能聽會說的“機器人”
——探秘智能語音技術的教學設計

張曼 山東省德州市第一中學

智能語音技術是人工智能領域的分支，它使得機器設備成為能聽會說的“機器人”，給人們帶來友好的交互體驗。那么，生活中有哪些智能語音技術應用？它的工作原理是怎樣的？筆者結合自己的研究與感悟，設計了“能聽會說的機器人”學習項目，以生活中常見的智能語音技術應用，向學生“展智能”“析原理”“悟創新”“辨發展”。

●教學內容分析

人工智能模塊的教學要求通過分析典型的人工智能應用場景，向學生展示人工智能涉及的技術基礎，讓學生在實際應用的體驗中感受它帶來的社會變化和機遇挑戰。[1]本課依據此項內容要求，引導學生在體驗、應用智能語音技術的過程中，剖析、感受技術帶來的便捷，了解語音識別技術和語音合成技術的應用場景、基本原理、社會影響及應用安全。

●學業要求分析

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對人工智能模塊的學業要求包含認識和理解兩個層次。筆者將本課學業的要求分解為“體驗中發現問題→學習中理解知識→應用中創新技術→思辨中升華認知”，這是一個螺旋上升的循環。學生通過學習突破一個閉環之后上升到下一個閉環，通過不斷提升認知達到學業要求。

●學習對象分析

九年級的學生已掌握互聯網、物聯網、數據編碼、算法等知識，為理解智能語音技術的工作原理及應用實現提供了認知基礎。同時，這個學段的學生具有較強的創新意識和探索精神，有助于引導其積極主動地建構新知。

●核心素養目標

信息科技要培養的學科核心素養包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任。核心素養導向的學習目標強調通過體驗、認識、內化、應用等過程逐步形成相對穩定的思維方法。[2]筆者結合學情制訂了本節課指向核心素養的學習目標，如下頁表所示。

核心素養指向學習目標信息意識：了解人工智能對信息社會發展的作用，具有主動解決問題、掌握核心技術的意識計算思維：通過案例分析理解人工智能，能在一定情境中對實際問題進行分解、抽象，歸納解決問題的基本步聚數字化學習與創新：用軟件感知、硬件呈現、軟硬件結合實現等多種工具方法探究人工智能技術信息社會責任：認識到人工智能為社會生活帶來的影響，合理使用人工智能技術，正確認識人工智能技術對倫理和安全的挑戰1.通過體驗智能音箱的“聽歌識曲”、語音交互功能，感知生活中智能語音技術的應用，認識智能語音技術的概念和工作過程、應用場景2.通過“聽話的智能小車”活動，了解語音識別技術的工作原理3.通過“導航語音包的制作”活動，分析導航語音包的實現原理，歸納總結語音合成的工作原理4.通過“正、反”兩面的案例分析，了解人工智能的發展為社會帶來的影響，學會合理地使用人工智能技術，防范AI詐騙

●教學重難點

重點：語音識別技術、語音合成技術的工作原理。

難點：智能語音控制小車程序的調試。

●教學策略

為達成核心素養指向的學習目標，筆者采取“從生活經驗走向技術原理”的教學策略創設真實問題情境。使用軟件感知、硬件呈現、軟硬件結合實現等多種工具方法開展項目教學。教師充分發揮引導作用，提供半成品程序、微視頻等腳手架資源輔助學生完成項目活動。

●教學準備

多媒體網絡教室、智能音箱（含“聽歌識曲”功能）、智能小車、語音控制小車程序、模塊化編程軟件、微視頻、智能手機（智能地圖APP）、導學案等。

●教學過程

1.智能的音箱 體驗語音交互

問題情境：老師研學途中聽到這首歌曲（播放音樂），想下載卻不知道名字。你知道如何查找這首歌曲的名字嗎？基于經驗和認知，多數學生想到了“聽歌識曲”軟件。教師請一位學生哼唱，另一位學生使用智能音箱“聽歌識曲”功能查找歌曲名字。

引出課題：智能音箱是一個能聽會說的“機器人”，通過與它的交流互動，學生解答了疑惑，感受到人工智能帶來的便利。今天我們要認識的“機器人”除了智能音箱，還包括服務于生活各領域的智能語音技術應用。

設計意圖：借助“人機交互”烘托課堂氣氛，激發學習興趣，進而導入新課。

2.生活化案例 認識智能語音

問題情境：老師想總結一下生活中的智能語音技術應用，以備不時之需。

活動1：請根據案例提示，借助搜索引擎等工具手段，列舉智能語音技術應用，填寫“生活中的智能語音技術應用表”。

活動小結：智能語音技術在智慧交通、智慧家居、智能客服等多個領域中的應用趨于成熟，包含語音識別技術和語音合成技術。在人工智能與物聯網融合的大生態環境中，語音識別技術將語音轉為文本信息再進行自然語言處理，讓各類物聯網終端設備能“聽”懂，語音合成技術將文本信息轉為語音信息，使得設備會“說”話，這兩項技術配合工作給人們帶來友好的交互體驗。智能語音技術的工作流程如圖1所示。

