AI-TPACK框架下項目化教學實踐探究

0 引言

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

1 AI-TPACK的內涵

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，即整合技術的學科教學知識。隨著人工智能與教育領域的深入融合，閆志明等[1]更新了TPACK理論中最活躍的技術要素，將人工智能知識融入教師專業知識體系，形成了AI-TPACK理論框架。

該理論闡釋了教學內容、教學方法和智能技術三要素之間的關系，為技術高效融入教學提供了一種具有指導意義的框架體系。TPACK的復合要素，即學科教學知識（PCK）、整合技術的學科內容知識（TCK）、整合技術的教學法知識（TPK），整合技術的學科教學知識（TPACK）在AI-TPACK中變成了人工智能技術知識（AI-TK）、融合人工智能技術的教學知識（AITPK）、融合人工智能技術的學科內容知識（AITCK）、融合人工智能技術的學科教學知識（AI-TPACK）。

2 項目實施背景

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

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

3 “聲紋保險柜”項目設計

3.1 項目背景

當前，人們對安防保險的需求不斷增長，保險箱、保險柜等設備作為保障財產安全的關鍵防線，已經被廣泛地應用到人們的生活中。聲紋識別是當下的熱點技術，《新一代人工智能發展規劃》明確提出要研發集成多種探測傳感技術、視頻圖像信息分析識別技術、生物特征識別技術的智能安防與警用產品，建立智能化監測平臺[4]。與傳統身份認證方式相比，生物特征識別身份認證技術在使用過程中具有不會丟失、被盜或遺忘的特性[5]。隨著深度學習在語音識別等語音信號處理領域的快速發展和成功應用，深度學習方法也逐漸應用到聲紋識別中并取得了不俗的效果，為聲紋識別在現實生活中的實際應用提供了可能。在此背景下，本項目計劃設計開發一個可以進行聲紋識別的保險柜。

3.2 學習者分析

本次課程面向高二年級學生展開，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，學生不僅掌握了Python語言的基礎語法，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提供了基礎。學生對現代化技術滿懷熱情，在應用人工智能最新技術解決實際問題的過程中，學生積極主動地參與到項目學習中，在實踐中不斷嘗試創新，展現了對新知識、新技術的強烈求知欲與探索精神，這為本課的教學奠定了良好基礎，也為他們進一步深入學習和實踐新技術創造了積極有利的條件。

3.3 AI-TPACK框架下的內容分析

本次基于樹莓派4B的聲紋識別保險柜系統可以分成硬件設計和程序控制兩大模塊。1）硬件設計包括樹莓派4B、直流電機的驅動、聲音的拾取、語音的交互、應急遙控、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接口完成電機驅動模塊、揚聲器的控制、麥克風的控制、光敏傳感器的控制，以及訊飛聲紋識別接口調用、百度語音識別接口的調用。整個項目具體可以分解為7個部分的子任務，涉及物理、語文、通用技術、信息技術、心理學、生物學等學科知識，結合AI-TPACK框架要素和學科核心素養形成項目學習內容分析表，如表1所示。

表1 “聲紋保險柜”AI-TPACK框架

續表

4 “聲紋保險柜”項目實施過程

根據項目子任務，計劃使用15個課時完成整個跨學科項目學習，共分為五個階段，分別是情境創設、聲音拾取和電機驅動、聲紋識別和語音交互、應急開啟自動關門、展示匯報。

4.1 情境創設

未來智能家居更注重安全性與便捷性。傳統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項目中，學生將化身科技創新團隊成員，進行需求分析，完成樹莓派、聲紋識別等知識學習，并將所學知識應用到方案設計、編程實施等任務中，最后全面檢測保險柜功能、性能與用戶體驗并進一步優化。最終，各小組總結項目，整理資料，制作匯報演示文稿。

4.2聲音拾取和電機驅動

在聲音拾取過程中，環境噪音是一個關鍵問題。為實現高精度的聲音拾取，選用專業的電容式麥克風，以便精準地捕捉細微的聲音變化和豐富的音頻細節。直流電機驅動模塊的電源接口，紅色6V，灰色接地；直流電機驅動模塊的電機信號控制，紅色對應電機的紅色、灰色對應電機的黑色；電機的信號驅動模塊，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據庫、聲紋識別、開門關門提示語、異常狀態提示等。當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，然后將處理后的結果以語音的形式反饋給用戶。該模塊使用了USB轉音頻的免驅卡和兩個喇叭。

