初識人臉識別技術

□ 主講人：聞迪

聞迪

北京市西城區(qū)康樂里小學信息科技教師，北京市骨干教師，現(xiàn)任西城（南）區(qū)小學信息科技兼職教研員，曾獲得全國中小學實驗教學說課活動一等獎，論文、案例等在全國、市、區(qū)各類比賽中獲獎或公開發(fā)表。

設計依據(jù)

“以興趣為起點，以活動為主線”是小學信息科技教材內(nèi)容設置的重要特點之一。對學生而言，興趣有著神奇的內(nèi)驅(qū)作用，能變無效學習為有效學習，化低效為高效。國務院于2017年下發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出，要在中小學普及人工智能編程教育?！读x務教育信息科技課程標準（2022年）》中也明確要求，人工智能教育要貫穿于義務教育各個學段。因此，人工智能教育逐漸得到學生和家長們的重視。

小學生對人工智能的學習有著濃厚的興趣，當前對低年級小學生學習人工智能的目標定位是了解、認識人工智能和學會簡單的編程。本課例將通過讓學生設計游戲的方式激發(fā)學生的學習興趣，進而讓他們學習身邊的人臉識別技術原理。

課例特點

人臉識別技術是生活中經(jīng)常會被用到的一項人工智能技術。在本課例中，教師將帶領學生編寫一個反彈球游戲，激發(fā)學生的學習興趣，讓他們愿意體驗和感受人臉識別技術，了解人臉識別技術的工作原理。

學生們可以利用已經(jīng)掌握的相關圖形化編程知識，運用Mind+軟件自主編程、自主探索，模擬人臉識別、人臉追蹤的工作過程。在本課例中，學生需要熟練掌握Mind+中人工智能技術的編程方法，并且根據(jù)新舊知識之間的聯(lián)系，升級反彈球游戲，進一步了解人臉識別的具體過程，在編程的過程中感受科技進步給人們生活帶來的變化和便利，體驗學習程序設計的成就感，激發(fā)探究科學技術的興趣。

教學目標

1.知道人臉識別技術在生活中的應用，了解人臉識別技術的基本概念。

2.了解人臉識別技術的簡單工作過程，完成人臉控制反彈球游戲的程序編寫。

3.通過游戲化學習體驗，激發(fā)學生學習人工智能技術的興趣，并使其了解人臉識別技術的風險，增強其信息社會責任。

教學重點與難點

教學重點：人臉識別系統(tǒng)的工作過程。

教學難點：人臉識別技術在生活中的應用，發(fā)現(xiàn)人臉識別技術的風險，增強信息安全意識。

教學策略

任務驅(qū)動、分組合作、激勵性評價。

教學過程

一、激趣導入，明確任務

在上課之前，教師演示利用人臉在攝像頭中的移動，控制游戲舞臺上的擋板，從而進行反彈球游戲（如圖1所示），并提問學生：老師展示的游戲與之前學習制作的反彈球游戲有什么不同？

生：之前學習制作的反彈球游戲主要是使用鍵盤上的左右鍵控制擋板的位置，而老師這次展示的游戲利用了人臉移動來控制擋板進行反彈球游戲。

教師直接用游戲吸引了學生注意力，激發(fā)了學生的學習興趣，讓他們有繼續(xù)探索學習的欲望，從而進一步引導學生明確本節(jié)課的學習任務。

師：那么，有同學知道老師所展示的游戲中使用了什么技術嗎？

一些學生能夠通過自己的課外拓展知識和日常生活中的觀察和實踐，回答出這是人工智能技術領域中人臉識別技術的應用。教師順勢引導出本節(jié)課的主題：初識人臉識別技術。

接著，教師引導學生說出生活中的人臉識別技術還有哪些具體的應用，并且請學生結合對日常生活中人臉識別技術的了解，思考人臉識別技術的工作原理。

最后，教師直接明確本節(jié)課的學習任務就是了解人臉識別技術簡單的工作過程，并且運用人臉追蹤技術升級和改造反彈球游戲。

二、合作探究，思維訓練

1.認識人臉識別技術

師：什么是人臉識別技術？

學生根據(jù)自己的理解各抒己見。

教師出示PPT：人臉識別技術是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。

2.人臉識別技術在生活中的應用

師：人臉識別技術是人工智能領域中的重要內(nèi)容，在我們的日常生活中有很多人臉識別技術的應用。你們都知道哪些地方用到了人臉識別技術呢？

學生根據(jù)自己在生活中發(fā)現(xiàn)的人臉識別技術應用進行討論。

生1：我們經(jīng)?？匆姼改冈谶M行網(wǎng)上支付時，會利用人臉掃碼付錢。人臉識別技術的使用可以讓人們身上無需攜帶現(xiàn)金，支付變得更加便捷。

