在计算思维教育中应用人工智能模块的研究

张芳菲

摘要：本文基于图形化编程软件开展项目式学习，从人工智能的语音交互方面设计项目，通过人工智能模块，了解和认识编程与人工智能在解决问题过程中的作用和在生活中的价值。同时，将语音助手项目拆解成文字朗读、语音识别、语音交互三个任务，形成任务模式，进阶式打造项目式学习中的高阶思维，探讨在人工智能学习中如何对学生进行计算思维的提升。

关键词：图形化编程;项目式学习;计算思维;人工智能;语音交互

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）05-0013-03

项目式学习是人工智能学习中常见的学习方式。通过项目式学习，可以有效聚焦人工智能的某个研究方向，如图像识别、人脸识别、声音识别等。计算思维可以让生活中复杂的问题按照分析、抽象、模式、识别的步骤拆解完成，保证问题解决策略的优化。这是解决问题的需要，也是提高工作效率和质量的需要，更是人们提升幸福感的需要。

● 人工智能语音项目：语音助手

根据学生实际情况和教材内容，笔者设计了人工智能语音项目——语音助手，希望借助此项目探究人工智能模块在计算思维教育中的应用。

项目目的：以人工智能中语音交互的应用，完成程序设计作品“语音助手”。在项目开展过程中逐步理解语音合成、语音识别及语音交互的基本原理和实现过程。认识编程、BaiduAI扩展模块、翻译扩展模块在解决问题过程中的作用和在生活中的价值，在项目式学习中提升计算思维。

项目流程：①设计思考，运用图形化编程软件设计一个能够实现基本语音交互功能的软件作品。②制作作品，运用图形化编程软件制作常见的语音助手程序，认识并运用语音合成、语音识别与语音交互。③改进优化，提出实现项目的新方法、新功能，完善作品并交流。④交流分享，开展作品交流与评价。

在完成本项目后，提交项目学习成果（包括思维导图、算法流程图、项目学习记录单等）。开展作品交流与评价，体验小组合作、项目学习和知识分享的过程。

1.文字朗读（语音合成）

文字朗读，是将计算机自己产生的或外部输入的文字信息转变为可以听得懂的流利的口语输出的技术。在日常生活中，如排队叫号、车站播报、高铁报站等，都是以文字朗读为技术底层进行实现的。

（1）体验探索

在BaiduAI扩展模块中，找到tts人物控件和tts文字转语音控件（如下页图），这两个控件可以实现对文字的朗读功能，其中tts人物控件还可以选择不同的人物，即人物的声音形象会不一样。

（2）项目情境

选一个tts人物作为虚拟的你，想一段文字自我介绍，让虚拟的你在舞台上做个自我介绍吧！

同时，笔者设计相应的问题：①tts人物控件和tts文字转语音控件，除了直接将文字内容填空，还可以结合哪些模块、哪些控件做出其他文字朗读体验呢？②在使用tts人物控件和tts文字转语音控件实现文字朗读的过程中，遇到了哪些问题？解决了吗？如何解决的？③在BaiduAI扩展模块中，提供语音功能的控件有很多，除tts人物控件和tts文字转语音控件之外的其他控件可以做什么？

问题能激发学生对已有知识的迁移和对项目的拓展，同时思考解决拓展任务的策略;通过回顾分析任务实施过程中遇到的问题，帮助学生梳理总结，在分享讨论中优化解决问题的辦法和策略，为语音识别、语音交互任务做铺垫。

2.语音识别

语音识别就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的技术。语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。麦克风将声波转换为电信号，电脑将电信号储存为音频文件，将其数字化。机器再对语音信号进行处理，进行特征提取，根据语言模型进行匹配，最后“听懂”这句话的意思。

（1）体验探索

在BaiduAI扩展模块中，找到听候语音输入控件、当听到控件、语音输入控件，这三个控件可以实现对输入语音的识别功能，当然使用者在通过麦克风输入语音时需要吐字清晰和音量适宜，这样才能更精准地识别输入的语音。

