基于STEM项目式的人工智能教学设计与实践

王小华

【摘 要】本文以“诗歌点播朗诵机器人——语音智能”课堂教学设计与实践为例，以项目为载体，以STEM为教学主线，通过拆解项目问题、技术学习、解决问题的教学实践，探索具有规范性、有效性和可操作性的人工智能教学实践模式。

【关键词】人工智能；項目式学习；教学模式

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2024）02、03-090-02

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》提出倡导真实性学习，创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力，引入多元化数字，提高学生学习的参与度，支持学生在数字化学习环境下进行自我规划、自我管理和自我评价。项目式教学要点在于，教师在情境中发布相对独立的项目，学生设计方案、分解项目中的技术要点并进行学习、整合项目实施。学生是在完成整个项目中进行学习和评价，完成学习认知和应用。这样的学习方式非常契合新课标的理念。本文以“诗歌点播朗诵机器人——语音智能”为例，阐述小学人工智能课堂项目式教学设计与实践。

项目课程设计

1.项目整体设计

“诗歌点播朗诵机器人——语音智能”项目整体教学内容为：学生设计诗歌点播朗诵机器人实现人机对话，能够根据语音的输入内容播放对应的诗歌。技术要点主要学习的是语音合成、语音识别和简单数据处理。依据STEM和项目式教学基本要点，教师对项目整体教学内容做如下的整理与对应的处理。

科学：了解文字转语音、语音转文字基本过程与原理，学生完成任务一播放诗歌和任务二点播诗歌。技术：能够用Kittenblock完成程序设置，会使用变量、数据列表搜索算法。数学：能够利用数学知识理解数据穷尽搜索算法，学生完成任务三点播多首诗歌。工程：能够结合文字转语音、语音转文字技术，设计独立诗歌智能机器人。通过小组讨论交流合作，激发学生的团队精神与协作能力。

根据上述内容，要完成一个完整的诗歌点播朗诵的人工智能机器人，需要用到人工智能中的语音处理相关技术和知识。教师结合学生学习和生活实际以人工智能对话流程中所需要的语音识别、语音合成为主要内容，指导学生基于Kittenblock可视化编程软件制作一个可以实现语音点播朗诵的智能机器人项目作品。

2.项目教学实施

（1）构建情境，引出项目

教师播放《中国诗词大会》的宣传片，引发学生的羡慕情绪，鼓励学生设计出一个诗歌朗诵机器人。教师按组分发设计单，学生讨论设计并填写诗歌点播朗诵智能机器人的功能。教师参与学生分组讨论，引导学生填写相关功能以及涉及的技术，形成诗歌朗诵机器人的项目表。

教师整理学生各组填写设计的功能以及相关技术，出示新的项目表。通过对学生项目表格功能与技术的整理，教师和学生一起合作讨论，认为“诗歌点播朗诵智能机器人”项目可以拆分成三个子任务，分别是语音合成、语音识别以及数据的建立与搜索。诗歌的点播朗诵是建立在前两项人工智能技术基础之上的综合实现。

（2）子任务教学实施

任务一：语音合成，计算机能正确读出诗歌。任务介绍：计算机如何才能读出诗歌，即提供诗歌文本，计算机根据文本读出内容。教师解释语音合成的技术定义，引导学生利用Kittenblock软件中的“文字朗读”模块，实现计算机的语音合成功能。在教学中，教师引导学生编写流程图，并以技术解答小视频的方式，提供学习脚手架，让学生自主学习新技术，实现计算机读出指定的诗歌，即语音合成的技术应用。在学生实现单首诗歌语音合成后，教师提出新问题：如果要播放多首诗歌如何解决？进而引发学生思考，为数据的建立和数据搜索技术的学习埋下伏笔。

任务二：语音识别，计算机能识别语音的内容。任务介绍：计算机如何才能识别语音的内容？通过语音的输入，计算机能正确识别语音的内容，并显示出文本。教师解释语音识别的技术定义，利用Kittenblock软件中的百度人工智能“语音识别”模块，实现计算机的语音识别功能。学生自主学习新技术，实现计算机识别语音的文本，即语音识别的技术应用。

任务三：数据的建立及搜索。根据语音输入的内容，正确播放语音指定的诗歌。根据功能实现的需要，学生把任务三拆解成三个子任务。（1）计算机根据语音识别的单类型内容（诗歌标题）播放不同的诗歌。教师下发学习任务单，学生分组讨论并填写学习任务单。教师参与学生分组讨论，引导学生填写相关功能以及涉及的技术。通过对学习任务单分析整理，教师把此任务分解为“数据列表学习，数据列表的应用”和穷尽搜索算法的技术学习，并把学习任务单整理和发放给学生。（2）根据语音识别的内容多类型（诗歌标题、作者）播放不同的诗歌。教师引导学生利用Kittenblock中的列表，构建不同列表，满足多种需求，创建不同语音内容实现点播的需求。技术要点为多内容搜索技术学习。（3）完成唐诗三百首的唐诗点播机器人。通过分组合作的方式，学生完成唐诗三百首的数据列表，并按组进行项目展示。

3.项目教学评价

学习单和项目完成调试及展示之后，学生分组填写项目式整体学习评价单。学生从编程程序、程序界面、小组合作、参与讨论、项目展示等方面对项目的完成度做出评价。教师则从学生小组讨论、编程过程、项目展示等方面给予评价。

教学实施效果

学生沉浸在STEM项目式的人工智能教学环境中，经历信息收集，项目方案的设计与实施以及最终的评价。在项目式的学习过程中，学生综合运用知识，尝试设计和开发人工智能作品，实现学习和发展自身能力的目的，最终实现培养创新能力的目标。

第一，有效提升了学生的学习兴趣和参与度，提升了学生学习的成就感。真实地贴近学生生活的场景项目，充分地调动了学生的情感投入；基于项目式分解的表单，引导学生把握项目的参与方向、明确了学生学习方向，降低了学生对整个项目难度的预期，学生对人工智能学习的态度变得更为积极。

第二，有效促进了学生对人工智能课堂教学内容的掌握。通过项目式表单的引导，学生掌握了人工智能课程的教学内容，提升了学生发现问题、解决问题的能力水平。在界定问题、抽象建模、组织知识学习、运用合理的算法解决问题的过程中，提升了学生的计算思维。表单式的学习引导包含了学生学习评价模式，成为学生在自我评价中促进自身学习的依据。

第三，提升了学生设计项目、拆解项目问题、技术学习、解决问题的能力。项目式的人工智能课堂教学有效提升了学生对一个项目中涉及的问题进行拆解、分析小问题中所包含的知识点与技术学习的能力，有效提升了学生对单个知识与技术学习的兴趣，从而有效进行知识与技术的迁移应用能力，为学习提供了无限可能性。

小  结

基于STEM项目式的人工智能课堂从真实的情境出发，从学生的兴趣出发，注重实践性和学生的参与度。项目式表单的呈现为学生提供了项目设计、分析、拆解、实施、评价全过程的参与体验与学习，学生能够有效提升学习的兴趣，提升思考的品质与思路，提升人工智能学习技术的乐趣，提升创新能力。以学生自主表单项目式解决问题的学习方式的引导，提升了学生自主解决问题的能力；教师全过程参与引导，为学生解决问题提供了支撑。

作者单位：浙江杭州市明德小学

编   辑：冯艳艳