实验教学在小学人工智能课程中的实践

浙江省名师网络工作室是浙江省基础教育领域具有示范效应的创新型教育团队。工作室负责人现任信息科技教研员，是浙江省特级教师和正高级教师，曾荣获2014年浙江教育年度新闻人物。工作室以人工智能教育为核心研究方向，自2020年起结对柯桥区马鞍兴海小学，通过每月线下送教和数字课程共享等形式，助力小规模学校解决人工智能教育中“缺师资、缺课程、缺设备”的普遍难题。至今，工作室已累计开展30次送教活动。工作室连续四年获评年度考核优秀等级，其帮扶案例入选为浙江省城乡教育共同体典型案例。当前，人工智能技术正以颠覆性力量改变和重构着各行各业的业务形态，推动人类社会迈向智能时代，给人类生产、生活与思维方式带来根本性、基础性和彻底性影响。在基础教育阶段普及人工智能教育，不仅是培养学生适应未来智能时代的必然要求，更是世界各国应对人工智能高速发展趋势的必要路径1。实验教学是培养创新人才的重要途径，信息科技实验教学在提升学生数字素养与创新精神等方面具有独特价值2。合理利用数字化平台、工具和资源，运用线上实验、模拟仿真等方式，引导学生自主学习、合作学习是信息科技学科实验教学的常用方法[3，应用实验教学模式开展中小学信息科技学科教学实践正吸引越来越多的教师关注。人工智能作为信息科技学科的核心模块，讲授型教学方式难以带动学生将人工智能的原理知识进行内化、迁移和应用。樊磊等学者提出的中小学人工智能实验教学研究，为人工智能课程教学提供了很好的指导[4]。目前，基于实验教学的人工智能课例研究还不是很充分，本文以小学人工智能课程中“声纹识别”教学为例，应用实验教学方式开展“声纹识别”技术概念、原理、应用教学，旨在深化学生对知识原理认知的同时，提高其动手实践能力和创新思维能力。“声纹识别”实验教学设计1.教学主题内容“声纹识别”选自中央电化教育馆编人工智能教材小学版下册的第二章第4节第1课时，属于新知学习课。本单元以“智能救援机器人”项目学习为主题，共9课时。学生在前3节课中体验了智能救援机器人，设计了智能救援机器人的功能与外形并完成模型组装。在此基础上开展本节课的学习，从教学内容上看，本节课包括“声纹识别技术的原理”“编程实现智能救援机器人只听一个人的命令前进或后退”“编程实现智能救援机器人听小组全员的命令前进或后退”三方面内容。本课既有科学原理认识，也有技术实践应用。本课实验属于探究性实验，学生通过声纹识别控制机器人的实践应用，进一步感受人工智能技术对科技创新的重要性，树立科技强国的意识。2.教学目标（1）通过实验探究声音的特征和声纹识别的过程，掌握声纹识别技术实现的基本原理和过程。（2）通过小组合作实践编写程序，学会将问题进行分析、抽象，分解成计算机能解决的事件，感受计算机编程的魅力，培养计算思维。（3）设计实现智能救援机器人。辩证看待人工智能技术，感受科学技术发展带给生活的便利，树立科技强国的意识。3.实验教学设计思路本课通过播放视频与组织游戏导入，引出声纹识别概念，激发学生兴趣。接着进行两个实验探究，一是探究声音的密码，观察声音特征、提出猜想、小组合作实验并总结结论；二是探究声纹识别过程，通过人机对比提出猜想、实验剖析原理并得出结论。之后学生根据实验中掌握的科学原理进行编程实践，实现智能救援机器人声纹识别功能。最后联系生活案例归纳提升，并通过多维度评价检验学习效果。“声纹识别”教学设计流程如图1所示。实验教学实施过程1.游戏导入，引出问题教师播放视频《芝麻开门》动画片段，抛出问题：芝麻开门短片中应用了什么人工智能技术呢？学生根据前面所学和生活经验，很容易回答出“语音识别”或“声音识别”。接着教师继续追问：如果石门只有指定的人可以喊开，这又是什么识别技术呢？引导学生思考新技术，引出课题：声纹识别。教师追问：语音识别和声纹识别有区别吗？带着这个问题，教师引导学生做“猜猜我是谁”小游戏。（1）人辨别声音。任意选取班级中的一位学生背对大家，其他学生中任选一人说出一句话。（如：今天天气不错！）台上同学猜测是谁在说话。学生通过听声识人，明白了每个人的声音都有特征，人类可以感知这些特征，通过声音辨认身份。（2）“小飞”机器人辨别声音。“小飞”机器人闻声识人，挑战能否识别你的声音。请测试同学大声读出屏幕上的文字，看看“小飞”会有什么反应。游戏中教师提示“小飞”辨别声音会受到周围环境影响，需保持安静。通过对比人和“小飞”分辨声音的游戏体验，学生知道了机器也可以利用这些特征识别说话人，这种技术就叫做声纹识别。从而揭开“声纹”概念的奥秘。教师通过视频和游戏激发学生兴趣，引出声纹识别概念。教师通过提问引导学生思考，学生在观看和参与游戏过程中，逐渐进入学习状态，为后续实验探究奠定基础。2.实验探究一：声音的密码（1）观察声音波形图，提出猜想。教师提出问题：每个人的指纹都有一套密码，那声纹有什么密码呢？采集声音可以用耳朵，那声音长什么样？有哪些特征？