圖1

設計意圖：創設“案例總結”的情境，引導學生采用頭腦風暴、分析歸納的方法，從技術應用的角度出發，探尋技術產生的原因，培養學生借助數字化學習工具輔助學習的良好習慣。

3.聽話的小車 探究語音識別

問題情境：在擁擠的停車場地，老師總是不知道如何把車開出來。某智能汽車“聽”到你對它說“把車開出來”時，就會自動向前駛出一米。那么，智能汽車是怎么實現語音控制駕駛的？

活動2：當智能小車聽到語音指令“向前進”時開始向前行駛。①請你修改程序實現：添加多條語音指令，控制智能小車向其他方向運行。②觀察程序代碼，指出語音控制駕駛用到的主要技術。③結合案例嘗試描述該項技術的工作原理。

活動小結：智能小車“聽”不懂自然語言，但它能借助語音識別技術將語音轉譯成文本進行理解。轉換采用的是模板匹配法：語料庫模板中存儲著每個字或詞的音頻，將輸入的語音與語料庫中的聲音進行對比，找出相似度高的聲音并輸出對應文本信息，以確定駕駛員的意圖。語音識別包含語音處理、信號表征、模式識別、文本輸出四個步驟，如圖2所示。

圖2

設計意圖：創設“語音駕駛”的情境，采用軟硬件結合的形式實現了聽話的“機器人”，幫助學生認識到人工智能與物聯網相輔相成、融合落地的過程。通過“觀察、修改代碼”啟發學生分析小車“聽”話的原理。

4.個性化導航 揭秘語音合成

問題情境：智能地圖軟件提供的明星播報導航功能，為老師營造了輕松愉悅的旅途環境，這些道路指引與安全提示是明星一句一句錄制的嗎？

活動3：①參照“導航包制作”微視頻錄制自己的語音導航包。②思考錄制的語句有什么特點？③結合案例嘗試描述語音合成技術的工作原理。

活動小結：人工智能產品越來越注重用戶的個性化體驗，個性化語音導航借助語音合成技術實現了“開口說話”。軟件要求錄制漢語中的21個聲母、37個韻母、5個聲調的組合，再把每個字的語音串成一句話進行播報。語音合成技術包含語言處理、韻律處理、單元拼接、語音輸出等步驟，如圖3所示。

圖3

設計意圖：學生通過軟件感知的形式，體驗導航包的制作過程，并從中分析歸納“機器人說話”的原理，突出教學重點。

5.防語音詐騙 思辨技術發展

問題情境：老師接到了同事電話，說自己急需一筆醫藥費。我非常警惕地找到同事才明白這是一個騙局。騙子是如何模仿同事的聲音實施詐騙的？

活動4：請你結合所學知識分析語音詐騙的過程，并談談你對這件事的看法。

活動小結：技術都有兩面性，聲音復刻技術也是如此，引出電信詐騙、倫理危機等一系列安全問題。

設計意圖：創設“語音詐騙”情境，引導學生剖析案例，思辨、理性地看待人工智能給社會生活帶來的影響，增強信息判斷意識和社會責任感。

●教學反思與總結

如何系統地向學生展示智能語音技術及其背后的原理，達成核心素養導向的學習目標是本項目設計考慮的核心。筆者主要從以下幾方面著手：

①創設情境指向信息意識培養。項目創設三個情境統領四個活動，引導學生在生活中發現問題，培養學生主動發現問題、用信息科技解決問題的信息意識。

②問題導向直擊計算思維培養。項目以語音助手、智能音箱、智能小車、個性化導航、AI有聲書等“能聽會說的機器人”為例，構造了一幅智能語音機器人地圖。學生可探尋每個“機器人”是為解決什么問題而生，是如何解決問題的，并思辨它帶來的社會影響。學生在活動中解決問題，對本模塊內容有了系統的認識，形成了運用計算思維解決問題的核心能力。

③工具策略滲透數字化學習與創新能力培養。項目使用“聽歌識曲”軟件體驗AI、借助“智能音箱”硬件呈現AI、利用“智能小車+編程軟件”即軟硬件結合實現AI等工具方法策略展開活動，達成了培養學生借助數字化學習工具學習的核心素養目標。

在教學設計中，筆者重構知識，創設情境，羅列案例，宏觀地、系統地呈現了智能語音技術范疇的概念、原理，希望能更好地引導學生實現核心素養導向的學習目標。