人工智能時(shí)代語(yǔ)音信號(hào)處理課程改革

楊素素

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的水平也在不斷的提升，在移動(dòng)通信、人工智能以及人機(jī)工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。語(yǔ)音信號(hào)處理課程是一門偏重于應(yīng)用的學(xué)科，但又由于其課程涵蓋面十分廣泛，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)，不僅要掌握語(yǔ)音信號(hào)處理的各種建模和分析方法，而且還應(yīng)結(jié)合實(shí)際案例運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)開展實(shí)踐應(yīng)用，所以要想做到語(yǔ)音信號(hào)處理課程的與時(shí)俱進(jìn)，就需要在傳統(tǒng)課程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上引入新的課程理念和方式，優(yōu)化教學(xué)的理論和模式，注重培養(yǎng)學(xué)生們將理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的能力，提升他們科學(xué)研究的意識(shí)和動(dòng)手能力。

1 語(yǔ)音信號(hào)處理課程的概念

語(yǔ)音信號(hào)處理課程主要是由語(yǔ)音信號(hào)處理基礎(chǔ)、語(yǔ)音信號(hào)分析以及語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用三大部分組成。首先來(lái)說(shuō)，語(yǔ)音信號(hào)處理基礎(chǔ)主要內(nèi)容為學(xué)科的起源和發(fā)展?fàn)顩r、語(yǔ)音產(chǎn)生的原理和信號(hào)的具體特征以及介紹語(yǔ)音信號(hào)的一些基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型等；語(yǔ)音信號(hào)分析主要內(nèi)容包括：基礎(chǔ)性的理論課程，比如時(shí)域分析，指的是采用非參數(shù)化方法來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，以及對(duì)信號(hào)倒譜分析等理論的學(xué)習(xí)，并在這些知識(shí)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行隱馬爾可夫模型的學(xué)習(xí)，其是在信號(hào)模型統(tǒng)計(jì)以及語(yǔ)音識(shí)別中都有著重要應(yīng)用的知識(shí)；語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用主要教授的是在對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理的理論知識(shí)有了一定的了解之后，將這些知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z(yǔ)音編碼和語(yǔ)音合成等應(yīng)用到實(shí)踐之中。

通過(guò)上述對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理課程的主要內(nèi)容介紹不難發(fā)現(xiàn)，該課程有著理論性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)和對(duì)基礎(chǔ)要求較高的特點(diǎn)。在理論性方面，無(wú)論是學(xué)習(xí)傅里葉變換還是隱馬爾可夫模型，都會(huì)涉及到數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，需要學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)和證明，對(duì)于學(xué)生的理論知識(shí)要求很高。其次在應(yīng)用實(shí)踐方面，由于語(yǔ)音作為信息傳遞和交流的重要載體，因其具有傳輸快、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，所以在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的時(shí)候應(yīng)能夠從自身生活角度出發(fā)，思考人們生活中對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的運(yùn)用，并能夠聯(lián)系所學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行研究和思考，只有這樣才能夠?qū)W好這門課程。該課程是一門綜合性學(xué)科，它的課程內(nèi)容包含了語(yǔ)音信號(hào)等基礎(chǔ)概念的介紹、數(shù)學(xué)模型的建立、分析方法的介紹以及實(shí)踐運(yùn)用等多方面的知識(shí)，學(xué)生只有具備了扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，才能在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)表現(xiàn)的游刃有余。

在當(dāng)今人工智能高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，從語(yǔ)音信號(hào)處理課程本身特點(diǎn)來(lái)考慮，只有同時(shí)重視對(duì)其理論課程的學(xué)習(xí)和在實(shí)踐中的應(yīng)用，才能夠在教與學(xué)的過(guò)程中，使學(xué)生具有過(guò)硬的理論知識(shí)基礎(chǔ)和對(duì)新技術(shù)、新理論在實(shí)踐中的具體應(yīng)用能力[1]。

2 人工智能時(shí)代語(yǔ)音信號(hào)處理改革難點(diǎn)

2.1 知識(shí)面廣、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)處理課程已經(jīng)發(fā)展成為了一門囊括語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音處理、語(yǔ)音編程以及智能化和信息化的綜合性學(xué)科，針對(duì)這些課程的教授過(guò)程中，還會(huì)涉及到一些專業(yè)的理論知識(shí)介紹，諸如傅里葉變換原理、隱馬爾可夫模型概念、矢量量化等，由此而開展的輔助課程包含了C/C++設(shè)計(jì)、高等數(shù)學(xué)以及數(shù)字信號(hào)處理等等。由此可見，語(yǔ)音信號(hào)處理課程所包含的知識(shí)面十分的多樣，且涉及到物理、數(shù)學(xué)、語(yǔ)文等多種不同的學(xué)科，通過(guò)對(duì)于語(yǔ)音的處理將其融合到一起，不僅涉及的知識(shí)面較為廣泛，且相互之間還具有一定的邏輯關(guān)系，具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

