AI-TPACK框架下項目化教學(xué)實踐探究

0 引言

隨著人工智能在教育領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，人工智能正在重塑教育生態(tài)系統(tǒng)。人工智能不僅能全方位滲透和影響教與學(xué)，而且還促使教師原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與教學(xué)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變[1。2024年印發(fā)的《教育部辦公廳關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》提出，探索中小學(xué)人工智能教育實施途徑，加強中小學(xué)人工智能教育[2]。AI-TPACK框架整合了人工智能的學(xué)科知識教學(xué)模型，為人工智能時代的學(xué)科教學(xué)提供了新的思路和方法。通用技術(shù)課程和信息技術(shù)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生在真實情境下運用技術(shù)解決問題的能力，其課程性質(zhì)決定了技術(shù)課堂必然以技術(shù)實踐活動為中心，這與整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（TPACK）之間存在天然的共鳴。整合人工智能技術(shù)的實踐活動如何在實際教學(xué)過程中落實工程思維、物化能力、計算思維等學(xué)科核心素養(yǎng)是一個亟待解決的課題。

1 AI-TPACK的內(nèi)涵

2006年，美國科勒（MatthewJ.Koehler）和米什拉（PunyaMishra）兩位教授正式提出TPACK框架的概念，即整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識。隨著人工智能與教育領(lǐng)域的深入融合，閆志明等[1]更新了TPACK理論中最活躍的技術(shù)要素，將人工智能知識融入教師專業(yè)知識體系，形成了AI-TPACK理論框架。

該理論闡釋了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和智能技術(shù)三要素之間的關(guān)系，為技術(shù)高效融入教學(xué)提供了一種具有指導(dǎo)意義的框架體系。TPACK的復(fù)合要素，即學(xué)科教學(xué)知識（PCK）、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識（TCK）、整合技術(shù)的教學(xué)法知識（TPK），整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（TPACK）在AI-TPACK中變成了人工智能技術(shù)知識（AI-TK）、融合人工智能技術(shù)的教學(xué)知識（AITPK）、融合人工智能技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識（AITCK）、融合人工智能技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（AI-TPACK）。

2 項目實施背景

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》都提出要培養(yǎng)學(xué)生運用多樣化技術(shù)工具，優(yōu)化自己的學(xué)習(xí)和生活，提高解決問題的能力。跨學(xué)科項目化學(xué)習(xí)的核心是基于學(xué)生的真實生活情景，讓學(xué)生在綜合運用多個學(xué)科知識與能力解決問題的過程中探索問題解決邏輯，這與技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求相契合。

近年來，人工智能取得突破性進展，人工智能作為當(dāng)今時代具有顛覆性的新技術(shù)，正深刻地改變著人們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式，并且與教育深度融合[3]。特別是隨著《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》和《教育部辦公廳關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》一系列政策的發(fā)布，將人工智能融入教學(xué)顯得尤為重要。在信息技術(shù)與通用技術(shù)等技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，應(yīng)將人工智能融入教學(xué)，以教學(xué)實踐活動項目作為切入點，借助開源硬件、機器人設(shè)備、激光切割機、激光雕刻機、3D打印機等技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計與學(xué)生真實生活情景接軌的項目并開展教學(xué)實踐。這樣的項目既貼近學(xué)生生活，又緊跟時代步伐，能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，使技術(shù)課堂更加生動、高效且富有時代氣息，讓學(xué)生在高中階段就能接觸前沿技術(shù)，從而使技術(shù)教育真正成為連接學(xué)生當(dāng)下學(xué)習(xí)與未來發(fā)展的橋梁。

3 “聲紋保險柜”項目設(shè)計

3.1 項目背景

當(dāng)前，人們對安防保險的需求不斷增長，保險箱、保險柜等設(shè)備作為保障財產(chǎn)安全的關(guān)鍵防線，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到人們的生活中。聲紋識別是當(dāng)下的熱點技術(shù)，《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出要研發(fā)集成多種探測傳感技術(shù)、視頻圖像信息分析識別技術(shù)、生物特征識別技術(shù)的智能安防與警用產(chǎn)品，建立智能化監(jiān)測平臺[4]。與傳統(tǒng)身份認(rèn)證方式相比，生物特征識別身份認(rèn)證技術(shù)在使用過程中具有不會丟失、被盜或遺忘的特性[5]。隨著深度學(xué)習(xí)在語音識別等語音信號處理領(lǐng)域的快速發(fā)展和成功應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)方法也逐漸應(yīng)用到聲紋識別中并取得了不俗的效果，為聲紋識別在現(xiàn)實生活中的實際應(yīng)用提供了可能。在此背景下，本項目計劃設(shè)計開發(fā)一個可以進行聲紋識別的保險柜。

