《指紋識(shí)別》課程案例與反思

吳麗影+薛慧君+張森

【摘 要】緊跟時(shí)代的發(fā)展變化，隨著教育機(jī)器人、人工智能等課程的開(kāi)設(shè)，中小學(xué)的拓展課程越來(lái)越豐富。生物特征識(shí)別作為人工智能的一部分，與人們的生活息息相關(guān)，越來(lái)越多地融入人們的日常生活中。本文通過(guò)對(duì)《面向人工智能技術(shù)探索的創(chuàng)客培育》系列科普課程中的《指紋獲取課程》案例進(jìn)行分析，并對(duì)教育教學(xué)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)與反思，從而為下一步的教學(xué)提供有效指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】指紋識(shí)別；課程案例；教學(xué)反思

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2017）09-0072-04

當(dāng)今時(shí)代，科技日新月異，尤其是人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅猛。為了加強(qiáng)科普理論研究、推動(dòng)科普產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新科普機(jī)制模式，中科院自動(dòng)化所人工智能與機(jī)器人教育實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)開(kāi)設(shè)了《科學(xué)探案——人工智能技術(shù)探索》系列科普課程。該系列科普課程以生物特征識(shí)別與數(shù)字圖像處理為切入點(diǎn)，為中小學(xué)進(jìn)行人工智能科普活動(dòng)提供了一個(gè)較好的范例。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用計(jì)算機(jī)模仿人腦所從事的推理、學(xué)習(xí)、思考、問(wèn)題求解以及規(guī)劃等思維活動(dòng)，來(lái)解決需要人類專家才能處理的復(fù)雜問(wèn)題，例如診斷、規(guī)劃、預(yù)測(cè)等決策性問(wèn)題[1]。簡(jiǎn)言之，它是一門(mén)研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬和延伸人腦功能的綜合性學(xué)科。生物特征識(shí)別技術(shù)（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個(gè)重要發(fā)展方向，它主要是指通過(guò)可測(cè)量的身體或行為等生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)。生物特征識(shí)別分為身體特征和行為特征兩大類，身體特征如人臉、指紋、掌靜脈、虹膜和DNA等；行為特征如簽名、語(yǔ)音、行走步態(tài)等[2]。

指紋識(shí)別作為生物特征識(shí)別中歷史最長(zhǎng)的一種，是指通過(guò)比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來(lái)進(jìn)行鑒別[3]。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯的區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。時(shí)至今日，指紋識(shí)別已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)，人們也真實(shí)的感受到它所帶來(lái)的便利。

本文通過(guò)對(duì)《科學(xué)探案——人工智能技術(shù)探索》系列科普課程中的《指紋獲取》課程案例對(duì)指紋獲取實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)教學(xué)過(guò)程做出反思，以期為下一步教學(xué)的開(kāi)展提供一定的指導(dǎo)。

課前分析及目標(biāo)闡明

1. 教學(xué)內(nèi)容分析

此次課程的教學(xué)內(nèi)容主要來(lái)源是《科學(xué)探案——終極追兇（生物特征識(shí)別技術(shù)概述）》。此課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，概括介紹了生物特征識(shí)別的概念、歷史、種類及關(guān)鍵技術(shù)。指紋識(shí)別是生物特征識(shí)別技術(shù)中的重要種類之一，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在門(mén)禁考勤等系統(tǒng)中。隨著指紋技術(shù)的完善，指紋識(shí)別技術(shù)還會(huì)廣泛地應(yīng)用于身份認(rèn)證、家居等更多領(lǐng)域[4]。

指紋是指生長(zhǎng)在人類手指指尖到手指第一個(gè)關(guān)節(jié)之間的表皮紋理[1]。它滿足生物特征識(shí)別所需要的各種性質(zhì)，如普遍性、長(zhǎng)久性和唯一性[5]。并且指紋成型比較早，穩(wěn)定之后隨時(shí)間變化的非常慢。如此一來(lái)，指紋可以作為我們終身的身份表征。

指紋識(shí)別的方法主要有基于脊線的識(shí)別方法、細(xì)節(jié)點(diǎn)特征法、圖像統(tǒng)計(jì)法等，此次課只對(duì)基于脊線的識(shí)別方法與細(xì)節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：獲取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)（如圖1指紋識(shí)別過(guò)程）。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯的區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。