2.2 授課時(shí)長(zhǎng)和教學(xué)效果之間的沖突

由于課程所涉及的知識(shí)面廣泛，教師要在有限的授課時(shí)間之內(nèi)完成對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)的傳授，存在著一定的難度的。例如在工程教育方面，站在提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的角度，對(duì)于課題的設(shè)定就要有一定的實(shí)用意義以及工程概念，但同時(shí)這樣就會(huì)增加課程所涉及的知識(shí)面和難度，因而在短短數(shù)周之內(nèi)講授完全部的知識(shí)點(diǎn)和保證教學(xué)的實(shí)際效果之間是存在著一定的沖突的。在人工智能時(shí)代，對(duì)于語(yǔ)音信息處理課程的改革，是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，只有做好授課時(shí)長(zhǎng)和教學(xué)效果之間的平衡，才能夠有效提升對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力和理論知識(shí)的授課質(zhì)量。

2.3 授課模式單一、缺乏交流

在傳統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)處理課程教學(xué)之中，課程設(shè)計(jì)都是單獨(dú)進(jìn)行分組的，學(xué)生彼此之間沒(méi)有進(jìn)行過(guò)合作交流，即便是在有些多人分組的課程教學(xué)之中，更多的是組內(nèi)成員之間交流，而鮮有各組之間的交流合作。而參與工程項(xiàng)目是一個(gè)需要團(tuán)隊(duì)合作、不斷進(jìn)行交流溝通才能夠得到有效學(xué)習(xí)的項(xiàng)目，因此傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)由于其缺乏相應(yīng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，往往會(huì)對(duì)學(xué)生造成對(duì)教師的依賴，進(jìn)而對(duì)教學(xué)質(zhì)量造成了影響[2]。

3 人工智能時(shí)代語(yǔ)音信號(hào)處理的發(fā)展機(jī)遇

人工智能作為在近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高科技技術(shù)，其對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)處理課程所帶來(lái)的改革是十分明顯的，從具體的教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，不僅做了授課時(shí)長(zhǎng)的調(diào)整，還對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的聯(lián)系也起到了積極的影響作用，有利于培養(yǎng)出學(xué)生的綜合能力。因此，在人工智能科技的加持下，語(yǔ)音信號(hào)處理課程的發(fā)展也迎來(lái)了新的機(jī)遇。

3.1 拓展課程的理論知識(shí)

在新時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人工智能在各行各業(yè)之中的廣泛應(yīng)用，語(yǔ)音信號(hào)處理課程也在這種大環(huán)境下發(fā)生改變。例如：在講述課程內(nèi)容中的第三部分“語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用”時(shí)，占用了4個(gè)學(xué)時(shí)來(lái)對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述：先是從基礎(chǔ)的神經(jīng)單元和后向傳播算法入手，進(jìn)而介紹了常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最后對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)原理進(jìn)行了重點(diǎn)的介紹，同時(shí)推薦了學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容的具體方法。隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，由于其能夠?qū)﹄[馬爾可夫模型狀態(tài)進(jìn)行后驗(yàn)概率分布的估算和能夠充分利用相鄰語(yǔ)音幀中所包含的結(jié)構(gòu)信息，特別是鑒于其在大詞匯量連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)中的優(yōu)異表現(xiàn)，因而使得其在實(shí)際應(yīng)用中替代了高斯混合模型。從現(xiàn)有的研究結(jié)果可以看出，相較于傳統(tǒng)的算法，深度學(xué)習(xí)方式在噪聲、混響以及復(fù)雜聲場(chǎng)環(huán)境的處理方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)階段科技條件下，雖然深度學(xué)習(xí)算法已經(jīng)在語(yǔ)音信號(hào)處理方面取得了階段性的成果，但距離人們所定下的能夠和人耳聽覺(jué)系統(tǒng)不相上下的宏偉目標(biāo)，仍然還具有很大的差距。

