人工智能實(shí)驗(yàn)：基于掌控板語(yǔ)音控制課例設(shè)計(jì)

于愷 于方軍

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)常用的有兩種方式，一種是基于本地語(yǔ)音模型庫(kù)識(shí)別模式，另一種是基于云語(yǔ)音模型庫(kù)識(shí)別模式。本地語(yǔ)音模型首先要建立模型庫(kù)，模型庫(kù)的建立需要大量的語(yǔ)音訓(xùn)練積累，通過(guò)采樣生成音頻文件，對(duì)比本地模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，這個(gè)過(guò)程需要學(xué)生了解語(yǔ)音信號(hào)的提取、聲學(xué)模型、隱馬爾科夫（HMM）模型等專業(yè)知識(shí)。為了能更好更快地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別效果，在課程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用基于云語(yǔ)音模型庫(kù)識(shí)別模式。

語(yǔ)音識(shí)別需要使用麥克風(fēng)采集聲音。掌控板的主控板帶有麥克風(fēng)模塊，可以錄音并保存在內(nèi)存，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音的獲取，它還帶有WI-FI無(wú)線模塊，無(wú)線聯(lián)網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的云識(shí)別。掌控板的OLED屏能夠顯示云識(shí)別的信息和內(nèi)容，且?guī)в?個(gè)三色LED燈，可以控制燈的開(kāi)啟及顏色變化。該項(xiàng)目針對(duì)四年級(jí)小學(xué)生，所以采用學(xué)生易懂的mPython圖形化編程軟件完成。教學(xué)框架如圖1所示。

● 體驗(yàn)項(xiàng)目，明確制作目標(biāo)

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)中應(yīng)用最廣的當(dāng)屬手機(jī)語(yǔ)音助手，通過(guò)使用語(yǔ)音助手方便了手機(jī)信息的獲取和操作。教學(xué)中，教師可以先引導(dǎo)學(xué)生例舉生活中語(yǔ)音助手的名字，如Siri、天貓精靈、小愛(ài)同學(xué)等。接著，使用智能音箱控制燈泡的開(kāi)啟關(guān)閉及變色，讓學(xué)生總結(jié)出智能音箱語(yǔ)音識(shí)別的工作過(guò)程：智能音箱聽(tīng)到語(yǔ)音→獲取語(yǔ)音→對(duì)獲取的語(yǔ)音進(jìn)行分析→語(yǔ)音內(nèi)容為“開(kāi)燈”或“關(guān)燈”→控制開(kāi)啟和關(guān)閉燈。通過(guò)體驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生知道語(yǔ)音控制燈開(kāi)啟和關(guān)閉的工作流程。

● 問(wèn)題引導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施

1.確定語(yǔ)音獲取方式

語(yǔ)音識(shí)別面臨的第一個(gè)問(wèn)題是掌控板如何能夠獲取到人的語(yǔ)音？學(xué)生經(jīng)常使用即時(shí)軟件進(jìn)行溝通，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)發(fā)送語(yǔ)音使得信息溝通更加高效。即時(shí)通信工具需要按住一個(gè)按鈕進(jìn)行錄音，錄音結(jié)束后發(fā)送給他人，他人聽(tīng)取錄音，然后再反饋。云識(shí)別語(yǔ)音信息的方式與此相同，即運(yùn)用掌控板的麥克風(fēng)模塊進(jìn)行錄音，將錄音內(nèi)容上傳到語(yǔ)音識(shí)別平臺(tái)。針對(duì)錄音方式學(xué)生討論出來(lái)有兩種方案，一種是掌控板一直錄音，另一種是和即時(shí)通信工具一樣設(shè)置錄音按鈕，按鈕按下開(kāi)始錄音，設(shè)定錄音時(shí)間。綜合討論兩種方案，學(xué)生選擇了第二種方案，原因是：第一種方案一直錄音，無(wú)法生成錄音文件上傳到云語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)器;第二種方案可以生成錄音片段上傳到云識(shí)別服務(wù)器，使用按下掌控板A按鈕開(kāi)始錄音，語(yǔ)音命令需要錄音時(shí)間較短，錄制2秒即可。

2.確定識(shí)別的方式

人類能進(jìn)行聽(tīng)說(shuō)交流是因?yàn)槿嗽谟變簳r(shí)通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)及模仿掌握了語(yǔ)言的發(fā)音及含義，掌控板如何理解語(yǔ)言的意思呢？學(xué)生討論出兩種識(shí)別方式的方案：一種是讓掌控板學(xué)習(xí)人類的語(yǔ)言掌握語(yǔ)言的發(fā)音，并能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別;另一種是讓掌控板借助網(wǎng)絡(luò)的力量，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別。經(jīng)過(guò)討論后學(xué)生明確，第一種方案需要?jiǎng)?chuàng)建龐大的語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，另外掌控板要分析語(yǔ)音，就需要有高性能的處理能力，掌控板無(wú)法滿足要求。第二種方案需要聯(lián)網(wǎng)和云語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)，掌控板能夠連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，mPython中自帶語(yǔ)音識(shí)別API，所以能夠?qū)崿F(xiàn)云識(shí)別語(yǔ)音。綜上所述，識(shí)別方式采用云識(shí)別方式。

