人臉識別技術的教學探索

教學背景

本案例屬于人工智能模塊的內(nèi)容，學生通過前面的課程初步學習了機器視覺的定義，體驗了機器視覺在生活中的應用，研究并理解了機器視覺的原理，為此案例的學習奠定了理論與實踐基礎。

本案例重點探究機器視覺中的典型技術：人臉識別技術。從識別技術、理解技術再到運用技術設計制作一個基于人臉識別技術的人工智能作品去解決生活中的問題，學生思維與能力節(jié)節(jié)攀升。案例設置四個活動：體驗識AI應用、實驗探AI原理、巧思創(chuàng)AI作品、明理辨AI技術，讓學生了解概念、掌握原理、分析應用、創(chuàng)新設計，達到創(chuàng)造性地使用AI技術、辯證地看待人工智能技術的目標。

課例特色

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中提到，信息科技課程理念包括“遴選科學原理與實踐應用并重的課程內(nèi)容”“倡導真實性學習”。

1.科與技并重

如何在人工智能模塊落地“遴選科學原理與實踐應用并重的課程內(nèi)容”這一要求？這需要課程設計將學習人工智能技術的科學原理和應用人工智能技術解決問題的實踐活動放在同等重要位置，原理學習與技術學習相結合，共同為學科育人服務。

本案例既包含人臉識別的科學原理探究，也有人臉識別的技術實踐應用，能夠較好地體現(xiàn)“科學原理”與“實踐應用”并重的課程理念。如在講授人臉識別技術時，通過實驗探究等方式讓學生理解人臉識別技術的科學原理，體驗“科”的魅力；再通過編程創(chuàng)作等方式讓學生運用人臉識別技術解決生活中的問題，體驗“技”的價值。

2.真實性學習

信息科技課程理念倡導真實性學習，創(chuàng)新教學方式，以真實問題或項目驅動構建知識，提升問題解決能力。鼓勵學生“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”。為落地“真實性學習”理念，課堂可以創(chuàng)設真實環(huán)境，巧設實踐活動，達成課堂目標。如在體驗中理解概念、探究中掌握原理、運用中嘗試創(chuàng)新、辨析中學會真理。教師可以讓學生通過人臉識別技術打開教室門，通過人臉識別技術虛擬實驗探究人臉識別技術的原理，設計并制作人臉識別作品，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，使其感受創(chuàng)造的樂趣。

教學目標

知識與技能 掌握人臉識別的定義，理解人臉識別的原理，了解人臉識別技術在生活中的應用。

過程與方法 通過探究實驗總結歸納人臉識別的技術原理，基于人臉識別技術制作人工智能作品。

情感態(tài)度與價值觀 辨析人臉識別技術帶來的利與弊，樹立合理使用人工智能技術的意識，培養(yǎng)運用人工智能技術造福社會的責任感。

教學重點與難點

教學重點 人臉識別技術的原理；人臉識別應用的設計與制作。

教學難點 分析影響人臉識別準確度的因素；探討人臉識別技術的邊界，樹立信息技術安全意識。

教學設計

一、體驗識AI應用

教師在課堂上展示機器人小飛的新技能，即啟動小飛，小飛通過攝像頭認出教師并向教師問好：“包老師，您好！”

師：小飛是如何認出教師的？

學生觀察小飛的行為，分析出小飛通過攝像頭觀察教師的面部特征，進而基于教師的面部特征認出教師。學生在觀察分析中理解人臉識別的概念。

師：校園里、生活中還有哪些場景使用了人臉識別技術？它還有什么其他價值？

學生進一步基于概念理解探討校園里、生活中人臉識別技術的應用和價值，并分享自己所了解的人臉識別的應用。如圖書館刷臉借書、食堂刷臉吃飯……人臉識別技術讓生活更高效、便捷。

設計意圖：學生通過觀察和分析小飛的新技能理解人臉識別的概念，并總結生活中的人臉識別技術的應用場景和應用價值。

二、實驗探AI原理

教師演示中央電化教育館人工智能實驗平臺中的人臉識別模塊，介紹實驗目標、實驗步驟、實驗注意事項等。

學生使用小組賬號登錄人工智能實驗平臺，選擇“人臉識別”實驗；根據(jù)實驗過程填寫學習單；重點研究閾值對人臉匹配的影響。小組匯報研究過程及結論。人臉識別實驗主要步驟如下。

