《人面不知何處去—探尋人臉檢測奧秘》教學設(shè)計

王苑橋 四川省成都市教育科學研究院附屬中學

● 創(chuàng)新整合點

1.采用混合式學習環(huán)境解決人工智能學習趣味性問題

采用線上教育和線下課堂教學有機結(jié)合的混合式學習，強調(diào)以學生為中心，充分發(fā)揮學生作為學習主體的積極性、主動性、創(chuàng)造性。

2.重組教材，整合設(shè)計大單元專題，提升知識的連貫性

本單元圍繞“智能交互益拓展”開展項目學習及課堂活動。在“人工智能觀”這一核心概念下，筆者將本單元拆解為三個部分，包含三個子主題意義，共六個課時。第一部分是理解基礎(chǔ)意義，學會感知社會發(fā)展中人工智能的積極作用，通過眾多案例理解人工智能扮演的角色。第二部分是挖掘主題的深層含義，學生通過生活場景思考解決問題所應運用的智能設(shè)備，通過理論知識設(shè)計構(gòu)思應該如何解決，形成解決方案后動手實踐，形成成果報告后匯報展示。第三部分是賦予主題自我的認知，在完成前兩部分學習后，學生已深刻認知知識本身，本部分的作用就是內(nèi)化知識、外化使用，提升思辨能力。

3.以問題為導向設(shè)計豐富教學活動，提升學生信息素養(yǎng)

創(chuàng)設(shè)問題情境，增強信息意識。本課通過分析問題，思考解決問題的途徑，用編程平臺實現(xiàn)人臉檢測功能，創(chuàng)設(shè)問題情境，既能從多個方面加深對相關(guān)知識的理解，又能有效地增強思維的廣闊性和深刻性，可謂一舉多得。

注重邏輯分析，培養(yǎng)計算思維。本課在實戰(zhàn)操作中以問題為導向，指導學生編譯人臉檢測的代碼，拋出如何進行代碼準確度的測試的問題，小組討論激發(fā)思考，收集圖片測試中出現(xiàn)的問題，過渡到下一層次—如何進行問題的解決，引導學生自主思考，在實踐中自我提問自我回答，有效鍛煉學生的邏輯思維和運算思維能力。

精選開放活動，提升創(chuàng)新能力。本課在實戰(zhàn)操作中，鼓勵學生自發(fā)思考；學生在教師引導合理創(chuàng)新的鼓勵下，針對不同的問題，敞開思路，解決問題，推動創(chuàng)新思維與能力的提升。

實施多元評價，促進反思能力。本課在成果展示環(huán)節(jié)，先運用極域進行學生作品展示，請學生分享自己的問題和成果；再展開討論，解決問題，學生的思維又一次得到了升華，思維的深度和廣度得到了開拓。

● 教材分析

本節(jié)課選自粵教版信息技術(shù)教材必修1《數(shù)據(jù)與計算》第六章人工智能章節(jié)，了解人工智能的原理和應用場景，對人工智能的后續(xù)學習具有重要的作用，是培養(yǎng)學生信息意識和信息社會責任的重要課程。

● 學情分析

本節(jié)課的授課對象是高中一年級的學生，剛進入中學的他們渴求在新的環(huán)境中得到新的知識，對各學科抱有新奇感，尤其是編程這一新興又有挑戰(zhàn)的學科，相對其他學科具有一定的特殊性。在實施教學前，學生熟悉了輸入輸出、第三方庫等Python基礎(chǔ)知識點，理解了人臉檢測的過程，能夠使用OpenCV模塊編程實現(xiàn)人臉檢測。

● 教學目標

知識與技能目標：知道OpenCV模塊的含義，了解替換圖片并進行標注的實現(xiàn)過程。能使用OpenCV模塊編程實現(xiàn)替換檢測的圖像并進行人臉標注。

過程與方法目標：通過回顧計算機找到人臉的過程，對應程序找出讀取圖像代碼，替換圖像路徑即可替換檢測圖像。通過教師講解新知，實操修改線框的顏色和粗細。

情感態(tài)度與價值觀目標：體驗利用人工智能技術(shù)解決問題帶來的樂趣，形成正確對待人工智能技術(shù)的意識。

● 教學環(huán)境與準備

人工智能系列課程采用混合式學習的教學方式。本課分為理論講授和項目實踐兩部分，理論講授環(huán)節(jié)的授課地點在高清錄播教室，項目實踐環(huán)節(jié)的授課地點在計算機機房。機房計算機搭建了人工智能系列課程的專用平臺，用以實現(xiàn)代碼的編譯、結(jié)果的呈現(xiàn)。

