“小程序+AI”課程設(shè)計與實踐

段晨

【摘 要】本文介紹如何在高中設(shè)計并實踐關(guān)于“小程序+AI”的原創(chuàng)校本課程的過程。引入當(dāng)今流行的小程序開發(fā)，并基于游戲思維設(shè)計課程。用小程序作為載體來學(xué)習(xí)Web前后端開發(fā)知識，并與人工智能技術(shù)結(jié)合，鼓勵學(xué)生開發(fā)應(yīng)用程序解決生活中遇到的實際問題，加強學(xué)生信息技術(shù)的學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

【關(guān)鍵詞】游戲思維;小程序;人工智能;課程開發(fā)

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）010-066-03

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。因此，如何設(shè)計人工智能課程、以何種開發(fā)技術(shù)作為載體、如何提升學(xué)生的核心素養(yǎng)等課題都亟待探索和實踐。而同樣是2017年，騰訊推出了微信小程序，拉開了小程序這種混合開發(fā)模式在國內(nèi)的技術(shù)風(fēng)潮。經(jīng)過幾年的發(fā)展成熟，小程序已經(jīng)成為國內(nèi)各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)炙手可熱的開發(fā)模式。

當(dāng)前人工智能和編程教育往往基于Python語言開展教學(xué)，但Python作為腳本語言并不像網(wǎng)頁那樣可以便捷地繪制界面（并不直觀）。同時現(xiàn)在許多人工智能課程偏重概念和理論介紹但忽略有實用價值的人工智能應(yīng)用實踐。本文以學(xué)校校本課程“小程序+AI從青銅到黃金”為例，分析如何將時興的小程序開發(fā)和人工智能教育主題相結(jié)合，在高中開設(shè)一門校本課程。通過學(xué)習(xí)這門課程讓高中生不僅能夠掌握學(xué)科核心素養(yǎng)，更為他們今后職業(yè)規(guī)劃提供參考、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供幫助。

用游戲思維來設(shè)計原創(chuàng)課程

2019年1月，我們開始構(gòu)思這門課程時，遇到的難題就是如何系統(tǒng)化講解小程序開發(fā)的知識結(jié)構(gòu)。對于中學(xué)生來說，在信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中對Web標(biāo)準(zhǔn)的介紹只是泛泛而談，淺嘗輒止。因此學(xué)習(xí)小程序的門檻就轉(zhuǎn)換成了先要循序漸進地學(xué)會Web標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)技術(shù)。如何才能讓整個學(xué)習(xí)過程變得引人入勝而不枯燥呢？

在缺乏適合中學(xué)生學(xué)習(xí)小程序的教學(xué)用例的前提下，我們構(gòu)思用游戲思維來開發(fā)原創(chuàng)課程。首先想到的就是知名手游“王者榮耀”，該游戲開發(fā)商借用了心理學(xué)家斯金納的強化學(xué)習(xí)理論，讓玩家通過不斷地勝利積累榮譽。這個構(gòu)成正反饋的獎勵機制就是王者里的段位概念，在游戲中玩家通過從“青銅”打到“王者”升級段位的過程來獲得成就感。

他山之石可以攻玉，我們比照游戲里的段位設(shè)定，按照難易程度和知識脈絡(luò)，將一個個知識點以任務(wù)形式布置在對應(yīng)的段位上。我們將整個小程序開發(fā)學(xué)習(xí)流程解構(gòu)為三大段位（青銅、白銀、黃金），分別對應(yīng)了Web基礎(chǔ)知識、小程序基礎(chǔ)組件入門、“小程序+人工智能”應(yīng)用內(nèi)容。作為一個高中小程序入門課程，教學(xué)目標(biāo)是激發(fā)興趣和鼓勵創(chuàng)新，所以未涉及如云開發(fā)、數(shù)據(jù)庫等進階內(nèi)容。

具體到每個段位我們又設(shè)置細分小等級，正好匹配到每課時，讓每次教學(xué)活動都像游戲升級裝備那樣有趣。而每課時的詳細設(shè)計，則采用了PBL（項目式學(xué)習(xí)方法）模式，每次課指定一個具體項目需求，提供原創(chuàng)的在線學(xué)習(xí)文檔。學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主完成。如講到Web開發(fā)技術(shù)，課程布置一個設(shè)計三國人物介紹主頁的任務(wù);講到小程序的滑塊和按鈕組件，課程布置了一個設(shè)計隨機抽號的小程序任務(wù)。