（2）项目情境

对着麦克风说出口令，让小猫听从你的口令在舞台上做相应的动作。例如，“翻跟头”，小猫就原地旋转一圈;“向左走”，小猫就向左边移动……

同时，设计相应的问题：①使用当听到控件，除了直接将文字内容填空，还可以结合哪些模块哪些控件来做出其他语音识别体验呢？②使用听候语音输入控件、当听到控件、语音输入控件来实现语音识别的过程中，遇到了哪些问题？解决了吗？如何解决的？③除了用口令指挥小猫做相应的动作，语音识别还可有哪些方式呈现在作品中？生活中已有的或希望有的语音识别是怎样的？

通过这些问题，可以引导学生初步构建项目式学习中分析、综合、评价和创造的思维启发模式，提升计算思维，逐渐拓宽学生对语音识别的实践性认知，为后续语音交互任务做思维上的准备。

3.语音交互

语音交互是基于语音输入的新一代交互模式，通过说话就可以得到反馈结果。典型的应用场景就是语音助手。语音交互往往融合了语音合成和语音识别功能，是一种综合性的语音体验，实现了语音形式上的人机对话。

（1）体验探索

在翻译扩展模块中，有设置服务器控件、将文字译为“英语”语言控件、访客语言控件，这三个控件可以实现对文字的翻译功能，其中将文本译为语言控件还可以选择不同的语言，即实现多语言翻译功能。

结合BaiduAI扩展模块中的tts文字转语音控件和语音输入控件，可以实现使用者通过麦克风语音输入的内容即时翻译成指定语言，同时再由虚拟人物朗读出来。

（2）项目情境

制作一个语音翻译助手，对着麦克风说一句话，让虚拟的你即时翻译出你想要翻译的任何一种语言，并由虚拟的你朗读出来！

同时，设计相应的问题：①使用将文字译为语言控件，除了直接将文字内容填空，还可以结合哪些模块哪些控件来做出其他语音交互体验呢？②在使用设置服务器控件、将文字译为××语言控件、访客语言控件来实现文字朗读的过程中，遇到了哪些问题？解决了吗？如何解决的？③除了BaiduAI扩展模块和翻译扩展模块做成的即时语音翻译，仿照生活中的语音助手，或创造一个语音助手，还可以做哪些语音交互的语音助手呢？

通过这些问题，学生基本能建立项目式学习中能优化问题解决策略的思维模式，体现了计算思维的提升，同时，通过拓展语音交互任务，在分析、综合、评价的基础上进行创造性的实践和设计，形成完整的分析、综合、评价和创造的高阶思维。

4.活动总结

结合自己的学习与理解，建立本项目知识之间的联系，以思维导图形式完成本项目的知识结构图。

通过以上对语音助手项目的整体分析，将语音助手项目拆解成文字朗读（语音合成）、语音识别、语音交互三个任务，逐渐构建分析、综合、评价和创造的高阶思维模式和行动模式，进阶式打造项目式学习中的高阶思维，帮助学生在人工智能项目式学习中提升计算思维。

● 拓展人工智能模块对计算思维的提升

人工智能模块的用法有很多，学生除了可以利用“BaiduAI扩展模块”和“翻译扩展模块”制作一个融合文字朗读（语音合成）和语音识别的简单语音交互的翻译语音助手外，还可以结合已学过的变量等知识来制作一个类似专家系统的语音库型语音助手。它可以对存在于库中的语音信息给出不同的反馈，即如果语音中包含了一些特定的词汇，则被识别并给出反馈。以专家系统来说，通过分析专家系统的任务特点和实现功能，甄别选择可能会用到人工智能模块中的哪些控件;通过综合运用已掌握的图形化编程的知识基础和思维基础，设计专家系统的流程图;通过评价专家系统的测试版本，解决出现的问题及优化策略;通过创造功能完善的专家系统，不断提升学生在人工智能模块进行项目式学习的高阶计算思维。

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本文系江苏省管雪沨网络名师工作室、江苏省“十四五”教育规划课题“小学人工智能教育的项目化学习体系建构和实施策略研究”（编号：D/2021/2/148）阶段性成果。

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