《指紋識別》課程案例與反思

吳麗影+薛慧君+張森

【摘 要】緊跟時代的發(fā)展變化，隨著教育機器人、人工智能等課程的開設(shè)，中小學(xué)的拓展課程越來越豐富。生物特征識別作為人工智能的一部分，與人們的生活息息相關(guān)，越來越多地融入人們的日常生活中。本文通過對《面向人工智能技術(shù)探索的創(chuàng)客培育》系列科普課程中的《指紋獲取課程》案例進(jìn)行分析，并對教育教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)與反思，從而為下一步的教學(xué)提供有效指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】指紋識別；課程案例；教學(xué)反思

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2017）09-0072-04

當(dāng)今時代，科技日新月異，尤其是人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅猛。為了加強科普理論研究、推動科普產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新科普機制模式，中科院自動化所人工智能與機器人教育實驗室聯(lián)合北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)開設(shè)了《科學(xué)探案——人工智能技術(shù)探索》系列科普課程。該系列科普課程以生物特征識別與數(shù)字圖像處理為切入點，為中小學(xué)進(jìn)行人工智能科普活動提供了一個較好的范例。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用計算機模仿人腦所從事的推理、學(xué)習(xí)、思考、問題求解以及規(guī)劃等思維活動，來解決需要人類專家才能處理的復(fù)雜問題，例如診斷、規(guī)劃、預(yù)測等決策性問題[1]。簡言之，它是一門研究運用計算機模擬和延伸人腦功能的綜合性學(xué)科。生物特征識別技術(shù)（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個重要發(fā)展方向，它主要是指通過可測量的身體或行為等生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)。生物特征識別分為身體特征和行為特征兩大類，身體特征如人臉、指紋、掌靜脈、虹膜和DNA等；行為特征如簽名、語音、行走步態(tài)等[2]。

指紋識別作為生物特征識別中歷史最長的一種，是指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點來進(jìn)行鑒別[3]。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯的區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。時至今日，指紋識別已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)，人們也真實的感受到它所帶來的便利。

本文通過對《科學(xué)探案——人工智能技術(shù)探索》系列科普課程中的《指紋獲取》課程案例對指紋獲取實驗操作進(jìn)行總結(jié)分析，并對教學(xué)過程做出反思，以期為下一步教學(xué)的開展提供一定的指導(dǎo)。

課前分析及目標(biāo)闡明

1. 教學(xué)內(nèi)容分析

此次課程的教學(xué)內(nèi)容主要來源是《科學(xué)探案——終極追兇（生物特征識別技術(shù)概述）》。此課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，概括介紹了生物特征識別的概念、歷史、種類及關(guān)鍵技術(shù)。指紋識別是生物特征識別技術(shù)中的重要種類之一，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在門禁考勤等系統(tǒng)中。隨著指紋技術(shù)的完善，指紋識別技術(shù)還會廣泛地應(yīng)用于身份認(rèn)證、家居等更多領(lǐng)域[4]。

指紋是指生長在人類手指指尖到手指第一個關(guān)節(jié)之間的表皮紋理[1]。它滿足生物特征識別所需要的各種性質(zhì)，如普遍性、長久性和唯一性[5]。并且指紋成型比較早，穩(wěn)定之后隨時間變化的非常慢。如此一來，指紋可以作為我們終身的身份表征。

指紋識別的方法主要有基于脊線的識別方法、細(xì)節(jié)點特征法、圖像統(tǒng)計法等，此次課只對基于脊線的識別方法與細(xì)節(jié)點識別方法進(jìn)行簡單的介紹。指紋識別技術(shù)主要涉及四個功能：獲取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對（如圖1指紋識別過程）。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯的區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。

