語音評測技術(shù)在高職普通話信息化課堂中的開發(fā)與應(yīng)用

廖俐

摘? 要：在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時代，信息化智能測評技術(shù)已在高職教育中得到普遍應(yīng)用。與傳統(tǒng)的信息化教學(xué)手段相比，語音智能評測技術(shù)的系統(tǒng)輔助口語學(xué)習(xí)和測評，以及智能化語言教學(xué)具有便捷性、可操作性與即評性的優(yōu)勢。普通話教學(xué)實施語音智能測評技術(shù)能夠即時對教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行教學(xué)反饋，教師可以因材施教對學(xué)生進(jìn)行分層教學(xué)。語音智能評測技術(shù)有助于高職院校普通話信息化課堂的改革與建設(shè)，進(jìn)一步推進(jìn)口語教學(xué)的信息化手段與傳統(tǒng)教學(xué)的融合。

關(guān)鍵詞：語音智能評測技術(shù)? 高職? 普通話? 信息化

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）01（c）-0001-05

Abstract： In the era of "Internet plus education"， the technology of information intelligent assessment has been widely applied in higher vocational education. Compared with the traditional information-based teaching methods， the intelligent speech assessment technology system assists oral learning and assessment. Intelligent language teaching has the advantages of convenience， operability and immediate evaluation. The implementation of speech intelligent assessment technology in mandarin teaching can give immediate feedback on teaching quality and teachers can teach students in accordance with their aptitude. Intelligent speech assessment technology is helpful to the reform and construction of mandarin information-based classroom in higher vocational colleges and further promotes the integration of information-based means of oral teaching with traditional teaching.

Key Words： Intelligent speech assessment technology; Higher vocational education; Mandarin; Informationization

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時代的到來與計算機(jī)語音識別技術(shù)的快速發(fā)展，借助計算機(jī)進(jìn)行輔助口語學(xué)習(xí)和測評的智能化語言教學(xué)已是現(xiàn)代高職教育信息化課堂教學(xué)的常態(tài)?，F(xiàn)今已普及的高職信息化課堂教學(xué)要求做到教學(xué)質(zhì)量的及時可評可測，語音智能評測技術(shù)在高職普通話信息化課堂中的開發(fā)與探究具有重要的意義與應(yīng)用價值。

1? 語音測評技術(shù)在教學(xué)研究中的發(fā)展脈絡(luò)

普通話教學(xué)是教師口語教學(xué)的重要組成部分，在語音評測技術(shù)教學(xué)應(yīng)用中，對學(xué)習(xí)者的評價一般從“音”和“調(diào)”兩個層面進(jìn)行。對“音”的評價，要求標(biāo)準(zhǔn)化;對“調(diào)”的評價，要求學(xué)習(xí)者在不同的語境中運(yùn)用正確的語調(diào)和語氣，讓普通話發(fā)音呈現(xiàn)抑揚(yáng)頓挫（正確的調(diào)值）的調(diào)值變化。

近年來，眾多學(xué)者在語音測評技術(shù)的應(yīng)用研究方面研究較為深入。

一是在發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)度的層面，主要貢獻(xiàn)集中于美國斯坦福研究院的Neumeyer L、Franco H、Kim Y和Witt SM。1996年，Neumeyer L等人設(shè)計的VILTS軟件系統(tǒng)已經(jīng)可以通過提供發(fā)音分?jǐn)?shù)，向人們顯示每節(jié)語音訓(xùn)練課程結(jié)束后的效果。該系統(tǒng)基本做到了語音的計算機(jī)智能評測，是當(dāng)時具有代表性的發(fā)音評測系統(tǒng)：基于HMM系統(tǒng)基礎(chǔ)上，VILTS系統(tǒng)的機(jī)器與人工評分的相關(guān)性從0.5上升到0.88。1997年，F(xiàn)ranco H“基于HMM的對數(shù)后驗概率”提出，提升了發(fā)音測試系統(tǒng)的置信度算法，尤其表現(xiàn)在被測試者在句子層面發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)度的測算。2000年，Witt SM提出了一種可以判斷發(fā)音錯誤部分的算法，即發(fā)音良好度算法。此方法可以計算出語音的相似度，并能夠根據(jù)相似度的距離得到評測分?jǐn)?shù)。在這些研究者的基礎(chǔ)上，近些年在發(fā)音質(zhì)量評測中得到更廣泛應(yīng)用的是GOP及其改進(jìn)算法。在國內(nèi)研究中，有3位研究者進(jìn)一步提升了發(fā)音測試的準(zhǔn)確性。2007年，劉慶升等人在GOP算法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用語言學(xué)知識，對GOP的算法成功實現(xiàn)了優(yōu)化改進(jìn)。由于全部音素集合替換成了常見的發(fā)音錯誤音素子集，系統(tǒng)運(yùn)算量得以降低，常見發(fā)音錯誤的檢測能力得以提升。2013年，張茹等人通過以音素模型感知度為基礎(chǔ)的評測方法，達(dá)到了減少變異發(fā)音誤差，提升語音判別精準(zhǔn)度的效果。同年，嚴(yán)可、魏思、戴禮榮等人優(yōu)化了各類發(fā)音數(shù)據(jù)的聲學(xué)模型，修正了由單用發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建模帶來的非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)音測評不夠精準(zhǔn)的問題。同時，Zhang J（2013）等人為了提高在音素和語句層面評測的準(zhǔn)確率，應(yīng)用多種發(fā)音質(zhì)量數(shù)據(jù)，訓(xùn)練出音素的不同發(fā)音質(zhì)量的模型，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)GOP算法的優(yōu)化改進(jìn)。

