智能英語語音訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)研究

劉曉羽

一、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的建設(shè)背景

長期以來，因?yàn)槿狈δ刚Z環(huán)境，小學(xué)生英語表達(dá)能力相對(duì)較弱，啞巴英語的現(xiàn)象在一定范圍內(nèi)仍然存在。為此，2018年9月至12月，南京市電化教育館、南京市教研室借助鳳凰智能英語語音訓(xùn)練平臺(tái)，舉辦了南京市小學(xué)生“講故事—展風(fēng)采”英語素養(yǎng)展示活動(dòng)。本次活動(dòng)全程使用線上微信小程序，搭載人工智能語音評(píng)分引擎，并遴選優(yōu)秀教師研發(fā)語音訓(xùn)練內(nèi)容。在多方共同努力下，全市238213名學(xué)生參與其中，成功收集語音數(shù)據(jù)8177175條，不僅提升了南京市小學(xué)生的英語聽說能力，而且為南京市英語聽說學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析打下了基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步鞏固此次活動(dòng)的成效，擴(kuò)大活動(dòng)的影響力，促進(jìn)南京市小學(xué)生英語表達(dá)能力的提升，南京市電化教育館與教研室從2019年起，逐年開發(fā)涵蓋英語聽說讀寫四個(gè)方面的數(shù)字化資源，與教育教學(xué)部門長期合作，開展常態(tài)化的英語語音訓(xùn)練活動(dòng)。

二、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

語音訓(xùn)練平臺(tái)主要基于微信小程序，包含學(xué)生訓(xùn)練、教師查詢和后臺(tái)管理、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化服務(wù)三大功能模塊。為學(xué)生、教師、教育主管部門提供同步的數(shù)據(jù)分享服務(wù)以及學(xué)習(xí)過程性數(shù)據(jù)報(bào)告，使數(shù)據(jù)分析為英語學(xué)科教學(xué)服務(wù)真正落到實(shí)處。

平臺(tái)架構(gòu)（如下頁圖1所示）采用公有云與私有云結(jié)合的方式部署，將微信小程序作為入口，將練習(xí)資源發(fā)布到公有云上，使用CDN加速，保障學(xué)生在大量用戶同時(shí)請(qǐng)求的情況下能夠正常訪問；將分析功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及備份放在私有云上，為將來的“人人通”空間數(shù)據(jù)共享做準(zhǔn)備。

圖1 英語語音訓(xùn)練平臺(tái)架構(gòu)

語音引擎是整個(gè)平臺(tái)的關(guān)鍵。我們對(duì)多家公司的語音引擎進(jìn)行測(cè)試，最后選擇了微軟亞洲研究院開發(fā)的語音引擎和語音合成技術(shù)。借助人工智能技術(shù)，語音訓(xùn)練平臺(tái)能夠?yàn)榻處煿?jié)省更多的時(shí)間和精力，成為教師掌握學(xué)情的重要工具。

三、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過前期的招標(biāo)、開發(fā)和測(cè)試，2020年10月，微信小程序“英語藍(lán)鯨靈”正式上線，該公益項(xiàng)目為南京市小學(xué)三至六年級(jí)近22萬學(xué)生提供在線英語語音訓(xùn)練服務(wù)。在開通后的幾個(gè)月內(nèi)，一共采集了3萬名學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，初步研究學(xué)生線上語音訓(xùn)練的行為規(guī)律。

“英語藍(lán)鯨靈”微信小程序在南京市部分區(qū)試用，我們及時(shí)收集學(xué)生的訓(xùn)練反饋意見。學(xué)生進(jìn)入小程序后選擇訓(xùn)練章節(jié)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)推送本單元的訓(xùn)練內(nèi)容，學(xué)生可以依次完成五種題型訓(xùn)練，也可以隨時(shí)退出，以后再繼續(xù)練習(xí)。學(xué)生每完成一個(gè)訓(xùn)練內(nèi)容，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出分?jǐn)?shù)，也可以集中查看自己每個(gè)題型的練習(xí)成績。在整個(gè)訓(xùn)練過程中，系統(tǒng)采集了大量的學(xué)生學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)，比如：學(xué)生的登錄和退出時(shí)間、選擇了哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容、訓(xùn)練后語音引擎給出的分?jǐn)?shù)以及學(xué)生發(fā)音的錄音文件等。

四、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的使用情況

隨著平臺(tái)使用人數(shù)的增加，我們對(duì)平臺(tái)使用情況做了統(tǒng)計(jì)。通過數(shù)據(jù)分析，市教研室對(duì)全市學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和習(xí)慣有了初步了解。

