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

人工智能（Artificial Intelligence，縮寫AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學。在教育部出臺的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，人工智能是課程知識體系的邏輯主線之一，與數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、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的人工智能移動終端編程項目課程具有重要的研究意義和實踐價值。通過這樣的課程，學生可以深入了解人工智能的基本原理和應用領(lǐng)域，同時掌握移動應用開發(fā)的技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

本文旨在通過探討基于App Inventor的人工智能移動終端編程項目課程的設計與實踐，為教育教學提供有益的借鑒和參考，推動人工智能技術(shù)與移動終端編程的融合發(fā)展，培養(yǎng)更多具備創(chuàng)新能力和實踐能力的人才。

移動應用程序和App Inventor簡介

移動應用程序（App）是一種獨立的軟件程序，提供了豐富的功能，如地圖導航、音樂播放、輔助教學、游戲娛樂、網(wǎng)上購物等服務。隨著移動技術(shù)的快速發(fā)展和普及，移動應用程序編程逐漸成為一個熱門的領(lǐng)域，吸引了越來越多的開發(fā)者和學習者。

App Inventor是由谷歌公司和麻省理工學院教授共同創(chuàng)建設計的一款編程軟件，它是一個直觀、可視化的編程環(huán)境，也是一個通過構(gòu)建移動應用程序來學習計算思維的教育教學工具。

通過學習移動應用程序的設計，學生能夠了解常用移動終端的功能和特點，逐步掌握移動應用設計與開發(fā)的思想方法，并根據(jù)實際需求設計與人工智能相結(jié)合的移動應用，創(chuàng)造性地解決日常學習和生活中的實際問題。

利用App Inventor開展人工智能教學的優(yōu)勢

1.教學環(huán)境簡單方便，便于教師開展教學

教師不需要提前在學生電腦中安裝軟件，學生只需使用瀏覽器打開網(wǎng)站就可以進行移動應用的編程設計，同時，制作的程序作品會實時保存在云端服務器中。在程序完成以后，只需要拿出手機，掃描一下電腦二維碼，就能在手機上看到程序的運行效果。在對程序修改調(diào)整后，代碼的變更也會自動同步到進行調(diào)試的手機中，不必重新安裝應用，大大提高教學效率。

2.采用圖形化編程環(huán)境，符合學生的認知特點

App Inventor具有可視化的界面設計工具，可以用它設計移動應用程序的外觀，還可以像玩拼圖游戲一樣，將各類程序模塊通過拖拽的方式拼接在一起，實現(xiàn)應用的各種功能。

App Inventor的可視化界面設計和圖形化的編程操作，可以幫助學生快速入門，使其更容易理解編程的過程和程序的作用，進而了解人工智能是如何通過編程實現(xiàn)的，將創(chuàng)新的想法應用到實際項目中。

3.培養(yǎng)學生的計算思維和創(chuàng)新意識

使用App Inventor進行移動應用程序的設計與開發(fā)，學生需要學習和運用計算思維的方法和思維方式，從需求分析、問題拆解、算法設計、程序?qū)崿F(xiàn)等方面進行思考和解決問題。這種思維方式培養(yǎng)了學生的邏輯思維、抽象思維和創(chuàng)新思維能力，提高了學生的問題解決能力和創(chuàng)新能力。

同時，App Inventor提供了豐富的組件模塊，如通信類組件、樂高機器人類組件等，學生可以根據(jù)自己的創(chuàng)意和需求，自由選擇和組合這些組件，設計出符合自己想法的移動應用程序。這種自主設計和創(chuàng)造的過程，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力，培養(yǎng)了學生的設計能力和實踐能力。

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

除了自帶的組件模塊，App Inventor還支持導入外部拓展組件，學生可以根據(jù)自己的需求，導入適合的外部組件，實現(xiàn)更復雜和高級的功能。例如，可以導入人工智能組件，實現(xiàn)圖像識別、語音識別等功能，也可以導入物聯(lián)網(wǎng)組件，實現(xiàn)與傳感器、硬件設備的連接和控制。

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兩個生成式人工智能組件，用于生成對話文字和圖像。這樣，學生可以通過App Inventor進行人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等項目的開發(fā)，深入學習和應用相關(guān)技術(shù)，拓寬自己的知識面和技能。

