人工智能實(shí)驗(yàn)：大班教學(xué)場景中語音識別演示實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)

于愷 于方軍

語音識別是一種廣泛使用的人工智能技術(shù)，借助它可以實(shí)現(xiàn)交互對話、搜索新聞、天氣查詢等功能。使用語音識別技術(shù)的語音助手盡管種類很多，但是其工作原理大致相同，都經(jīng)歷了“識別—決策—控制”的過程。目前，使用如掌控板一類的教具已經(jīng)很容易將此過程在演示實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，即借助掌控板實(shí)現(xiàn)語音控制燈的開啟和關(guān)閉，這樣可以幫助學(xué)生理解語音識別技術(shù)并實(shí)現(xiàn)語音控制功能。

在大班教學(xué)的分組實(shí)驗(yàn)中，語音識別且反饋的過程是很快的，但這種“快”會掩蓋語音識別的具體過程。為了讓語音識別的過程顯性化，筆者使用掌控板制作了一款語音識別演示教具（如圖1）。識別步驟為：第1步，通過麥克風(fēng)收集學(xué)生說出的指令;第2步，通過降噪等功能將學(xué)生說出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，掌控板生成錄音文件;第3步，將錄音文件上傳到云端語音識別服務(wù)器;第4步，云端的語音服務(wù)器結(jié)合聲學(xué)模型、語言模型對錄音文件進(jìn)行解析，生成文字信息并將文字信息傳回到掌控板;第5步，根據(jù)文字內(nèi)容進(jìn)行條件判斷，生成相應(yīng)指令，并根據(jù)指令完成相應(yīng)任務(wù)。這款演示教具的右下角是一個(gè)旋鈕，從右向左，逆時(shí)針依次為：錄音、生成音頻、音頻上傳、文字下載、開燈和關(guān)燈。學(xué)生通過旋轉(zhuǎn)旋鈕來進(jìn)行語音識別的各個(gè)步驟，教具將掌控板進(jìn)行錄音、聲音數(shù)字化、錄音上傳、數(shù)據(jù)下載等步驟形象化，讓學(xué)生感知云語音識別的過程，理解現(xiàn)有語音助手的工作過程，掌握云語音識別技術(shù)。

演示教具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的這款演示教具使用了兩塊掌控板，一般而言，如果是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，一塊掌控板就足夠了。本演示教具使用兩塊掌控板的原因在于，一塊作為控制板通過旋鈕控制演示板上的各種輸出設(shè)備發(fā)出動(dòng)作或者亮光等效果，提醒學(xué)生注意語音識別的各種步驟;另一塊則作為語音演示板，在控制板的遠(yuǎn)程控制下顯示最終的控制效果。

同時(shí)，在控制板上連接一個(gè)旋鈕控制器，通過旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度實(shí)現(xiàn)對語音識別的過程分解，最終達(dá)到分步演示的效果，控制板上的OLED屏幕用于顯示每個(gè)步驟的內(nèi)容。旋鈕旋轉(zhuǎn)到語音識別的各個(gè)步驟，以下器材依次運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)演示教具的演示功能。首先，舵機(jī)1控制代表聲波圖片卡擺動(dòng)，表示語音識別過程中的錄音步驟;其次，舵機(jī)2擺動(dòng)表示將獲取的聲音數(shù)字化并存儲的過程;再次，10燈珠燈帶中流水燈向上向下的過程表現(xiàn)音頻上傳云語音識別服務(wù)器及識別后的文字下載過程;最后，控制板發(fā)出控制信號，語音演示板上的LED燈展示語音控制燈的開啟和關(guān)閉（如圖2）。

語音識別教具的程序流程

本語音識別教具的程序設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分為控制板的程序設(shè)計(jì)，另一部分為語音演示板的程序設(shè)計(jì)?？刂瓢宓某绦蛐枰ㄟ^旋鈕控制器實(shí)現(xiàn)，分為7個(gè)部分：START、錄音、生成音頻、音頻上傳、文字下載、開燈、關(guān)燈。這個(gè)過程通過P0端口連接旋鈕的輸入值來實(shí)現(xiàn)對屏幕、舵機(jī)及燈帶的控制。具體過程如圖3所示。

語音演示板主要接受控制板的命令，根據(jù)廣播的內(nèi)容完成相應(yīng)程序指令，實(shí)現(xiàn)控制LED燈的開啟和關(guān)閉。語音演示板接收到廣播為“start”，清空屏幕;接收到廣播為“kai”，清空顯示開燈，3個(gè)LED燈亮白燈;接收到廣播為“guan”，清空顯示關(guān)燈，3個(gè)LED燈關(guān)閉。程序流程如下頁圖4所示。

在本程序中，語音識別演示板可以看作是一種通過無線連接的輸出設(shè)備，該演示教具的重點(diǎn)是通過舵機(jī)、燈帶、語音識別演示板表現(xiàn)線性結(jié)構(gòu)，通過交互體現(xiàn)具體順序，突出語音識別的核心過程，以便對單機(jī)版語音識別實(shí)驗(yàn)的過程展示得更直觀、細(xì)致。

師生共同設(shè)計(jì)演示教具的教學(xué)意義

制作演示教具的目的是將抽象的知識直觀展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生理解抽象知識。在本語音識別演示教具的設(shè)計(jì)中，筆者以語音方式控制LED燈的開啟和關(guān)閉為演示內(nèi)容，并結(jié)合掌控板進(jìn)行制作，引導(dǎo)學(xué)生理解語音助手的工作流程及相關(guān)技術(shù)，以期突破語音識別的教學(xué)難點(diǎn)。同時(shí)，教具的制作過程也可以讓學(xué)生參與，并將教具的制作作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的課題，以引發(fā)學(xué)生對教具制作的深入思考及探究。

演示教具的設(shè)計(jì)是師生共同進(jìn)行知識梳理，并用可視化的互動(dòng)媒體手段實(shí)現(xiàn)的一種過程，這個(gè)過程在呈現(xiàn)上需要一定的技巧。例如，在音頻文件需要上傳語音服務(wù)器才能夠?qū)崿F(xiàn)語音識別、生成文字，然后將服務(wù)器數(shù)據(jù)下載到掌控板的過程中，筆者嘗試了多種方案，最后選擇了使用10燈珠燈帶進(jìn)行演示，并利用流水燈的方式體現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載過程。流水燈的效果是一種比喻，是為了讓學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)中“包”的作用，因?yàn)長ED燈本身就是一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)包。

雖然本語音識別演示教具直觀展現(xiàn)了語音識別的過程，但還有很多需要改進(jìn)的地方，如用旋鈕演示各個(gè)步驟，理論上學(xué)生并不需要真正說話，就可以控制最后的燈光的狀態(tài)。后續(xù)，筆者還將針對互動(dòng)演示教具繼續(xù)探究，希望將演示教具和分組教具更好地結(jié)合起來，真正達(dá)到環(huán)境育人的效果。