聲紋識別保險柜系統中，聲紋識別功能借助相關企業最新研究成果，通過Python調用其接口達成。首先，需在平臺注冊開發者賬號，創建應用獲取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據，調用注冊接口上傳，解析返回JSON判斷錄入是否成功。隨后調用驗證接口發送數據，依據返回結果判定聲紋匹配與否。系統利用先進技術準確提取和比對聲紋特征，實現了安全高效的聲紋識別功能，為保險柜提供了精準可靠的身份認證。

4.4應急開啟和自動關門

在聲紋識別設備出現故障或使用者因特殊情況無法正常發聲時，可通過應急方式使保險柜進入開啟狀態。這里使用無線遙控器完成應急開啟。無線遙控的發射器兩條黃色線分別接電機的紅色（正極）和黑色（負極）線，這樣可通過發射器控制電機電源通斷。其紅色線連6V電源，為發射器供電，黑色線接地，提供穩定的參考電位，保障內部電路正常工作。當按下遙控器的開門或者關門按鈕，產生特定編碼信號傳至發射器射頻電路，被調制成高頻載波信號經天線發射。與之配對的接收器收到信號后解調、解碼，若指令是控制電機運轉，便通過對應引腳控制電機電源。當用戶完成對保險柜內物品的存取操作后，將保險柜的柜門關閉。完成該功能的關鍵是使用了光敏傳感器，一旦柜門完全關閉，光線被完全阻隔，當傳感器檢測到連續2秒處于無光這一特定狀態時，會向連接保險柜門鎖的直流電機發送反轉的驅動指令，直流電機在接收到該指令后，立即啟動反轉程序，帶動鎖芯等機械結構運轉，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。詳細講述在項目推進期間遇到的核心問題，如聲紋識別準確率提升的瓶頸、硬件設備兼容性問題、語音交互體驗優化的難點，以及解決方案。全班師生依據多維度指標對各小組的作品進行綜合評分，指標涵蓋項目目標的實現水平，考查保險柜是否達成預期的安全防護和便捷操作功能；系統運行的穩定性表現；團隊成員之間的協作緊密程度等。

教師全面評估學生在整個項目學習流程各個環節的表現，對表現出眾的小組給予高度肯定，表揚他們在技術應用、團隊協作、問題解決等方面的突出表現，激勵全體學生在未來的學習與實踐中持續探索，進一步深化對多學科知識融合應用的認知，如物理、信息技術、數學、語文等學科在聲紋保險柜項目中的有機結合，提高實踐能力，為他們今后在科技創新等領域的學習和發展打牢基礎，使其成為具有創新精神和實踐能力的綜合性人才。

5 結束語

基于AI-TPACK的跨學科項目學習中學科內容知識應深度融合，有助于培養學生創新、實踐、團隊合作等綜合素養，促使教師轉變角色并提升教學能力。聲紋保險柜項目涵蓋物理（聲學、電磁學等）、信息技術（編程、數據處理等）、數學（算法設計中的數學模型）、語文（語音提示語設計）等學科知識。學生運用物理知識理解聲音采集原理和電機工作原理，利用數學知識優化聲紋識別算法，通過信息技術實現系統控制邏輯，使抽象知識具象化，提高了對知識的理解和運用能力。跨學科項目學習有助于培養學生的創新思維和實踐能力。在聲紋保險柜項目中，學生需要不斷創新聲紋識別技術的應用方式、優化保險柜的功能設計，通過實際動手操作實現項目目標，將創意轉化為實際產品。同時，教師要提升跨學科知識整合能力、技術應用能力和教學方法創新能力。例如，教師要了解聲紋識別技術的最新進展，掌握樹莓派等硬件設備的使用，學會運用項目式學習、問題導向教學等多種教學方法，從而更好地指導學生開展跨學科項目學習。

6 參考文獻

[1]閆志明，付加留，朱友良，等.整合人工智能技術的學科教學知識（AI-TPACK）：內涵、教學實踐與未來議題[J].遠程教育雜志，2020，38（5）：23-34.

[2]教育部部署加強中小學人工智能教育[EB/OL].（2024-12-02）[2025-01-30].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202412/t20241202_1165500.html.

[3] 張銘銳，閆志明，孫銘璐，等.教師知識圖譜：人工智能賦能教師專業發展的必由之路[J].現代教育技術，2023，33（8） ：38-47.

[4] 孫哲南，赫然，王亮，等.生物特征識別學科發展報告[J].中國圖象圖形學報，2021，26（6）：1254-1329.

[5] 鄭方，李藍天，張慧，等.聲紋識別技術及其應用現狀[J].信息安全研究，2016，2（1）：44-57.