在計(jì)算思維教育中應(yīng)用人工智能模塊的研究

張芳菲

摘要：本文基于圖形化編程軟件開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，從人工智能的語(yǔ)音交互方面設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過(guò)人工智能模塊，了解和認(rèn)識(shí)編程與人工智能在解決問題過(guò)程中的作用和在生活中的價(jià)值。同時(shí)，將語(yǔ)音助手項(xiàng)目拆解成文字朗讀、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音交互三個(gè)任務(wù)，形成任務(wù)模式，進(jìn)階式打造項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的高階思維，探討在人工智能學(xué)習(xí)中如何對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維的提升。

關(guān)鍵詞：圖形化編程;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);計(jì)算思維;人工智能;語(yǔ)音交互

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）05-0013-03

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是人工智能學(xué)習(xí)中常見的學(xué)習(xí)方式。通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，可以有效聚焦人工智能的某個(gè)研究方向，如圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、聲音識(shí)別等。計(jì)算思維可以讓生活中復(fù)雜的問題按照分析、抽象、模式、識(shí)別的步驟拆解完成，保證問題解決策略的優(yōu)化。這是解決問題的需要，也是提高工作效率和質(zhì)量的需要，更是人們提升幸福感的需要。

● 人工智能語(yǔ)音項(xiàng)目：語(yǔ)音助手

根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況和教材內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了人工智能語(yǔ)音項(xiàng)目——語(yǔ)音助手，希望借助此項(xiàng)目探究人工智能模塊在計(jì)算思維教育中的應(yīng)用。

項(xiàng)目目的：以人工智能中語(yǔ)音交互的應(yīng)用，完成程序設(shè)計(jì)作品“語(yǔ)音助手”。在項(xiàng)目開展過(guò)程中逐步理解語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音交互的基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。認(rèn)識(shí)編程、BaiduAI擴(kuò)展模塊、翻譯擴(kuò)展模塊在解決問題過(guò)程中的作用和在生活中的價(jià)值，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中提升計(jì)算思維。

項(xiàng)目流程：①設(shè)計(jì)思考，運(yùn)用圖形化編程軟件設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)基本語(yǔ)音交互功能的軟件作品。②制作作品，運(yùn)用圖形化編程軟件制作常見的語(yǔ)音助手程序，認(rèn)識(shí)并運(yùn)用語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)音交互。③改進(jìn)優(yōu)化，提出實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的新方法、新功能，完善作品并交流。④交流分享，開展作品交流與評(píng)價(jià)。

在完成本項(xiàng)目后，提交項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果（包括思維導(dǎo)圖、算法流程圖、項(xiàng)目學(xué)習(xí)記錄單等）。開展作品交流與評(píng)價(jià)，體驗(yàn)小組合作、項(xiàng)目學(xué)習(xí)和知識(shí)分享的過(guò)程。

1.文字朗讀（語(yǔ)音合成）

文字朗讀，是將計(jì)算機(jī)自己產(chǎn)生的或外部輸入的文字信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢月牭枚牧骼目谡Z(yǔ)輸出的技術(shù)。在日常生活中，如排隊(duì)叫號(hào)、車站播報(bào)、高鐵報(bào)站等，都是以文字朗讀為技術(shù)底層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。

（1）體驗(yàn)探索

在BaiduAI擴(kuò)展模塊中，找到tts人物控件和tts文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音控件（如下頁(yè)圖），這兩個(gè)控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文字的朗讀功能，其中tts人物控件還可以選擇不同的人物，即人物的聲音形象會(huì)不一樣。

（2）項(xiàng)目情境

選一個(gè)tts人物作為虛擬的你，想一段文字自我介紹，讓虛擬的你在舞臺(tái)上做個(gè)自我介紹吧！

同時(shí)，筆者設(shè)計(jì)相應(yīng)的問題：①tts人物控件和tts文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音控件，除了直接將文字內(nèi)容填空，還可以結(jié)合哪些模塊、哪些控件做出其他文字朗讀體驗(yàn)?zāi)兀竣谠谑褂胻ts人物控件和tts文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音控件實(shí)現(xiàn)文字朗讀的過(guò)程中，遇到了哪些問題？解決了嗎？如何解決的？③在BaiduAI擴(kuò)展模塊中，提供語(yǔ)音功能的控件有很多，除tts人物控件和tts文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音控件之外的其他控件可以做什么？