1.樣本年級(jí)人數(shù)構(gòu)成。

以3萬名小學(xué)生作為樣本，并根據(jù)全市各年級(jí)學(xué)生使用“英語藍(lán)鯨靈”小程序人數(shù)的比例確定各年級(jí)樣本人數(shù)。同時(shí)確定樣本性別比例構(gòu)成：其中男性7420人，女性22580人，男女比例約為1：3。樣本性別數(shù)據(jù)來源于微信小程序官方授權(quán)信息，雖然小程序的使用者是學(xué)生，但小學(xué)生大多是借用家長的手機(jī)及微信號(hào)，因此，該數(shù)據(jù)反映的主要是家長的性別構(gòu)成。數(shù)據(jù)顯示，小學(xué)生的家庭中大多數(shù)是由母親負(fù)責(zé)督促和陪伴孩子進(jìn)行英語語音學(xué)習(xí)。

2.使用時(shí)長統(tǒng)計(jì)。

我們選取2020年10月1日至12月6日這個(gè)時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)單日內(nèi)用戶在線學(xué)習(xí)平均時(shí)長分布，單用戶每日在線學(xué)習(xí)平均時(shí)長為387.98秒（約為6.5分鐘）。學(xué)生每日在線學(xué)習(xí)平均時(shí)長的高峰和低谷區(qū)反映學(xué)生的主要學(xué)習(xí)時(shí)段集中在16：30～20：30。以10月5日至10月25日這三周為研究周期，分析每周全體用戶在線學(xué)習(xí)時(shí)長的變化。第一周在線學(xué)習(xí)時(shí)長為參考值，第二周達(dá)到峰值，第三周回落。這些數(shù)據(jù)說明學(xué)生課后訓(xùn)練英語口語和聽力的熱情會(huì)隨著時(shí)間的推移下降，需要我們及時(shí)引導(dǎo)或激勵(lì)。

3.學(xué)習(xí)進(jìn)度分析。

為了研究學(xué)生在線學(xué)習(xí)的進(jìn)度與學(xué)校教學(xué)進(jìn)度之間的關(guān)系，我們抽取了200名學(xué)生首次學(xué)習(xí)各個(gè)單元的時(shí)間與教學(xué)進(jìn)度的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生在最初使用“英語藍(lán)鯨靈”小程序的時(shí)候，訓(xùn)練進(jìn)度絕大部分滯后于教學(xué)進(jìn)度，但也有部分學(xué)生嘗試訓(xùn)練沒有學(xué)過的章節(jié)，這說明學(xué)生能夠根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況自行調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)度，進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)。基于此，教師要及時(shí)予以引導(dǎo)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的需要進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。

五、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)引發(fā)教與學(xué)變革

小學(xué)是學(xué)生英語學(xué)習(xí)的開始階段，也是英語發(fā)音形成特點(diǎn)的階段，如果學(xué)生在小學(xué)學(xué)習(xí)英語時(shí)就能進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，對(duì)將來提高英語聽說能力很有幫助。正是基于這個(gè)原因，很多小學(xué)家長和教師都很重視語音發(fā)音訓(xùn)練，對(duì)這個(gè)平臺(tái)的訓(xùn)練效果也非常認(rèn)可。英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的使用引發(fā)了教與學(xué)方式上的變革，讓人工智能語音引擎發(fā)揮了更大的作用。

1.教師能夠精準(zhǔn)掌握學(xué)情，因材施教。

教師通過后臺(tái)分析，了解學(xué)生的訓(xùn)練進(jìn)度和訓(xùn)練情況，以及他們的口語和聽力水平。教師可以把分?jǐn)?shù)較低的學(xué)生作為重點(diǎn)輔導(dǎo)和訓(xùn)練對(duì)象，因材施教。從采樣數(shù)據(jù)的分析看，學(xué)生英語口語發(fā)音的準(zhǔn)確性和得分率確實(shí)隨著訓(xùn)練時(shí)長的增加在進(jìn)步。由于采用了人工智能語音引擎去完成訓(xùn)練評(píng)分，高質(zhì)量的訓(xùn)練資源由教研室統(tǒng)一制作，減輕了教師的工作量，提高了工作效率，也讓教師的教學(xué)方式發(fā)生了變化。