2. 學(xué)生特征分析

此次課程的授課對象是初中二年級的學(xué)生，根據(jù)皮亞杰的兒童智力發(fā)展階段觀點，他們當(dāng)前的智力水平處于形式運算階段。處在這個階段的學(xué)生已經(jīng)具備假設(shè)——演繹思維和系統(tǒng)思維的能力，能夠進(jìn)行抽象思維[8]，但是還需要借助一些具體形象的事物來支持學(xué)習(xí)。同時，他們已經(jīng)具有一定的分析、概括能力、自學(xué)與合作學(xué)習(xí)能力。原有的知識儲備、學(xué)習(xí)風(fēng)格、態(tài)度等都會影響新知識的學(xué)習(xí)。在原有知識基礎(chǔ)方面，學(xué)生通過生活實踐對指紋識別已經(jīng)有一點淺顯的認(rèn)識，如手機指紋解鎖、電視電影中刑偵方面的人臉識別等。學(xué)習(xí)風(fēng)格方面，受到班級環(huán)境、個人學(xué)習(xí)習(xí)慣等的影響，學(xué)生之間存在一定的差異，如整體——分析風(fēng)格。學(xué)習(xí)態(tài)度方面，他們對指紋識別在實際生活中的應(yīng)用非常感興趣，也就意味著他們會有積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，能夠認(rèn)真對待此次課程。也就表現(xiàn)出每次課程都急切地想知道其中奧秘，更加好奇這些技術(shù)到底是如何實現(xiàn)的。對于指紋獲取的實踐操作，學(xué)生具有較高地參與性，表現(xiàn)出更多的積極主動性、躍躍欲試的狀態(tài)。

3. 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是我們進(jìn)行課程設(shè)計的出發(fā)點和歸宿，這里采用的是新課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡使用的三維目標(biāo)的表述，主要有：知識與技能；過程與方法；情感、態(tài)度與價值觀。下面將從這三個維度進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的闡明。

（1）知識與技能

了解和掌握指紋識別技術(shù)的相關(guān)背景及概念。

掌握指紋的基本形態(tài)，了解指紋識別方法。

能夠通過指紋特征進(jìn)行辨別。

（2）過程與方法

通過指紋識別知識的學(xué)習(xí)以及指紋獲取實驗的操作，認(rèn)識新技術(shù)學(xué)習(xí)新知識，使學(xué)生正確認(rèn)識生物特征識別技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及創(chuàng)新意識。

（3）情感、態(tài)度與價值觀

聯(lián)系生活實際案例，實現(xiàn)知識與生活的有效融合，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、主動探索的精神。

指紋獲取教學(xué)過程

1. 創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

本課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，介紹相關(guān)的人物關(guān)系，創(chuàng)設(shè)調(diào)查罪犯的任務(wù)情境，將知識的學(xué)習(xí)貫穿于整體任務(wù)情境中，借此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到對知識進(jìn)行意義建構(gòu)的目的。

2. 依托情境、講授新知

福爾摩斯先生在調(diào)查罪犯之前需要先了解相關(guān)的基礎(chǔ)知識，也就是此次課程的主要教學(xué)內(nèi)容。本次課程主要從指紋的組成、指紋識別的常用算法、指紋識別的研究現(xiàn)狀、指紋識別中存在的問題這四個方面展開基礎(chǔ)知識的講授。

3. 協(xié)作學(xué)習(xí)、實施實驗

（1）實驗內(nèi)容

指紋識別基本方法有兩種：基于細(xì)節(jié)點的指紋識別方法與基于脊線的指紋識別方法[6]。如圖2所示，在實驗中首先獲取自身指紋圖像，然后根據(jù)相應(yīng)的識別方法分別標(biāo)出指紋的端點與分叉點及指紋的脊線與谷線。

（2）實驗器具

手持式指紋獲取設(shè)備、計算機、相關(guān)軟件。

（3）實驗步驟

①分組準(zhǔn)備

首先將全班20名同學(xué)分為兩組，輪流進(jìn)行光指紋采集。每組指定一名組長，負(fù)責(zé)組織同學(xué)們有序進(jìn)行指紋采集。

②開始實驗

同學(xué)們開始采集指紋，教師在一旁指導(dǎo)學(xué)生操作。通過指紋獲取設(shè)備采集的指紋則通過保存打印，隨后貼于實驗報告單上。

經(jīng)過之前知識點的講解，學(xué)生已經(jīng)掌握了基于細(xì)節(jié)點的指紋識別方法和基于脊線的指紋識別方法。在掌握知識的基礎(chǔ)上，通過實驗形式，鞏固與檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生依據(jù)所學(xué)，分別標(biāo)出指紋的端點與分叉點；標(biāo)明指紋的脊線與谷線。

