本文介紹了移動(dòng)終端和App Inventor的概念，探討了利用App Inventor進(jìn)行人工智能教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)了人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程的具體案例，包括語(yǔ)音翻譯機(jī)、水果分類器和文字繪圖等應(yīng)用。作者希望通過(guò)實(shí)施該課程，為教育教學(xué)提供借鑒和參考，推動(dòng)人工智能技術(shù)與移動(dòng)終端編程的融合發(fā)展，培養(yǎng)更多具備創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的人才。

人工智能（Artificial Intelligence，縮寫AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。在教育部出臺(tái)的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，人工智能是課程知識(shí)體系的邏輯主線之一，與數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理和信息安全一起構(gòu)成了信息科技課程的核心內(nèi)容。

基于App Inventor的人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程具有重要的研究意義和實(shí)踐價(jià)值。通過(guò)這樣的課程，學(xué)生可以深入了解人工智能的基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)掌握移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)的技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力。

本文旨在通過(guò)探討基于App Inventor的人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，為教育教學(xué)提供有益的借鑒和參考，推動(dòng)人工智能技術(shù)與移動(dòng)終端編程的融合發(fā)展，培養(yǎng)更多具備創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的人才。

移動(dòng)應(yīng)用程序和App Inventor簡(jiǎn)介

移動(dòng)應(yīng)用程序（App）是一種獨(dú)立的軟件程序，提供了豐富的功能，如地圖導(dǎo)航、音樂播放、輔助教學(xué)、游戲娛樂、網(wǎng)上購(gòu)物等服務(wù)。隨著移動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，移動(dòng)應(yīng)用程序編程逐漸成為一個(gè)熱門的領(lǐng)域，吸引了越來(lái)越多的開發(fā)者和學(xué)習(xí)者。

App Inventor是由谷歌公司和麻省理工學(xué)院教授共同創(chuàng)建設(shè)計(jì)的一款編程軟件，它是一個(gè)直觀、可視化的編程環(huán)境，也是一個(gè)通過(guò)構(gòu)建移動(dòng)應(yīng)用程序來(lái)學(xué)習(xí)計(jì)算思維的教育教學(xué)工具。

通過(guò)學(xué)習(xí)移動(dòng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠了解常用移動(dòng)終端的功能和特點(diǎn)，逐步掌握移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)的思想方法，并根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)與人工智能相結(jié)合的移動(dòng)應(yīng)用，創(chuàng)造性地解決日常學(xué)習(xí)和生活中的實(shí)際問(wèn)題。

利用App Inventor開展人工智能教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

1.教學(xué)環(huán)境簡(jiǎn)單方便，便于教師開展教學(xué)

教師不需要提前在學(xué)生電腦中安裝軟件，學(xué)生只需使用瀏覽器打開網(wǎng)站就可以進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用的編程設(shè)計(jì)，同時(shí)，制作的程序作品會(huì)實(shí)時(shí)保存在云端服務(wù)器中。在程序完成以后，只需要拿出手機(jī)，掃描一下電腦二維碼，就能在手機(jī)上看到程序的運(yùn)行效果。在對(duì)程序修改調(diào)整后，代碼的變更也會(huì)自動(dòng)同步到進(jìn)行調(diào)試的手機(jī)中，不必重新安裝應(yīng)用，大大提高教學(xué)效率。

2.采用圖形化編程環(huán)境，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)

App Inventor具有可視化的界面設(shè)計(jì)工具，可以用它設(shè)計(jì)移動(dòng)應(yīng)用程序的外觀，還可以像玩拼圖游戲一樣，將各類程序模塊通過(guò)拖拽的方式拼接在一起，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的各種功能。

App Inventor的可視化界面設(shè)計(jì)和圖形化的編程操作，可以幫助學(xué)生快速入門，使其更容易理解編程的過(guò)程和程序的作用，進(jìn)而了解人工智能是如何通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的，將創(chuàng)新的想法應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。

3.培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新意識(shí)

使用App Inventor進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)和運(yùn)用計(jì)算思維的方法和思維方式，從需求分析、問(wèn)題拆解、算法設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)等方面進(jìn)行思考和解決問(wèn)題。這種思維方式培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維、抽象思維和創(chuàng)新思維能力，提高了學(xué)生的問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新能力。

同時(shí)，App Inventor提供了豐富的組件模塊，如通信類組件、樂高機(jī)器人類組件等，學(xué)生可以根據(jù)自己的創(chuàng)意和需求，自由選擇和組合這些組件，設(shè)計(jì)出符合自己想法的移動(dòng)應(yīng)用程序。這種自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造力，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

4.拓展組件實(shí)現(xiàn)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等項(xiàng)目的開發(fā)