2. 學(xué)生特征分析

此次課程的授課對(duì)象是初中二年級(jí)的學(xué)生，根據(jù)皮亞杰的兒童智力發(fā)展階段觀點(diǎn)，他們當(dāng)前的智力水平處于形式運(yùn)算階段。處在這個(gè)階段的學(xué)生已經(jīng)具備假設(shè)——演繹思維和系統(tǒng)思維的能力，能夠進(jìn)行抽象思維[8]，但是還需要借助一些具體形象的事物來(lái)支持學(xué)習(xí)。同時(shí)，他們已經(jīng)具有一定的分析、概括能力、自學(xué)與合作學(xué)習(xí)能力。原有的知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)風(fēng)格、態(tài)度等都會(huì)影響新知識(shí)的學(xué)習(xí)。在原有知識(shí)基礎(chǔ)方面，學(xué)生通過(guò)生活實(shí)踐對(duì)指紋識(shí)別已經(jīng)有一點(diǎn)淺顯的認(rèn)識(shí)，如手機(jī)指紋解鎖、電視電影中刑偵方面的人臉識(shí)別等。學(xué)習(xí)風(fēng)格方面，受到班級(jí)環(huán)境、個(gè)人學(xué)習(xí)習(xí)慣等的影響，學(xué)生之間存在一定的差異，如整體——分析風(fēng)格。學(xué)習(xí)態(tài)度方面，他們對(duì)指紋識(shí)別在實(shí)際生活中的應(yīng)用非常感興趣，也就意味著他們會(huì)有積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，能夠認(rèn)真對(duì)待此次課程。也就表現(xiàn)出每次課程都急切地想知道其中奧秘，更加好奇這些技術(shù)到底是如何實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于指紋獲取的實(shí)踐操作，學(xué)生具有較高地參與性，表現(xiàn)出更多的積極主動(dòng)性、躍躍欲試的狀態(tài)。

3. 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是我們進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，這里采用的是新課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡使用的三維目標(biāo)的表述，主要有：知識(shí)與技能；過(guò)程與方法；情感、態(tài)度與價(jià)值觀。下面將從這三個(gè)維度進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的闡明。

（1）知識(shí)與技能

了解和掌握指紋識(shí)別技術(shù)的相關(guān)背景及概念。

掌握指紋的基本形態(tài)，了解指紋識(shí)別方法。

能夠通過(guò)指紋特征進(jìn)行辨別。

（2）過(guò)程與方法

通過(guò)指紋識(shí)別知識(shí)的學(xué)習(xí)以及指紋獲取實(shí)驗(yàn)的操作，認(rèn)識(shí)新技術(shù)學(xué)習(xí)新知識(shí)，使學(xué)生正確認(rèn)識(shí)生物特征識(shí)別技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及創(chuàng)新意識(shí)。

（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀

聯(lián)系生活實(shí)際案例，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與生活的有效融合，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、主動(dòng)探索的精神。

指紋獲取教學(xué)過(guò)程

1. 創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

本課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，介紹相關(guān)的人物關(guān)系，創(chuàng)設(shè)調(diào)查罪犯的任務(wù)情境，將知識(shí)的學(xué)習(xí)貫穿于整體任務(wù)情境中，借此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到對(duì)知識(shí)進(jìn)行意義建構(gòu)的目的。

2. 依托情境、講授新知

福爾摩斯先生在調(diào)查罪犯之前需要先了解相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，也就是此次課程的主要教學(xué)內(nèi)容。本次課程主要從指紋的組成、指紋識(shí)別的常用算法、指紋識(shí)別的研究現(xiàn)狀、指紋識(shí)別中存在的問(wèn)題這四個(gè)方面展開(kāi)基礎(chǔ)知識(shí)的講授。

3. 協(xié)作學(xué)習(xí)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

指紋識(shí)別基本方法有兩種：基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋識(shí)別方法與基于脊線的指紋識(shí)別方法[6]。如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中首先獲取自身指紋圖像，然后根據(jù)相應(yīng)的識(shí)別方法分別標(biāo)出指紋的端點(diǎn)與分叉點(diǎn)及指紋的脊線與谷線。

