《語音識(shí)別》教學(xué)案例

學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

本課內(nèi)容來自浙江攝影出版社出版的小學(xué)信息科技教材六年級(jí)上冊(cè)第二單元。內(nèi)容涵蓋了文字識(shí)別、人臉識(shí)別和語音識(shí)別。本課是后續(xù)語音合成的基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。

學(xué)習(xí)對(duì)象分析

本課的學(xué)習(xí)者是小學(xué)六年級(jí)學(xué)生，經(jīng)過之前文字識(shí)別和人臉識(shí)別的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)人工智能已經(jīng)有了初步了解，但對(duì)人工智能的部分原理仍一知半解。預(yù)測在本課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)“語音識(shí)別的應(yīng)用和影響”以及“語音輸入法的使用”不會(huì)存在問題，但對(duì)“了解語音識(shí)別的過程與原理”還存在困難。

學(xué)科核心素養(yǎng)

①了解語音識(shí)別的應(yīng)用與影響，能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)身邊的語音識(shí)別應(yīng)用（信息意識(shí)）。

②通過對(duì)語音識(shí)別的過程解析，初步了解其過程與原理（計(jì)算思維）。

③學(xué)會(huì)語音輸入的方法并應(yīng)用于學(xué)習(xí)生活（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。

④初步了解信息安全意識(shí)，知道保護(hù)個(gè)人隱私的必要性（信息社會(huì)責(zé)任）。

教學(xué)重難點(diǎn)及對(duì)策

重點(diǎn)：學(xué)會(huì)語音輸入的方法，并將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)生活。

難點(diǎn)：對(duì)語音識(shí)別過程和原理的認(rèn)識(shí)。

對(duì)策：解決本課教學(xué)重點(diǎn)需要了解語音識(shí)別的原理，這就需要學(xué)生具有一定的抽象思維能力。因此，筆者將本課的教學(xué)難點(diǎn)定為對(duì)語音識(shí)別原理的認(rèn)識(shí)，通過把語音采集為波形圖像，再把波形圖像處理為計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維上的突破。

教學(xué)過程

1.激趣導(dǎo)入

本環(huán)節(jié)，教師將“小愛同學(xué)”請(qǐng)進(jìn)了課堂，通過三個(gè)小互動(dòng)“模仿動(dòng)物叫聲（羊、老虎、大象）、中文翻譯英文、造句”，向?qū)W生展示語音識(shí)別的強(qiáng)大。此時(shí)，學(xué)生對(duì)語音識(shí)別充滿了好奇心，教師順勢提問：“語音識(shí)別是如何實(shí)現(xiàn)的？”通過回顧文字識(shí)別和人臉識(shí)別的過程（如圖1），讓學(xué)生猜一猜（填寫記錄單）。接著提問：“是不是和同學(xué)們猜想的一樣呢？老師有一個(gè)好辦法——做一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)來探究一下吧！”

設(shè)計(jì)意圖：通過游戲的方式，引出人工智能語音助手“小愛同學(xué)”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為課堂教學(xué)做鋪墊。同時(shí)，學(xué)生通過猜測語音識(shí)別過程，讓思考有了方向，動(dòng)手實(shí)踐也有了明確目的。

2.實(shí)驗(yàn)揭秘

實(shí)驗(yàn)1：聲音長什么樣？

第一步：語音采集。教師演示用慧編程采集“貓”，通過簡單預(yù)處理（如圖2），得到聲波文件。教師指出預(yù)處理是語音識(shí)別中重要又復(fù)雜的一步，端點(diǎn)檢測只是其中的模擬方法，需要經(jīng)過多道預(yù)處理環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生先用自己的語言表達(dá)，再用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、模擬、對(duì)比，從無形到有形，實(shí)現(xiàn)思維上的飛躍。

實(shí)驗(yàn)2：聲音有什么特征？

教師提出問題：“根據(jù)聲音‘貓的形狀特征，我們能否繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)探索出聲音更多的特征？”學(xué)生開始討論，設(shè)計(jì)想探究的問題和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（記錄在實(shí)驗(yàn)單上），并嘗試通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論（如圖3）。

學(xué)生通過實(shí)踐得出以下結(jié)論：內(nèi)容不同，聲波形狀不同；內(nèi)容相同，聲波形狀相似；每個(gè)聲波文件都包含音量、音調(diào)、音色等多個(gè)特征。

設(shè)計(jì)意圖：特征是專業(yè)術(shù)語，學(xué)生很難理解。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生自主探究，通過對(duì)比、分析、歸納實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步激發(fā)思維、想象、求知欲，讓學(xué)習(xí)真正地發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)3：聲音如何匹配？

