基于離線語音技術(shù)的花燈設(shè)計

葛雷

山東省濟(jì)南第九中學(xué)信息科技教師，濟(jì)南市電化教育館創(chuàng)客專家?guī)斐蓡T。曾受邀擔(dān)任全國第四屆、第五屆青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽評審專家，指導(dǎo)學(xué)生參加全國青少年信息學(xué)奧林匹克競賽獲省級三等獎，指導(dǎo)學(xué)生參加全國青少年科技教育成果展示大賽，個人獲評國家級、省級優(yōu)秀指導(dǎo)教師。

逄銀雪

山東省濟(jì)南第九中學(xué)教師，曾獲得濟(jì)南市青年教師素質(zhì)大賽一等獎，獲得濟(jì)南第九中學(xué)“優(yōu)秀班主任”榮譽(yù)和“優(yōu)秀共產(chǎn)黨員”稱號，指導(dǎo)學(xué)生獲省級競賽一等獎。

項(xiàng)目背景

鬧花燈、看花燈是濟(jì)南過元宵節(jié)的一大特色。在濟(jì)南趵突泉公園，作為當(dāng)?shù)?0多年的傳統(tǒng)民俗活動，今年的趵突泉迎春花燈會將龍元素、泉文化、古詩詞以及傳統(tǒng)宮燈等民間傳統(tǒng)文化元素巧妙融入燈會創(chuàng)作，并運(yùn)用現(xiàn)代燈光和機(jī)械技術(shù)，讓我們在新潮中感受中國文化的博大精深。但花燈雖美，互動性略顯單調(diào)。本次案例中，學(xué)生們嘗試將人工智能技術(shù)融入花燈制作中，讓先進(jìn)科技與傳統(tǒng)文化碰撞出新的火花。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，學(xué)生們引入常見的開源硬件和語音技術(shù)模塊，制作這款基于離線語音技術(shù)的花燈（以下簡稱“智能燈籠”）。

教學(xué)目標(biāo)

計算思維 學(xué)生學(xué)習(xí)如何使用語音技術(shù)來控制燈籠的開關(guān)、顏色變化和閃爍模式等，理解計算機(jī)如何處理信息，培養(yǎng)自身的邏輯思維和問題解決能力。通過實(shí)際動手操作，學(xué)生能夠更深入地理解計算思維的核心概念，如分解問題、模式識別和抽象化。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新 數(shù)字化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)利用數(shù)字技術(shù)和工具來增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在智能燈籠項(xiàng)目中，學(xué)生學(xué)會使用一些數(shù)字工具對智能燈籠進(jìn)行設(shè)計、模擬和測試。例如，利用LaserMaker軟件設(shè)計智能燈籠的外觀，運(yùn)用Mind+編程軟件進(jìn)行語音控制程序的編寫和調(diào)試。教師鼓勵學(xué)生在設(shè)計過程中提出獨(dú)特的創(chuàng)意，例如結(jié)合不同的燈光效果編寫不同的語音指令，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力。

信息意識、信息社會責(zé)任 隨著數(shù)字化時代的到來，信息意識和信息社會責(zé)任變得尤為重要。教師要引導(dǎo)學(xué)生了解花燈的歷史、文化和制作工藝，討論與信息技術(shù)相關(guān)的倫理和社會責(zé)任問題，如合理使用圖像的知識版權(quán)。通過對語音技術(shù)和智能設(shè)備的深入了解，學(xué)生能夠認(rèn)識到在設(shè)計和使用這些技術(shù)時所需承擔(dān)的責(zé)任，增強(qiáng)信息社會中的公民意識、團(tuán)隊合作精神和創(chuàng)新意識，增強(qiáng)對傳統(tǒng)文化的認(rèn)同感。此外，學(xué)生還可以小組探討如何在智能燈籠的設(shè)計過程中體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念，如節(jié)能減排等。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 1.了解花燈的起源、發(fā)展及其在重要節(jié)日中的作用；討論不同地區(qū)花燈的特色和風(fēng)格；學(xué)習(xí)和掌握離線語音技術(shù)。2.掌握開源硬件和分支結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，體驗(yàn)簡單的離線語音識別示例。3.選擇材料（如紙張、LED燈帶、傳感器等）設(shè)計花燈的外觀且動手制作花燈，學(xué)會融合傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代技術(shù)。