3.2 學(xué)習(xí)者分析

本次課程面向高二年級學(xué)生展開，他們已逐漸形成一定的分析、歸納和綜合能力。在知識儲備方面，學(xué)生不僅掌握了Python語言的基礎(chǔ)語法，還可以編寫簡單控制代碼控制各種傳感器，這為他們探索新技術(shù)提供了基礎(chǔ)。學(xué)生對現(xiàn)代化技術(shù)滿懷熱情，在應(yīng)用人工智能最新技術(shù)解決實際問題的過程中，學(xué)生積極主動地參與到項目學(xué)習(xí)中，在實踐中不斷嘗試創(chuàng)新，展現(xiàn)了對新知識、新技術(shù)的強烈求知欲與探索精神，這為本課的教學(xué)奠定了良好基礎(chǔ)，也為他們進一步深入學(xué)習(xí)和實踐新技術(shù)創(chuàng)造了積極有利的條件。

3.3 AI-TPACK框架下的內(nèi)容分析

本次基于樹莓派4B的聲紋識別保險柜系統(tǒng)可以分成硬件設(shè)計和程序控制兩大模塊。1）硬件設(shè)計包括樹莓派4B、直流電機的驅(qū)動、聲音的拾取、語音的交互、應(yīng)急遙控、自動上鎖等幾個方面。2）程序控制主要使用Python編寫控制代碼，通過GPTO接口完成電機驅(qū)動模塊、揚聲器的控制、麥克風(fēng)的控制、光敏傳感器的控制，以及訊飛聲紋識別接口調(diào)用、百度語音識別接口的調(diào)用。整個項目具體可以分解為7個部分的子任務(wù)，涉及物理、語文、通用技術(shù)、信息技術(shù)、心理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科知識，結(jié)合AI-TPACK框架要素和學(xué)科核心素養(yǎng)形成項目學(xué)習(xí)內(nèi)容分析表，如表1所示。

表1 “聲紋保險柜”AI-TPACK框架

續(xù)表

4 “聲紋保險柜”項目實施過程

根據(jù)項目子任務(wù)，計劃使用15個課時完成整個跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)，共分為五個階段，分別是情境創(chuàng)設(shè)、聲音拾取和電機驅(qū)動、聲紋識別和語音交互、應(yīng)急開啟自動關(guān)門、展示匯報。

4.1 情境創(chuàng)設(shè)

未來智能家居更注重安全性與便捷性。傳統(tǒng)保險柜開啟方式存在鑰匙易失、密碼易忘等弊端。在聲紋識別保險柜開發(fā)項目中，學(xué)生將化身科技創(chuàng)新團隊成員，進行需求分析，完成樹莓派、聲紋識別等知識學(xué)習(xí)，并將所學(xué)知識應(yīng)用到方案設(shè)計、編程實施等任務(wù)中，最后全面檢測保險柜功能、性能與用戶體驗并進一步優(yōu)化。最終，各小組總結(jié)項目，整理資料，制作匯報演示文稿。

4.2聲音拾取和電機驅(qū)動

在聲音拾取過程中，環(huán)境噪音是一個關(guān)鍵問題。為實現(xiàn)高精度的聲音拾取，選用專業(yè)的電容式麥克風(fēng)，以便精準(zhǔn)地捕捉細(xì)微的聲音變化和豐富的音頻細(xì)節(jié)。直流電機驅(qū)動模塊的電源接口，紅色6V，灰色接地；直流電機驅(qū)動模塊的電機信號控制，紅色對應(yīng)電機的紅色、灰色對應(yīng)電機的黑色；電機的信號驅(qū)動模塊，黃色杜邦線連接到樹莓派4B的GPI019，橙色杜邦線連接到樹莓派4B的GPIO20。

4.3聲紋識別和語音交互

在保險柜和使用者的交互過程中沒有顯露在外的顯示裝置，交互都是通過語音提示完成的，包括家庭成員聲紋錄入建立數(shù)據(jù)庫、聲紋識別、開門關(guān)門提示語、異常狀態(tài)提示等。當(dāng)聲音被高精度拾取后，首先進入語音識別階段，對采集到的語音信號進行聲紋特征提取和模式識別，然后將處理后的結(jié)果以語音的形式反饋給用戶。該模塊使用了USB轉(zhuǎn)音頻的免驅(qū)卡和兩個喇叭。

聲紋識別保險柜系統(tǒng)中，聲紋識別功能借助相關(guān)企業(yè)最新研究成果，通過Python調(diào)用其接口達成。首先，需在平臺注冊開發(fā)者賬號，創(chuàng)建應(yīng)用獲取AppID、APIKey和APISecret。聲紋錄入時，提示用戶按要求說話，用音頻錄制庫獲取語音數(shù)據(jù)，調(diào)用注冊接口上傳，解析返回JSON判斷錄入是否成功。隨后調(diào)用驗證接口發(fā)送數(shù)據(jù)，依據(jù)返回結(jié)果判定聲紋匹配與否。系統(tǒng)利用先進技術(shù)準(zhǔn)確提取和比對聲紋特征，實現(xiàn)了安全高效的聲紋識別功能，為保險柜提供了精準(zhǔn)可靠的身份認(rèn)證。