二是在發(fā)音聲調(diào)與語氣的層面，Chen JC（2004）等人應(yīng)用語音識別器，在加權(quán)匹配計算測試語音的音量與基頻等特征和標(biāo)準(zhǔn)語音的距離后，計算出用戶的發(fā)音強(qiáng)度分值和節(jié)奏分值，調(diào)入聲調(diào)的評分標(biāo)準(zhǔn)與音素的評分標(biāo)準(zhǔn)，最后綜合得出用戶發(fā)音的整體分值。

前文已對近年來國內(nèi)外語音評測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用及其算法優(yōu)化做了綜述，目前語音評測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于語言學(xué)習(xí)領(lǐng)域，但在高職普通話教學(xué)信息化課堂實踐教學(xué)中，但針對高職師范生語音特點的課堂復(fù)雜環(huán)境下普通話即時評測技術(shù)的應(yīng)用尚待技術(shù)人員與教師一起共同開發(fā)與應(yīng)用。針對高職生特別是廣西壯族地區(qū)高職生的普通話語音面貌特點實現(xiàn)語音評測算法并探索提高評分效果的方法，將創(chuàng)新性地實現(xiàn)高職普通話信息化課堂教學(xué)質(zhì)量的及時評價并拓展語音評測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。綜上所述，針對高職師范生普通話語音智能測試技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用是十分必要的。

2? 語音智能測評技術(shù)在高職普通話信息化課堂中的開發(fā)

語音評測技術(shù)是普通話信息化課堂教學(xué)質(zhì)量及時評價的核心技術(shù)之一。該技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用主要在于高職階段學(xué)習(xí)普通話的學(xué)生提供普通話標(biāo)準(zhǔn)發(fā)音的教學(xué)和評測功能。通過該系統(tǒng)，一方面，學(xué)生通過對普通話測試中的單語詞、雙語詞、短文朗誦和命題說話等內(nèi)容的語音錄用，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生發(fā)音的準(zhǔn)確度給出0～100分的評分;另一方面，學(xué)生可以逐句聆聽標(biāo)準(zhǔn)音示范，在單語詞、雙語詞、短文朗讀等環(huán)節(jié)中發(fā)音、語調(diào)、語速、停頓等多個方面進(jìn)行模仿，根據(jù)學(xué)生模仿的語音相似度系統(tǒng)會為其打出0～100分的分值。

2.1 語音評測系統(tǒng)設(shè)計

語音評測系統(tǒng)框架設(shè)計在綜合考慮現(xiàn)有語音識別技術(shù)與語音評測系統(tǒng)的用戶需求分析基礎(chǔ)上，把測評系統(tǒng)設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)：建立標(biāo)準(zhǔn)模板庫、預(yù)處理用戶語音和提取語音特征及匹配模式。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)模板庫的建立

根據(jù)廣西民族地區(qū)高職生普通話語音評測系統(tǒng)的用戶特點，因為不少壯族學(xué)生發(fā)音與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)音差異較大，需要錄制標(biāo)準(zhǔn)的普通話標(biāo)準(zhǔn)發(fā)音音頻;同時，尋找一位普通話發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)的壯族同學(xué)進(jìn)行糾音示范，通過壯語與普通話對比發(fā)音音頻錄制，進(jìn)行必要的特征提取，建立標(biāo)準(zhǔn)模板庫。