除了自帶的組件模塊，App Inventor還支持導(dǎo)入外部拓展組件，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，導(dǎo)入適合的外部組件，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和高級(jí)的功能。例如，可以導(dǎo)入人工智能組件，實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等功能，也可以導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)組件，實(shí)現(xiàn)與傳感器、硬件設(shè)備的連接和控制。

此外，隨著以ChatGPT為代表的生成式人工智能的發(fā)展，App Inventor也新增了ChatBot和ImageBot兩個(gè)生成式人工智能組件，用于生成對(duì)話文字和圖像。這樣，學(xué)生可以通過(guò)App Inventor進(jìn)行人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等項(xiàng)目的開發(fā)，深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，拓寬自己的知識(shí)面和技能。

人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程案例

生活中的人工智能主要有機(jī)器視覺、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)音處理和推薦系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能，可以將語(yǔ)音識(shí)別與合成、圖像識(shí)別和生成式人工智能作為切入點(diǎn)，將教學(xué)設(shè)計(jì)的案例與現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用相結(jié)合。

1.語(yǔ)音識(shí)別與合成教學(xué)案例——“語(yǔ)音翻譯機(jī)”APP

（1）案例介紹

本教學(xué)案例旨在通過(guò)制作一款“語(yǔ)音翻譯機(jī)”APP，讓學(xué)生體驗(yàn)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)在移動(dòng)終端中的應(yīng)用。在該應(yīng)用中，當(dāng)用戶用中文對(duì)著手機(jī)說(shuō)話時(shí)，它可以將其翻譯成英語(yǔ)并朗讀出來(lái)。

（2）實(shí)施過(guò)程

第一階段：創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)。

教師創(chuàng)設(shè)情境：假設(shè)同學(xué)們準(zhǔn)備出國(guó)旅游，但目前外語(yǔ)水平有限，想制作一款A(yù)PP方便與外國(guó)人口語(yǔ)交流。

第二階段：理解原理，確定方案。

引導(dǎo)學(xué)生了解語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)的原理。在App Inventor的多媒體類組件中，包含了語(yǔ)音識(shí)別器、文本語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器和翻譯這三個(gè)組件，學(xué)生可以使用這些組件來(lái)實(shí)現(xiàn)從中文語(yǔ)音輸入到英文語(yǔ)音輸出的功能。鼓勵(lì)學(xué)生思考語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成技術(shù)在日常學(xué)習(xí)和生活中的應(yīng)用，并分小組嘗試?yán)L制程序流程圖，明確軟件功能和制作方案。

第三階段：合作探究，解決問(wèn)題。

通過(guò)觀察樣例程序，學(xué)生可以在組件設(shè)計(jì)中添加一個(gè)名為“開始識(shí)別”的按鈕和兩個(gè)文本框（分別用于顯示原文和譯文）。同時(shí)還需要添加語(yǔ)音識(shí)別器、文本語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器和翻譯三個(gè)非可視組件，如圖1所示。

圖1 “語(yǔ)音翻譯機(jī)”APP組件設(shè)計(jì)

在邏輯功能設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生可以將程序功能分為語(yǔ)音識(shí)別、翻譯和語(yǔ)音合成三個(gè)部分。程序如圖2所示。

圖2 “語(yǔ)音翻譯機(jī)”APP程序模塊 圖2 “語(yǔ)音翻譯機(jī)”APP程序模塊

語(yǔ)音識(shí)別部分：當(dāng)按鈕被點(diǎn)擊后，調(diào)用手機(jī)中的語(yǔ)音識(shí)別器來(lái)識(shí)別語(yǔ)音。在識(shí)別完成后，將結(jié)果存放在原文文本框中。

翻譯部分：在原文文本框獲取到識(shí)別結(jié)果后，立即調(diào)用翻譯模塊，將原文進(jìn)行“中文到英文”的翻譯。在翻譯完成后，將結(jié)果存放在譯文文本框中。

語(yǔ)音合成部分：最后調(diào)用文本語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器來(lái)朗讀譯文。該組件可以朗讀多國(guó)語(yǔ)言，設(shè)置組件語(yǔ)言為“en”代表使用英語(yǔ)進(jìn)行文本朗讀。

第四階段：案例拓展，成果展示。

學(xué)生可以在原有的將漢語(yǔ)翻譯成英語(yǔ)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)將英語(yǔ)翻譯成漢語(yǔ)的功能，并添加更多語(yǔ)種，實(shí)現(xiàn)多語(yǔ)種之間的互譯。

