人臉識別技術(shù)的教學(xué)探索

教學(xué)背景

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

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

課例特色

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到，信息科技課程理念包括“遴選科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容”“倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)”。

1.科與技并重

如何在人工智能模塊落地“遴選科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容”這一要求？這需要課程設(shè)計將學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的科學(xué)原理和應(yīng)用人工智能技術(shù)解決問題的實踐活動放在同等重要位置，原理學(xué)習(xí)與技術(shù)學(xué)習(xí)相結(jié)合，共同為學(xué)科育人服務(wù)。

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

2.真實性學(xué)習(xí)

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

教學(xué)目標(biāo)

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(shù)在生活中的應(yīng)用。

過程與方法 通過探究實驗總結(jié)歸納人臉識別的技術(shù)原理，基于人臉識別技術(shù)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(shù)帶來的利與弊，樹立合理使用人工智能技術(shù)的意識，培養(yǎng)運(yùn)用人工智能技術(shù)造福社會的責(zé)任感。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 人臉識別技術(shù)的原理；人臉識別應(yīng)用的設(shè)計與制作。

教學(xué)難點 分析影響人臉識別準(zhǔn)確度的因素；探討人臉識別技術(shù)的邊界，樹立信息技術(shù)安全意識。

教學(xué)設(shè)計

一、體驗識AI應(yīng)用

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

師：小飛是如何認(rèn)出教師的？

學(xué)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(jìn)而基于教師的面部特征認(rèn)出教師。學(xué)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(shù)？它還有什么其他價值？

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

設(shè)計意圖：學(xué)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(jié)生活中的人臉識別技術(shù)的應(yīng)用場景和應(yīng)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?zāi)繕?biāo)、實驗步驟、實驗注意事項等。

學(xué)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(xué)習(xí)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(jié)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(guān)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(jìn)行匹配，如圖4。輸入相似度閾值（0.1～0.9），默認(rèn)值為0.4，閾值越大越嚴(yán)格。學(xué)生們在實驗中體驗閾值對匹配結(jié)果的影響。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過探究實驗學(xué)習(xí)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(jié)果的影響，學(xué)會選擇適當(dāng)?shù)拈撝怠?/p>

三、巧思創(chuàng)AI作品

學(xué)生討論人臉識別技術(shù)在各個場景中的應(yīng)用，如銀行、醫(yī)院、飯店、酒店、商場、交通、學(xué)校、景點等。

教師指導(dǎo)學(xué)生思考人臉識別技術(shù)的特點，該技術(shù)在哪些場景中具有優(yōu)勢？生活中是否有應(yīng)用價值。學(xué)生進(jìn)行小組討論，進(jìn)一步理解人臉識別技術(shù)，并設(shè)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(shù)相關(guān)的功能模塊，介紹各功能模塊的作用。學(xué)生設(shè)計作品，編程并調(diào)試，最后在課堂上分享作品，如圖5。

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

四、明理辨AI技術(shù)

教師帶領(lǐng)學(xué)生觀看視頻《厲害了，我的國》，了解我國在人臉識別技術(shù)上的領(lǐng)先地位，感受人臉識別技術(shù)的魅力。學(xué)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(shù)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(xué)會辯證地看待AI技術(shù)，同時激發(fā)深入學(xué)習(xí)AI的興趣。

設(shè)計意圖：學(xué)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(shù)的邊界，探討人臉識別技術(shù)的倫理與安全挑戰(zhàn)。該環(huán)節(jié)重在提升學(xué)生的信息社會責(zé)任。

實踐反思

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

本案例的四個活動對應(yīng)著不同的認(rèn)知要求，對標(biāo)核心素養(yǎng)目標(biāo)。“體驗識AI應(yīng)用”環(huán)節(jié)，學(xué)生通過識別、列舉人臉識別功能的應(yīng)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(shù)的信息意識。“實驗探AI原理”環(huán)節(jié)，教師通過原理剖析及虛擬實驗帶領(lǐng)學(xué)生分析人臉識別的算法原理，提高學(xué)生的計算思維。“巧思創(chuàng)AI作品”環(huán)節(jié)，學(xué)生運(yùn)用人臉識別技術(shù)解決生活中的問題，提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。“明理辨AI技術(shù)”環(huán)節(jié)，學(xué)生分析人臉識別技術(shù)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(zhǔn)則，對信息技術(shù)創(chuàng)新所產(chǎn)生的新觀念和新事物，既具有積極學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)，相關(guān)課例獲評中央電化教育館中小學(xué)人工智能教育特色課例。現(xiàn)兼任江蘇省中小學(xué)人工智能教育專家?guī)斐蓡T，中央電化教育館中小學(xué)人工智能教育培訓(xùn)師，參編多本中小學(xué)人工智能教育書籍。