人工智能移動終端編程項目課程案例

生活中的人工智能主要有機器視覺、語音識別、自然語音處理和推薦系統(tǒng)等方面的應用。學生學習人工智能，可以將語音識別與合成、圖像識別和生成式人工智能作為切入點，將教學設計的案例與現(xiàn)實生活中的應用相結(jié)合。

1.語音識別與合成教學案例——“語音翻譯機”APP

（1）案例介紹

本教學案例旨在通過制作一款“語音翻譯機”APP，讓學生體驗語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)在移動終端中的應用。在該應用中，當用戶用中文對著手機說話時，它可以將其翻譯成英語并朗讀出來。

（2）實施過程

第一階段：創(chuàng)設情境，明確任務。

教師創(chuàng)設情境：假設同學們準備出國旅游，但目前外語水平有限，想制作一款APP方便與外國人口語交流。

第二階段：理解原理，確定方案。

引導學生了解語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)的原理。在App Inventor的多媒體類組件中，包含了語音識別器、文本語音轉(zhuǎn)換器和翻譯這三個組件，學生可以使用這些組件來實現(xiàn)從中文語音輸入到英文語音輸出的功能。鼓勵學生思考語音識別和語音合成技術(shù)在日常學習和生活中的應用，并分小組嘗試繪制程序流程圖，明確軟件功能和制作方案。

第三階段：合作探究，解決問題。

通過觀察樣例程序，學生可以在組件設計中添加一個名為“開始識別”的按鈕和兩個文本框（分別用于顯示原文和譯文）。同時還需要添加語音識別器、文本語音轉(zhuǎn)換器和翻譯三個非可視組件，如圖1所示。

圖1 “語音翻譯機”APP組件設計

在邏輯功能設計過程中，學生可以將程序功能分為語音識別、翻譯和語音合成三個部分。程序如圖2所示。

圖2 “語音翻譯機”APP程序模塊 圖2 “語音翻譯機”APP程序模塊

語音識別部分：當按鈕被點擊后，調(diào)用手機中的語音識別器來識別語音。在識別完成后，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別結(jié)果后，立即調(diào)用翻譯模塊，將原文進行“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。

語音合成部分：最后調(diào)用文本語音轉(zhuǎn)換器來朗讀譯文。該組件可以朗讀多國語言，設置組件語言為“en”代表使用英語進行文本朗讀。

第四階段：案例拓展，成果展示。

學生可以在原有的將漢語翻譯成英語的基礎上，擴展功能，實現(xiàn)將英語翻譯成漢語的功能，并添加更多語種，實現(xiàn)多語種之間的互譯。

此外，利用語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)，學生還可以創(chuàng)作各種富有創(chuàng)意的移動應用程序，如語音猜數(shù)字、語音計算器、變聲器等。這些應用程序可以進一步提升學生的創(chuàng)造力和實踐能力。在完成作品后，學生可以進行成果展示和學習交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗。

2.圖像識別教學案例——“水果分類器”APP

（1）案例介紹

圖像識別是人工智能的重要組成部分，用于處理、分析和理解圖像。在這個案例中，我們將以水果分類為例，創(chuàng)建一個能自動識別和分類各種水果的移動應用程序，同時提供水果的營養(yǎng)價值信息。該應用程序類似于識花君、植物識別等軟件，通過基于機器學習的圖像分類技術(shù)，根據(jù)用戶拍攝的水果圖像進行自動分類和營養(yǎng)價值提示。

（2）實施過程

第一階段：創(chuàng)設情境，明確任務。教師可以創(chuàng)設情境，如在水果市場購物時，需要了解各種水果的營養(yǎng)價值。學生可以使用手機攝像頭對準水果，通過應用程序自動識別水果的種類，并顯示出相應的營養(yǎng)價值。學生可以先體驗“識花君”APP，嘗試識別不同類型的花朵。

第二階段：理解原理，確定方案。

引導學生了解機器學習的原理。機器學習是指機器模擬人類學習，不斷提高自身完成特定任務的能力，是實現(xiàn)人工智能的方式之一。圖像分類是機器學習的一個非常重要的組成部分，如自動駕駛汽車需要即時對所見圖像進行分類，如行人、交通信號燈等。

創(chuàng)建機器學習程序的一種方法是訓練它們進行圖像分類。例如，如果想讓程序分辨一個圖像是貓還是狗，可以給它很多貓和狗的圖像，標記為貓和狗。通過足夠的例子，該程序?qū)⒈挥柧殹爸馈笔裁搭愋偷膱D像是狗，什么類型的圖片是貓。讓學生將人類的學習過程遷移至“讓計算機學會學習”，利用實驗和已有經(jīng)驗理解并抽象出機器學習的一般過程。