4.4應(yīng)急開啟和自動關(guān)門

在聲紋識別設(shè)備出現(xiàn)故障或使用者因特殊情況無法正常發(fā)聲時，可通過應(yīng)急方式使保險柜進入開啟狀態(tài)。這里使用無線遙控器完成應(yīng)急開啟。無線遙控的發(fā)射器兩條黃色線分別接電機的紅色（正極）和黑色（負(fù)極）線，這樣可通過發(fā)射器控制電機電源通斷。其紅色線連6V電源，為發(fā)射器供電，黑色線接地，提供穩(wěn)定的參考電位，保障內(nèi)部電路正常工作。當(dāng)按下遙控器的開門或者關(guān)門按鈕，產(chǎn)生特定編碼信號傳至發(fā)射器射頻電路，被調(diào)制成高頻載波信號經(jīng)天線發(fā)射。與之配對的接收器收到信號后解調(diào)、解碼，若指令是控制電機運轉(zhuǎn)，便通過對應(yīng)引腳控制電機電源。當(dāng)用戶完成對保險柜內(nèi)物品的存取操作后，將保險柜的柜門關(guān)閉。完成該功能的關(guān)鍵是使用了光敏傳感器，一旦柜門完全關(guān)閉，光線被完全阻隔，當(dāng)傳感器檢測到連續(xù)2秒處于無光這一特定狀態(tài)時，會向連接保險柜門鎖的直流電機發(fā)送反轉(zhuǎn)的驅(qū)動指令，直流電機在接收到該指令后，立即啟動反轉(zhuǎn)程序，帶動鎖芯等機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)，從而將保險柜的門鎖緊緊鎖住。

4.5 展示匯報

各小組就各自完成的聲紋保險柜有序開展成果匯報與交流活動。詳細(xì)講述在項目推進期間遇到的核心問題，如聲紋識別準(zhǔn)確率提升的瓶頸、硬件設(shè)備兼容性問題、語音交互體驗優(yōu)化的難點，以及解決方案。全班師生依據(jù)多維度指標(biāo)對各小組的作品進行綜合評分，指標(biāo)涵蓋項目目標(biāo)的實現(xiàn)水平，考查保險柜是否達成預(yù)期的安全防護和便捷操作功能；系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性表現(xiàn)；團隊成員之間的協(xié)作緊密程度等。

教師全面評估學(xué)生在整個項目學(xué)習(xí)流程各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，對表現(xiàn)出眾的小組給予高度肯定，表揚他們在技術(shù)應(yīng)用、團隊協(xié)作、問題解決等方面的突出表現(xiàn)，激勵全體學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)與實踐中持續(xù)探索，進一步深化對多學(xué)科知識融合應(yīng)用的認(rèn)知，如物理、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、語文等學(xué)科在聲紋保險柜項目中的有機結(jié)合，提高實踐能力，為他們今后在科技創(chuàng)新等領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和發(fā)展打牢基礎(chǔ)，使其成為具有創(chuàng)新精神和實踐能力的綜合性人才。

5 結(jié)束語

基于AI-TPACK的跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)中學(xué)科內(nèi)容知識應(yīng)深度融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、實踐、團隊合作等綜合素養(yǎng)，促使教師轉(zhuǎn)變角色并提升教學(xué)能力。聲紋保險柜項目涵蓋物理（聲學(xué)、電磁學(xué)等）、信息技術(shù)（編程、數(shù)據(jù)處理等）、數(shù)學(xué)（算法設(shè)計中的數(shù)學(xué)模型）、語文（語音提示語設(shè)計）等學(xué)科知識。學(xué)生運用物理知識理解聲音采集原理和電機工作原理，利用數(shù)學(xué)知識優(yōu)化聲紋識別算法，通過信息技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯，使抽象知識具象化，提高了對知識的理解和運用能力。跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。在聲紋保險柜項目中，學(xué)生需要不斷創(chuàng)新聲紋識別技術(shù)的應(yīng)用方式、優(yōu)化保險柜的功能設(shè)計，通過實際動手操作實現(xiàn)項目目標(biāo)，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品。同時，教師要提升跨學(xué)科知識整合能力、技術(shù)應(yīng)用能力和教學(xué)方法創(chuàng)新能力。例如，教師要了解聲紋識別技術(shù)的最新進展，掌握樹莓派等硬件設(shè)備的使用，學(xué)會運用項目式學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向教學(xué)等多種教學(xué)方法，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生開展跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)。

6 參考文獻

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