2.學(xué)生口語訓(xùn)練方式發(fā)生改變。

以前學(xué)生的口語訓(xùn)練主要是通過課堂朗讀和課后背誦來實(shí)現(xiàn)，通過磁帶和光盤來鍛煉口語和聽力，訓(xùn)練效果無法及時(shí)反饋。而使用訓(xùn)練平臺(tái)后，語音引擎會(huì)根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生能夠立刻看到自己的訓(xùn)練分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)還能分別用綠色和紅色標(biāo)記凸顯發(fā)音好和不好的單詞，讓學(xué)生能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)問題。學(xué)生也可以回放自己的發(fā)音，與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)音進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)，學(xué)生也能看到同班同學(xué)的訓(xùn)練情況，內(nèi)心的競(jìng)爭意識(shí)會(huì)促使他們更好地訓(xùn)練。

3.促進(jìn)優(yōu)質(zhì)訓(xùn)練資源的開發(fā)。

南京市教研室每學(xué)期組織南京市優(yōu)秀名師，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度、學(xué)生年齡和學(xué)段特點(diǎn)制作訓(xùn)練資源。目前支持題型包含：聽力選文本、聽力選聽力、跟讀、復(fù)述、情景問答。為了保證資源的質(zhì)量和權(quán)威性，教研室還專門請(qǐng)專業(yè)教材配音人員錄制聽力內(nèi)容，統(tǒng)一繪制插圖，使資源從題目質(zhì)量到制作質(zhì)量都達(dá)到了教材級(jí)別。根據(jù)學(xué)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)資源內(nèi)容和難度進(jìn)行調(diào)整，隨著資源不斷積累和增加，逐漸形成一個(gè)完整的語音訓(xùn)練資源庫。每年舉辦的“講故事—展風(fēng)采”活動(dòng)也不斷為平臺(tái)添加課外讀本和繪本等聽說訓(xùn)練資源，讓學(xué)有余力的學(xué)生有更多選擇。

4.為教育教學(xué)提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包含：學(xué)生訓(xùn)練的題量、完成度、總分?jǐn)?shù)，聽力時(shí)長，口語時(shí)長，學(xué)習(xí)總時(shí)長，訓(xùn)練單詞量，語音完成度，發(fā)音準(zhǔn)確度，發(fā)音流利度，語速，課標(biāo)知識(shí)點(diǎn)分布數(shù)據(jù)等。隨著學(xué)生訓(xùn)練時(shí)間的累積，采集的數(shù)據(jù)量越來越多，通過數(shù)據(jù)分析，可以更科學(xué)地為學(xué)生提出訓(xùn)練建議，也為教師提供了教學(xué)參考。

5.促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。

很多事情只有長期堅(jiān)持，才會(huì)形成習(xí)慣，英語學(xué)習(xí)亦是如此。任課教師每天查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)沒有堅(jiān)持下來的學(xué)生及時(shí)督促和提醒，有利于學(xué)生良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。

六、英語語音訓(xùn)練平臺(tái)的后續(xù)開發(fā)

接下來，我們將在平臺(tái)功能和學(xué)習(xí)資源上進(jìn)行開發(fā)和升級(jí)。通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)的分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的規(guī)律和結(jié)果，進(jìn)一步提升英語教學(xué)的效率。英語作文的自動(dòng)批改已經(jīng)能夠幫助學(xué)生檢查出語法和單詞上的錯(cuò)誤，并且可以根據(jù)句子的意思推薦更恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)方式，有利于學(xué)生提高寫作水平。目前的語音識(shí)別很多還停留在“speech-to-text”的階段，需要繼續(xù)向“speech-to-meaning”的階段發(fā)展。語意識(shí)別仍是技術(shù)難點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行研究，現(xiàn)在的技術(shù)解決的是計(jì)算機(jī)“聽得見”的問題，而在未來“聽得懂”才是需要解決的最為關(guān)鍵的問題。自然語言處理的進(jìn)展還沒有找到理想的突破口，若想要達(dá)到人類的理解層次，還需要走很長的路。

運(yùn)用新技術(shù)的進(jìn)步，不斷完善英語語音訓(xùn)練平臺(tái)，并且在平臺(tái)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上開發(fā)學(xué)習(xí)工具、分析工具以及習(xí)慣培養(yǎng)模型，通過規(guī)律性和科學(xué)性的訓(xùn)練，讓學(xué)生能夠?qū)ψ约旱膶W(xué)習(xí)情況有更直觀的了解和更好的規(guī)劃，這對(duì)學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣起到促進(jìn)作用。通過這些年的研究發(fā)現(xiàn)，好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和科學(xué)的記憶方法是學(xué)生學(xué)習(xí)效率高和成績好的重要因素，通過合適的工具和方法引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣是我們對(duì)這個(gè)平臺(tái)寄予的希望。