第三階段：合作探究，解決問題。

學生組成小組，使用App Inventor的圖片分類系統(tǒng)，為每個水果類別創(chuàng)建標簽，如蘋果、香蕉、生梨、橘子、柚子等。學生可以上傳各種水果的圖像示例，并進行模型訓練和測試。小組成員可以輪流擔任訓練和測試的角色，通過觀察測試結(jié)果，不斷調(diào)整和優(yōu)化模型，直到對測試結(jié)果滿意，導出模型文件。具體如圖3所示。

圖3 訓練模型

在App Inventor中，學生可以根據(jù)樣例程序，設計應用程序界面，添加WebViewer組件和一個“開始識別”按鈕，并在按鈕的下方，插入兩個標簽，一個用于顯示水果名稱，另一個用于顯示水果介紹。

為了實現(xiàn)圖像識別的功能，學生需要下載App Inventor拓展庫中的“Personal Image Classifier.aix”外部拓展組件，并導入到項目中，然后將之前訓練好的模型文件（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組件設計

學生可以思考并編寫程序：當“開始識別”按鈕被點擊時，啟動圖片分類功能。當?shù)玫椒诸惤Y(jié)果后，設置水果名稱標簽的文本為結(jié)果的第一項，即置信度最高的水果。同時，通過字典變量查詢該水果對應的營養(yǎng)價值，并將結(jié)果顯示在水果介紹標簽中。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。

學生可以進一步拓展應用程序功能，如添加更多的水果類型，實現(xiàn)語音朗讀功能，提供雙語顯示等。此外，還可以引導學生思考圖像分類技術(shù)在生活中的其他用途，如表情識別、口罩識別、手勢識別、課堂考勤機等創(chuàng)意的移動應用程序。在完成作品后，學生可以進行成果展示和學習交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗。

3.生成式人工智能教學案例——“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)，旨在通過學習和理解數(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)建一個能夠根據(jù)用戶輸入的文字生成相應圖像的移動應用程序。

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，應用程序?qū)⒏鶕?jù)這些描述生成相應的圖像。通過這個應用程序，學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）實施過程

第一階段：創(chuàng)設情境，明確任務。

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

第二階段：理解原理，確定方案。

引導學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學習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。學生可以了解其基本原理和訓練過程，理解如何將其應用于文字生成圖像。

第三階段：合作探究，解決問題。

學生可以分組合作，在應用程序中添加文本輸入框、2個按鈕和圖像顯示組件。同時，還需要添加語音識別器和ImageBot組件。ImageBot是一個使用DALL-E 2來創(chuàng)建和編輯圖像的不可見組件，如圖7所示。

圖7 “你說我畫”APP組件設計 圖7 “你說我畫”APP組件設計

在邏輯功能設計過程中，學生可以將程序功能分為文字輸入、語音輸入和圖像顯示三個部分（如圖8）。

圖8 “你說我畫”APP程序編程模塊

文字輸入部分：當按鈕被點擊后，ImageBot讀取文本輸入框中的文字。

語音輸入部分：當按鈕被點擊后，先使用語音識別器識別聲音，識別完成后，將結(jié)果顯示在文本輸入框中，ImageBot再讀取識別的文字。

圖像顯示部分：當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。

學生可以進一步拓展應用程序的功能，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，學生可以進行成果展示和學習交流，分享彼此的創(chuàng)意和經(jīng)驗。

結(jié)語

利用App Inventor來開發(fā)與人工智能有關(guān)的移動應用軟件，因為采用了模塊化的方法，符合中小學生的認知發(fā)展規(guī)律，而模塊封裝的利用，降低了對知識領(lǐng)會的難度，激發(fā)了學生的創(chuàng)作積極性。

開展基于App Inventor的人工智能移動終端編程項目課程的設計與實踐，可以為學生提供一個全面的學習平臺，幫助他們掌握人工智能技術(shù)和移動應用開發(fā)的技能，培養(yǎng)他們的計算思維和創(chuàng)新意識。

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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《中國信息技術(shù)教育》2024年第02期

引用請注明參考文獻：

丁力民.基于App Inventor的人工智能移動終端編程項目課程設計與實踐.[J].中國信息技術(shù)教育，2024（02）：78-82.

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