紧接着，教师用图形化编程软件录制一段声音，如“机器人”三个字，并展示波形图，学生观察后发现，声音的形状就像波浪一样，这就是声音的“波形图”。那声音究竟有哪些奥秘呢？有了对声音形状的初步认识，教师再录制“机器人”声音并呈现这两段声波图，且追问：这两个声波图一样吗？引发学生思考。提出以下几个实验猜想：相同的人说同一句话声波一样；相同的人说不同的话声波不一样；不同人说同一句话的声波不一样；不同人说不同的话声波不一样。（2）小组合作，对比实验。为了验证实验猜想，教师引导学生利用“畅言智AI”平台中的验证实验“认识声音”。学生小组合作进行实验实践，分析总结探究结果。图2实验记录单“声音的密码”（3）分析数据，总结结论。师生共同总结实验探究一的结论：同一个人说不同的话声波不同；不同的人说不同的话声波不同。不同的人说同一句话的声波不同。原因是每个人口腔形状和舌位不同，声道形状不同。像身份证和指纹一样，每个人的声音都具有独特性。每个声波都有音量、音调、音色等多个特征。通过实验探究一，教师引导学生自主探究声纹的独特性，深入理解什么是声纹。学生在小组活动中，通过与机器人互动和实验观察，培养了合作学习和科学探究能力。3.实验探究二：声纹识别过程（1）人机对比，提出猜想。教师提问：声纹识别的过程是怎样的？引导学生从人识别声音的过程（听到声音一提取声音特征一搜索脑中的声音一正确识别）进行联想。学生小组讨论并说一说。接着，教师组织学生观看声纹识别的视频，请学生描述什么是声纹识别技术，提问声纹识别技术是怎样实现的。通过微课学习帮助学生直观了解声纹识别过程并提出猜想：声纹识别的过程是“采集声音一声纹特征提取一声纹匹配一输出信息”。（2）实验探究，剖析原理。为了验证声纹识别的基本过程，学生运用平板电脑中“声纹识别”的验证实验进行探究。实验步骤如下。第一步：打开平板电脑中“畅言智AI”，点击“实验中心”。第二步：选择“验证实验”中的“声纹识别”。第三步：点击麦克风“采集声库”，需采集3组，并标记姓名。第四步：点击声纹处理，观察声纹处理后的效果。第五步：点击声纹特征提取，观察3组声纹库中声音的特征是否相同。第六步：点击声纹匹配，验证能否识别声音。采集其中一个人的语音，点击识别，实验给出不同人的声音相似度数据。实验过程中，教师提问：如果改变相似度阈值，机器还能正确识别是谁的声音吗？学生尝试调节阈值来控制声纹匹配的严格度，最终发现阈值越大越难匹配对应人物声音，说明采集数据的量足够多时，可以让声纹识别技术更加精确。图3实验记录单“声纹识别过程”（3）分析数据，得出结论。通过自主探究实验二，师生共同小结声纹识别的基本原理和工作流程（图4）。本实验中学生探究了声纹识别的基本过程和原理。通过调节阈值等操作，直观地了解声纹匹配的过程，进一步加深对技术原理的理解。两个实验的探究实践让学生直观了解了“什么是声纹”“声纹识别的过程是怎样的”这两个问题，为接下来编程设计作品提供了理论基础。4.编程实践，实现功能学生经过原理的实验探究后，开始进行实践应用。围绕着智能救援机器人声纹识别功能进行问题分析、抽象建模、绘制流程图，最后通过编写程序实现功能。（1）基础任务：编程实现“小飞”机器人具有声纹识别功能，只听一个人的命令前进或后退，并完成学习单上的问题。（2）进阶任务：添加注册小组中其他同学的声纹信息，看“小飞”机器人能否按照小组中所有人的命令前进或后退，而不听其他小组同学的命令。学生运用“小飞”机器人与平板电脑中的声纹识别、语音合成以及逻辑模块等完成智能救援机器人的声纹识别功能。最后分小组进行汇报展示。教师引导学生将所学知识应用于编程实践，完成智能救援机器人声纹识别两个任务。学生在实践过程中，提高了编程能力和问题解决能力，同时对声纹识别技术在实际生活中的应用有了更深刻的体会。5.联系生活，归纳提升教师出示生活中各种各样声纹识别的应用案例：智能语音门禁、汽车声控、银行身份验证、机场安检等。学生感受声纹识别技术的优势，以及给生活带来的便利。同时，声纹识别存在数据安全问题和隐私隐患，声纹数据属于个人敏感信息，学生们要树立数据保护的安全意识。最后，教师总结本节课的主要内容。学生跟随回顾，巩固所学知识，增强了对人工智能技术的兴趣，并且能够正确认识技术的优势和劣势，树立科技强国的意识和社会责任感。6.实验教学评价表2小组活动评级表教学效果与反思本节课围绕“智能救援机器人”的声纹识别功能实现展开，以实验教学来推动学生自主学习探究。学生通过“声纹的奥秘”“声纹识别的过程”两个实验，逐步厘清了“什么是声纹？”和“声纹识别是怎样的？”这两个问题，并在理解“声纹识别”的原理基础上，开展实践研究。实验教学中不仅要关注知识原理，更要注重问题解决过程中的思维能力培养，关注“科”与“技”并重。通过“声纹识别”实验教学实践，学生的自主探究能力、小组合作学习和科学探究能力得到了有效提升。本课例实践教学中也呈现出一些不足，如学