第一步：采集圖像。通過平板攝像頭分別采集三張人臉照片，形成小型的人臉庫，如圖1。

第二步：人臉檢測。系統(tǒng)自動掃描照片，找到照片中的人臉，并通過人臉分類器判斷是否為人臉，如圖2。

第三步：特征檢測。根據(jù)輸入的人臉圖像，自動定位出面部關鍵特征點，如眼睛、鼻尖、嘴角、眉以及人臉各部分輪廓點等。人臉一共有128個特征點，以此形成128維特征向量，如圖3。

第四步：人臉匹配。重拍一張人臉照片，與人臉庫中的照片進行匹配，如圖4。輸入相似度閾值（0.1～0.9），默認值為0.4，閾值越大越嚴格。學生們在實驗中體驗閾值對匹配結果的影響。

設計意圖：學生通過探究實驗學習人臉識別的原理，理解相對枯燥的知識，在實驗中理解閾值對人臉匹配結果的影響，學會選擇適當?shù)拈撝怠?/p>

三、巧思創(chuàng)AI作品

學生討論人臉識別技術在各個場景中的應用，如銀行、醫(yī)院、飯店、酒店、商場、交通、學校、景點等。

教師指導學生思考人臉識別技術的特點，該技術在哪些場景中具有優(yōu)勢？生活中是否有應用價值。學生進行小組討論，進一步理解人臉識別技術，并設計人臉識別智能程序，創(chuàng)新地解決生活中的問題。最后，教師展示編程平臺中人臉識別技術相關的功能模塊，介紹各功能模塊的作用。學生設計作品，編程并調試，最后在課堂上分享作品，如圖5。

設計意圖：學生在運用技術的過程中提高創(chuàng)新能力。教師在過程中加強方法指導，引導學生圍繞生活中的問題設計作品，并通過分析范例拓展設計人工智能作品功能的方法。

四、明理辨AI技術

教師帶領學生觀看視頻《厲害了，我的國》，了解我國在人臉識別技術上的領先地位，感受人臉識別技術的魅力。學生觀看視頻《監(jiān)控攝像頭帶來的安全隱患》，思考人臉識別技術的邊界是什么？分析人臉識別的價值及可能帶來的社會問題，學會辯證地看待AI技術，同時激發(fā)深入學習AI的興趣。

設計意圖：學生分析生活中的案例，了解人臉識別的價值及可能帶來的社會問題，辨析人臉識別技術的邊界，探討人臉識別技術的倫理與安全挑戰(zhàn)。該環(huán)節(jié)重在提升學生的信息社會責任。

實踐反思

教師通過四個活動讓學生從感知體驗到理解掌握、從應用創(chuàng)新到感悟內(nèi)化，逐步提高學生信息素養(yǎng)，框架如圖6所示。

本案例的四個活動對應著不同的認知要求，對標核心素養(yǎng)目標?！绑w驗識AI應用”環(huán)節(jié)，學生通過識別、列舉人臉識別功能的應用，分析其在各種場景下的價值，提高人工智能的鑒賞力以及識別人工智能技術的信息意識?！皩嶒炋紸I原理”環(huán)節(jié)，教師通過原理剖析及虛擬實驗帶領學生分析人臉識別的算法原理，提高學生的計算思維?！扒伤紕?chuàng)AI作品”環(huán)節(jié)，學生運用人臉識別技術解決生活中的問題，提高數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力?！懊骼肀鍭I技術”環(huán)節(jié)，學生分析人臉識別技術可能帶來的危害以及規(guī)避危害的方法，培養(yǎng)信息安全意識與能力，遵守信息社會的道德與倫理準則，對信息技術創(chuàng)新所產(chǎn)生的新觀念和新事物，既具有積極學習的態(tài)度，又有理性判斷的能力。

包桂霞

江蘇省南京市科利華中學信息科技教師，南京市優(yōu)秀青年教師。從事人工智能大班教學，相關課例獲評中央電化教育館中小學人工智能教育特色課例。現(xiàn)兼任江蘇省中小學人工智能教育專家?guī)斐蓡T，中央電化教育館中小學人工智能教育培訓師，參編多本中小學人工智能教育書籍。