基于編程軟件平臺的人工智能場景化應用教學案例設計

【摘 要】在實際研究中如何將人工智能的技術形態轉化為學生易于接受和學習的教育形態，本文通過圖形化編程平臺設計的人工智能場景化應用案例，介紹一些具體可行的課堂教學方法。

【關鍵詞】人工智能；圖形化編程平臺；場景化應用

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）011-065-03

如今的學生身處智能社會，在學習和生活中處處都可能遇見或使用到人工智能技術。學生能否從表象層面識別哪些事物應用了人工智能，又能否從技術等角度深層次理解人工智能技術，最終能否思考如何合理使用人工智能去解決問題，這些都需要通過在課堂實踐中合理設計人工智能教學策略來解決。

人工智能教學案例走向場景化的重要性

人工智能教學走向場景化應用是義務教育階段實施人工智能課程的必然選擇，也是將人工智能從技術形態轉化為學生有興趣、可接受的教育形態的重要途徑。在2021年10月由中國教育學會中小學信息技術教育專業委員會發布的《中小學人工智能課程開發標準（實行）》中明確了人工智能課程結構。其中包含智能技術應用、人工智能意識、智能社會責任三個維度，重點強調了實踐貫穿各個維度。[1]這樣就強化了實踐中場景化應用的重要性。

義務教育階段信息科技課程標準中特別強調義務教育信息科技課程銜接學生生活中的數字化經驗，面向全體學生發展信息素養。課程具有基礎性和實踐性，旨在引導學生在數字化生活與學習的情境中開展真實性學習和跨學科學習；從學習、生活和研學活動中了解人工智能、大數據、物聯網等新技術在社會中的作用，理解現實世界與數字世界的相互關系。這其中如何讓教師的教學可實施，讓學生的學習可操作是研究的關鍵。

圖形化編程與人工智能平臺的融合

目前，許多圖形化編程軟件因趣味性、易上手、可擴展等特點成為中小學信息科技教學常使用的平臺。這些軟件將許多邏輯語句封裝，通過中文模塊方式表達，使用堆積木的方法進行編程，大大簡化了低段學生識記語法規則的困難和挑戰。許多平臺還加入了人工智能模塊，這就大大降低了學生從體驗人工智能到操作人工智能的門檻，讓教師可以放手設計許多可操作的人工智能案例，將學生帶入到應用情境中，通過圖形化編程和人工智能平臺的調用，實現人工智能教學的普及化，從而為實現人工智能課程規范化帶來可能。學生從人工智能技術的體驗者走向技術的實踐者，最終成為技術的創新者。

目前，一些編程軟件平臺在中小學普及度很高，能夠與許多開源硬件連接。人工智能課程主要使用其中的特色功能，如人臉識別、語音識別、翻譯、機器學習等人工智能插件。有些編輯軟件平臺的“拓展”版塊里，“人工智能”類別中有多種人工智能模塊。

如百度AI模塊。在這個模塊中有人工智能技術中常見的功能，如語音識別、tts文字轉語音、文字或圖片識別、人臉識別等。使用者點擊“百度AI”模塊，在代碼欄中可以看到許多已經封裝好的程序指令。

又如和風天氣大數據模塊。和風天氣是中國領先的氣象數據服務商，國家高新技術企業，具有合規合法的氣象從業資質和授權，是中國氣象局中國天氣網戰略合作伙伴，致力于運用先進氣象模型結合大數據、人工智能技術發展智慧型氣象服務。

再如機器學習模塊。機器學習算法是一類從數據中自動分析獲得規律，并利用規律對未知數據進行預測的算法。[2]本模塊通過配合視頻偵測，可以識別圖像特征，簡單學習圖像數據并存儲。之后通過圖像識別方式調用數據，并生成相應結果。簡單來說每一張照片對應不同的特征碼，這個特征碼是由特征提取器根據算法算出來的，機器學習就是依據一堆特征提取碼進行規律總結。