3.2 豐富綜合創(chuàng)新的項(xiàng)目

在人工智能化的大環(huán)境下，伴隨著新技術(shù)和新理念的發(fā)展，對(duì)于傳統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)處理課程的豐富和拓展主要表現(xiàn)在以下幾方面：首先，在教學(xué)課程之上，主要表現(xiàn)為教師從大的宏觀角度來(lái)對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究和教學(xué)，進(jìn)而對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理課程帶來(lái)改變。其次是在理論課程之外，展開綜合性創(chuàng)新課程項(xiàng)目的教學(xué)，并制定出具體的方案和應(yīng)用案例，采用團(tuán)隊(duì)合作的方式來(lái)開展[3]。比如，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部成員進(jìn)行明確的分工，通過(guò)查閱資料、編寫程序、驗(yàn)證結(jié)論等環(huán)節(jié)來(lái)對(duì)自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行深度的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。最后，將各個(gè)團(tuán)隊(duì)的合作成果在課堂之上進(jìn)行分享和展示，這樣同學(xué)們就可以在相互交流的過(guò)程中，學(xué)習(xí)到新的知識(shí)，并加深對(duì)該課程的了解和掌握程度。教師在組織開展這樣的綜合性創(chuàng)新項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)注重和學(xué)生進(jìn)行交流，時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并尋找合適時(shí)機(jī)將新的理論知識(shí)引入到課堂教學(xué)之中，培養(yǎng)出學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力，對(duì)于有疑問(wèn)的地方可以自行去翻閱相關(guān)資料來(lái)查詢，然后再在課堂之上和教師、同學(xué)們進(jìn)行交流和分享，通過(guò)采用這樣的教學(xué)方式可以起到事半功倍的教學(xué)效果。開展綜合性課程創(chuàng)新項(xiàng)目既可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握程度，又能夠提升學(xué)生相互交流合作和實(shí)踐創(chuàng)新的能力，從而大幅提升了教與學(xué)的效率和質(zhì)量。

4 人工智能時(shí)代語(yǔ)音信號(hào)處理課程改革思路

4.1 改革理論教學(xué)模式

對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)處理課程來(lái)說(shuō)，理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用同等重要，因而在學(xué)習(xí)的過(guò)程中對(duì)于學(xué)生的主動(dòng)性和積極性都有很高的要求。而在傳統(tǒng)的教學(xué)模式之中，受限于該模式的局限性，學(xué)生通常都是被動(dòng)的在接收教師所講的知識(shí)，這樣不僅不能夠激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，還會(huì)疏遠(yuǎn)教師和學(xué)生之間的距離，對(duì)于教學(xué)效果產(chǎn)生了十分不利的影響。因而，在當(dāng)今人工智能時(shí)代，應(yīng)積極創(chuàng)新和改革語(yǔ)音信號(hào)處理課程的教學(xué)模式，可以借助現(xiàn)代科技手段，采用翻轉(zhuǎn)課堂、線上教學(xué)和微課堂等新型的教學(xué)模式，不斷提升課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率，從而保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如：微課堂相較于傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)具有主題明確、重點(diǎn)突出和情景真實(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，很適合用于語(yǔ)音信號(hào)處理課程的教學(xué)，它能夠抓住學(xué)生的注意力，逐漸培養(yǎng)起學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的興趣，再加上其內(nèi)容簡(jiǎn)潔、時(shí)間較短，更能夠適應(yīng)人工智能時(shí)代對(duì)于課堂教學(xué)的要求。而翻轉(zhuǎn)課堂則是通過(guò)轉(zhuǎn)變教師和學(xué)生在課堂之上的傳統(tǒng)角色，對(duì)于課堂內(nèi)容、教學(xué)性質(zhì)以及教學(xué)模式進(jìn)行重新定義，逆向進(jìn)行知識(shí)的傳授[4-5]。這些新興的教學(xué)模式通過(guò)采用協(xié)同合作、相互競(jìng)爭(zhēng)以及共同參與等不同的方式，將傳統(tǒng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)生為主、教師為輔”的課堂教學(xué)模式，從而實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)質(zhì)量和效率的提升。

4.2 創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)

在以往傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)之中，其主要目的是為了讓學(xué)生掌握語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)、原理以及分析和處理的方法，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，為就業(yè)奠定基礎(chǔ)。而在人工智能時(shí)代，應(yīng)不斷創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)的模式和內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，不僅要鍛煉學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，還要求學(xué)生應(yīng)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)領(lǐng)域的尖端知識(shí)有足夠的了解，激發(fā)起學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和研究的興趣，從而使得其能夠成長(zhǎng)為語(yǔ)音信號(hào)領(lǐng)域內(nèi)的高端人才。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上而言，在現(xiàn)代科技高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，傳統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)處理課程的教學(xué)模式以及教學(xué)理念已然不能夠滿足我國(guó)現(xiàn)社會(huì)的快速發(fā)展，因而，只有不斷尋求對(duì)傳統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)處理課程的創(chuàng)新和改革，充分挖掘人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并將之運(yùn)用到課程的實(shí)踐教學(xué)之中，通過(guò)優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新課程教學(xué)模式、重視理論和實(shí)踐的結(jié)合，調(diào)動(dòng)起學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和科研的積極性，逐步將其打造成一個(gè)能夠符合現(xiàn)代教學(xué)理念的完整的教與學(xué)體系，才能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)質(zhì)量和效果的提升，進(jìn)而提升學(xué)生們的綜合能力，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)、高水平的綜合性人才。