简单的模块开发，不简单的教学实施

李维明

按照《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020修订）》的表述，本单元的题目是“简单人工智能应用模块开发”，何为简单？何为人工智能应用模块？又如何开发？这是在开始教学前必须首先明确的几个问题。

● 简单人工智能应用模块的理解

“人工智能应用模块”通常是指能实现特定人工智能功能的硬件模块及软件模块，如语音识别模块、图像识别模块等。硬件模块是把能实现某一或某些功能的电子元件组成的电路单元封装在一起形成的模块，如集成电路等;软件模块则是由一段或多段能实现某一或某些功能的计算机程序封装在一起形成的模块。这些模块可大可小，有专用有通用，不能一概而论。例如，“图像识别模块”是一个通用模块，这个模块很大，用它可以“识万物”;而“刷脸开门”模块，则是一个专用模块，这个模块很小，用它只做“刷脸开门”的事。

所谓简单，是指这些模块的使用方法比较简单，不会涉及大量复杂的程序编制及硬件调试;同时，场景应用的要求也比较简单，也就是应用涉及的功能比较单一、环境不甚复杂，便于教学开展。

我们知道，人工智能是由人类设计、为人类服务的，它能感知环境，能产生反应，能与人交互，能与人互补;它有学习能力，有演化迭代，有连续扩展，有适应特性。人工智能应用的场景包罗万象，但万变不离其宗，它的本质为计算，基础为数据。真正具有“智能”人工智能其算法是十分复杂的，也需要海量的数据，这对高中学生来说无论是知识的储备还是现有的能力都难以达到，所以《课标》强调“简单”是必要的。在中学教学中我们既要理解人工智能的原理，又要强调“简单”，可行的办法就是将人工智能的应用功能模块化，即利用开源人工智能应用框架，搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法。

● 简单人工智能应用模块的开发

所谓人工智能应用模块的开发，就是应用人工智能技术设计、制作特定功能的模块，而这些模块可以用在各种生产、生活的实用器具、设备、装置上，为人们服务。要实现人工智能应用模块的开发首先需要确定应用场景，即需要用人工智能去做什么事情，去完成什么任务，如让智能车刷脸开门、让智能车与用户对话等。明确了应用需求之后，才能根据需求去进行设计、制作、调试、完善等开发活动。

例如，要制作一个刷脸启动的循迹智能车，其需求主要为：可识别特定人脸启动、可识别交通标识运行。分析这两个需求，分别涉及人工智能人脸识别和图像识别的应用，在开发时选用具备人工智能功能的开源硬件及软件平台即可设计、制作。

又如，制作一个能拍照识物的智能玩具熊，其功能为：按下玩具熊手上的按钮时，玩具熊的眼睛能把眼前的物品拍下来进行识别，并通过屏幕将识别结果显示出来，同时还可用声音报出物品的名称。这个项目的需求主要有：识别给定的物品（如常见的水果）、呈现及报出物品的名称。由于该项目同时涉及图像识别和语音合成，设计、制作时所选的硬、软件要求相应需要高一些，制作难度也会大一些，开发时可选用人工智能功能较强的开源平台或平板电脑设计、制作。

一般来说，简单人工智能应用模块的开发包括需求分析、总体设计、硬件模块设计制作、软件模块设计制作、模块组装调试等步骤，如下图所示。

在这个流程中，需求分析是开发的前提，总体设计是开发的关键：没有透彻的需求分析，就不能准确判断模块的用途和实现的功能，也不能正确地开展模块的设计;没有全面的总体设计，就不能有效地开展硬、软件模块的设计制作，更不能正确地实施系统的组装和调试。这两个环节在教学中一定要高度重视。

● 教学策略

对于本单元的教学，《标准》要求：“通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法。”在这里，搭建是手段，亲历是过程，提高学生综合应用信息技术的能力才是目的。

要通过搭建实现亲历，就必然涉及可搭建、能亲历的环境，这也许会让很多学校教师产生畏难情绪，担心没有条件无法上课。如何创造条件，让学生有可以搭建和亲历的软件和硬件环境，而又不过多依赖实验经费的投入？答案只有四个字——因地制宜。经费充足的学校可以考虑建设高端、大气、上档次的人工智能实验室及先进的、可开放的人工智能实验平台，让学生沉浸在人工智能应用的场景中，充分感受到人工智能的优势及不足;经费不足的学校则可以充分利用学校的创客实验室及开源设计平台，让学生在原有基础上引入人工智能软件、硬件模块，实现亲历;经费再不济的学校，则需要教师充分利用手机、网络平台搜索人工智能的应用，让学生观摩、体验其优势与不足。

硬件软件条件固然重要，但人才是关键因素。在开展“简单人工智能应用模块开发”的教学活动中，教师可以引导学生抓住人工智能的特点，发挥人工智能的优势，构想丰富的人工智能应用场景，创造性地開展应用设计，亲历需求分析和总体设计的过程。在条件允许的情况下，亲历硬件设计制作、软件设计制作的过程，通过组装调试，实现模块开发，达到提高综合应用信息技术的能力的目的。

对于教学组织的方法，《标准》给出了具体的建议：“在学习简单智能系统开发内容时，可以采用小组合作、项目学习等方式组织教学，充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源，搭建面向实际生活的应用场景，发挥学生的自主学习与探究学习能力，鼓励学生积极探究、大胆实践，激发学生的创新思维。”——照此行课，定获佳绩。

总之，“简单人工智能应用模块开发”的教学并不简单，只有充分理解开发人工智能应用模块的意图，了解开发的流程，充分发挥教师的主观能动性，积极创造让学生亲历的条件，才能有效地实施教学，达到提升学生信息素养的目标。