基于STEM項目式的人工智能教學設計與實踐

【摘要】本文以“詩歌點播朗誦機器人——語音智能”課堂教學設計與實踐為例，以項目為載體，以STEM為教學主線，通過拆解項目問題、技術學習、解決問題的教學實踐，探索具有規(guī)范性、有效性和可操作性的人工智能教學實踐模式?！娟P鍵詞】人工智能；項目式學習；教學模式《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出倡導真實性學習，創(chuàng)新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力，引入多元化數(shù)字，提高學生學習的參與度，支持學生在數(shù)字化學習環(huán)境下進行自我規(guī)劃、自我管理和自我評價。項目式教學要點在于，教師在情境中發(fā)布相對獨立的項目，學生設計方案、分解項目中的技術要點并進行學習、整合項目實施。學生是在完成整個項目中進行學習和評價，完成學習認知和應用。這樣的學習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，闡述小學人工智能課堂項目式教學設計與實踐。項目課程設計1.項目整體設計“詩歌點播朗誦機器人——語音智能”項目整體教學內容為：學生設計詩歌點播朗誦機器人實現(xiàn)人機對話，能夠根據(jù)語音的輸入內容播放對應的詩歌。技術要點主要學習的是語音合成、語音識別和簡單數(shù)據(jù)處理。依據(jù)STEM和項目式教學基本要點，教師對項目整體教學內容做如下的整理與對應的處理?？茖W：了解文字轉語音、語音轉文字基本過程與原理，學生完成任務一播放詩歌和任務二點播詩歌。技術：能夠用Kittenblock完成程序設置，會使用變量、數(shù)據(jù)列表搜索算法。數(shù)學：能夠利用數(shù)學知識理解數(shù)據(jù)窮盡搜索算法，學生完成任務三點播多首詩歌。工程：能夠結合文字轉語音、語音轉文字技術，設計獨立詩歌智能機器人。通過小組討論交流合作，激發(fā)學生的團隊精神與協(xié)作能力。根據(jù)上述內容，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技術和知識。教師結合學生學習和生活實際以人工智能對話流程中所需要的語音識別、語音合成為主要內容，指導學生基于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.項目教學實施（1）構建情境，引出項目教師播放《中國詩詞大會》的宣傳片，引發(fā)學生的羨慕情緒，鼓勵學生設計出一個詩歌朗誦機器人。教師按組分發(fā)設計單，學生討論設計并填寫詩歌點播朗誦智能機器人的功能。教師參與學生分組討論，引導學生填寫相關功能以及涉及的技術，形成詩歌朗誦機器人的項目表。教師整理學生各組填寫設計的功能以及相關技術，出示新的項目表。通過對學生項目表格功能與技術的整理，教師和學生一起合作討論，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，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基礎之上的綜合實現(xiàn)。（2）子任務教學實施任務一：語音合成，計算機能正確讀出詩歌。任務介紹：計算機如何才能讀出詩歌，即提供詩歌文本，計算機根據(jù)文本讀出內容。教師解釋語音合成的技術定義，引導學生利用Kittenblock軟件中的“文字朗讀”模塊，實現(xiàn)計算機的語音合成功能。在教學中，教師引導學生編寫流程圖，并以技術解答小視頻的方式，提供學習腳手架，讓學生自主學習新技術，實現(xiàn)計算機讀出指定的詩歌，即語音合成的技術應用。在學生實現(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)學生思考，為數(shù)據(jù)的建立和數(shù)據(jù)搜索技術的學習埋下伏筆。任務二：語音識別，計算機能識別語音的內容。任務介紹：計算機如何才能識別語音的內容？通過語音的輸入，計算機能正確識別語音的內容，并顯示出文本。教師解釋語音識別的技術定義，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。學生自主學習新技術，實現(xiàn)計算機識別語音的文本，即語音識別的技術應用。任務三：數(shù)據(jù)的建立及搜索。根據(jù)語音輸入的內容，正確播放語音指定的詩歌。根據(jù)功能實現(xiàn)的需要，學生把任務三拆解成三個子任務。（1）計算機根據(jù)語音識別的單類型內容（詩歌標題）播放不同的詩歌。教師下發(fā)學習任務單，學生分組討論并填寫學習任務單。教師參與學生分組討論，引導學生填寫相關功能以及涉及的技術。通過對學習任務單分析整理，教師把此任務分解為“數(shù)據(jù)列表學習，數(shù)據(jù)列表的應用”和窮盡搜索算法的技術學習，并把學習任務單整理和發(fā)放給學生。（2）根據(jù)語音識別的內容多類型（詩歌標題、作者）播放不同的詩歌。教師引導學生利用Kittenblock中的列表，構建不同列表，滿足多種需求，創(chuàng)建不同語音內容實現(xiàn)點播的需求。技術要點為多內容搜索技術學習。（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.項目教學評價學習單和項目完成調試及展示之后，學生分組填寫項目式整體學習評價單。學生從編程程序、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。教師則從學生小組討論、編程過程、項目展示等方面給予評價。教學實施效果學生沉浸在STEM項目式的人工智能教學環(huán)境中，經(jīng)歷信息收集，項目方案的設計與實施以及最終的評價。在項目式的學習過程中，學生綜合運用知識，嘗試設計和開發(fā)人工智能作品，實現(xiàn)學習和發(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，有效提升了學生的學習興趣和參與度，提升了學生學習的成就感。真實地貼近學生生活的場景項目，充分地調動了學生的情感投入；基于項目式分解的表單，引導學生把握項目的參與方向、明確了學生學習方向，降低了學生對整個項目難度的預期，學生對人工智能學習的態(tài)度變得更為積極。第二，有效促進了學生對人工智能課堂教學內容的掌握。通過項目式表單的引導，學生掌握了人工智能課程的教學內容，提升了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力水平。在界定問題、抽象建模、組織知識學習、運用合理的算法解決問題的過程中，提升了學生的計算思維。表單式的學習引導包含了學生學習評價模式，成為學生在自我評價中促進自身學習的依據(jù)。第三，提升了學生設計項目、拆解項目問題、技術學習、解決問題的能力。項目式的人工智能課堂教學有效提升了學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學習的能力，有效提升了學生對單個知識與技術學習的興趣，從而有效進行知識與技術的遷移應用能力，為學習提供了無限可能性。小結基于STEM項目式的人工智能課堂從真實的情境出發(fā)，從學生的興趣出發(fā)，注重實踐性和學生的參與度。項目式表單的呈現(xiàn)為