《解密活體檢測(cè)》教學(xué)案例

崔長(zhǎng)華 北京市通州區(qū)潞河中學(xué)

●課程指導(dǎo)思想

課程的指導(dǎo)思想是《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出的“關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求”“著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)”“通過解決實(shí)際問題體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法”，以及基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、“從做中學(xué)”即“從活動(dòng)中學(xué)”。

●教學(xué)內(nèi)容分析

本課選自人教版高一信息技術(shù)選修4“3.1 計(jì)算機(jī)視覺”模塊。筆者在相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重構(gòu)和加工，開展“基于人臉識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（共6課時(shí)）。前兩課時(shí)了解人臉檢測(cè)和人臉識(shí)別的相關(guān)技術(shù)，利用人臉關(guān)鍵點(diǎn)體驗(yàn)人臉美顏效果。本課是項(xiàng)目的第3課時(shí)，主題是“解密活體檢測(cè)”，核心內(nèi)容是“基于人臉關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行活體檢測(cè)”。通過對(duì)人工智能典型案例的剖析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并嘗試用人工智能的方法解決問題，讓學(xué)生感受智能技術(shù)對(duì)生活和學(xué)習(xí)帶來的影響。

●學(xué)情分析

學(xué)生思維活躍，樂于動(dòng)手實(shí)踐，在生活中體驗(yàn)過不少人工智能產(chǎn)品，愿意探究技術(shù)背后的原理。經(jīng)過一段時(shí)間的Python編程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠用編程解決簡(jiǎn)單的問題，但是將問題抽象成數(shù)學(xué)模型的經(jīng)驗(yàn)略顯不足，并且對(duì)活體檢測(cè)的核心技術(shù)知之甚少。學(xué)生能夠利用人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)模型提取人臉的關(guān)鍵點(diǎn)信息，并體驗(yàn)用關(guān)鍵點(diǎn)給人臉美顏；用程序設(shè)計(jì)方法解決現(xiàn)實(shí)問題有初步的經(jīng)驗(yàn)及一定的抽象能力，但將實(shí)際問題抽象成計(jì)算機(jī)解決問題的能力經(jīng)驗(yàn)不足。

●教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：利用人臉關(guān)鍵點(diǎn)，建立眨眼、張嘴、點(diǎn)頭、搖頭的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。

難點(diǎn)：依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法，使用選擇結(jié)構(gòu)編寫程序，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

●教學(xué)策略

整體設(shè)計(jì)思路：以解決問題為導(dǎo)向，重點(diǎn)圍繞實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探索、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證展開。采用探究式的教學(xué)策略，運(yùn)用提問法、演示法、講授法、小組探究法。

●教學(xué)準(zhǔn)備

帶攝像頭的多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、OpenCv和Dlib庫(kù)、教學(xué)指南、任務(wù)單等。

●教學(xué)過程

1.項(xiàng)目回顧，引出主題

教師首先讓一名學(xué)生進(jìn)行人臉識(shí)別程序測(cè)試（程序能準(zhǔn)確識(shí)別出學(xué)生），接著用學(xué)生的照片進(jìn)行程序測(cè)試（照片也能通過人臉識(shí)別程序）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)程序還不完善，不能區(qū)分是不是真人，為了提高安全性，需要增加活體檢測(cè)功能。

設(shè)計(jì)意圖：主動(dòng)出示問題抓住學(xué)生的注意力，強(qiáng)調(diào)活體檢測(cè)的重要性，明確本節(jié)課主題——配合式活體檢測(cè)。

2.頭腦風(fēng)暴，聚焦方法

師：配合式活體檢測(cè)主要是四種動(dòng)作（眨眼、張嘴、點(diǎn)頭、搖頭）的隨機(jī)檢測(cè)，人是如何識(shí)別各種動(dòng)作的？（引導(dǎo)學(xué)生回想自己識(shí)別各種動(dòng)作的過程）

