基于STEM項目式的人工智能教學(xué)設(shè)計與實踐

【摘要】本文以“詩歌點播朗誦機器人——語音智能”課堂教學(xué)設(shè)計與實踐為例，以項目為載體，以STEM為教學(xué)主線，通過拆解項目問題、技術(shù)學(xué)習(xí)、解決問題的教學(xué)實踐，探索具有規(guī)范性、有效性和可操作性的人工智能教學(xué)實踐模式?！娟P(guān)鍵詞】人工智能；項目式學(xué)習(xí)；教學(xué)模式《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》提出倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)知識，提升問題解決能力，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)境下進行自我規(guī)劃、自我管理和自我評價。項目式教學(xué)要點在于，教師在情境中發(fā)布相對獨立的項目，學(xué)生設(shè)計方案、分解項目中的技術(shù)要點并進行學(xué)習(xí)、整合項目實施。學(xué)生是在完成整個項目中進行學(xué)習(xí)和評價，完成學(xué)習(xí)認知和應(yīng)用。這樣的學(xué)習(xí)方式非常契合新課標的理念。本文以“詩歌點播朗誦機器人——語音智能”為例，闡述小學(xué)人工智能課堂項目式教學(xué)設(shè)計與實踐。項目課程設(shè)計1.項目整體設(shè)計“詩歌點播朗誦機器人——語音智能”項目整體教學(xué)內(nèi)容為：學(xué)生設(shè)計詩歌點播朗誦機器人實現(xiàn)人機對話，能夠根據(jù)語音的輸入內(nèi)容播放對應(yīng)的詩歌。技術(shù)要點主要學(xué)習(xí)的是語音合成、語音識別和簡單數(shù)據(jù)處理。依據(jù)STEM和項目式教學(xué)基本要點，教師對項目整體教學(xué)內(nèi)容做如下的整理與對應(yīng)的處理?？茖W(xué)：了解文字轉(zhuǎn)語音、語音轉(zhuǎn)文字基本過程與原理，學(xué)生完成任務(wù)一播放詩歌和任務(wù)二點播詩歌。技術(shù)：能夠用Kittenblock完成程序設(shè)置，會使用變量、數(shù)據(jù)列表搜索算法。數(shù)學(xué)：能夠利用數(shù)學(xué)知識理解數(shù)據(jù)窮盡搜索算法，學(xué)生完成任務(wù)三點播多首詩歌。工程：能夠結(jié)合文字轉(zhuǎn)語音、語音轉(zhuǎn)文字技術(shù)，設(shè)計獨立詩歌智能機器人。通過小組討論交流合作，激發(fā)學(xué)生的團隊精神與協(xié)作能力。根據(jù)上述內(nèi)容，要完成一個完整的詩歌點播朗誦的人工智能機器人，需要用到人工智能中的語音處理相關(guān)技術(shù)和知識。教師結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)和生活實際以人工智能對話流程中所需要的語音識別、語音合成為主要內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生基于Kittenblock可視化編程軟件制作一個可以實現(xiàn)語音點播朗誦的智能機器人項目作品。2.項目教學(xué)實施（1）構(gòu)建情境，引出項目教師播放《中國詩詞大會》的宣傳片，引發(fā)學(xué)生的羨慕情緒，鼓勵學(xué)生設(shè)計出一個詩歌朗誦機器人。教師按組分發(fā)設(shè)計單，學(xué)生討論設(shè)計并填寫詩歌點播朗誦智能機器人的功能。教師參與學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生填寫相關(guān)功能以及涉及的技術(shù)，形成詩歌朗誦機器人的項目表。教師整理學(xué)生各組填寫設(shè)計的功能以及相關(guān)技術(shù)，出示新的項目表。通過對學(xué)生項目表格功能與技術(shù)的整理，教師和學(xué)生一起合作討論，認為“詩歌點播朗誦智能機器人”項目可以拆分成三個子任務(wù)，分別是語音合成、語音識別以及數(shù)據(jù)的建立與搜索。詩歌的點播朗誦是建立在前兩項人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上的綜合實現(xiàn)。（2）子任務(wù)教學(xué)實施任務(wù)一：語音合成，計算機能正確讀出詩歌。任務(wù)介紹：計算機如何才能讀出詩歌，即提供詩歌文本，計算機根據(jù)文本讀出內(nèi)容。教師解釋語音合成的技術(shù)定義，引導(dǎo)學(xué)生利用Kittenblock軟件中的“文字朗讀”模塊，實現(xiàn)計算機的語音合成功能。在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生編寫流程圖，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)，實現(xiàn)計算機讀出指定的詩歌，即語音合成的技術(shù)應(yīng)用。