在計算思維教育中應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目式學習，從人工智能的語音交互方面設計項目，通過人工智能模塊，了解和認識編程與人工智能在解決問題過程中的作用和在生活中的價值。同時，將語音助手項目拆解成文字朗讀、語音識別、語音交互三個任務，形成任務模式，進階式打造項目式學習中的高階思維，探討在人工智能學習中如何對學生進行計算思維的提升。

關鍵詞：圖形化編程;項目式學習;計算思維;人工智能;語音交互

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）05-0013-03

項目式學習是人工智能學習中常見的學習方式。通過項目式學習，可以有效聚焦人工智能的某個研究方向，如圖像識別、人臉識別、聲音識別等。計算思維可以讓生活中復雜的問題按照分析、抽象、模式、識別的步驟拆解完成，保證問題解決策略的優化。這是解決問題的需要，也是提高工作效率和質量的需要，更是人們提升幸福感的需要。

● 人工智能語音項目：語音助手

根據學生實際情況和教材內容，筆者設計了人工智能語音項目——語音助手，希望借助此項目探究人工智能模塊在計算思維教育中的應用。

項目目的：以人工智能中語音交互的應用，完成程序設計作品“語音助手”。在項目開展過程中逐步理解語音合成、語音識別及語音交互的基本原理和實現過程。認識編程、BaiduAI擴展模塊、翻譯擴展模塊在解決問題過程中的作用和在生活中的價值，在項目式學習中提升計算思維。

項目流程：①設計思考，運用圖形化編程軟件設計一個能夠實現基本語音交互功能的軟件作品。②制作作品，運用圖形化編程軟件制作常見的語音助手程序，認識并運用語音合成、語音識別與語音交互。③改進優化，提出實現項目的新方法、新功能，完善作品并交流。④交流分享，開展作品交流與評價。

在完成本項目后，提交項目學習成果（包括思維導圖、算法流程圖、項目學習記錄單等）。開展作品交流與評價，體驗小組合作、項目學習和知識分享的過程。

1.文字朗讀（語音合成）

文字朗讀，是將計算機自己產生的或外部輸入的文字信息轉變為可以聽得懂的流利的口語輸出的技術。在日常生活中，如排隊叫號、車站播報、高鐵報站等，都是以文字朗讀為技術底層進行實現的。

（1）體驗探索

在BaiduAI擴展模塊中，找到tts人物控件和tts文字轉語音控件（如下頁圖），這兩個控件可以實現對文字的朗讀功能，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不一樣。

（2）項目情境

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

同時，筆者設計相應的問題：①tts人物控件和tts文字轉語音控件，除了直接將文字內容填空，還可以結合哪些模塊、哪些控件做出其他文字朗讀體驗呢？②在使用tts人物控件和tts文字轉語音控件實現文字朗讀的過程中，遇到了哪些問題？解決了嗎？如何解決的？③在BaiduAI擴展模塊中，提供語音功能的控件有很多，除tts人物控件和tts文字轉語音控件之外的其他控件可以做什么？

問題能激發學生對已有知識的遷移和對項目的拓展，同時思考解決拓展任務的策略;通過回顧分析任務實施過程中遇到的問題，幫助學生梳理總結，在分享討論中優化解決問題的辦法和策略，為語音識別、語音交互任務做鋪墊。

2.語音識別

語音識別就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉變為相應的文本或命令的技術。語音識別技術主要包括特征提取技術、模式匹配準則及模型訓練技術三個方面。麥克風將聲波轉換為電信號，電腦將電信號儲存為音頻文件，將其數字化。機器再對語音信號進行處理，進行特征提取，根據語言模型進行匹配，最后“聽懂”這句話的意思。

（1）體驗探索

在BaiduAI擴展模塊中，找到聽候語音輸入控件、當聽到控件、語音輸入控件，這三個控件可以實現對輸入語音的識別功能，當然使用者在通過麥克風輸入語音時需要吐字清晰和音量適宜，這樣才能更精準地識別輸入的語音。