學(xué)生小組討論，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，得出眨眼時(shí)黑眼球大小發(fā)生變化以及上下眼皮的距離發(fā)生變化、張嘴時(shí)上下嘴皮的距離發(fā)生變化、點(diǎn)頭時(shí)以脖子為軸心旋轉(zhuǎn)、搖頭時(shí)向右轉(zhuǎn)左臉朝前方、向左轉(zhuǎn)右臉朝前方等，這些都是目前主流的配合式活體檢測(cè)的一般方法。

師：（以眨眼為例再次拋出問題）如何讓計(jì)算機(jī)識(shí)別眨眼動(dòng)作？

此時(shí)學(xué)生遷移舊知想到，可以利用前面學(xué)過的人臉關(guān)鍵點(diǎn)中的眼部數(shù)據(jù)，得到眼睛上關(guān)鍵點(diǎn)縱向距離，進(jìn)而用眼睛距離變化判斷眨眼。

設(shè)計(jì)意圖：師生通過問題的不斷聚焦，將眨眼過程轉(zhuǎn)換成距離變化的過程（如圖1），形成計(jì)算機(jī)識(shí)別眨眼的思路。

圖1

3.教師演示，操作示范

教師進(jìn)行演示，講授利用程序獲取關(guān)鍵點(diǎn)歐式距離以及顯示數(shù)據(jù)圖表的方法，帶領(lǐng)學(xué)生分析眼睛縱向的距離變化規(guī)律，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。點(diǎn)頭和搖頭動(dòng)作的規(guī)律，不容易發(fā)現(xiàn)，教師適時(shí)給予點(diǎn)撥（先選取合適的關(guān)鍵點(diǎn)，再將關(guān)鍵點(diǎn)連成線段，觀察線段或者圖形的變化規(guī)律，如圖3所示）。

圖2

圖3

各小組從眨眼、張嘴、搖頭、點(diǎn)頭四個(gè)常見活體檢測(cè)的動(dòng)作中選擇其一開始探究實(shí)驗(yàn)，選擇眨眼和張嘴實(shí)驗(yàn)的小組按照教師的操作示范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，找到眼部和嘴部的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。在教師的點(diǎn)撥和引導(dǎo)下，學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)后找到點(diǎn)頭、搖頭的規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：教師示范的目的是讓學(xué)生能夠迅速上手實(shí)驗(yàn)，直奔實(shí)驗(yàn)主題。教師適時(shí)點(diǎn)撥和細(xì)化探究任務(wù)，可避免部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生因?yàn)樘骄磕康牟幻鞔_而難以下手。

4.小組探究，建立模型

有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果靠近攝像頭時(shí)距離值增大，遠(yuǎn)離攝像頭時(shí)距離值減小，教師適時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生思考解決辦法。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以利用比值關(guān)系來解決距離發(fā)生近大遠(yuǎn)小的問題。在師生的共同研討下得出用嘴部縱橫距離比值的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)嘴部動(dòng)作，建模公式如圖4所示。教師請(qǐng)發(fā)現(xiàn)規(guī)律的小組進(jìn)行課堂展示，如圖5所示。

圖4

圖5

設(shè)計(jì)意圖：利用圖形直觀地呈現(xiàn)出動(dòng)作的變化規(guī)律，降低學(xué)習(xí)難度，使抽象的動(dòng)作更加直觀，使思維過程可視，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。教師適時(shí)對(duì)不完善的模型和思路進(jìn)行點(diǎn)撥。

5.應(yīng)用模型，編程驗(yàn)證

學(xué)生利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄各種動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教師帶領(lǐng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法。以嘴部實(shí)驗(yàn)為例，當(dāng)嘴部比例大于均值時(shí)，嘴處于張開狀態(tài)，小于均值時(shí)，嘴處于閉合狀態(tài)（如下頁(yè)圖6），在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律后，師生共同梳理各組的初步算法，以均值為閾值，利用閾值法編程驗(yàn)證動(dòng)作的狀態(tài)（如下頁(yè)圖7）。

圖6

圖7

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)融入到計(jì)算機(jī)解決問題的過程中，并適時(shí)捕捉課堂中生成的問題，及時(shí)給予解釋和加以引導(dǎo)，推進(jìn)課堂進(jìn)程，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