（4）實驗拓展

根據(jù)基于脊線的指紋匹配原理與基于細(xì)節(jié)點的指紋匹配原理，完成指紋匹配。原理如圖3、4所示。

將全班20名同學(xué)采集的指紋隨機分布在指紋匹配的實驗報告單上，讓學(xué)生通過觀察自己的指紋，從這20個指紋中找到與自己指紋相匹配的指紋。這樣一來，學(xué)生可以進(jìn)一步加深印象。能夠在掌握基本知識的基礎(chǔ)上，靈活運用所學(xué)知識解決問題。

4. 課堂總結(jié)、做出評價

通過結(jié)合前期所學(xué)的基礎(chǔ)知識，大多數(shù)學(xué)生都能夠順利地完成實驗，實驗報告圖如圖5所示，成功的標(biāo)注出端點、分叉點以及谷線和脊線。當(dāng)然，也有個別學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握不夠，不能正確區(qū)分端點和分叉點，對谷線和脊線的概念理解不足，導(dǎo)致標(biāo)注出現(xiàn)問題。另外，實驗過程中由于同學(xué)們的操作不當(dāng)，圖像的部分細(xì)節(jié)不清楚，在一定程度上給學(xué)生的辨認(rèn)帶來影響。我們還注意到，拓展實驗的完成情況也是比較樂觀的，這說明同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性還是比較高的。

課后反思

經(jīng)過此次指紋獲取實驗的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，教學(xué)過程中突出體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，同時關(guān)注學(xué)生間的差異，符合當(dāng)代教育教學(xué)理念的教學(xué)方式。不過，在實驗實施過程還是存在一定問題的，比如實驗活動開展的組織管理有待加強，教學(xué)策略的選用仍需完善等。

1. 突出以學(xué)生為主體的特點

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一種意義的主動建構(gòu)過程，是一種個體根據(jù)自身已有的知識對外部事物和現(xiàn)象構(gòu)建解釋的過程[7]。所以在整個實驗過程中，一系列的操作都是由學(xué)生小組自主合作完成的。每組由一名組長監(jiān)督采集過程，另外指定一名學(xué)生負(fù)責(zé)組織與管理實驗進(jìn)程，保證良好的實驗紀(jì)律。各位同學(xué)不但需要完成兩種方式的指紋獲取，還要積極配合，有組織有紀(jì)律的進(jìn)行采集。這也就意味著知識的學(xué)習(xí)是學(xué)生作為主體積極主動進(jìn)行的，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想。教師在整個采集獲取過程中扮演的是實驗實施的監(jiān)督者、指導(dǎo)者、建議者的角色。教師從旁觀察指導(dǎo)學(xué)生操作的正確與否，對于出現(xiàn)的問題，能夠及時地給予指導(dǎo)與建議，幫助學(xué)生及時的解決問題，并監(jiān)督實施過程。教師要鼓勵學(xué)生敢于嘗試、探索，適時的給予表揚來增強學(xué)生高效準(zhǔn)確的完成實驗任務(wù)的自信心。

實踐教學(xué)中，突出了學(xué)生的主體地位、教師的主導(dǎo)作用，以學(xué)生為中心的教學(xué)活動中，教師所扮演的角色主要是知識學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、監(jiān)督者、促進(jìn)者。

2. 關(guān)注學(xué)生個體間差異

通過前期對學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)者特征分析、學(xué)習(xí)風(fēng)格分析等，可以知道學(xué)生之間存在很大差異，再則此次課程的學(xué)生來自不同的班級，學(xué)習(xí)方式等各個方面還是有很大不同的，學(xué)習(xí)成績以及學(xué)習(xí)能力也是我們在教學(xué)過程中需要考慮的問題。由此，此次實驗主要分為基礎(chǔ)和拓展兩部分任務(wù)。在完成指紋的采集獲取的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要結(jié)合所學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)知識的練習(xí)與鞏固，另外，拓展部分作為選做環(huán)節(jié)，學(xué)生可以根據(jù)自己的水平進(jìn)行操作。當(dāng)然，教師要關(guān)注到所有學(xué)生的狀態(tài)，在保證基本教學(xué)任務(wù)的同時，關(guān)注學(xué)生差異，制定相應(yīng)的教學(xué)策略。

3. 教學(xué)策略有待改進(jìn)