（2）項目情境

對著麥克風說出口令，讓小貓聽從你的口令在舞臺上做相應的動作。例如，“翻跟頭”，小貓就原地旋轉一圈;“向左走”，小貓就向左邊移動……

同時，設計相應的問題：①使用當聽到控件，除了直接將文字內容填空，還可以結合哪些模塊哪些控件來做出其他語音識別體驗呢？②使用聽候語音輸入控件、當聽到控件、語音輸入控件來實現語音識別的過程中，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的動作，語音識別還可有哪些方式呈現在作品中？生活中已有的或希望有的語音識別是怎樣的？

通過這些問題，可以引導學生初步構建項目式學習中分析、綜合、評價和創造的思維啟發模式，提升計算思維，逐漸拓寬學生對語音識別的實踐性認知，為后續語音交互任務做思維上的準備。

3.語音交互

語音交互是基于語音輸入的新一代交互模式，通過說話就可以得到反饋結果。典型的應用場景就是語音助手。語音交互往往融合了語音合成和語音識別功能，是一種綜合性的語音體驗，實現了語音形式上的人機對話。

（1）體驗探索

在翻譯擴展模塊中，有設置服務器控件、將文字譯為“英語”語言控件、訪客語言控件，這三個控件可以實現對文字的翻譯功能，其中將文本譯為語言控件還可以選擇不同的語言，即實現多語言翻譯功能。

結合BaiduAI擴展模塊中的tts文字轉語音控件和語音輸入控件，可以實現使用者通過麥克風語音輸入的內容即時翻譯成指定語言，同時再由虛擬人物朗讀出來。

（2）項目情境

制作一個語音翻譯助手，對著麥克風說一句話，讓虛擬的你即時翻譯出你想要翻譯的任何一種語言，并由虛擬的你朗讀出來！

同時，設計相應的問題：①使用將文字譯為語言控件，除了直接將文字內容填空，還可以結合哪些模塊哪些控件來做出其他語音交互體驗呢？②在使用設置服務器控件、將文字譯為××語言控件、訪客語言控件來實現文字朗讀的過程中，遇到了哪些問題？解決了嗎？如何解決的？③除了BaiduAI擴展模塊和翻譯擴展模塊做成的即時語音翻譯，仿照生活中的語音助手，或創造一個語音助手，還可以做哪些語音交互的語音助手呢？

通過這些問題，學生基本能建立項目式學習中能優化問題解決策略的思維模式，體現了計算思維的提升，同時，通過拓展語音交互任務，在分析、綜合、評價的基礎上進行創造性的實踐和設計，形成完整的分析、綜合、評價和創造的高階思維。

4.活動總結

結合自己的學習與理解，建立本項目知識之間的聯系，以思維導圖形式完成本項目的知識結構圖。

通過以上對語音助手項目的整體分析，將語音助手項目拆解成文字朗讀（語音合成）、語音識別、語音交互三個任務，逐漸構建分析、綜合、評價和創造的高階思維模式和行動模式，進階式打造項目式學習中的高階思維，幫助學生在人工智能項目式學習中提升計算思維。

● 拓展人工智能模塊對計算思維的提升

人工智能模塊的用法有很多，學生除了可以利用“BaiduAI擴展模塊”和“翻譯擴展模塊”制作一個融合文字朗讀（語音合成）和語音識別的簡單語音交互的翻譯語音助手外，還可以結合已學過的變量等知識來制作一個類似專家系統的語音庫型語音助手。它可以對存在于庫中的語音信息給出不同的反饋，即如果語音中包含了一些特定的詞匯，則被識別并給出反饋。以專家系統來說，通過分析專家系統的任務特點和實現功能，甄別選擇可能會用到人工智能模塊中的哪些控件;通過綜合運用已掌握的圖形化編程的知識基礎和思維基礎，設計專家系統的流程圖;通過評價專家系統的測試版本，解決出現的問題及優化策略;通過創造功能完善的專家系統，不斷提升學生在人工智能模塊進行項目式學習的高階計算思維。

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本文系江蘇省管雪沨網絡名師工作室、江蘇省“十四五”教育規劃課題“小學人工智能教育的項目化學習體系建構和實施策略研究”（編號：D/2021/2/148）階段性成果。

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