2.1.2 用戶短文朗讀的預(yù)處理和特征提取

錄入并存儲用戶的普通話短文朗讀與命題說話音頻，對其進(jìn)行預(yù)處理及相關(guān)語音特征提取。從短文朗讀角度，由于普通話測試所選用的短文都是經(jīng)過嚴(yán)格篩選的，文章字句具有音節(jié)整齊規(guī)整、句調(diào)抑揚(yáng)頓挫的特點。在朗讀時使用的朗讀技巧有語調(diào)、重音、停連和節(jié)奏;從語音特征提取角度，運(yùn)用梅爾頻率倒譜系數(shù)（MFCC）系統(tǒng)提取的MFCC特征屬于頻譜特征，注重聽覺特征，即人耳聽覺過程，主要表征發(fā)音者的聲道特征，是短時的聲學(xué)信息。韻律特征代表聲音隨時間的變化，如基音頻率、短時能量的變化等，包括基音頻率和短時能量，同時使用DTW算法進(jìn)行模式識別，探索適合在復(fù)雜環(huán)境下短文朗讀的評分方法，最后通過實驗對比選用不同特征集的系統(tǒng)性能。韻律特征與MFCC頻譜特征具有很好的互補(bǔ)性。之前有學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，與韻律感知最為相關(guān)的聲學(xué)特征有音高和音強(qiáng)：音高對應(yīng)的語音參數(shù)是基音頻率，基音頻率反映聲帶的振動頻率，基頻越高，聲調(diào)越高;音強(qiáng)對應(yīng)的語音參數(shù)是短時能量，音強(qiáng)反映發(fā)聲的輕重。具體評測系統(tǒng)框架設(shè)計圖見圖1。

2.1.3 模式匹配

在得到語音的特征參數(shù)后，下一步需要進(jìn)行模式匹配。典型的模式匹配算法包括模板匹配、統(tǒng)計模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模板匹配的實現(xiàn)路徑為：在標(biāo)準(zhǔn)語音和測試語音進(jìn)行采樣對比中，軟件系統(tǒng)將采用相同的特征提取方式提取語音特征，得到標(biāo)準(zhǔn)模板和測試模板。通過對標(biāo)準(zhǔn)模板和測試模板進(jìn)行匹配計算，匹配分?jǐn)?shù)的高低映射為百分制的評分。在比較標(biāo)準(zhǔn)模板和測試模板特征參數(shù)時，由于兩段語音在長度和速度上有差異，將采用動態(tài)時間規(guī)整算法（DTW）這一匹配算法解決直接計算結(jié)果出現(xiàn)的偏差問題。

2.2 評分機(jī)制的設(shè)計

通過對相關(guān)語音特征的綜合，當(dāng)前的語音評測算法僅能給出對于發(fā)音評價的總評分?jǐn)?shù)。這對于普通話測試訓(xùn)練中的普通話短文朗讀訓(xùn)練意義不大，因訓(xùn)練者無法確切知道在短文朗讀過程中卻在的缺陷。如若測評結(jié)果也可呈現(xiàn)朗讀者在音準(zhǔn)、韻律中的得分，將會對訓(xùn)練者的朗讀水平與糾音指導(dǎo)有著更大的意義。

這一想法，可通過在計算過程中針對MFCC特征和韻律特征進(jìn)行兩次DTW運(yùn)算得以實現(xiàn)。具體來說，要首先獲得學(xué)生用戶錄入語音的MFCC和韻律特征，之后將其與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行模式匹配，獲知兩者之間的區(qū)別大小（或稱距離大?。⒔Y(jié)果轉(zhuǎn)化為0～100的評分。區(qū)別越大，證明用戶與標(biāo)準(zhǔn)模板之間相似度低，得分低;區(qū)別越小，證明用戶與標(biāo)準(zhǔn)模板之間相似度高，得分高。在這里通過設(shè)置兩個閾值將距離轉(zhuǎn)化為評分。運(yùn)算公式如下：

