基于STEM項(xiàng)目式的人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

【摘要】本文以“詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦機(jī)器人——語(yǔ)音智能”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐為例，以項(xiàng)目為載體，以STEM為教學(xué)主線，通過(guò)拆解項(xiàng)目問(wèn)題、技術(shù)學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題的教學(xué)實(shí)踐，探索具有規(guī)范性、有效性和可操作性的人工智能教學(xué)實(shí)踐模式?！娟P(guān)鍵詞】人工智能；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；教學(xué)模式《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力，引入多元化數(shù)字，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，支持學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行自我規(guī)劃、自我管理和自我評(píng)價(jià)。項(xiàng)目式教學(xué)要點(diǎn)在于，教師在情境中發(fā)布相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目，學(xué)生設(shè)計(jì)方案、分解項(xiàng)目中的技術(shù)要點(diǎn)并進(jìn)行學(xué)習(xí)、整合項(xiàng)目實(shí)施。學(xué)生是在完成整個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)，完成學(xué)習(xí)認(rèn)知和應(yīng)用。這樣的學(xué)習(xí)方式非常契合新課標(biāo)的理念。本文以“詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦機(jī)器人——語(yǔ)音智能”為例，闡述小學(xué)人工智能課堂項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)1.項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)“詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦機(jī)器人——語(yǔ)音智能”項(xiàng)目整體教學(xué)內(nèi)容為：學(xué)生設(shè)計(jì)詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，能夠根據(jù)語(yǔ)音的輸入內(nèi)容播放對(duì)應(yīng)的詩(shī)歌。技術(shù)要點(diǎn)主要學(xué)習(xí)的是語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理。依據(jù)STEM和項(xiàng)目式教學(xué)基本要點(diǎn)，教師對(duì)項(xiàng)目整體教學(xué)內(nèi)容做如下的整理與對(duì)應(yīng)的處理?？茖W(xué)：了解文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音、語(yǔ)音轉(zhuǎn)文字基本過(guò)程與原理，學(xué)生完成任務(wù)一播放詩(shī)歌和任務(wù)二點(diǎn)播詩(shī)歌。技術(shù)：能夠用Kittenblock完成程序設(shè)置，會(huì)使用變量、數(shù)據(jù)列表搜索算法。數(shù)學(xué)：能夠利用數(shù)學(xué)知識(shí)理解數(shù)據(jù)窮盡搜索算法，學(xué)生完成任務(wù)三點(diǎn)播多首詩(shī)歌。工程：能夠結(jié)合文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音、語(yǔ)音轉(zhuǎn)文字技術(shù)，設(shè)計(jì)獨(dú)立詩(shī)歌智能機(jī)器人。通過(guò)小組討論交流合作，激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與協(xié)作能力。根據(jù)上述內(nèi)容，要完成一個(gè)完整的詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦的人工智能機(jī)器人，需要用到人工智能中的語(yǔ)音處理相關(guān)技術(shù)和知識(shí)。教師結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)和生活實(shí)際以人工智能對(duì)話流程中所需要的語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成為主要內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生基于Kittenblock可視化編程軟件制作一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音點(diǎn)播朗誦的智能機(jī)器人項(xiàng)目作品。2.項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施（1）構(gòu)建情境，引出項(xiàng)目教師播放《中國(guó)詩(shī)詞大會(huì)》的宣傳片，引發(fā)學(xué)生的羨慕情緒，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)詩(shī)歌朗誦機(jī)器人。教師按組分發(fā)設(shè)計(jì)單，學(xué)生討論設(shè)計(jì)并填寫(xiě)詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦智能機(jī)器人的功能。教師參與學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)相關(guān)功能以及涉及的技術(shù)，形成詩(shī)歌朗誦機(jī)器人的項(xiàng)目表。教師整理學(xué)生各組填寫(xiě)設(shè)計(jì)的功能以及相關(guān)技術(shù)，出示新的項(xiàng)目表。通過(guò)對(duì)學(xué)生項(xiàng)目表格功能與技術(shù)的整理，教師和學(xué)生一起合作討論，認(rèn)為“詩(shī)歌點(diǎn)播朗誦智能機(jī)器人”項(xiàng)目可以拆分成三個(gè)子任務(wù)，分別是語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別以及數(shù)據(jù)的建立與搜索。詩(shī)歌的點(diǎn)播朗誦是建立在前兩項(xiàng)人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上的綜合實(shí)現(xiàn)。（2）子任務(wù)教學(xué)實(shí)施任務(wù)一：語(yǔ)音合成，計(jì)算機(jī)能正確讀出詩(shī)歌。任務(wù)介紹：計(jì)算機(jī)如何才能讀出詩(shī)歌，即提供詩(shī)歌文本，計(jì)算機(jī)根據(jù)文本讀出內(nèi)容。教師解釋語(yǔ)音合成的技術(shù)定義，引導(dǎo)學(xué)生利用Kittenblock軟件中的“文字朗讀”模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音合成功能。在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生編寫(xiě)流程圖，并以技術(shù)解答小視頻的方式，提供學(xué)習(xí)腳手架，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)讀出指定的詩(shī)歌，即語(yǔ)音合成的技術(shù)應(yīng)用。