教師提問：“特征提取出來，怎么進(jìn)行模型匹配呢？這個(gè)過程能不能繼續(xù)被模擬出來？（可以）。為什么老師提問羊叫，同學(xué)們能馬上反應(yīng)出‘咩？因?yàn)槿说挠洃洰a(chǎn)生了作用，那計(jì)算機(jī)的記憶是什么呢？（聲學(xué)模型）”此環(huán)節(jié)，筆者安排了“看圖辨聲”實(shí)驗(yàn)，即采集聲波文件，并與聲學(xué)模型進(jìn)行匹配，然后確定是什么字。學(xué)生在判斷單字單特征的基礎(chǔ)上，嘗試多字多特征的提取和匹配，并結(jié)合圖示（如圖4），理解計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行模型匹配和文字輸出。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)語音識(shí)別過程進(jìn)行小結(jié)，并讓學(xué)生試著說一說原理。教師最后指出：“在現(xiàn)實(shí)生活中，語音識(shí)別是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的聲波是二進(jìn)制編碼，其中涉及數(shù)據(jù)編碼、提取特征、多次匹配，這些都包含了大數(shù)據(jù)和云計(jì)算（如圖5）?！苯處熗瑫r(shí)鼓勵(lì)學(xué)生課后繼續(xù)學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：聲學(xué)模型匹配是一個(gè)很抽象的過程，讓學(xué)生通過親身體驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，能印象深刻。

3.體驗(yàn)應(yīng)用

教師設(shè)置懸念：“你們平時(shí)用鍵盤輸入，每分鐘可以輸入幾個(gè)漢字？老師能讓你們每分鐘輸入一百多個(gè)漢字，信不信？一起來體驗(yàn)‘輸入小超人吧！”學(xué)生用訊飛語音輸入法，在Word中輸入自己的作文，計(jì)時(shí)三分鐘。完成后，通過展示錯(cuò)別字，引導(dǎo)學(xué)生回顧“語音識(shí)別過程”的知識(shí)，分析語音識(shí)別易出的差錯(cuò)。同時(shí)，展示訊飛輸入法的多語種功能，以及其他語音輸入法，如搜狗、百度等，鼓勵(lì)學(xué)生日后嘗試。

設(shè)計(jì)意圖：相比鍵盤輸入，語音輸入法的快捷會(huì)給學(xué)生留下深刻的印象，從而促使學(xué)生積極體驗(yàn)語音輸入法。同時(shí)，語音輸入正確率的問題無法規(guī)避，教師借助展示適時(shí)進(jìn)行德育引導(dǎo)。

4.拓展延伸

教師提問：“除了強(qiáng)大的語音輸入，生活中還有哪些語音識(shí)別應(yīng)用呢？”教師課堂展示“聽歌識(shí)曲”功能，引發(fā)學(xué)生頭腦風(fēng)暴，羅列生活中的語音識(shí)別應(yīng)用，分享體驗(yàn)感受，并由此暢想未來語音識(shí)別的發(fā)展。最后，教師介紹聲紋驗(yàn)證（用聲紋演示打開手機(jī)），提醒學(xué)生注重日常使用語音識(shí)別的信息安全意識(shí)，學(xué)會(huì)保護(hù)個(gè)人隱私。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過展示引領(lǐng)，喚起生活回憶，呼應(yīng)課題。教師展示聲紋識(shí)別，旨在提醒學(xué)生留意隱私保護(hù)和信息安全意識(shí)。

5.小結(jié)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)教師采用問卷星設(shè)計(jì)自我評(píng)價(jià)的問卷，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。一共5道題目，都是圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行回顧，又對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

反思

實(shí)驗(yàn)教學(xué)法是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，使用一定的設(shè)備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實(shí)驗(yàn)對(duì)象的某些變化，從觀察這些現(xiàn)象的變化中獲取新知識(shí)或驗(yàn)證知識(shí)的教學(xué)方法。本節(jié)課，筆者嘗試使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，通過研究現(xiàn)象，探知知識(shí)的本質(zhì)，在這個(gè)過程中培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，達(dá)到了培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的。

點(diǎn)? 評(píng)

人工智能教什么？怎么教？這是當(dāng)前義務(wù)階段信息科技教師普遍感到困惑的兩個(gè)問題。楊凱老師通過《語音識(shí)別》一課進(jìn)行了很有價(jià)值的探索。

第一，教材內(nèi)容的理解。浙江攝影出版社小學(xué)信息技術(shù)教材六年級(jí)上冊(cè)第二單元“初識(shí)人工智能”共有8課，在語音識(shí)別之前，安排了文字識(shí)別和人臉識(shí)別。這3課內(nèi)容并列，但編排意圖實(shí)際上是進(jìn)階的。本課的教學(xué)從整體上看，無論是教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定還是教學(xué)設(shè)計(jì)，均充分體現(xiàn)了與前兩課之間的遞進(jìn)關(guān)系。從前后相關(guān)課的內(nèi)在聯(lián)系，到單元主題的安排邏輯，再到整冊(cè)教材的編排意圖，直至課程標(biāo)準(zhǔn)的整體設(shè)計(jì)，這些維度共同對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)全面的理解，視野通透。