3.確定語(yǔ)音命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED控制

云識(shí)別的語(yǔ)音如何控制LED的開(kāi)啟和關(guān)閉？學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了條件語(yǔ)句的使用，只需要將識(shí)別的語(yǔ)言內(nèi)容進(jìn)行條件判斷，如果滿足條件就執(zhí)行命令，如果不滿足條件就不執(zhí)行。要想查看語(yǔ)音識(shí)別的命令是否準(zhǔn)確，就要將云識(shí)別語(yǔ)音識(shí)別后的文字顯示在OLED屏幕，方便程序測(cè)試和查找問(wèn)題。

4.繪制流程圖，規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施（如上頁(yè)圖2）

5.編程測(cè)試，完成項(xiàng)目制作

在程序測(cè)試過(guò)程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)語(yǔ)音控制燈源項(xiàng)目（如上頁(yè)圖3）有很多地方需要改進(jìn)，如語(yǔ)音錄音時(shí)間沒(méi)有提示，容易造成識(shí)別失敗。因此，學(xué)生設(shè)計(jì)了開(kāi)機(jī)提示——按A鍵開(kāi)始識(shí)別，A鍵按下后屏幕顯示開(kāi)始錄音，2秒后提示識(shí)別結(jié)果，并提醒使用者再按A鍵開(kāi)始語(yǔ)音識(shí)別。整個(gè)過(guò)程是學(xué)生作為使用者的思考，程序要等待聯(lián)網(wǎng)后才能夠進(jìn)行識(shí)別操作，所以這里可以設(shè)置一個(gè)提示，提示設(shè)備已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)成功，可以進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，屏幕顯示按A鍵開(kāi)始識(shí)別（如圖4）。識(shí)別完成后，語(yǔ)音滿足條件就可以完成操作，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中的思考模式與自身思考模式是相同的，引發(fā)了對(duì)人工智能的思考。

● 發(fā)散學(xué)生思維，創(chuàng)新語(yǔ)音識(shí)別使用

本課主要是講解語(yǔ)音控制機(jī)器的執(zhí)行設(shè)備，通過(guò)語(yǔ)音控制LED燈的開(kāi)啟和關(guān)閉，并擴(kuò)展到機(jī)器能夠聽(tīng)懂人類的語(yǔ)言，根據(jù)語(yǔ)音完成指令。本課教學(xué)結(jié)束前，教師可讓學(xué)生在原有項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)多條命令語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制。學(xué)生們知道RGB的LED燈是可以變色的，嘗試增加“黃色”“綠色”“藍(lán)色”等語(yǔ)言判斷條件控制燈的顏色變化。每個(gè)項(xiàng)目組可以創(chuàng)新1～2個(gè)點(diǎn)，然后展示自己的項(xiàng)目成果，進(jìn)而增強(qiáng)各個(gè)項(xiàng)目組之間的反饋交流。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生們分享了成功的喜悅，也分享項(xiàng)目中的困惑，大家在思維碰撞中加深對(duì)程序算法的探究。未來(lái)，學(xué)生若想創(chuàng)造更加智能的語(yǔ)音識(shí)別工具，就會(huì)嘗試編寫更加復(fù)雜的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工智能應(yīng)用更深入的探究。

● 項(xiàng)目總結(jié)

本節(jié)課的教學(xué)采用了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制燈的探究過(guò)程，通過(guò)實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)、完成項(xiàng)目制作、改進(jìn)項(xiàng)目作品這個(gè)過(guò)程，幫助學(xué)生掌握了語(yǔ)音識(shí)別功能的云識(shí)別語(yǔ)音功能，讓學(xué)生對(duì)語(yǔ)音助手的工作原理有了一定的了解。

在此過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)最大的問(wèn)題是語(yǔ)音命令提取不準(zhǔn)確，在語(yǔ)音識(shí)別授課中會(huì)受到外界環(huán)境的影響，如果同時(shí)有多名學(xué)生在測(cè)試語(yǔ)音識(shí)別，或環(huán)境噪音嘈雜，就會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音識(shí)別精度降低，甚至不能識(shí)別相應(yīng)的語(yǔ)音。問(wèn)題的產(chǎn)生必然會(huì)引起學(xué)生進(jìn)一步的深度思考，且做出的作品也會(huì)更加完美、實(shí)用。另外，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考在語(yǔ)音身份識(shí)別中，機(jī)器如何只聽(tīng)從特定人員的命令或者設(shè)定者的命令，且語(yǔ)音反饋更加人性化？

本論文為淄博市教育科學(xué)規(guī)劃2020年度“基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的小學(xué)AI校本課程開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究”課題（課題批準(zhǔn)號(hào)：2020ZJY017）成果。