此外，利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)，學(xué)生還可以創(chuàng)作各種富有創(chuàng)意的移動(dòng)應(yīng)用程序，如語(yǔ)音猜數(shù)字、語(yǔ)音計(jì)算器、變聲器等。這些應(yīng)用程序可以進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力。在完成作品后，學(xué)生可以進(jìn)行成果展示和學(xué)習(xí)交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn)。

2.圖像識(shí)別教學(xué)案例——“水果分類器”APP

（1）案例介紹

圖像識(shí)別是人工智能的重要組成部分，用于處理、分析和理解圖像。在這個(gè)案例中，我們將以水果分類為例，創(chuàng)建一個(gè)能自動(dòng)識(shí)別和分類各種水果的移動(dòng)應(yīng)用程序，同時(shí)提供水果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值信息。該應(yīng)用程序類似于識(shí)花君、植物識(shí)別等軟件，通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像分類技術(shù)，根據(jù)用戶拍攝的水果圖像進(jìn)行自動(dòng)分類和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提示。

（2）實(shí)施過(guò)程

第一階段：創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)。教師可以創(chuàng)設(shè)情境，如在水果市場(chǎng)購(gòu)物時(shí)，需要了解各種水果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。學(xué)生可以使用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)水果，通過(guò)應(yīng)用程序自動(dòng)識(shí)別水果的種類，并顯示出相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。學(xué)生可以先體驗(yàn)“識(shí)花君”APP，嘗試識(shí)別不同類型的花朵。

第二階段：理解原理，確定方案。

引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)的原理。機(jī)器學(xué)習(xí)是指機(jī)器模擬人類學(xué)習(xí)，不斷提高自身完成特定任務(wù)的能力，是實(shí)現(xiàn)人工智能的方式之一。圖像分類是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)非常重要的組成部分，如自動(dòng)駕駛汽車需要即時(shí)對(duì)所見圖像進(jìn)行分類，如行人、交通信號(hào)燈等。

創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)程序的一種方法是訓(xùn)練它們進(jìn)行圖像分類。例如，如果想讓程序分辨一個(gè)圖像是貓還是狗，可以給它很多貓和狗的圖像，標(biāo)記為貓和狗。通過(guò)足夠的例子，該程序?qū)⒈挥?xùn)練“知道”什么類型的圖像是狗，什么類型的圖片是貓。讓學(xué)生將人類的學(xué)習(xí)過(guò)程遷移至“讓計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”，利用實(shí)驗(yàn)和已有經(jīng)驗(yàn)理解并抽象出機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過(guò)程。

第三階段：合作探究，解決問(wèn)題。

學(xué)生組成小組，使用App Inventor的圖片分類系統(tǒng)，為每個(gè)水果類別創(chuàng)建標(biāo)簽，如蘋果、香蕉、生梨、橘子、柚子等。學(xué)生可以上傳各種水果的圖像示例，并進(jìn)行模型訓(xùn)練和測(cè)試。小組成員可以輪流擔(dān)任訓(xùn)練和測(cè)試的角色，通過(guò)觀察測(cè)試結(jié)果，不斷調(diào)整和優(yōu)化模型，直到對(duì)測(cè)試結(jié)果滿意，導(dǎo)出模型文件。具體如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練模型

在App Inventor中，學(xué)生可以根據(jù)樣例程序，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序界面，添加WebViewer組件和一個(gè)“開始識(shí)別”按鈕，并在按鈕的下方，插入兩個(gè)標(biāo)簽，一個(gè)用于顯示水果名稱，另一個(gè)用于顯示水果介紹。

為了實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別的功能，學(xué)生需要下載App Inventor拓展庫(kù)中的“Personal Image Classifier.aix”外部拓展組件，并導(dǎo)入到項(xiàng)目中，然后將之前訓(xùn)練好的模型文件（model.mdl）上傳，并在組件屬性中選擇該模型文件（如圖4）。

圖4 “水果分類器”APP組件設(shè)計(jì)

學(xué)生可以思考并編寫程序：當(dāng)“開始識(shí)別”按鈕被點(diǎn)擊時(shí)，啟動(dòng)圖片分類功能。當(dāng)?shù)玫椒诸惤Y(jié)果后，設(shè)置水果名稱標(biāo)簽的文本為結(jié)果的第一項(xiàng)，即置信度最高的水果。同時(shí)，通過(guò)字典變量查詢?cè)撍麑?duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并將結(jié)果顯示在水果介紹標(biāo)簽中。程序如圖5所示。

圖5 “水果分類器”APP程序編程模塊

第四階段：案例拓展，成果展示。

學(xué)生可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用程序功能，如添加更多的水果類型，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音朗讀功能，提供雙語(yǔ)顯示等。此外，還可以引導(dǎo)學(xué)生思考圖像分類技術(shù)在生活中的其他用途，如表情識(shí)別、口罩識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、課堂考勤機(jī)等創(chuàng)意的移動(dòng)應(yīng)用程序。在完成作品后，學(xué)生可以進(jìn)行成果展示和學(xué)習(xí)交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn)。