（2）實(shí)驗(yàn)器具

手持式指紋獲取設(shè)備、計(jì)算機(jī)、相關(guān)軟件。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟

①分組準(zhǔn)備

首先將全班20名同學(xué)分為兩組，輪流進(jìn)行光指紋采集。每組指定一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)組織同學(xué)們有序進(jìn)行指紋采集。

②開(kāi)始實(shí)驗(yàn)

同學(xué)們開(kāi)始采集指紋，教師在一旁指導(dǎo)學(xué)生操作。通過(guò)指紋獲取設(shè)備采集的指紋則通過(guò)保存打印，隨后貼于實(shí)驗(yàn)報(bào)告單上。

經(jīng)過(guò)之前知識(shí)點(diǎn)的講解，學(xué)生已經(jīng)掌握了基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋識(shí)別方法和基于脊線的指紋識(shí)別方法。在掌握知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)形式，鞏固與檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生依據(jù)所學(xué)，分別標(biāo)出指紋的端點(diǎn)與分叉點(diǎn)；標(biāo)明指紋的脊線與谷線。

（4）實(shí)驗(yàn)拓展

根據(jù)基于脊線的指紋匹配原理與基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋匹配原理，完成指紋匹配。原理如圖3、4所示。

將全班20名同學(xué)采集的指紋隨機(jī)分布在指紋匹配的實(shí)驗(yàn)報(bào)告單上，讓學(xué)生通過(guò)觀察自己的指紋，從這20個(gè)指紋中找到與自己指紋相匹配的指紋。這樣一來(lái)，學(xué)生可以進(jìn)一步加深印象。能夠在掌握基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。

4. 課堂總結(jié)、做出評(píng)價(jià)

通過(guò)結(jié)合前期所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，大多數(shù)學(xué)生都能夠順利地完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖如圖5所示，成功的標(biāo)注出端點(diǎn)、分叉點(diǎn)以及谷線和脊線。當(dāng)然，也有個(gè)別學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不夠，不能正確區(qū)分端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，對(duì)谷線和脊線的概念理解不足，導(dǎo)致標(biāo)注出現(xiàn)問(wèn)題。另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于同學(xué)們的操作不當(dāng)，圖像的部分細(xì)節(jié)不清楚，在一定程度上給學(xué)生的辨認(rèn)帶來(lái)影響。我們還注意到，拓展實(shí)驗(yàn)的完成情況也是比較樂(lè)觀的，這說(shuō)明同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性還是比較高的。

課后反思

經(jīng)過(guò)此次指紋獲取實(shí)驗(yàn)的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，教學(xué)過(guò)程中突出體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，同時(shí)關(guān)注學(xué)生間的差異，符合當(dāng)代教育教學(xué)理念的教學(xué)方式。不過(guò)，在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程還是存在一定問(wèn)題的，比如實(shí)驗(yàn)活動(dòng)開(kāi)展的組織管理有待加強(qiáng)，教學(xué)策略的選用仍需完善等。

1. 突出以學(xué)生為主體的特點(diǎn)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一種意義的主動(dòng)建構(gòu)過(guò)程，是一種個(gè)體根據(jù)自身已有的知識(shí)對(duì)外部事物和現(xiàn)象構(gòu)建解釋的過(guò)程[7]。所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一系列的操作都是由學(xué)生小組自主合作完成的。每組由一名組長(zhǎng)監(jiān)督采集過(guò)程，另外指定一名學(xué)生負(fù)責(zé)組織與管理實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，保證良好的實(shí)驗(yàn)紀(jì)律。各位同學(xué)不但需要完成兩種方式的指紋獲取，還要積極配合，有組織有紀(jì)律的進(jìn)行采集。這也就意味著知識(shí)的學(xué)習(xí)是學(xué)生作為主體積極主動(dòng)進(jìn)行的，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想。教師在整個(gè)采集獲取過(guò)程中扮演的是實(shí)驗(yàn)實(shí)施的監(jiān)督者、指導(dǎo)者、建議者的角色。教師從旁觀察指導(dǎo)學(xué)生操作的正確與否，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題，能夠及時(shí)地給予指導(dǎo)與建議，幫助學(xué)生及時(shí)的解決問(wèn)題，并監(jiān)督實(shí)施過(guò)程。教師要鼓勵(lì)學(xué)生敢于嘗試、探索，適時(shí)的給予表?yè)P(yáng)來(lái)增強(qiáng)學(xué)生高效準(zhǔn)確的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的自信心。

