用集成測試的方法對系統的運行及其識別情況進行測試。在具體測試過程中，分別選取5 張圖片，對每一種識別類型進行測試用例，其文字識別率超過90%，基本達到使用要求。

然而，項目在實現基本功能的情況下還存在一些缺陷：系統每次只能加載一張圖片進行識別，對多張圖片的識別效率較低；由于項目文字識別部分是調用百度接口來實現的，受網絡或其他使用限額的限制，時常出現識別錯誤的情況。這些都是我后期需要改進的地方。