完整的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計有青銅篇： 第1課時什么是小程序？小程序架構(gòu)介紹;第2課時Web起源;第3課時三國人物網(wǎng)頁—— Web開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（青銅I）;第4課時動態(tài)交互網(wǎng)頁—— 結(jié)合Javascript（青銅II）。白銀篇：第5課時微信小程序開發(fā)流程和環(huán)境介紹;第6課時生命計算器—— 介紹基本UI組件和數(shù)據(jù)綁定等邏輯代碼要點（白銀I）;第7課時抽號神器—— 隨機函數(shù)和滑塊（白銀II）;第8課時歷史上的今天—— 選擇器和API（白銀III）;第9課時定制地圖—— 地圖和畫布組件（白銀IV）。黃金篇：第10課時基于百度AI的圖像識別小程序應(yīng)用（黃金I）;第11課時基于騰訊AI的風(fēng)格遷移漫畫的小程序應(yīng)用或應(yīng)用自主訓(xùn)練的AI模型;第12-15課時自選主題以二人小組模式完成一個項目作品（黃金II）。

課例展示：基于百度AI的圖像識別小程序的教學(xué)設(shè)計與實踐

1.學(xué)生學(xué)情分析

通過之前九課時基礎(chǔ)內(nèi)容的鋪墊，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的小程序開發(fā)能力，能夠繪制前端界面并編寫代碼邏輯。但是中學(xué)生畢竟沒有接受過系統(tǒng)化的編程學(xué)習(xí)，很難獨立開發(fā)出具有實際價值的應(yīng)用。幸運的是，我們處在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進的時代。如今開發(fā)者可以借助互聯(lián)網(wǎng)推出的人工智能API（應(yīng)用程序接口），不用自己花錢租用配置高性能GPU（顯卡）的服務(wù)器去訓(xùn)練AI模型。學(xué)生開發(fā)的小程序聯(lián)網(wǎng)就能調(diào)用AI接口輕松實現(xiàn)AI賦能，完成一個比較完整有使用價值的小程序開發(fā)。

2.關(guān)鍵教學(xué)難點解析

如何調(diào)用API接口。以百度AI平臺為例，想要獲得圖像識別的功能，就需要在平臺上注冊獲取專屬的ID和Key，然后基于平臺的API接口通過憑證，再配合安裝百度AI的SDK（開發(fā)工具包）提供的圖像識別相關(guān)函數(shù)方法。向平臺發(fā)出API請求，平臺以JSON形式返回識別數(shù)據(jù)作為效果。API、SDK和JSON三者關(guān)系可以比喻為車鑰匙、方向盤和汽車。

3.教學(xué)內(nèi)容分析

我們選擇圖像識別作為具體的人工智能教學(xué)用例切入，因為圖像識別是人工智能中極具代表性的典型應(yīng)用，現(xiàn)有機房教學(xué)條件下的學(xué)生一體機就足夠使用。而百度恰恰提供可以免費使用的圖像識別API，教師在百度AI的官網(wǎng)注冊賬號申請一個圖像識別功能Key，學(xué)生需要通過教師給的開發(fā)文檔進行程序構(gòu)建。學(xué)生需要完成三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）獲取百度AI的憑證函數(shù)（用教師注冊的Key）;（2）選擇圖片并按base64編碼圖片數(shù)據(jù)上傳給百度AI進行圖像判斷;（3）處理百度AI返回的JSON數(shù)據(jù)結(jié)果，用字典方式根據(jù)鍵值提取識別內(nèi)容。具體的實現(xiàn)方法，可以參考教師編寫的技術(shù)文檔（https：//gitee.com/ClassStudio/miniprogram20211/tree/master/黃金篇I-AI猜圖游戲）。

