基于离线语音技术的花灯设计

葛雷

山东省济南第九中学信息科技教师，济南市电化教育馆创客专家库成员。曾受邀担任全国第四届、第五届青少年人工智能创新挑战赛评审专家，指导学生参加全国青少年信息学奥林匹克竞赛获省级三等奖，指导学生参加全国青少年科技教育成果展示大赛，个人获评国家级、省级优秀指导教师。

逄银雪

山东省济南第九中学教师，曾获得济南市青年教师素质大赛一等奖，获得济南第九中学“优秀班主任”荣誉和“优秀共产党员”称号，指导学生获省级竞赛一等奖。

项目背景

闹花灯、看花灯是济南过元宵节的一大特色。在济南趵突泉公园，作为当地40多年的传统民俗活动，今年的趵突泉迎春花灯会将龙元素、泉文化、古诗词以及传统宫灯等民间传统文化元素巧妙融入灯会创作，并运用现代灯光和机械技术，让我们在新潮中感受中国文化的博大精深。但花灯虽美，互动性略显单调。本次案例中，学生们尝试将人工智能技术融入花灯制作中，让先进科技与传统文化碰撞出新的火花。为了实现这一目标，学生们引入常见的开源硬件和语音技术模块，制作这款基于离线语音技术的花灯（以下简称“智能灯笼”）。

教学目标

计算思维 学生学习如何使用语音技术来控制灯笼的开关、颜色变化和闪烁模式等，理解计算机如何处理信息，培养自身的逻辑思维和问题解决能力。通过实际动手操作，学生能够更深入地理解计算思维的核心概念，如分解问题、模式识别和抽象化。

数字化学习与创新 数字化学习强调利用数字技术和工具来增强学习体验。在智能灯笼项目中，学生学会使用一些数字工具对智能灯笼进行设计、模拟和测试。例如，利用LaserMaker软件设计智能灯笼的外观，运用Mind+编程软件进行语音控制程序的编写和调试。教师鼓励学生在设计过程中提出独特的创意，例如结合不同的灯光效果编写不同的语音指令，培养他们的创造力和实践能力。

信息意识、信息社会责任 随着数字化时代的到来，信息意识和信息社会责任变得尤为重要。教师要引导学生了解花灯的历史、文化和制作工艺，讨论与信息技术相关的伦理和社会责任问题，如合理使用图像的知识版权。通过对语音技术和智能设备的深入了解，学生能够认识到在设计和使用这些技术时所需承担的责任，增强信息社会中的公民意识、团队合作精神和创新意识，增强对传统文化的认同感。此外，学生还可以小组探讨如何在智能灯笼的设计过程中体现可持续发展的理念，如节能减排等。

教学重点与难点

教学重点 1.了解花灯的起源、发展及其在重要节日中的作用；讨论不同地区花灯的特色和风格；学习和掌握离线语音技术。2.掌握开源硬件和分支结构的应用，体验简单的离线语音识别示例。3.选择材料（如纸张、LED灯带、传感器等）设计花灯的外观且动手制作花灯，学会融合传统工艺与现代技术。

教学难点 1.了解离线语音技术的原理、开源硬件的应用。2.合理利用分支结构编写代码。

教学准备

安装准备 提前在机房安装LaserMaker和Mind+2.0软件。

设备配置 每个学生小组配置DFRduino UNO R3（含USB线和传感器扩展板）×1、WS2812 RGB 全彩灯带（7灯珠）×1、Gravity：中英文语音合成模块V2.0×1、Gravity：语音识别模块-I2C amp; UART×1、5号6节电池盒带插头+6节电池×1；激光切割件一套、风景图片4张、激光切割机一台。

教学过程

一、情境导入

教师播放有关花灯的历史、文化和制作工艺的相关视频，讲解花灯设计过程，引导学生思考如何利用已经学习过的人工智能技术来升级花灯。

学生讨论认为可用离线语音技术实现花灯的升级改造。教师展示简单的离线语音识别花灯实物作为参考样例，让学生了解教学目标。

二、器材介绍

DFRduino UNO R3主控板（如图1）和WS2812 RGB灯带（如图2）普及率高、兼容性好、价格经济，是教学配置首选。离线语音识别模块（如图3）可以避免网络不通畅的问题，适合特定场景或机房教学使用。离线语音识别模块采用了全新的语音识别芯片，内置135条常用的固定命令词条，新增命令词条自学习功能，自学习的命令词条可以不是一段语音，而是一段口哨、一个响指、一声猫叫等，采用双麦克风收音从而有更好的抗噪声能力和更远的识别距离。离线语音合成模块（如图4）支持中英文语言，可播报当前时间以及环境数据，与离线语音识别模块结合可实现语音对话。

三、连接硬件，调试代码

1.学生使用Mind+编程软件进行编程，利用顺序结构初始化WS2812 RGB灯带及相关模块。（如图5）

2.主程序部分采用循环结构做总框架，循环体内部合理地使用“如果……那么……”语句执行循环结构的分支结构语句，实现语音命令判断功能。（如图6）

3.主控板器材连接如图7所示，学生需要依次连接语音识别模块、语音合成模块、灯带，上传代码测试效果。

四、制作并组装外壳

学生利用LaserMaker软件自主设计智能灯笼的外形，用激光切割机切割材料，搭建智能灯笼的主体，并将准备好的4张风景图片粘贴在智慧灯笼上，最后安装灯带，粘贴声音传感器，组装外壳。（如图8）

五、课堂评估

过程评估：教师观察学生在小组合作、设计和制作过程中的参与度和表现，给每个人打分。

成果评估：各小组展示智能灯笼作品，演示语音控制效果。教师评估每组智能灯笼的创意、功能实现和制作质量。各学习小组之间进行互评，提出对方值得借鉴和不足的地方，并提出改进意见。

课程反思

在基于离线语音技术的花灯设计中，学生们尝试将离线语音技术融入花灯的制作中，使花灯不仅仅成为观赏品，更成为具有互动性和趣味性的智能设备。我们可以通过语音指令控制花灯的开和关、颜色变换等，增加花灯的实用性，提升观众的参与感和体验感，实现传统文化的现代化表达和创新。

这次基于离线语音技术的花灯制作是一次将文化传承与人工智能技术相融合的教育活动。通过本次教学实践活动，学生可以深入了解花灯文化的历史渊源和制作工艺，同时学习离线语音技术的相关知识。这种理论与实践相结合的方式，有助于培养学生的创新思维和实践能力。