混合式學習環(huán)境是基于混合式學習開展信息學人工智能模塊活動的基礎(chǔ)和保障，本系列課程中混合式學習環(huán)境包括網(wǎng)絡學習資源、互動交流軟件、面授學習環(huán)境等。

網(wǎng)絡學習資源主要包括講義、任務單、在線題目等，網(wǎng)絡學習資源的設(shè)計應注意：其一，資源的多態(tài)性，即可設(shè)計文字、視頻、圖片等多種類型的資源以適用不同學習特性的學習者使用；其二，資源的交互性，提倡學習資源的設(shè)計要關(guān)注資源與學習者之間的交互；其三，資源的探索性，在學習資源中切不可直接呈現(xiàn)答案，要引導學生在探索的過程中開展學習，以發(fā)現(xiàn)式學習、探究性學習為佳；其四，資源的明確性，資源使用的時機與方式要明確地告知學生，利于提升學生學習效率。

互動交流軟件在混合式學習過程中主要發(fā)揮互動交流、展示表達等功能，師生之間可利用QQ、騰訊會議等軟件進行溝通，也可通過博客等平臺發(fā)表展示自己的作品，還可通在線社區(qū)等平臺與異地的學習者進行交流。

面授學習環(huán)境是指在線下學習環(huán)境中，學生與教師面對面開展的學習活動。在此環(huán)境下開展的教學活動應充分發(fā)揮面授教學的優(yōu)勢，注重對學生學習疑惑問題的解答、對學生學習狀態(tài)的分析、對學生學習情感的解讀。

● 教學過程

1.優(yōu)美詩文，情境導入

師：大家一起看屏幕，有誰知道“人面不知何處去”的下一句是什么？

生：桃花依舊笑春風。

師：大千世界有千百萬張面孔，請觀察課件里的三張圖片，你們是否都能通過觀察圖片，快速說出其中人臉的數(shù)量。

學生觀察圖片，教師預估，學生可以快速說出單個及少數(shù)人臉圖片中的人臉數(shù)量，而百人合照的圖片學生無法迅速說出數(shù)量。

設(shè)計意圖：導入部分采取了快問快答的游戲，讓學生在視覺沖擊和頭腦風暴下思考機器進行人臉檢測的意義及優(yōu)勢，引導學生類比人眼檢測人臉的過程，討論探究計算機檢測人臉的過程。

2.探究活動，認知原理

活動一：思考人工智能人臉檢測技術(shù)的優(yōu)勢

師：基于剛剛的活動，請同學們思考一下，計算機識別人臉圖片的優(yōu)勢在哪里呢？

學生討論計算機識別人臉圖片的優(yōu)勢。

生：計算機更擅長于識別人臉數(shù)量眾多的圖片，識別速度快，準確率高等。

活動二：總結(jié)人眼看到人臉的過程

師：了解了計算機識別人臉的優(yōu)勢，我們接著思考一下類比于人眼識別人臉的圖片。計算機識別人臉圖片的過程是什么呢？請同學們依據(jù)課件里總結(jié)的人眼識別人臉的圖片的過程—看到圖像→判斷圖像中是否有人臉→知道有多少人臉、分別在哪里，思考問題：對于機器來說，它是怎么找到人臉，實現(xiàn)人臉檢測的？

學生類比人眼識別的計算機識別過程。

生：讀取圖片→定位人臉→框選人臉。

活動三：體驗人臉檢測程序

體驗人臉檢測程序，找到人臉并將人臉進行框選。

（1）體驗人臉檢測程序，找到人臉并將人臉框出來。

在教師下發(fā)學習資源包，給予部分程序代碼示意后，學生根據(jù)自身Python基礎(chǔ)，進行上機實踐操作。

（2）在代碼運行完成后，教師請學生判斷，在計算機找到人臉的過程中，每個步驟都對應一個程序模塊。

設(shè)計意圖：運用問答法引導學生循序漸進思考，下發(fā)資源文件給予學生類比的模板，激發(fā)學生探究意識。教師協(xié)助學生完成代碼的編譯，通過引導學生分析計算機檢測人臉的每個步驟所對應的程序模塊，加深學生對代碼的理解和原理的認知。