圖形化編程基于面向對象和面向過程的思想，師生可以先根據事件需求進行界面的繪制工作，這里包括參與事件的具體角色和發生事件的舞臺背景，然后再根據事件的具體情節腳本進行程序的編寫。這里“程序=代碼+參數”。因此，圖形化編程的基本三要素是：角色、舞臺和腳本。平臺的使用思路和操作方式大同小異，具體編程方法就不再贅述了，本文重點介紹人工智能模塊的使用方法。

人工智能教學案例的設計與方法

人工智能課程設計與場景化結合，能更好地培養學生人工智能教育素養。

1.冬奧會場館中的翻譯服務器

應用場景：冬奧會的競賽場館和運動員生活區，實時翻譯的機器幫助來自世界各地的朋友相互交流。

舞臺：比賽場地

角色：不同國家的隊員

腳本：按下空格鍵啟動輸入框，在實時翻譯工具中輸入中文，輸出英文（或其他語言）并且語音播報，實現便捷溝通。

重點操作：（1）點擊事件模塊拖動“當按下空格鍵”代碼；（2）點擊左下方添加拓展，選擇“翻譯”和“百度AI”模塊；（3）使用“詢問并等待和回答”代碼實現文字內容的輸入；（4）在“翻譯”模塊中選擇“將什么譯為什么語言”代碼，將“回答”放入空白處作為需要翻譯的內容，在“翻譯為”的語言中選擇“英語”，將此代碼放入“說”的代碼空白處；（5）在“百度AI”模塊中選擇“文字轉語音”代碼，將第四步中的翻譯代碼組合放入空白處，對翻譯出的文字內容實現語音朗讀。

2.公共場所語音問答天氣播放系統

人工智能的一個突出特點就是需要大數據的支撐。強大的算法或算理只是基礎，人工智能要想更精準完成分析和判斷就需要優質、海量的數據支撐。本案例教師通過軟件中拓展插件“和風天氣”，讓學生體驗在編程過程中對天氣數據檢索和調出，規劃合理利用的過程。

應用場景：公眾場所一臺在線天氣服務查詢機器人，語音輸入查詢對應城市的天氣狀況。

舞臺：公共場所

角色：旅客和智能機器人

腳本：語音輸入想要查詢天氣的城市，機器人自動文字顯示該城市天氣狀況、溫度、濕度和降雨量，并且通過語音播報。

程序代碼編寫：（1）在百度AI中使用語音識別指令，它的作用是執行指令時計算機會識別聽到的語音，并將語音識別后的信號輸入到其他程序指令中；（2）使用拓展插件“和風天氣”，通過在編程中導入大數據平臺，可以實時查詢各個城市的天氣情況。其主要使用讀取天氣指令和當天天氣返回指令，發送和接收天氣數據。這里需要將語音輸入的內容翻譯為文字：當天氣數據返回后，有四種天氣數值可以反饋到程序中，分別是溫度、天氣狀況、溫度和降水量；（3）通過運算模塊中的連接指令，多個組合可以實現完整語句的表達。

通過案例一和案例二對比會發現，兩個案例其實可以融合在一起，形成許多人工智能應用場景，并且有些語音類技術場景已經開始逐步成熟推廣和應用。

3.設計停車場智能識別車牌系統

圖像識別在人工智能技術中屬于計算機視覺，通過視頻偵測對車牌照進行識別本質上是一個文字識別過程，之后將識別數據和數據庫對比，最終給出反饋結果。這些對圖像的處理都是通過深度學習的方法進行處理。

車牌識別原理：攝像頭把圖像截取→進行一系列圖像處理→分割成獨立字符→進行文字識別。

應用場景：模擬車輛進入停車場的第一個場景，即通過攝像頭識別車牌。

舞臺：停車場門口

角色：門閘系統

腳本：打開攝像頭，按下空格鍵識別車牌照，列表中顯示車牌照號碼。

重點操作：車牌識別功能比較貼近生活，所以使用的人很多，在一些編輯軟件平臺中，默認所有人使用同一個賬戶，所以在同一時間內，如果有太多人一起使用這個功能，就會產生卡頓。使用手機號注冊一個獨立的賬號，可以避免調用同一功能的人太多，導致網絡請求失敗。注冊后把賬號名稱和密碼分別填入API Key與Secret中即可，或者直接應用FaceAI模塊中默認的賬戶也可以。