3? 語音智能評測技術(shù)的高職普通話教學(xué)實踐

語音評測技術(shù)是教師口語教學(xué)中普通話教學(xué)模塊的核心。在語音評測技術(shù)的支持下，學(xué)生采用先聽再跟讀的方式，每一字句的朗誦都能得到系統(tǒng)即時的反饋，就像有一位專業(yè)的朗讀老師隨時在學(xué)生身旁，給學(xué)生專業(yè)的朗讀示范和練習(xí)反饋。相對于傳統(tǒng)的普通話教學(xué)課堂，這樣的學(xué)習(xí)方式具有極大的優(yōu)越性，能夠有效地提高學(xué)生的朗讀能力。同時，語音評測技術(shù)可以與語音訓(xùn)練的其他功能有機(jī)結(jié)合。

3.1 語音評測技術(shù)系統(tǒng)有利于歸集學(xué)生語音缺陷，開展分層教學(xué)

對于學(xué)生的語音面貌，在傳統(tǒng)的普通話教學(xué)中，教師往往靠學(xué)生一個個上臺進(jìn)行普通話朗讀進(jìn)行現(xiàn)場記音測評打分，從而對每一位學(xué)生的普通話語音情況進(jìn)行摸底了解，但是，這樣的傳統(tǒng)做法不但浪費時間與精力，耗時較多，而且因為授課時間受限，授課教師往往無法在短時期內(nèi)有效獲取每一位學(xué)生的語音面貌真實情況，而且課堂環(huán)境較為復(fù)雜，當(dāng)場人工測評錄音評分難度大。因此，語音智能評測技術(shù)在普通話教學(xué)課堂中的應(yīng)用具有重要的實踐價值。授課教師可以在課程初期，向?qū)W生介紹“語音評測技術(shù)系統(tǒng)”APP使用的相關(guān)流程，組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行普通話評測，評測系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的發(fā)音情況給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并形成測試報告。例如，語音評測技術(shù)可以輔助學(xué)生進(jìn)行聲母發(fā)音練習(xí)。聲母發(fā)音學(xué)習(xí)是普通話語音學(xué)習(xí)的第一個步驟，雖然高職階段的學(xué)生們早已知曉漢語普通話聲母的基本發(fā)音，但是對聲母的性質(zhì)的了解甚少。聲母的不同是由發(fā)音部位和發(fā)音方法的不同決定的。對于聲母發(fā)音的準(zhǔn)確把握必須從了解聲母的發(fā)音部位與發(fā)音方法開始。因此，語音評測技術(shù)在信息化課堂中可以通過在用戶端安裝APP的方式進(jìn)行，在課堂復(fù)雜環(huán)境下對學(xué)生的聲母發(fā)音進(jìn)行有效、快速的識別、比對與評分，并通過音頻波長曲線向用戶形象呈現(xiàn)用戶目前聲母發(fā)音與語音庫標(biāo)準(zhǔn)音之間存在的差距，使用戶能夠快速有效地調(diào)整自我發(fā)音，達(dá)到快速、有效診斷自我聲母發(fā)音的問題。

3.2 語音評測技術(shù)系統(tǒng)方便學(xué)生課下學(xué)習(xí)，實現(xiàn)無縫學(xué)習(xí)空間

語言是人類交流的最基本的工具。語言重在日常環(huán)境中的反復(fù)使用與練習(xí)。普通話教學(xué)與練習(xí)不能局限于40 min的課堂，而應(yīng)該在課余時間不斷地進(jìn)行聽音與模仿練習(xí)。普通話學(xué)習(xí)是一個不斷聽取標(biāo)準(zhǔn)音、不斷自我糾音、不斷練習(xí)的過程。這就要求學(xué)生不僅在普通話教學(xué)課堂中進(jìn)行普通話語音基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，還需要在大量的課余時間內(nèi)不斷地模仿與糾正，將語音評測技術(shù)系統(tǒng)APP安裝在手機(jī)中，課余時間內(nèi)最大限度地方便學(xué)生課下學(xué)習(xí)，實現(xiàn)線上線下課上課下無縫學(xué)習(xí)空間。

另外，普通話朗讀訓(xùn)練往往需要反復(fù)練習(xí)，在練習(xí)過程中學(xué)生容易感到枯燥。而沖榜的設(shè)計可以在一定程度上緩解學(xué)生的情緒，因為每一次的練習(xí)都可能獲得更高的分?jǐn)?shù)，刷新在排行榜的排名。通過對普通話教學(xué)實施語音智能測評技術(shù)即時教學(xué)質(zhì)量反饋教學(xué)，教師可以因材施教地對學(xué)生進(jìn)行分層教學(xué)。主要是由于多數(shù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)層次以及接受新知程度存在極大的差異，再加上學(xué)生的城鄉(xiāng)差距以及民族差異。學(xué)生的發(fā)音習(xí)慣之間的差異，教師可以在利用信息化手段進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容上將普通話教學(xué)過程進(jìn)行分層，將教學(xué)分為單音節(jié)詞、多音節(jié)詞和短文朗讀、命題作文朗讀部分，并在相應(yīng)的訓(xùn)練模塊中應(yīng)用語音智能測評技術(shù)，及時關(guān)注學(xué)生訓(xùn)練測評的情況與糾音的情況。