生2：我家小區(qū)的門禁系統(tǒng)使用了人臉識別技術。當樓棟住戶進入大門的時候就可以通過人臉識別開鎖。如果不是本樓的住戶，門禁系統(tǒng)無法識別用戶，大門就不會打開。人臉識別技術讓我們的出行變得更加便捷、安全。

3.人臉識別技術的工作原理

教師給學生播放提前準備好的視頻資料，讓學生了解人臉識別技術的概念和工作過程，并提示學生通過視頻內(nèi)容，總結人臉識別的工作步驟。學生帶著學習任務觀看視頻內(nèi)容。

人臉識別的工作步驟大體分成四個部分：第一步，通過攝像頭來采集人臉信息，將人臉信息保存到計算機中。第二步，通過計算機系統(tǒng)對原有人臉信息進行預處理，將一些影響分辨的信息進行修正。第三步，根據(jù)人臉五官的距離、大小、高低等因素提取人臉特征。第四步，將這些信息與原有數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對和判斷，直至結果出現(xiàn)。人臉識別的工作步驟概述如圖2所示。

教師根據(jù)學生的回答完善板書，并且對人臉識別技術的工作過程進行簡單的解釋與內(nèi)容拓展。

三、編寫程序，驗證拓展

1.新舊聯(lián)系，找到不同

學生們打開之前編程制作的反彈球游戲，討論利用鍵盤上的左右鍵控制擋板和利用人臉識別技術控制擋板兩種操作的技術難點，找到新舊知識之間的不同點。學生討論后得出結論，在原有程序中新的反彈球游戲需要修改兩個地方：第一個地方是需要增加機器檢測人臉的一組程序，第二個地方是需要修改控制擋板的指令。

學生運用人臉識別技術中的人臉追蹤技術在Mind+中對原有的反彈球游戲進行升級改造。

2.擴展功能，增加模塊

教師提示：要想實現(xiàn)人臉識別技術的應用，需要在Mind+“擴展”中添加相關的程序模塊。教師進行操作演示：單擊“擴展”—“功能模塊”選項卡—“機器學習（ML5）”—“返回”。

學生根據(jù)教師的演示進行編程操作模仿。

3.利用“錦囊”，自主探究

（1）人臉采集

學生使用教師提供的“助學錦囊”，自行閱讀并添加相關指令（如圖3），讓計算機能夠采集人臉五官的位置。一些能力突出的學生，也可以自己嘗試在不依賴“助學錦囊”的情況下完成程序設計。

（2）編輯擋板程序

師：編程中需要解決的最重要的問題是，修改角色“擋板”的運行方式。修改角色可以運用我們之前用過的“移動某個坐標”的指令來解決。

教師展示初步的程序，學生以小組為單位討論操作方法。

生：在這個環(huán)節(jié)中，我們可以將之前學習的“移動”指令進行靈活處理。移動指令中的坐標不一定是一個實際的數(shù)據(jù)，也可以變成實時更改的變量，這樣就可以讓原來的指令發(fā)揮更大的作用了。（如圖4）

四、總結提升，助力發(fā)展

在本節(jié)課的學習中，學生了解了人臉識別技術，并且利用人臉識別技術對原來制作的反彈球游戲進行了升級改造。通過師生課堂互動討論，學生們了解了人臉識別技術在社會中的廣泛應用。但是包括人臉在內(nèi)的生物特征采集在人工智能時代也面臨著很多的風險。教師播放視頻“人臉識別的風險”，讓學生了解人臉識別技術的隱藏風險，教育學生從小樹立正確使用信息技術手段的意識，保護自己的個人隱私。

學生們借助原有的反彈球游戲，利用人臉識別技術對游戲進行了升級開發(fā)，利用新舊知識之間的聯(lián)系創(chuàng)作了更有意思的人工智能游戲。學生們能夠?qū)⑿聦W習到的人臉識別技術的相關知識，靈活運用到游戲程序設計中，體現(xiàn)了他們勇于創(chuàng)新的精神。同時，學生也認識到了人臉識別技術的工作原理，了解了人臉識別技術給我們的生活帶來的巨大影響。

實踐反思

通過教學實踐，我有如下幾點反思：1.以貼近生活的任務情境來激發(fā)學生的學習興趣，讓知識學以致用。2.以多層次的學習方法激發(fā)學生的學習興趣。3.通過Mind+圖形化程序設計平臺，引導學生了解人臉識別的基礎知識，學習圖形化編程方法，培養(yǎng)其計算思維，讓學生體驗到學習程序設計和人工智能技術的成就感。