3.做中學練，驗證時效

活動四：替換檢測圖片，體驗程序的準確度變化

師：在編譯完人臉檢測程序后，為確保程序的合理準確，我們應如何進行程序準確度的檢測？

生：可以替換多張圖片，觀察是否都能準確進行識別。

師：對比人臉檢測程序，說一說每個步驟對應的程序模塊，更換圖片需要調(diào)整哪部分的程序？

生：想要替換檢測圖片，更換圖片路徑即可。

教師演示更換圖片路徑的操作，講解OpenCV庫中讀取圖像的函數(shù)：imread(圖像路徑)。

學生上機操作，替換檢測圖片，體驗程序的準確度變化。

活動五：修改線框的顏色和粗細，體驗程序框選結(jié)果的變化

師：在你們的操作中出現(xiàn)人臉面部被遮擋，或標注位置不清晰的情況，應當如何解決？

學生小組探討，給出答案：修改線框的顏色和粗細。

師：閱讀程序，說說看哪行代碼可以設(shè)置線框的顏色和粗細？

學生找出對應的程序模塊，預估他們知道模塊位置，但是不了解模塊具體含義。

師：（講解繪制線框這行代碼里參數(shù)所代表的意思）請你們思考，為什么（0，255，0）表示綠色？請查閱學習資源包思考回答。

學生學習RGB色彩模式。上機操作，修改線框的顏色和粗細，體驗程序結(jié)果的變化。

設(shè)計意圖：以問題為導向，指導學生編譯人臉檢測的代碼，拋出如何進行代碼準確度的測試的問題，通過小組討論激發(fā)思考，收集圖片測試中出現(xiàn)的問題，引導學生自主思考，在實踐中自我提問自我回答。

4.分享總結(jié)，課后迭代

師：請整理學習任務單上你們記錄的問題和探索的解決措施，分組進行匯報總結(jié)。

學生描述在替換檢測圖片和修改線框的顏色和粗細中遇到的問題。

師：在大家匯報的問題中，其中一部分通過今天的學習你們已經(jīng)找到了解決的辦法。那其他諸如在操作中出現(xiàn)了模糊人臉被識別、漫畫人臉未識別、多個人臉漏識別的情況，又應當如何解決？

生：應該精化算法，提高程序的準確度（小組探討）。

師：目前，我們學習的算法比較簡單，所以無法全部解決當下同學們發(fā)現(xiàn)的問題，從大家的總結(jié)中也能看出，目前人工智能技術(shù)在人臉檢測上還存在諸多問題，請大家思考總結(jié)一下，人工智能技術(shù)在人臉檢測上的優(yōu)劣勢分別是什么？作為學生，我們能為人工智能技術(shù)發(fā)展、為社會生活更加便捷高效做些什么？將思考結(jié)果記錄在任務學習單上。

設(shè)計意圖：引導學生在問題中進行反思和總結(jié)，在實踐中自我提升，在智能系統(tǒng)的體驗中感受人工智能的巨大價值，使其能客觀認識人臉識別技術(shù)發(fā)展對社會的影響。

● 教學反思

1.重組教材，激發(fā)興趣

學生正處于學習Python的初級階段，對知識的趣味性比較敏感。在教授該階段的學生時，更應該注意教材的梯度問題，合理進行順序的調(diào)動和整合。

2.針對學情，化繁為簡

在人臉檢測程序?qū)W習初期，大段代碼帶來的知識難度可能過大，應當根據(jù)學生學情，進行程序拆解，分模塊和步驟進行順序講解，最后合成整段代碼，這樣既能避免學生一開始受大量知識沖擊而產(chǎn)生無力感，也能讓學生在一步一步的學習中體驗知識的積累。

3.把控時間，合理安排

在時間的安排上，最后對學案上的課后鞏固沒有與學生一起進行學習、交流，只能留為作業(yè)，下節(jié)課進行講解討論。對于這樣的安排后面需要進行改進，盡量讓學生能當堂完成學案。