由表及里，初識人工智能
——高中人工智能項目制作教學(xué)策略

◆甘肅省秦安縣第一中學(xué) 魏鵬飛

“簡單人工智能應(yīng)用模塊開發(fā)”是高中信息技術(shù)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(jù)新課標(biāo)的要求，我通過設(shè)計制作簡單的人工智能項目，讓學(xué)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(shè)計與實現(xiàn)過程為例，提出“高中人工智能項目制作教學(xué)策略”（以下簡稱“策略”）：以解決現(xiàn)實情境中的真實問題為導(dǎo)向，采用項目式學(xué)習(xí)模式，增加學(xué)習(xí)的探究性與趣味性；通過調(diào)用百度接口，使學(xué)生繞過人工智能核心算法的學(xué)習(xí)，降低學(xué)習(xí)難度；弱化學(xué)生對核心算法的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決問題的思路和方法，有利于學(xué)生問題解決能力、計算思維能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)思考

創(chuàng)設(shè)真實的問題情境引發(fā)學(xué)生深度思考，是開展項目式學(xué)習(xí)的首要環(huán)節(jié)，也是尤為重要的一步。設(shè)定的問題情境應(yīng)貼近學(xué)生的現(xiàn)實生活，能引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，繼而以興趣為驅(qū)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(yè)的圖片文字提取工具大多需付費(fèi)，百度、科大訊飛等免費(fèi)使用接口缺乏統(tǒng)一的用戶界面，只得依靠其提供的代碼調(diào)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(xué)生通過所學(xué)的Python 知識并結(jié)合百度接口框架，設(shè)計制作了一款用于解決上述問題的工具。創(chuàng)設(shè)問題的理由如下：

1.文字識別是人工智能應(yīng)用的一個領(lǐng)域，符合教育主題；

2.提取圖片中的文字是學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中經(jīng)常遇到的問題，易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

3.學(xué)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(qiáng)自信心和榮譽(yù)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(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過分析問題、剔除無關(guān)項、保留關(guān)鍵點(diǎn)，最后形成可視化項目功能思維導(dǎo)圖。

圖1 圖片文字提取工具的思維導(dǎo)圖

結(jié)合本項目的教學(xué)案例，圍繞問題情境組織學(xué)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(dǎo)圖。

三、提供學(xué)習(xí)支架，掃清盲區(qū)

“策略”以項目式學(xué)習(xí)為主，教學(xué)活動的開展以學(xué)生為中心，教師是教學(xué)活動的組織者、引導(dǎo)者和幫助者。在開展項目式學(xué)習(xí)中，由于項目具有開放性、綜合性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，學(xué)生在實踐過程中難免會遇到知識盲區(qū)，需要教師為學(xué)生提供相關(guān)的學(xué)習(xí)支架（包括學(xué)習(xí)資料和技術(shù)指導(dǎo)），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(xué)習(xí)前，學(xué)生首先需熟練掌握Python 編程語言中的內(nèi)置庫Tkinter，因為它是制作用戶交互界面必須具備的基礎(chǔ)知識。然而Tkinter 庫中方法繁多，且每種方法都有諸多屬性，學(xué)生易混淆或遺忘。這時，我會教學(xué)生“Lable”（標(biāo)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(chuàng)建應(yīng)用以及自動生成賬號等調(diào)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(nèi)容，其賬號列表具體內(nèi)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(diǎn)

在項目界面設(shè)計與實現(xiàn)中，如何設(shè)定與獲取輸入類控件的值也是難點(diǎn)之一。我在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)常在此類問題上犯錯?？苫诳丶氖褂梅椒ㄖ谱饕粋€簡單的項目，以學(xué)習(xí)資源的形式提供給學(xué)生，讓學(xué)生在反復(fù)學(xué)習(xí)與使用過程中，逐漸熟練其具體用法，從而達(dá)到知識的學(xué)習(xí)與重構(gòu)，實現(xiàn)教學(xué)難點(diǎn)上的突破。

比如：簡單項目“用戶登錄界面”的實現(xiàn)過程就要用到文本框值的綁定、初始值的設(shè)定、輸出值的提取等知識。將該項目以學(xué)習(xí)支架的形式提供給學(xué)生，方便其在使用相關(guān)控件時查找資源，這不僅有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)生根據(jù)教師提供的學(xué)習(xí)支架，結(jié)合項目要實現(xiàn)的功能，設(shè)計制作主界面。用到的控件及其功能如下：“Lable”（標(biāo)簽）——用于顯示靜態(tài)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(jī)交互，發(fā)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(yùn)行效果

五、面向算法設(shè)計，培養(yǎng)思維

高中階段，基于程序設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的計算思維應(yīng)聚焦在算法設(shè)計上，而并非某種語言或程序設(shè)計上。利用計算機(jī)解決問題，編程語言只是工具，程序設(shè)計只是手段，而算法才是靈魂。

一個好的算法不僅需要有強(qiáng)大的可讀性和可移植性，還應(yīng)考慮其時間和空間的復(fù)雜性，即程序的執(zhí)行效率。這種高度不是設(shè)計幾個算法或編制一個程序就能達(dá)到的，需在教師的指導(dǎo)下通過長期訓(xùn)練形成。

圖4 學(xué)生分組開展項目式學(xué)習(xí)

六、依據(jù)算法設(shè)計，指導(dǎo)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(zhuǎn)化為程序，實現(xiàn)某種特定功能的過程。兩者最大的區(qū)別在于，算法不能直接被計算機(jī)執(zhí)行，而程序可以。

以“圖片文字提取工具”的編程實現(xiàn)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?。┑裙δ苣K。

七、運(yùn)行測試程序，迭代優(yōu)化

項目采用單元測試與集成測試結(jié)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(shù)及其實現(xiàn)的功能進(jìn)行測試。這是在編制程序早期發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的運(yùn)行及其識別情況進(jìn)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(jìn)行測試用例，其文字識別率超過90%，基本達(dá)到使用要求。

然而，項目在實現(xiàn)基本功能的情況下還存在一些缺陷：系統(tǒng)每次只能加載一張圖片進(jìn)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(diào)用百度接口來實現(xiàn)的，受網(wǎng)絡(luò)或其他使用限額的限制，時常出現(xiàn)識別錯誤的情況。這些都是我后期需要改進(jìn)的地方。