將智能硬件融入高中信息技術教學的實踐

陳寶杰

【摘 要】創客教育是一種新興的教學形式，學生運用各種資源、工具讓創意成為現實。在信息技術教學中可以借助創客教育中豐富的智能硬件資源，借鑒創客教育的優秀元素，在提高學生信息素養的同時，培養學生的實踐與創新能力。本文以“人臉識別作品制作”為例，闡述了將智能硬件融入高中信息技術課堂教學的做法。

【關鍵詞】智能硬件;人臉識別;信息技術教學;創客教育;創新能力

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）012-055-04

案例背景

2017年教育部印發的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》中提到，高中課程的培養目標是學生能從個體生活、社會生活及與大自然的接觸中獲得豐富的實踐經驗，形成并逐步提升對自然、社會和自我之間內在聯系的整體認識，使學生具有價值體認、責任擔當、問題解決、創意物化等方面的意識和能力。其中的創意物化是指學生積極參與動手操作實踐，熟練掌握多種操作技能，綜合運用技能解決生活中的復雜問題。在教學中要增強學生創意設計、動手操作、技術應用和物化能力，提高學生解決實際問題的能力[1]。

筆者所在的首都師范大學附屬密云中學屬于北京市郊區高中校，自2016年起開設了“App Inventor手機編程”“Arduino創意制作”“3D創意設計”“機器人與人工智能”等創客課程。筆者近幾年來一直致力于將智能硬件融入高中信息技術教學的實踐探索。如從2018年起借助Micro：bit開展了Python程序教學，從2020年起借助Arduino及人工智能傳感器實施了人工智能教學等。

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確提出，要讓學生感受人工智能的魅力，使學生走進人工智能的世界，了解人工智能對整個社會的貢獻，體驗人工智能更深層次的應用，培養創新思維。因此，智能硬件的使用是開展人工智能教學很好的嘗試。

本案例是人教版《數據與算法》教材中的第四章“走進智能時代”的內容。主要采用項目制作的方式，學生通過使用開源硬件Arduino開發板、二哈識圖傳感器以及舵機、LED等電子器件來制作一個人臉識別項目。學生們在課堂上將想法物化，在制作中提出自己的問題并解決問題，體驗從確定需求到完成制作這樣一個作品制作的過程。在動手實踐中，學生加深對人工智能技術的感受，產生對人工智能在生活中應用安全性的思考，提升作為一個信息時代公民的責任感和使命感。

案例描述

在導入環節，我首先請學生們說一說身邊有哪些人臉識別應用。學生會積極思考生活中人臉識別的應用，如手機解鎖、支付寶的刷臉支付、疫情期間社區門口的人臉識別測溫等生活現象。學生們互相啟發，積極踴躍地述說著人臉識別在我們身邊的應用。這個環節將學生拉進了生活之中，學生們認識到人工智能已經走進我們的生活，不再遙不可及。

“人臉識別的應用還真不少，那么同學們是否想過為什么人臉識別技術會得到如此廣泛的應用？它究竟具有哪些特點呢？”我進一步引導學生思考人臉識別的特點。學生們回答：“疫情時期人臉識別可以杜絕接觸，避免了病毒的傳播。”“人臉識別用起來很方便，不像按指紋之類讓人有不舒服的感覺。”“定位準，能準確定位就是這個人。”“一次能采集到很多人的臉。”

我和學生一起總結出人臉識別功能具有的特點：采集友好性（非強制性）、身份唯一性（生物特征識別技術）、非接觸性（特別是疫情時期）、并發性（同時多個采集、進行人臉分揀、判斷和識別）。學生了解了人臉識別的特點就能夠依據這些特點進行作品設計了，這為作品的主題確定進行了很好的鋪墊。

第二個環節，讓學生明確人臉識別系統的組成，這樣在后期制作中就會了解人臉識別的過程。“你們了解人臉識別系統嗎？”我繼續發問。

隨后，我給學生們列舉了一個真實的例子，就是我所在小區門口的人臉識別應用設備。“每次老師經過的時候屏幕上會有一個人臉識別框，但是屏幕只是告訴我溫度是多少，并沒有給出我是否是小區的住戶等信息。這是為什么？”學生會說沒有存儲人臉信息。我順勢引出人臉識別的原理與過程，即人臉圖像采集及檢測→人臉圖像預處理→人臉圖像特征提取→人臉圖像匹配與識別。所以，制作一個人臉識別系統，首先要進行人臉信息的采集存儲，然后進行算法設計，這樣人臉識別后儀器就會呈現出具體的結果或反應。

第三個環節，學生作品設計與制作。我將有可能使用的器材與設備提供給學生（圖1），具體如下。

主控板：Arduino開發板。

輸入設備：二哈識圖傳感器。

輸出設備：Oled顯示屏、舵機、Led燈等。

明確了需要使用的器材后，各小組要確定自己的作品主題。我運用思維導圖的方式和學生討論了如何從人臉識別的特點出發進行作品主題的確定。思維導圖能夠幫助學生打開思路，引導學生充分利用人臉識別的特點來確定創意、解決問題。比如依據身份唯一性，可以設計一個幫助尋找走失的老人或兒童的作品;依據傳感器一次可以采集多張人臉的并發性特點，可以設計一個在特定地點檢測人群密集度的作品，如檢測地鐵口、班級的人群密度等。

在制作過程中涉及的主要技術就是人臉識別傳感器的使用、人臉識別程序的編寫，但這些都不是教學的重點。我希望學生在實踐中思考生活，能夠運用簡單的人臉識別技術激發創意想法，設計出能夠解決問題的方案，同時增強他們作為信息時代公民的責任感。所以在制作過程中我將技術成分弱化，在自學材料中提供Mind+中對人臉識別的簡單示范程序（如圖2）供學生參考。學生根據自己的作品主題對范例程序進行修改和補充，由此降低了學生對人臉識別編程的難度，將重點落在作品的設計和想法的實現上。