教學(xué)難點(diǎn) 1.了解離線語音技術(shù)的原理、開源硬件的應(yīng)用。2.合理利用分支結(jié)構(gòu)編寫代碼。

教學(xué)準(zhǔn)備

安裝準(zhǔn)備 提前在機(jī)房安裝LaserMaker和Mind+2.0軟件。

設(shè)備配置 每個學(xué)生小組配置DFRduino UNO R3（含USB線和傳感器擴(kuò)展板）×1、WS2812 RGB 全彩燈帶（7燈珠）×1、Gravity：中英文語音合成模塊V2.0×1、Gravity：語音識別模塊-I2C amp; UART×1、5號6節(jié)電池盒帶插頭+6節(jié)電池×1；激光切割件一套、風(fēng)景圖片4張、激光切割機(jī)一臺。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

教師播放有關(guān)花燈的歷史、文化和制作工藝的相關(guān)視頻，講解花燈設(shè)計過程，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的人工智能技術(shù)來升級花燈。

學(xué)生討論認(rèn)為可用離線語音技術(shù)實(shí)現(xiàn)花燈的升級改造。教師展示簡單的離線語音識別花燈實(shí)物作為參考樣例，讓學(xué)生了解教學(xué)目標(biāo)。

二、器材介紹

DFRduino UNO R3主控板（如圖1）和WS2812 RGB燈帶（如圖2）普及率高、兼容性好、價格經(jīng)濟(jì)，是教學(xué)配置首選。離線語音識別模塊（如圖3）可以避免網(wǎng)絡(luò)不通暢的問題，適合特定場景或機(jī)房教學(xué)使用。離線語音識別模塊采用了全新的語音識別芯片，內(nèi)置135條常用的固定命令詞條，新增命令詞條自學(xué)習(xí)功能，自學(xué)習(xí)的命令詞條可以不是一段語音，而是一段口哨、一個響指、一聲貓叫等，采用雙麥克風(fēng)收音從而有更好的抗噪聲能力和更遠(yuǎn)的識別距離。離線語音合成模塊（如圖4）支持中英文語言，可播報當(dāng)前時間以及環(huán)境數(shù)據(jù)，與離線語音識別模塊結(jié)合可實(shí)現(xiàn)語音對話。

三、連接硬件，調(diào)試代碼

1.學(xué)生使用Mind+編程軟件進(jìn)行編程，利用順序結(jié)構(gòu)初始化WS2812 RGB燈帶及相關(guān)模塊。（如圖5）

2.主程序部分采用循環(huán)結(jié)構(gòu)做總框架，循環(huán)體內(nèi)部合理地使用“如果……那么……”語句執(zhí)行循環(huán)結(jié)構(gòu)的分支結(jié)構(gòu)語句，實(shí)現(xiàn)語音命令判斷功能。（如圖6）

3.主控板器材連接如圖7所示，學(xué)生需要依次連接語音識別模塊、語音合成模塊、燈帶，上傳代碼測試效果。

四、制作并組裝外殼

學(xué)生利用LaserMaker軟件自主設(shè)計智能燈籠的外形，用激光切割機(jī)切割材料，搭建智能燈籠的主體，并將準(zhǔn)備好的4張風(fēng)景圖片粘貼在智慧燈籠上，最后安裝燈帶，粘貼聲音傳感器，組裝外殼。（如圖8）

五、課堂評估

過程評估：教師觀察學(xué)生在小組合作、設(shè)計和制作過程中的參與度和表現(xiàn)，給每個人打分。

成果評估：各小組展示智能燈籠作品，演示語音控制效果。教師評估每組智能燈籠的創(chuàng)意、功能實(shí)現(xiàn)和制作質(zhì)量。各學(xué)習(xí)小組之間進(jìn)行互評，提出對方值得借鑒和不足的地方，并提出改進(jìn)意見。

課程反思

在基于離線語音技術(shù)的花燈設(shè)計中，學(xué)生們嘗試將離線語音技術(shù)融入花燈的制作中，使花燈不僅僅成為觀賞品，更成為具有互動性和趣味性的智能設(shè)備。我們可以通過語音指令控制花燈的開和關(guān)、顏色變換等，增加花燈的實(shí)用性，提升觀眾的參與感和體驗(yàn)感，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)文化的現(xiàn)代化表達(dá)和創(chuàng)新。

這次基于離線語音技術(shù)的花燈制作是一次將文化傳承與人工智能技術(shù)相融合的教育活動。通過本次教學(xué)實(shí)踐活動，學(xué)生可以深入了解花燈文化的歷史淵源和制作工藝，同時學(xué)習(xí)離線語音技術(shù)的相關(guān)知識。這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。