問題能激發(fā)學(xué)生對(duì)已有知識(shí)的遷移和對(duì)項(xiàng)目的拓展，同時(shí)思考解決拓展任務(wù)的策略;通過(guò)回顧分析任務(wù)實(shí)施過(guò)程中遇到的問題，幫助學(xué)生梳理總結(jié)，在分享討論中優(yōu)化解決問題的辦法和策略，為語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音交互任務(wù)做鋪墊。

2.語(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別就是讓機(jī)器通過(guò)識(shí)別和理解過(guò)程把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)主要包括特征提取技術(shù)、模式匹配準(zhǔn)則及模型訓(xùn)練技術(shù)三個(gè)方面。麥克風(fēng)將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電腦將電信號(hào)儲(chǔ)存為音頻文件，將其數(shù)字化。機(jī)器再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)行特征提取，根據(jù)語(yǔ)言模型進(jìn)行匹配，最后“聽懂”這句話的意思。

（1）體驗(yàn)探索

在BaiduAI擴(kuò)展模塊中，找到聽候語(yǔ)音輸入控件、當(dāng)聽到控件、語(yǔ)音輸入控件，這三個(gè)控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入語(yǔ)音的識(shí)別功能，當(dāng)然使用者在通過(guò)麥克風(fēng)輸入語(yǔ)音時(shí)需要吐字清晰和音量適宜，這樣才能更精準(zhǔn)地識(shí)別輸入的語(yǔ)音。

（2）項(xiàng)目情境

對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)出口令，讓小貓聽從你的口令在舞臺(tái)上做相應(yīng)的動(dòng)作。例如，“翻跟頭”，小貓就原地旋轉(zhuǎn)一圈;“向左走”，小貓就向左邊移動(dòng)……

同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的問題：①使用當(dāng)聽到控件，除了直接將文字內(nèi)容填空，還可以結(jié)合哪些模塊哪些控件來(lái)做出其他語(yǔ)音識(shí)別體驗(yàn)?zāi)兀竣谑褂寐牶蛘Z(yǔ)音輸入控件、當(dāng)聽到控件、語(yǔ)音輸入控件來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程中，遇到了哪些問題？解決了嗎？如何解決的？③除了用口令指揮小貓做相應(yīng)的動(dòng)作，語(yǔ)音識(shí)別還可有哪些方式呈現(xiàn)在作品中？生活中已有的或希望有的語(yǔ)音識(shí)別是怎樣的？

通過(guò)這些問題，可以引導(dǎo)學(xué)生初步構(gòu)建項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的思維啟發(fā)模式，提升計(jì)算思維，逐漸拓寬學(xué)生對(duì)語(yǔ)音識(shí)別的實(shí)踐性認(rèn)知，為后續(xù)語(yǔ)音交互任務(wù)做思維上的準(zhǔn)備。

3.語(yǔ)音交互

語(yǔ)音交互是基于語(yǔ)音輸入的新一代交互模式，通過(guò)說(shuō)話就可以得到反饋結(jié)果。典型的應(yīng)用場(chǎng)景就是語(yǔ)音助手。語(yǔ)音交互往往融合了語(yǔ)音合成和語(yǔ)音識(shí)別功能，是一種綜合性的語(yǔ)音體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音形式上的人機(jī)對(duì)話。

（1）體驗(yàn)探索

在翻譯擴(kuò)展模塊中，有設(shè)置服務(wù)器控件、將文字譯為“英語(yǔ)”語(yǔ)言控件、訪客語(yǔ)言控件，這三個(gè)控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文字的翻譯功能，其中將文本譯為語(yǔ)言控件還可以選擇不同的語(yǔ)言，即實(shí)現(xiàn)多語(yǔ)言翻譯功能。