第二，教學(xué)方法的選擇。楊凱老師選用了信息科技教師既熟悉又陌生的“實(shí)驗(yàn)教學(xué)法”，可謂找準(zhǔn)了方向。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)法并不是新事物，在物理、化學(xué)、生物等課堂中經(jīng)常使用，說它陌生，那是因?yàn)樗谛畔⒓夹g(shù)課堂中并不常見。而事實(shí)上，對(duì)于小學(xué)的人工智能教學(xué)，重心并不在于知識(shí)本身，而在于讓學(xué)生在初識(shí)人工智能的過程中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，掌握科學(xué)的探究方法，同時(shí)培育學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)和發(fā)展打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。楊凱老師敢于選擇看似傳統(tǒng)的教學(xué)方法，實(shí)際上是深入理解信息科技課程“科學(xué)”屬性的創(chuàng)新之舉，實(shí)際的教學(xué)效果也證明了選擇的正確性，這是本課教學(xué)設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn)。

第三，教學(xué)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。課堂伊始，楊凱老師用“小愛同學(xué)”引入，在激起好奇心的同時(shí)，讓學(xué)生回顧文字識(shí)別和人臉識(shí)別過程，然后猜一猜語音識(shí)別是如何實(shí)現(xiàn)的，并寫在紙上?！安乱徊隆边@個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)非?！扒擅睢?。因?yàn)檫@個(gè)“猜”不是瞎猜，而是對(duì)前兩課學(xué)習(xí)的梳理和應(yīng)用，是知識(shí)遷移的過程，同時(shí)也為下一步的“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”設(shè)定了基本方案。接下來的實(shí)驗(yàn)探秘環(huán)節(jié)，通過“聲音長什么樣”“聲音有什么特征”“聲音如何匹配”這3個(gè)具體的小實(shí)驗(yàn)層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，從“聽”聲音到“看”聲音，再到“看”“聽”驗(yàn)證，學(xué)生親身體驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)的方式幫助理解抽象的知識(shí)，讓學(xué)習(xí)得以真實(shí)發(fā)生。其中“聲音有什么特征”這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，研究的問題是開放式的，先進(jìn)行集體討論，互相啟發(fā)，設(shè)計(jì)若干個(gè)“……會(huì)不會(huì)一樣”的問題，然后進(jìn)行自主探究，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的步驟和細(xì)節(jié)，最后形成一張完整的實(shí)驗(yàn)記錄單。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生輕松梳理不同內(nèi)容、對(duì)象、音量、音調(diào)、音色等與聲波形狀之間的關(guān)系，自然而然地理解“特征”這個(gè)專業(yè)術(shù)語的含義，并為下一步理解模型匹配做好鋪墊。整個(gè)過程用實(shí)驗(yàn)記錄單進(jìn)行串連，思維嚴(yán)密、流程規(guī)范，以實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行的探究學(xué)習(xí)，很好地契合了小學(xué)階段人工智能學(xué)習(xí)的目標(biāo)，這種科學(xué)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)過程將使學(xué)生終身受用。第三個(gè)環(huán)節(jié)通過語音輸入的體驗(yàn)，讓學(xué)生強(qiáng)烈感受人工智能技術(shù)給學(xué)習(xí)生活帶來的便捷，同時(shí)也客觀地認(rèn)識(shí)到目前技術(shù)的局限性，與最后一個(gè)環(huán)節(jié)“拓展延伸”無縫對(duì)接，從而進(jìn)一步樹立理想，為今后的學(xué)習(xí)增添動(dòng)力。

義務(wù)教育信息科技課程的六條邏輯主線為數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能。與人工智能類似，其他主線的專業(yè)性也極強(qiáng)，如何根據(jù)認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，以適合這個(gè)年齡段學(xué)生的方式開展教學(xué)，是課程實(shí)施過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。想要回答教什么和怎么教的問題，就要從“內(nèi)容承載”和“教學(xué)方法”兩個(gè)維度進(jìn)行深度思考和實(shí)踐。教師一方面要精心挑選學(xué)生樂于學(xué)、可以學(xué)的素材，以此為切入口，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入知識(shí)體系；另一方面要正確選擇教學(xué)方法，讓學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)，探究科學(xué)方法，學(xué)會(huì)專業(yè)技能，培育計(jì)算思維，提高解決問題的能力，最終提升核心素養(yǎng)。楊凱老師《語音識(shí)別》這一課的設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)，得到了專家和廣大教師的充分認(rèn)可，在全國小學(xué)信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課交流展示活動(dòng)中榮膺標(biāo)桿課，獲得最高獎(jiǎng)項(xiàng)。通過這個(gè)案例，我們期待能給信息科技課程的實(shí)施帶來新的思考和啟發(fā)。