圖2? 示例程序

學生在制作的過程中要填寫項目書，即依據設計思維的五個步驟來完成：確定適用人群→確定需求→作品雛形→作品制作并調整→展示與匯報，其具體內容如下。

確定適用人群：描述應用場景、針對人群;

確定需求：以同理心的方式，如果我是那個角色，我的感受是什么，我需要什么。

作品雛形：繪制草圖及功能。

作品制作及調整：調試作品，總結遇到的困難及解決辦法。

展示與匯報：分享經驗。

第四個環節，展示與匯報。各小組進行作品的展示和匯報。我請小組成員闡述該組人臉識別作品應用的場景、解決的主要問題、作品的功能以及后期要進一步完善的地方，并進行現場演示。學生匯報的作品主題有“公司考勤系統”“上課考勤”“走失兒童識別”“罪犯識別系統”“地鐵人群密集提示系統”等。

“公司考勤系統”小組制作的作品實現了公司人員人臉考勤功能，后期想加上通信技術，將考勤結果實時同步給公司主管。

“上課考勤”小組制作的作品主要是想解決大學課堂上學生冒名簽到等問題，后期想加上數據庫數據收集和統計功能。

“走失兒童識別”小組制作的作品想法是在交通要處設立攝像頭，識別出走失兒童的人臉，來幫助那些在茫茫人海中苦心尋找孩子的父母。后期可以將走失兒童人臉和其父母手機建立聯系，一旦發現第一時間請父母進行確認。

“罪犯識別系統”小組制作的作品，想為社會安全和穩定貢獻一份力量。

“地鐵人群密集提示系統”小組制作的作品中識圖傳感器能夠一次性獲取多張人臉，通過人臉計數功能，實時地播報人群密集程度，對于疫情期間人群密集起到很好的提示作用。

最后一個環節是總結與反思。學生制作了應用于各種場景的人臉識別作品，在此過程中一定會產生很多思考。例如，對于人臉識別的安全問題，有的學生會提出人臉識別考勤系統會不會有人拿照片來以假亂真。我順勢引出加強人臉識別安全性的擴展知識——人臉識別與活體檢測技術。通過播放1分鐘短視頻，使學生了解活體檢測三大技術動作指令：活體檢測（配合式，如眨眼等）、靜默活體檢測（錄一段視頻）和雙目活體檢測技術（可見光+近紅外）。這些技術在我們生活中也有很多應用，學生會有似曾相識的感覺。通過這三種技術的展示，學生會發現技術在不斷進步，人臉識別技術的安全性在不斷加強。

教學反思

這是一個將智能硬件融入高中信息技術教學的案例，我嘗試在信息技術課堂中加入人工智能硬件來開展人工智能方面的教學，在教學實踐中有如下體會。

1.借助智能硬件讓信息技術教學內容更豐富，更具生動性

創客教育中有各種優秀的智能硬件，如Micro：bit、Arduino主板及各種用于互動的具有輸入、輸出功能的傳感器等。隨著人工智能教育的興起，又增加了人臉識別、物體分類、物體追蹤的識圖傳感器以及語音識別、語音合成等器件。在信息技術教學中使用智能硬件，使更多的學生有機會接觸這些有趣的資源，有機會享受創造的樂趣。在動手操作的過程中，會調動學生多種感官，使其大腦接受多方面的刺激并做出反應。學生擁有了更多動手操作的機會，他們在實踐中融會貫通地理解知識、運用知識。學生參與課堂活動的主動性更強，信息技術課堂也因此充滿了活力。將智能硬件巧妙地引入課堂不僅豐富了信息技術課的教學內容，也給信息技術教學注入了新的活力，使之更具生動性。

2.借助智能硬件可以架起學習與生活的橋梁，培養學生解決實際問題的能力

創客教育中的資源，如開發板、傳感器以及涉及外觀造型的技術，都是物化創意的有效工具，這些資源都有助于學生接近生活、思考生活和創造生活。我們可以根據信息技術教學內容的需要，在課堂教學中靈活地將智能硬件引入，可以增強信息技術課堂的時代性和生活感。本文案例中學生使用智能硬件制作人臉識別作品，不僅有利于對人工智能技術的了解，也拉近了人工智能與學生的距離。學生會覺得人工智能不再遙遠，人工智能理論也不再是深奧難懂，人工智能技術是可以駕馭的。這些和人工智能有關的智能硬件能夠很好地幫助學生進行創意設計、想法物化，使學生在動手實踐中加深對知識的理解，并運用技術去解決生活中的問題。

3.通用智能硬件與項目式學習的方式更有利于學生綜合能力的培養

將智能硬件融入信息技術教學可以促進學生綜合能力的發展。在實際教學活動開展中，采用項目式學習方式將創客教育思維引入課堂，能夠更好地實現新課程教學改革活動，促進教育教學質量提升[2]。項目式學習讓學生在開放環境中有了更加多元的學習體驗，在信息技術課堂中，學生在教師的引導下主動地去探索和完成挑戰性的任務。在項目制作的過程中，學生會啟動內在的學習驅動力，積極主動地去獲取知識。將智能硬件融入項目式學習中能夠鍛煉學生解決問題的能力、團隊合作的能力、表達交流的能力以及創新的能力，能夠實現學生綜合能力的全面培養。

參考文獻

教育部關于印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的通知 [EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

任建華，趙強，張玉梅 . 信息技術背景下教育教學多維度創新體系研究[J]. 河北工程大學學報：社會科學版，2018（1）： 92-93.