3.生成式人工智能教學(xué)案例——“文字繪圖”APP

（1）案例介紹

生成式人工智能（Generative AI）是一種新的人工智能技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)習(xí)和理解數(shù)據(jù)的模式和規(guī)律，生成新的、原創(chuàng)性的內(nèi)容，如圖像、音頻、視頻、文本等。

在“文字繪圖”APP這個(gè)案例中，將使用生成式人工智能中的圖像生成技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)能夠根據(jù)用戶輸入的文字生成相應(yīng)圖像的移動(dòng)應(yīng)用程序。

用戶可以輸入不同的文字描述，如“夏天的海灘”“森林中的小屋”等，應(yīng)用程序?qū)⒏鶕?jù)這些描述生成相應(yīng)的圖像。通過(guò)這個(gè)應(yīng)用程序，學(xué)生們可以將自己的想象力轉(zhuǎn)化為圖像，并與他人分享。界面如圖6所示。

圖6 “文字繪圖”APP界面

（2）實(shí)施過(guò)程

第一階段：創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)。

教師可以創(chuàng)設(shè)情境，如讓學(xué)生想象自己是一位畫家，可以根據(jù)文字描述創(chuàng)作出對(duì)應(yīng)的圖像作品。學(xué)生可以先體驗(yàn)類似的文字生成圖像應(yīng)用程序，了解其功能和操作方式。

第二階段：理解原理，確定方案。

引導(dǎo)學(xué)生了解圖片生成式人工智能的原理。圖片生成式人工智能通過(guò)學(xué)習(xí)文字描述和圖像之間的映射關(guān)系，生成與文字描述相符的圖像。學(xué)生可以了解其基本原理和訓(xùn)練過(guò)程，理解如何將其應(yīng)用于文字生成圖像。

第三階段：合作探究，解決問(wèn)題。

學(xué)生可以分組合作，在應(yīng)用程序中添加文本輸入框、2個(gè)按鈕和圖像顯示組件。同時(shí)，還需要添加語(yǔ)音識(shí)別器和ImageBot組件。ImageBot是一個(gè)使用DALL-E 2來(lái)創(chuàng)建和編輯圖像的不可見組件，如圖7所示。

圖7 “你說(shuō)我畫”APP組件設(shè)計(jì) 圖7 “你說(shuō)我畫”APP組件設(shè)計(jì)

在邏輯功能設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生可以將程序功能分為文字輸入、語(yǔ)音輸入和圖像顯示三個(gè)部分（如圖8）。

圖8 “你說(shuō)我畫”APP程序編程模塊

文字輸入部分：當(dāng)按鈕被點(diǎn)擊后，ImageBot讀取文本輸入框中的文字。

語(yǔ)音輸入部分：當(dāng)按鈕被點(diǎn)擊后，先使用語(yǔ)音識(shí)別器識(shí)別聲音，識(shí)別完成后，將結(jié)果顯示在文本輸入框中，ImageBot再讀取識(shí)別的文字。

圖像顯示部分：當(dāng)ImageBot根據(jù)文字生成圖片后，將結(jié)果顯示在圖像組件中。

第四階段：案例拓展，成果展示。

學(xué)生可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用程序的功能，如添加保存圖像的功能、添加分享功能，讓用戶可以將生成的圖像分享到社交媒體上。此外，學(xué)生還可以思考如何優(yōu)化生成效果，提高圖像的質(zhì)量和與文字描述的符合程度。在完成作品后，學(xué)生可以進(jìn)行成果展示和學(xué)習(xí)交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

利用App Inventor來(lái)開發(fā)與人工智能有關(guān)的移動(dòng)應(yīng)用軟件，因?yàn)椴捎昧四K化的方法，符合中小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，而模塊封裝的利用，降低了對(duì)知識(shí)領(lǐng)會(huì)的難度，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作積極性。

開展基于App Inventor的人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，可以為學(xué)生提供一個(gè)全面的學(xué)習(xí)平臺(tái)，幫助他們掌握人工智能技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)的技能，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維和創(chuàng)新意識(shí)。

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本文作者：

丁力民

上海市楊浦區(qū)青少年科技站

文章刊登于《中國(guó)信息技術(shù)教育》2024年第02期

引用請(qǐng)注明參考文獻(xiàn)：

丁力民.基于App Inventor的人工智能移動(dòng)終端編程項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐.[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2024（02）：78-82.

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