智能語音學習機器人設計

設計依據

當下是一個“程序驅動”數字化工具滲透到人們生活、學習和工作等方方面面的時代，信息技術成為重構社會生產關系和生產力的關鍵技術，引發人工智能的迅猛發展。本項目希望通過智能語音學習機器人的設計與制作，讓學生體驗人工智能的魅力，理解人工智能的內涵及意義，培養學生合作、創新、計算思維等核心素養。

課例特色

本項目經歷項目框架設計—外形設計—硬件搭建—軟件配置—調試展示，最終制作出一個學生自己喜歡的智能語音學習機器人。項目的綜合性很強，需要利用3D設計軟件和3D打印機設計并制作產品外殼及底板，這需要美術、科學、數學、信息技術學科的相關知識；同時還要運用Arduino Uno主控板、語音識別模塊、舵機等設計出語音對話功能和語音控制功能，讓學生體會深度學習的意義，這需要數學、信息技術學科的知識和技能。

整個活動采用項目化學習方式，體現創客教育和STEAM教育的精髓，讓學生在項目過程中提高動手能力、動腦能力和創新能力，培養其合作意識，努力提升其信息技術核心素養。

內容呈現

一、創意來源

人工智能已經來臨，你心目中的人工智能是什么？你覺得人工智能的特征是什么？你想擁有的人工智能設備是什么樣的？學生通過思考討論得出：擁有獨特外形，可以跟它對話，可以控制它的行動，可以讓它成為自己學習的伙伴……

教師歸納總結：這就是一款智能語音學習機器人，想不想親手制作出來？這樣學生的學習制作興趣和動力被激發，從而愿意投入精力去體會、領略人工智能的魅力和樂趣。

二、框架及特征規劃

智能語音學習機器人的設計和制作是一個典型的將科學、技術、工程、數學、藝術等學科綜合運用的STEAM課程。教師引導學生討論得出，這個項目可分為外在框架和內在框架兩部分：外在框架包含機器人的外形和底板設置；內在框架包含硬件搭配和軟件配置。在框架分析后，總結出機器人所具有的特征：1.擁有自己喜歡的外形——小黃人；2.可以語音對話；3.可以語音控制行走；4.具有學習功能。

三、項目制作實踐

1.策劃分組 根據框架建構規劃，教師和學生分為三組：A組為外形框架設計組，負責使用3D設計軟件設計出小黃人外殼和底板，并通過3D打印機打印出成品，主要涉及美術、科學、數學、信息技術學科；B組為內在框架設計組，負責實現語音對話和語音控制機器人行走功能，主要涉及電子硬件、編程技術方面；C組為技術指導組，由美術、數學、科學、信息技術等教師組建而成，全程指導項目進行。

2.硬件準備 A、B兩組根據分工，與指導組一起，依據對應實現功能，準備好所需工具和材料。通過投票，大家選擇了“小黃人”作為外形，A組選擇使用3DOne軟件進行3D設計，利用3D打印機打印成品；B組需要準備Arduino Uno主控板及擴展板、語音控制模塊、舵機、萬向輪等。

3.外形及底板設計制作 這個環節前半部分由美術教師和科學教師負責，指導學生實現外形設計并保證其平衡性，后半部分由信息技術教師負責，指導學生利用3D設計軟件將其設計并打印出來。

美術教師先讓學生觀察小黃人的圖片或實物，在紙上進行構圖，并結合B組購買的材料大小，確定小黃人的內徑尺寸，在此基礎上將小黃人身體、頭部、眼睛、頭發部分按尺寸數據畫在稿紙上。然后在科學教師的指導下，根據主控板及擴展板、語音控制模塊、舵機、萬向輪的大小和重量，設計出底板的孔位和裝置安裝的位置，要求數據精確到毫米。

按照設計的數據，再由信息技術教師指導，運用3D設計軟件進行三維模型設計，然后根據3D打印機所能打印的尺寸進行分割。該環節進行時由于任務量大，把A組又分成了三組，分別負責身體和頭部、眼睛、底板的制作，制作好之后再進行合成打印。（如圖1、圖2）

4.智能系統構建

（1）理解制作原理

結合購買的硬件，教師指導學生理解并畫出硬件系統的原理圖（如圖3）。

通過理解原理圖，熟悉整個硬件搭建的線路，然后熟悉各個硬件連接之間引腳的名稱和功能。

（2）設計語音命令和語音庫

學生通過自學語音控制模塊軟件說明，自己設計語音命令和語音庫。（如圖4）

（3）編制智能控制程序

由于使用了語音控制模塊，不能使用ArduBlock進行積木化編程，只能直接使用C語言進行編程，這給項目增加了難度，同時也充滿了挑戰。教師先講解前進命令的設置代碼，如果變量val（語音控制模塊通過串口傳輸的數據）等于1，那么分別給D9、D10端口賦值180和0，使左輪全速逆時針轉動，右輪全速順時針轉動，實現機器人前進。通過觸類旁通的方法，學生很快研究出了后退及其他的控制代碼（如表1）。

通過此次訓練，代碼在學生面前不再是冰冷的字母，而是充滿了樂趣和生命力。

（4）智能控制子系統測試

對智能控制子系統進行整體測試，檢測是否存在bug，并進行修復完善。

四、總裝測試展示

A、B兩組將設計的小黃人外殼、機器人底板和智能控制系統進行總裝（如圖5），然后運行整個系統，測試其各項性能，并向專家、教師、同學進行展示，與機器人聊天，實現語音控制其前進、后退、轉彎以及部分學習功能。

實踐反思

通過項目的實施和學習，在科學、工程、數學、藝術等學科知識的綜合運用中，學生初步掌握了STEAM的創作方法，從外形設計、內部智能系統的搭建等方面完成項目，培養了其想象力、創造力，提升了小組間的合作表達能力。

拓展提升

1.分析整個硬件系統，分析智能控制部分還可以增加哪些功能。

2.思考現有的硬件系統，除了智能機器人的制作，還可以應用在哪些場景中。

3.初步感知人工智能的含義和魅力，暢想一下自己對人工智能的想法和展望。

教學點評

本課從學生的興趣入手，引導學生在玩中學，做中學，充分展現了STEAM教育的魅力，學生從中親身體會到人工智能的理念，感悟到項目化學習課程的樂趣與智慧。

整個項目以學生為中心，注重小組合作交流，讓學生自己發現問題、思考問題、解決問題，培養了學生的創新意識、合作能力等信息技術核心素養，這樣的項目值得我們去研究和推廣學習。（點評人：孫偉，江蘇省南通市教育科學研究院信息技術教研員）