結(jié)合BaiduAI擴(kuò)展模塊中的tts文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音控件和語(yǔ)音輸入控件，可以實(shí)現(xiàn)使用者通過(guò)麥克風(fēng)語(yǔ)音輸入的內(nèi)容即時(shí)翻譯成指定語(yǔ)言，同時(shí)再由虛擬人物朗讀出來(lái)。

（2）項(xiàng)目情境

制作一個(gè)語(yǔ)音翻譯助手，對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)一句話，讓虛擬的你即時(shí)翻譯出你想要翻譯的任何一種語(yǔ)言，并由虛擬的你朗讀出來(lái)！

同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的問題：①使用將文字譯為語(yǔ)言控件，除了直接將文字內(nèi)容填空，還可以結(jié)合哪些模塊哪些控件來(lái)做出其他語(yǔ)音交互體驗(yàn)?zāi)兀竣谠谑褂迷O(shè)置服務(wù)器控件、將文字譯為××語(yǔ)言控件、訪客語(yǔ)言控件來(lái)實(shí)現(xiàn)文字朗讀的過(guò)程中，遇到了哪些問題？解決了嗎？如何解決的？③除了BaiduAI擴(kuò)展模塊和翻譯擴(kuò)展模塊做成的即時(shí)語(yǔ)音翻譯，仿照生活中的語(yǔ)音助手，或創(chuàng)造一個(gè)語(yǔ)音助手，還可以做哪些語(yǔ)音交互的語(yǔ)音助手呢？

通過(guò)這些問題，學(xué)生基本能建立項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中能優(yōu)化問題解決策略的思維模式，體現(xiàn)了計(jì)算思維的提升，同時(shí)，通過(guò)拓展語(yǔ)音交互任務(wù)，在分析、綜合、評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)造性的實(shí)踐和設(shè)計(jì)，形成完整的分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的高階思維。

4.活動(dòng)總結(jié)

結(jié)合自己的學(xué)習(xí)與理解，建立本項(xiàng)目知識(shí)之間的聯(lián)系，以思維導(dǎo)圖形式完成本項(xiàng)目的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

通過(guò)以上對(duì)語(yǔ)音助手項(xiàng)目的整體分析，將語(yǔ)音助手項(xiàng)目拆解成文字朗讀（語(yǔ)音合成）、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音交互三個(gè)任務(wù)，逐漸構(gòu)建分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的高階思維模式和行動(dòng)模式，進(jìn)階式打造項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的高階思維，幫助學(xué)生在人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中提升計(jì)算思維。

● 拓展人工智能模塊對(duì)計(jì)算思維的提升

人工智能模塊的用法有很多，學(xué)生除了可以利用“BaiduAI擴(kuò)展模塊”和“翻譯擴(kuò)展模塊”制作一個(gè)融合文字朗讀（語(yǔ)音合成）和語(yǔ)音識(shí)別的簡(jiǎn)單語(yǔ)音交互的翻譯語(yǔ)音助手外，還可以結(jié)合已學(xué)過(guò)的變量等知識(shí)來(lái)制作一個(gè)類似專家系統(tǒng)的語(yǔ)音庫(kù)型語(yǔ)音助手。它可以對(duì)存在于庫(kù)中的語(yǔ)音信息給出不同的反饋，即如果語(yǔ)音中包含了一些特定的詞匯，則被識(shí)別并給出反饋。以專家系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)分析專家系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能，甄別選擇可能會(huì)用到人工智能模塊中的哪些控件;通過(guò)綜合運(yùn)用已掌握的圖形化編程的知識(shí)基礎(chǔ)和思維基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的流程圖;通過(guò)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)的測(cè)試版本，解決出現(xiàn)的問題及優(yōu)化策略;通過(guò)創(chuàng)造功能完善的專家系統(tǒng)，不斷提升學(xué)生在人工智能模塊進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高階計(jì)算思維。

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本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡(luò)名師工作室、江蘇省“十四五”教育規(guī)劃課題“小學(xué)人工智能教育的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)體系建構(gòu)和實(shí)施策略研究”（編號(hào)：D/2021/2/148）階段性成果。

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