3.3 有利于深度學(xué)習(xí)普通話教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的開展

語音評測技術(shù)系統(tǒng)有利于深度學(xué)習(xí)普通話教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的開展。一是課前教師通過在語音評測技術(shù)系統(tǒng)中發(fā)布課前學(xué)習(xí)資料，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)資料學(xué)習(xí)與語言資源信息聚合，激活前知，完成知識定位與概念重構(gòu);二是在課中，教師根據(jù)學(xué)生語音面貌情況進(jìn)行有效分層教學(xué)，有的放矢，幫助學(xué)生建構(gòu)信息多層交互，協(xié)助學(xué)生開展協(xié)作互動學(xué)習(xí)，解決教學(xué)重難點;三是課后教師通過在線系統(tǒng)中發(fā)布課后學(xué)習(xí)資料與練習(xí)題，協(xié)同學(xué)生達(dá)成多層信息群體智慧，完成建構(gòu)創(chuàng)新，達(dá)到知識內(nèi)化。

4? 結(jié)語

語音評測技術(shù)系統(tǒng)在高職普通話教學(xué)課堂的廣泛應(yīng)用將極大提高教學(xué)質(zhì)量。從教師層面看，語音評測技術(shù)系統(tǒng)大大縮短了教師對學(xué)生普通話語音面貌進(jìn)行測評的時間，精簡了評測流程，也提高了測評效果的有效性;同時，也減輕了新進(jìn)教師的聽音記音壓力，讓教師可以有更多的時間與精力進(jìn)行分層針對性教學(xué)。另外，系統(tǒng)自動生成的波形標(biāo)準(zhǔn)模板相距報告分層有利于教師進(jìn)行教學(xué)重難點調(diào)整，實現(xiàn)課前大數(shù)據(jù)復(fù)雜教學(xué)設(shè)計。在課堂評價，語音評測技術(shù)系統(tǒng)將采用過程性評價和表現(xiàn)性評價結(jié)合的方式。在過程性評價中，通過系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)分析，可知學(xué)生的練習(xí)參與度及其在不同環(huán)節(jié)能力體現(xiàn)的差異性;表現(xiàn)性評價中將結(jié)合學(xué)生課后作業(yè)的完成情況，評價學(xué)生對知識的掌握狀況。從學(xué)生層面看，普通話課程從教室課堂延伸到課后生活空間，手機(jī)的普及使學(xué)生的普通話學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)線上線下無縫學(xué)習(xí)空間。

未來，在語音評測技術(shù)的支持下，普通話朗讀及時評價智能系統(tǒng)將會有更廣闊的發(fā)展空間。比如，普通話朗讀游戲的關(guān)卡可以與高職普通話教學(xué)實訓(xùn)教學(xué)大綱同步，整合課程標(biāo)準(zhǔn)需要學(xué)習(xí)的普通話聲、韻、調(diào)知識與短文朗讀、命題說話知識。若條件允許，普通話語音測試智能系統(tǒng)可以開發(fā)出教師端，在后臺進(jìn)行信息綁定后，教師可以查看班級內(nèi)每一個學(xué)生的發(fā)音朗讀情況學(xué)習(xí)時間和朗讀評分，這些數(shù)據(jù)將輔助教師更有針對性地進(jìn)行普通話信息化教學(xué)。

普通話朗讀及時評價智能系統(tǒng)擁有著良好的發(fā)展前景，尤其是在普通話教學(xué)方面。例如，進(jìn)一步開發(fā)普通話朗讀測評的相關(guān)軟件，使其變得更加的直觀與有趣，如此能更好地利用到教學(xué)當(dāng)中，納入到高職普通話教學(xué)實訓(xùn)課程標(biāo)準(zhǔn)中，整合普通話聲、韻、調(diào)知識與短文朗讀、命題說話知識。同時，應(yīng)該同步開發(fā)教師端，讓教師可以看到學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和結(jié)果數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)可以極大地幫助教師有針對性地開展普通話教學(xué)。

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