在學(xué)生實(shí)現(xiàn)單首詩(shī)歌語(yǔ)音合成后，教師提出新問(wèn)題：如果要播放多首詩(shī)歌如何解決？進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考，為數(shù)據(jù)的建立和數(shù)據(jù)搜索技術(shù)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。任務(wù)二：語(yǔ)音識(shí)別，計(jì)算機(jī)能識(shí)別語(yǔ)音的內(nèi)容。任務(wù)介紹：計(jì)算機(jī)如何才能識(shí)別語(yǔ)音的內(nèi)容？通過(guò)語(yǔ)音的輸入，計(jì)算機(jī)能正確識(shí)別語(yǔ)音的內(nèi)容，并顯示出文本。教師解釋語(yǔ)音識(shí)別的技術(shù)定義，利用Kittenblock軟件中的百度人工智能“語(yǔ)音識(shí)別”模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別功能。學(xué)生自主學(xué)習(xí)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)識(shí)別語(yǔ)音的文本，即語(yǔ)音識(shí)別的技術(shù)應(yīng)用。任務(wù)三：數(shù)據(jù)的建立及搜索。根據(jù)語(yǔ)音輸入的內(nèi)容，正確播放語(yǔ)音指定的詩(shī)歌。根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的需要，學(xué)生把任務(wù)三拆解成三個(gè)子任務(wù)。（1）計(jì)算機(jī)根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別的單類(lèi)型內(nèi)容（詩(shī)歌標(biāo)題）播放不同的詩(shī)歌。教師下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)單，學(xué)生分組討論并填寫(xiě)學(xué)習(xí)任務(wù)單。教師參與學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)相關(guān)功能以及涉及的技術(shù)。通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)單分析整理，教師把此任務(wù)分解為“數(shù)據(jù)列表學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)列表的應(yīng)用”和窮盡搜索算法的技術(shù)學(xué)習(xí)，并把學(xué)習(xí)任務(wù)單整理和發(fā)放給學(xué)生。（2）根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別的內(nèi)容多類(lèi)型（詩(shī)歌標(biāo)題、作者）播放不同的詩(shī)歌。教師引導(dǎo)學(xué)生利用Kittenblock中的列表，構(gòu)建不同列表，滿足多種需求，創(chuàng)建不同語(yǔ)音內(nèi)容實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播的需求。技術(shù)要點(diǎn)為多內(nèi)容搜索技術(shù)學(xué)習(xí)。（3）完成唐詩(shī)三百首的唐詩(shī)點(diǎn)播機(jī)器人。通過(guò)分組合作的方式，學(xué)生完成唐詩(shī)三百首的數(shù)據(jù)列表，并按組進(jìn)行項(xiàng)目展示。3.項(xiàng)目教學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)單和項(xiàng)目完成調(diào)試及展示之后，學(xué)生分組填寫(xiě)項(xiàng)目式整體學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)單。學(xué)生從編程程序、程序界面、小組合作、參與討論、項(xiàng)目展示等方面對(duì)項(xiàng)目的完成度做出評(píng)價(jià)。教師則從學(xué)生小組討論、編程過(guò)程、項(xiàng)目展示等方面給予評(píng)價(jià)。教學(xué)實(shí)施效果學(xué)生沉浸在STEM項(xiàng)目式的人工智能教學(xué)環(huán)境中，經(jīng)歷信息收集，項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施以及最終的評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)，嘗試設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人工智能作品，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和發(fā)展自身能力的目的，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目標(biāo)。第一，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感。真實(shí)地貼近學(xué)生生活的場(chǎng)景項(xiàng)目，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的情感投入；基于項(xiàng)目式分解的表單，引導(dǎo)學(xué)生把握項(xiàng)目的參與方向、明確了學(xué)生學(xué)習(xí)方向，降低了學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目難度的預(yù)期，學(xué)生對(duì)人工智能學(xué)習(xí)的態(tài)度變得更為積極。第二，有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)人工智能課堂教學(xué)內(nèi)容的掌握。通過(guò)項(xiàng)目式表單的引導(dǎo)，學(xué)生掌握了人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容，提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力水平。在界定問(wèn)題、抽象建模、組織知識(shí)學(xué)習(xí)、運(yùn)用合理的算法解決問(wèn)題的過(guò)程中，提升了學(xué)生的計(jì)算思維。表單式的學(xué)習(xí)引導(dǎo)包含了學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模式，成為學(xué)生在自我評(píng)價(jià)中促進(jìn)自身學(xué)習(xí)的依據(jù)。第三，提升了學(xué)生設(shè)計(jì)項(xiàng)目、拆解項(xiàng)目問(wèn)題、技術(shù)學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題的能力。項(xiàng)目式的人工智能課堂教學(xué)有效提升了學(xué)生對(duì)一個(gè)項(xiàng)目中涉及的問(wèn)題進(jìn)行拆解、分析小問(wèn)題中所包含的知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)學(xué)習(xí)的能力，有效提升了學(xué)生對(duì)單個(gè)知識(shí)與技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，從而有效進(jìn)行知識(shí)與技術(shù)的遷移應(yīng)用能力，為學(xué)習(xí)提供了無(wú)限可能性。小結(jié)基于STEM項(xiàng)目式的人工智能課堂從真實(shí)的情境出發(fā)，從學(xué)生的興趣出發(fā)，注重實(shí)踐性和學(xué)生的參與度。項(xiàng)目式表單的呈現(xiàn)為