教學(xué)策略主要是指教學(xué)過程的程序性的策略體系，是各種不同類型的教學(xué)活動的基本框架。常用的教學(xué)策略主要有先行組織者策略、案例教學(xué)策略、拋錨教學(xué)策略、隨即進(jìn)入教學(xué)策略、協(xié)作學(xué)習(xí)策略等。

指紋獲取實驗主要用到了協(xié)作學(xué)習(xí)策略。同學(xué)之間通過協(xié)作學(xué)習(xí)來完成指紋的獲取，并對指紋的細(xì)節(jié)點進(jìn)行標(biāo)注。整體而言，同學(xué)之間的互助、合作還是非常完美。但是，在教學(xué)中，明顯存在實踐操作內(nèi)容與知識的有效聯(lián)系不夠緊密，一時難以完成知識表面層次的理解到深層次體驗理解的轉(zhuǎn)變。所以，教學(xué)策略的選擇與運用是至關(guān)重要的，我們需要針對課程的不同特點進(jìn)行不同教學(xué)策略的選用，能夠根據(jù)課程內(nèi)容不同時段的特點進(jìn)行教學(xué)策略的轉(zhuǎn)換。

此研究主要是通過實驗加強學(xué)生對理論知識的理解，讓學(xué)生在活動中學(xué)習(xí)，親身體驗實踐學(xué)習(xí)過程。即使本課程是作為選修課程進(jìn)行的，但是在科學(xué)知識的普及方面還是有所收獲的。通過此次教學(xué)，學(xué)生很好地理解和掌握了指紋獲取的知識，有助于培養(yǎng)學(xué)生積極探索、不斷創(chuàng)新的精神。課程內(nèi)容緊密聯(lián)系生活，有效實現(xiàn)了知識與實際生活的有效結(jié)合，對生活實踐具有一定的指導(dǎo)意義。另外，此次課程的開展，還處于嘗試階段，課程的設(shè)計、教學(xué)方法策略的選擇等各個方面的設(shè)計工作還不完善。因此，希望在以后的教學(xué)實踐中，不斷反思教學(xué)過程，積累經(jīng)驗，在教學(xué)理論、學(xué)習(xí)理論等理論的指導(dǎo)下不斷完善和豐富我們的課程體系，為下一步教育教學(xué)開展打下良好的基礎(chǔ)，并且希望能夠通過本課程的實踐為科普工作以及相關(guān)案例研究工作添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)

張劍平. 關(guān)于人工智能教育的思考[J]. 電化教育研究，2003（01）： 24-28.

邱建華，馮敬，郭偉等. 生物特征識別[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2016.

孫哲南. 生物特征識別科技發(fā)展概況[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化，2013（10）： 64-69.

董明. 指紋識別技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 中國科技信息，2011，（13）： 70.

田捷，陳新建，張陽陽，楊鑫，何余良，李亮，謝衛(wèi)華，鄭志鵬. 指紋識別技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展，2006（04）： 400-408.

王曙光. 指紋識別技術(shù)綜述[J]. 信息安全研究，2016（04）： 343-355.

楊開城. 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計原則[J]. 中國電化教育，2000（04）： 14-18.

楊開城. 教學(xué)設(shè)計： 一種技術(shù)學(xué)的視角[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2010.

吳惠琴. 小學(xué)科學(xué)教學(xué)反思[J]. 浙江教育科學(xué)，2009（03）： 46-47.

鄭倩倩. 用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)論評析竇桂梅《晏子使楚》教學(xué)案例[J]. 基礎(chǔ)教育研究，2016（07）： 76-77+83.

程欣. 大班科學(xué)活動——小小潛水艇教學(xué)案例分析[J]. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2015（12）： 57-59.

徐麗燕. 新課改下的初中科學(xué)教學(xué)反思[J]. 科教文匯（下旬刊），2010（01）： 73.

邵愛蓮. 小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中“目中無人”現(xiàn)象的反思及對策[J]. 科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2015（02）： 60.

楊菁. 中學(xué)科學(xué)教師的教學(xué)反思研究[D]. 首都師范大學(xué)，2012.

譚鐵牛. 關(guān)于人工智能發(fā)展的思考[N]. 中國信息化周報，2016-09-19（007）.

何克抗. 論創(chuàng)客教育與創(chuàng)新教育[J]. 教育研究，2016（04）： 12-24+40.