實(shí)踐教學(xué)中，突出了學(xué)生的主體地位、教師的主導(dǎo)作用，以學(xué)生為中心的教學(xué)活動(dòng)中，教師所扮演的角色主要是知識(shí)學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、監(jiān)督者、促進(jìn)者。

2. 關(guān)注學(xué)生個(gè)體間差異

通過(guò)前期對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)者特征分析、學(xué)習(xí)風(fēng)格分析等，可以知道學(xué)生之間存在很大差異，再則此次課程的學(xué)生來(lái)自不同的班級(jí)，學(xué)習(xí)方式等各個(gè)方面還是有很大不同的，學(xué)習(xí)成績(jī)以及學(xué)習(xí)能力也是我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。由此，此次實(shí)驗(yàn)主要分為基礎(chǔ)和拓展兩部分任務(wù)。在完成指紋的采集獲取的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要結(jié)合所學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的練習(xí)與鞏固，另外，拓展部分作為選做環(huán)節(jié)，學(xué)生可以根據(jù)自己的水平進(jìn)行操作。當(dāng)然，教師要關(guān)注到所有學(xué)生的狀態(tài)，在保證基本教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，關(guān)注學(xué)生差異，制定相應(yīng)的教學(xué)策略。

3. 教學(xué)策略有待改進(jìn)

教學(xué)策略主要是指教學(xué)過(guò)程的程序性的策略體系，是各種不同類型的教學(xué)活動(dòng)的基本框架。常用的教學(xué)策略主要有先行組織者策略、案例教學(xué)策略、拋錨教學(xué)策略、隨即進(jìn)入教學(xué)策略、協(xié)作學(xué)習(xí)策略等。

指紋獲取實(shí)驗(yàn)主要用到了協(xié)作學(xué)習(xí)策略。同學(xué)之間通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)來(lái)完成指紋的獲取，并對(duì)指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。整體而言，同學(xué)之間的互助、合作還是非常完美。但是，在教學(xué)中，明顯存在實(shí)踐操作內(nèi)容與知識(shí)的有效聯(lián)系不夠緊密，一時(shí)難以完成知識(shí)表面層次的理解到深層次體驗(yàn)理解的轉(zhuǎn)變。所以，教學(xué)策略的選擇與運(yùn)用是至關(guān)重要的，我們需要針對(duì)課程的不同特點(diǎn)進(jìn)行不同教學(xué)策略的選用，能夠根據(jù)課程內(nèi)容不同時(shí)段的特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)策略的轉(zhuǎn)換。

此研究主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，讓學(xué)生在活動(dòng)中學(xué)習(xí)，親身體驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程。即使本課程是作為選修課程進(jìn)行的，但是在科學(xué)知識(shí)的普及方面還是有所收獲的。通過(guò)此次教學(xué)，學(xué)生很好地理解和掌握了指紋獲取的知識(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生積極探索、不斷創(chuàng)新的精神。課程內(nèi)容緊密聯(lián)系生活，有效實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與實(shí)際生活的有效結(jié)合，對(duì)生活實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。另外，此次課程的開(kāi)展，還處于嘗試階段，課程的設(shè)計(jì)、教學(xué)方法策略的選擇等各個(gè)方面的設(shè)計(jì)工作還不完善。因此，希望在以后的教學(xué)實(shí)踐中，不斷反思教學(xué)過(guò)程，積累經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)理論、學(xué)習(xí)理論等理論的指導(dǎo)下不斷完善和豐富我們的課程體系，為下一步教育教學(xué)開(kāi)展打下良好的基礎(chǔ)，并且希望能夠通過(guò)本課程的實(shí)踐為科普工作以及相關(guān)案例研究工作添磚加瓦。

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