難點解讀：（1）建立列表。在編程中列表是存儲變量的，相當于一個“抽屜”，可以每次存放不同的變量。在變量模塊中建立一個列表，命名為“車牌號”。在變量模塊中會出現相應有關“車牌號”的列表指令。使用其中的刪除項目指令，這樣每次程序重新使用會清空列表數據。

（2）開啟攝像頭。這里需要攝像頭硬件做支撐，使用筆記本自帶攝像頭或外接攝像頭均可。在視頻偵測模塊中選擇打開攝像頭，注意還應當開啟攝像頭鏡像，這樣畫面中看到的車牌照才是正向的。

（3）通過視頻偵測識別車牌照。一些編輯軟件平臺中的車牌識別功能只能識別國內的車牌，并且是真實車牌（手寫的車牌號是不能識別的），因為車牌識別的模型庫是根據國內真實的車牌進行訓練的。進行車牌識別功能的測試時，我們可以使用網上的國內車牌圖片或者車牌模型生成器生成的照片。[3]使用視頻偵測模塊中文字識別指令，選擇“car”，識別汽車車牌。

學習任務：多測試幾次，記錄識別的準確率；一次在攝像頭中呈現多個車牌照看系統能否識別。

當然，此案例只是應用場景的第一部分，后面還涉及識別后系統進行數據比對，從而實現停車場閘門自動升降的效果。這里就需要編程軟件中“機器學習”模塊的使用，還需要與一些開源硬件結合，可以打造一個項目式學習案例。特別適合人工智能教學的系統和規范應用。

人工智能教學融合場景化編程設計內容的實施策略

在基礎教育階段，人工智能教育受學生年齡特點及學校教學實際的影響，更關注的是學生形成智能社會意識和適應智能社會發展的能力。這些意識和能力的提升都需要在實踐中獲得，也應當在實踐中去驗證。最終學生通過人工智能教育素養的提升優化自己的學習和生活，提高參與社會的能力。

人工智能教學依托課程建設，在探索和建設的初期需要總結和梳理一個個具體的、細小的、生動的、可實施的案例。在信息科技新課標第九模塊“人工智能與智慧社會”中要求學生通過體驗人工智能應用場景，了解人工智能帶來的倫理與安全挑戰，合理地與人工智能開展互動，增強自我判斷意識和責任感。編程設計與人工智能教學有著天然的聯系，這種聯系應當建立在真實的社會情境中。

因為學生身處數字化社會，學生是學習者，也是未來社會的勞動者。數字素養與技能的培養不只是培養數字工具的消費者與適應者，更是要培養新時代的勞動者和創造者。開展數字素養與技能教育就是要引導學生積極適應電子商務、移動支付、智能家居、智慧社區、智慧出行等新生態，通過易用、便捷和兼容的數字工具，暢享美好數字生活，感受到在數字化環境中獲得高質量生活和成就，提升生活在數字社會的幸福感。

所以，無論使用哪種編程語言、哪種軟件平臺、哪種硬件器材，這些只是技術手段，教師應當思考如何設計貼合學生實際生活和學習需求的場景案例。其目的是能夠讓學生使用學習的人工智能技術和思維去理解、認識和感受生活中遇到的智能問題，最終學生能夠認識和感受到人工智能的魅力，知道人工智能發展必須遵循的倫理規范，也能認識到智慧社會這一新型社會形態下的新機遇與新挑戰。

參考文獻

Tom M. Mitchell. 機器學習（英文版）[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

KittenBot. 用Kittenblock學人工智能——圖形化編程AI硬件交互[M]. 北京：人民郵電出版社，2020.

李鋒. 發展數字素養與技能，培養數字公民[J]. 中國信息技術教育，2022（1）.

作者單位：天津市紅橋區教師發展中心