6.展示交流，拓展延伸

在學(xué)生編程驗(yàn)證后，請(qǐng)學(xué)生分享作品，將三種動(dòng)作狀態(tài)都識(shí)別出來。教師在總結(jié)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生理清知識(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建完善的知識(shí)體系：人工智能典型案例需歷經(jīng)采集數(shù)據(jù)、特征提取、建立模型、訓(xùn)練模型、評(píng)估模型、應(yīng)用模型等過程。教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用遷移，學(xué)生想到了眨眼檢測(cè)可以遷移到監(jiān)測(cè)疲勞駕駛、表情識(shí)別等領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)意圖：通過模型方案的不斷迭代，找到更符合實(shí)際需求的動(dòng)作檢測(cè)模型。在作品分享交流環(huán)節(jié)，給學(xué)生提供交流展示的平臺(tái)，小組間相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，找到最優(yōu)的解決問題的思路和方法。在提升環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用遷移，這不僅能拓寬學(xué)生的視野和思維，還可提高學(xué)生解決問題的能力。

●教學(xué)反思

本課選取貼近學(xué)生生活的人工智能主題，使學(xué)生深入體會(huì)到在面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)，如何化繁為簡(jiǎn)，拆解任務(wù)。整個(gè)教學(xué)過程以發(fā)展思維為核心，以“問題猜想—實(shí)驗(yàn)提煉—抽象模型—編程驗(yàn)證”為主線，使學(xué)生在輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍中學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，提升學(xué)生的計(jì)算思維。

點(diǎn) 評(píng)

本節(jié)課是以項(xiàng)目制作的形式開展的一節(jié)課，教學(xué)內(nèi)容選自“人工智能模塊”，執(zhí)教教師對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)和重構(gòu)，從教材中的表情識(shí)別過渡到解密活體檢測(cè)，包含了對(duì)數(shù)學(xué)建模的設(shè)計(jì)，這是教材中沒有涉及的，也是高中階段學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)。本節(jié)課具有如下特點(diǎn)：

1.落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)

本節(jié)課關(guān)注利用信息技術(shù)學(xué)科特有的方法分析問題和解決問題，從一開始就引導(dǎo)學(xué)生思考怎么區(qū)分點(diǎn)頭和搖頭這幾個(gè)動(dòng)作，引入計(jì)算機(jī)來識(shí)別，讓學(xué)生關(guān)注數(shù)據(jù)在其中起到的作用，重點(diǎn)研究通過數(shù)據(jù)的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的建模，進(jìn)而解決問題，其中也讓學(xué)生理解人和計(jì)算機(jī)解決問題的異同。整個(gè)學(xué)習(xí)過程，關(guān)注問題解決方法的引導(dǎo)，發(fā)展了學(xué)生的計(jì)算思維。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，促進(jìn)高效課堂

本節(jié)課采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，通過問題猜想、實(shí)驗(yàn)提煉、抽象模型，最后編程驗(yàn)證，讓學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目的每一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的思維也在活動(dòng)中不斷深入，從課堂表現(xiàn)看，學(xué)生的參與度非常高，而且學(xué)生想到的解決方法并不唯一。四種活體檢測(cè)動(dòng)作在本節(jié)課都有落實(shí)，不同的小組來實(shí)驗(yàn)不同的內(nèi)容，互相學(xué)習(xí)、相互啟發(fā)，這是一種非常有效的授課方式。

3.借助信息化工具，突破教學(xué)難點(diǎn)

教師考慮用相應(yīng)的方法和手段來突破本節(jié)課的難點(diǎn)——數(shù)據(jù)建模。怎么讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律？怎么去建構(gòu)模型？這都是比較難的，教師通過圖形直觀呈現(xiàn)動(dòng)作變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，讓學(xué)生把動(dòng)作抽象成數(shù)據(jù)，再找到數(shù)據(jù)的規(guī)律，這使模型的構(gòu)建更加自如，也相應(yīng)降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，這種設(shè)計(jì)非常巧妙，最終達(dá)成解密活體檢測(cè)的主題。