在學(xué)生實現(xiàn)單首詩歌語音合成后，教師提出新問題：如果要播放多首詩歌如何解決？進而引發(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：語音識別，計算機能識別語音的內(nèi)容。任務(wù)介紹：計算機如何才能識別語音的內(nèi)容？通過語音的輸入，計算機能正確識別語音的內(nèi)容，并顯示出文本。教師解釋語音識別的技術(shù)定義，利用Kittenblock軟件中的百度人工智能“語音識別”模塊，實現(xiàn)計算機的語音識別功能。學(xué)生自主學(xué)習(xí)新技術(shù)，實現(xiàn)計算機識別語音的文本，即語音識別的技術(shù)應(yīng)用。任務(wù)三：數(shù)據(jù)的建立及搜索。根據(jù)語音輸入的內(nèi)容，正確播放語音指定的詩歌。根據(jù)功能實現(xiàn)的需要，學(xué)生把任務(wù)三拆解成三個子任務(wù)。（1）計算機根據(jù)語音識別的單類型內(nèi)容（詩歌標題）播放不同的詩歌。教師下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)單，學(xué)生分組討論并填寫學(xué)習(xí)任務(wù)單。教師參與學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生填寫相關(guān)功能以及涉及的技術(shù)。通過對學(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)語音識別的內(nèi)容多類型（詩歌標題、作者）播放不同的詩歌。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)建不同語音內(nèi)容實現(xiàn)點播的需求。技術(shù)要點為多內(nèi)容搜索技術(shù)學(xué)習(xí)。（3）完成唐詩三百首的唐詩點播機器人。通過分組合作的方式，學(xué)生完成唐詩三百首的數(shù)據(jù)列表，并按組進行項目展示。3.項目教學(xué)評價學(xué)習(xí)單和項目完成調(diào)試及展示之后，學(xué)生分組填寫項目式整體學(xué)習(xí)評價單。學(xué)生從編程程序、程序界面、小組合作、參與討論、項目展示等方面對項目的完成度做出評價。教師則從學(xué)生小組討論、編程過程、項目展示等方面給予評價。教學(xué)實施效果學(xué)生沉浸在STEM項目式的人工智能教學(xué)環(huán)境中，經(jīng)歷信息收集，項目方案的設(shè)計與實施以及最終的評價。在項目式的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生綜合運用知識，嘗試設(shè)計和開發(fā)人工智能作品，實現(xiàn)學(xué)習(xí)和發(fā)展自身能力的目的，最終實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目標。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。真實地貼近學(xué)生生活的場景項目，充分地調(diào)動了學(xué)生的情感投入；基于項目式分解的表單，引導(dǎo)學(xué)生把握項目的參與方向、明確了學(xué)生學(xué)習(xí)方向，降低了學(xué)生對整個項目難度的預(yù)期，學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的態(tài)度變得更為積極。第二，有效促進了學(xué)生對人工智能課堂教學(xué)內(nèi)容的掌握。通過項目式表單的引導(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)問題、解決問題的能力水平。在界定問題、抽象建模、組織知識學(xué)習(xí)、運用合理的算法解決問題的過程中，提升了學(xué)生的計算思維。表單式的學(xué)習(xí)引導(dǎo)包含了學(xué)生學(xué)習(xí)評價模式，成為學(xué)生在自我評價中促進自身學(xué)習(xí)的依據(jù)。第三，提升了學(xué)生設(shè)計項目、拆解項目問題、技術(shù)學(xué)習(xí)、解決問題的能力。項目式的人工智能課堂教學(xué)有效提升了學(xué)生對一個項目中涉及的問題進行拆解、分析小問題中所包含的知識點與技術(shù)學(xué)習(xí)的能力，有效提升了學(xué)生對單個知識與技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，從而有效進行知識與技術(shù)的遷移應(yīng)用能力，為學(xué)習(xí)提供了無限可能性。小結(jié)基于STEM項目式的人工智能課堂從真實的情境出發(fā)，從學(xué)生的興趣出發(fā)，注重實踐性和學(xué)生的參與度。項目式表單的呈現(xiàn)為