4.教學(xué)活動設(shè)計

（1）引入任務(wù)。教師首先向?qū)W生展示一款基于Python開發(fā)的識別動植物的小游戲—— AI識種游戲。學(xué)生可以用他們收集的校園內(nèi)的植物圖片進行測試提交圖片后程序會給出三個可能品種。學(xué)生根據(jù)自己的判斷進行選擇，游戲給出判斷結(jié)果。在游戲過程中，教師引出主題：能不能用小程序設(shè)計AI識種游戲，實現(xiàn)圖像識別和物種判斷。讓學(xué)生思考如何用小程序來實現(xiàn)類似功能，需要哪些技術(shù)和知識儲備。教師通過隨機抽號點名和小組討論方式來提高學(xué)生的參與度。

（2）介紹新知。讓學(xué)生用人類識別動植物的過程理解AI圖像識別。強調(diào)圖像識別是對識別物體種類判斷的推測，圖像識別的結(jié)果是可能性，不是百分百準(zhǔn)確的。教師演示用百度AI的接口調(diào)用過程，通過圖像識別返回的多個可能結(jié)果，來向?qū)W生解釋圖像識別的原理。

（3）動手實踐。界面設(shè)計方面，引導(dǎo)學(xué)生自己繪制界面元素（包括按鈕、視圖、布局等）。代碼實現(xiàn)方面，給出小程序中調(diào)用百度AI的說明文檔，讓學(xué)生自學(xué)實現(xiàn)調(diào)用過程?；A(chǔ)層次，由學(xué)生跟隨教師演示完成基本的植物圖像識別效果，實現(xiàn)植物圖片物種識別，給出三種可能性。而探究層次，將三種可能性變成按鈕選項，探究使用混淆算法完成選項混排。本環(huán)節(jié)的實踐過程中，學(xué)生通過查閱官方開發(fā)文檔和教師給出的演示視頻，提高了數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。同時，學(xué)生能從提出問題、分析問題、編程實踐的過程培養(yǎng)計算思維素養(yǎng)。

總結(jié)與反思

課程的完成項目作品階段，我們設(shè)計學(xué)生自主分組和選題，強調(diào)組織能力和有效的分工協(xié)作。如一位學(xué)生界面畫得漂亮，就可以負責(zé)美工部分;另一位學(xué)生擅長邏輯思維則負責(zé)代碼編程。經(jīng)過3～4次課時的準(zhǔn)備，最后一次課由每組學(xué)生上來演示，鍛煉學(xué)生的口頭表達能力。最終每組學(xué)生都參與網(wǎng)絡(luò)票選打分，選出本學(xué)期的最佳小程序應(yīng)用。課程評價中平時作業(yè)和期末小組選題項目作品各占50%。

本課程的亮點在于借助小程序帶來的便捷性和實用性，所有的小程序代碼都保存在云端。由于小程序自身的特點（無須安裝，掃碼即開）非常適合展示和推廣，每位選修過這門課程的學(xué)生，都可以隨時隨地掃碼查看到他們之前提交過的作業(yè)，讓學(xué)生有成就感。每次提交的小程序作業(yè)，經(jīng)過教師內(nèi)容審核把關(guān)后，集中匯總到教師注冊的賬號內(nèi)提交代碼，再由微信官方審核，通過才能進行發(fā)布。最終兩年來累計提交了120多個學(xué)生作品（https：//gitee.com/ClassStudio/miniprogram20211）。

小程序和人工智能教育的結(jié)合，將小程序作為前端，提供直觀的界面，而人工智能作為后端，提供算力和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)AI賦能來解決實際問題。這門原創(chuàng)校本課程，讓學(xué)生能掌握小程序的開發(fā)方式，鼓勵他們開發(fā)應(yīng)用以解決生活中遇到的實際問題，加強學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。未來，學(xué)生參加中學(xué)階段的研究性學(xué)習(xí)、翱翔計劃、創(chuàng)客活動，乃至大學(xué)畢業(yè)設(shè)計都可以活用小程序技術(shù)。

正所謂教學(xué)相長，這門課程也讓教師的學(xué)科專業(yè)能力得到了極大提升。教師對信息技術(shù)和人工智能教育有了更深入的體會，也更了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。未來我們將拓展小程序的教學(xué)應(yīng)用場景，將這門小程序課程與生物、數(shù)學(xué)、語文、地理等學(xué)科結(jié)合，發(fā)揮其更大的價值。

注：本文系北京市區(qū)級課題“探索自研小程序促進中學(xué)學(xué)科教學(xué)”階段性成果

參考文獻

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