《人面不知何處去—探尋人臉檢測(cè)奧秘》教學(xué)設(shè)計(jì)

王苑橋 四川省成都市教育科學(xué)研究院附屬中學(xué)

● 創(chuàng)新整合點(diǎn)

1.采用混合式學(xué)習(xí)環(huán)境解決人工智能學(xué)習(xí)趣味性問題

采用線上教育和線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性。

2.重組教材，整合設(shè)計(jì)大單元專題，提升知識(shí)的連貫性

本單元圍繞“智能交互益拓展”開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)及課堂活動(dòng)。在“人工智能觀”這一核心概念下，筆者將本單元拆解為三個(gè)部分，包含三個(gè)子主題意義，共六個(gè)課時(shí)。第一部分是理解基礎(chǔ)意義，學(xué)會(huì)感知社會(huì)發(fā)展中人工智能的積極作用，通過眾多案例理解人工智能扮演的角色。第二部分是挖掘主題的深層含義，學(xué)生通過生活場(chǎng)景思考解決問題所應(yīng)運(yùn)用的智能設(shè)備，通過理論知識(shí)設(shè)計(jì)構(gòu)思應(yīng)該如何解決，形成解決方案后動(dòng)手實(shí)踐，形成成果報(bào)告后匯報(bào)展示。第三部分是賦予主題自我的認(rèn)知，在完成前兩部分學(xué)習(xí)后，學(xué)生已深刻認(rèn)知知識(shí)本身，本部分的作用就是內(nèi)化知識(shí)、外化使用，提升思辨能力。

3.以問題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)豐富教學(xué)活動(dòng)，提升學(xué)生信息素養(yǎng)

創(chuàng)設(shè)問題情境，增強(qiáng)信息意識(shí)。本課通過分析問題，思考解決問題的途徑，用編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)功能，創(chuàng)設(shè)問題情境，既能從多個(gè)方面加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，又能有效地增強(qiáng)思維的廣闊性和深刻性，可謂一舉多得。

注重邏輯分析，培養(yǎng)計(jì)算思維。本課在實(shí)戰(zhàn)操作中以問題為導(dǎo)向，指導(dǎo)學(xué)生編譯人臉檢測(cè)的代碼，拋出如何進(jìn)行代碼準(zhǔn)確度的測(cè)試的問題，小組討論激發(fā)思考，收集圖片測(cè)試中出現(xiàn)的問題，過渡到下一層次—如何進(jìn)行問題的解決，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，在實(shí)踐中自我提問自我回答，有效鍛煉學(xué)生的邏輯思維和運(yùn)算思維能力。

精選開放活動(dòng)，提升創(chuàng)新能力。本課在實(shí)戰(zhàn)操作中，鼓勵(lì)學(xué)生自發(fā)思考；學(xué)生在教師引導(dǎo)合理創(chuàng)新的鼓勵(lì)下，針對(duì)不同的問題，敞開思路，解決問題，推動(dòng)創(chuàng)新思維與能力的提升。

實(shí)施多元評(píng)價(jià)，促進(jìn)反思能力。本課在成果展示環(huán)節(jié)，先運(yùn)用極域進(jìn)行學(xué)生作品展示，請(qǐng)學(xué)生分享自己的問題和成果；再展開討論，解決問題，學(xué)生的思維又一次得到了升華，思維的深度和廣度得到了開拓。

● 教材分析

本節(jié)課選自粵教版信息技術(shù)教材必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第六章人工智能章節(jié)，了解人工智能的原理和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)人工智能的后續(xù)學(xué)習(xí)具有重要的作用，是培養(yǎng)學(xué)生信息意識(shí)和信息社會(huì)責(zé)任的重要課程。

● 學(xué)情分析

本節(jié)課的授課對(duì)象是高中一年級(jí)的學(xué)生，剛進(jìn)入中學(xué)的他們渴求在新的環(huán)境中得到新的知識(shí)，對(duì)各學(xué)科抱有新奇感，尤其是編程這一新興又有挑戰(zhàn)的學(xué)科，相對(duì)其他學(xué)科具有一定的特殊性。在實(shí)施教學(xué)前，學(xué)生熟悉了輸入輸出、第三方庫(kù)等Python基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，理解了人臉檢測(cè)的過程，能夠使用OpenCV模塊編程實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：知道OpenCV模塊的含義，了解替換圖片并進(jìn)行標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)過程。能使用OpenCV模塊編程實(shí)現(xiàn)替換檢測(cè)的圖像并進(jìn)行人臉標(biāo)注。

過程與方法目標(biāo)：通過回顧計(jì)算機(jī)找到人臉的過程，對(duì)應(yīng)程序找出讀取圖像代碼，替換圖像路徑即可替換檢測(cè)圖像。通過教師講解新知，實(shí)操修改線框的顏色和粗細(xì)。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：體驗(yàn)利用人工智能技術(shù)解決問題帶來的樂趣，形成正確對(duì)待人工智能技術(shù)的意識(shí)。

● 教學(xué)環(huán)境與準(zhǔn)備

人工智能系列課程采用混合式學(xué)習(xí)的教學(xué)方式。本課分為理論講授和項(xiàng)目實(shí)踐兩部分，理論講授環(huán)節(jié)的授課地點(diǎn)在高清錄播教室，項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)的授課地點(diǎn)在計(jì)算機(jī)機(jī)房。機(jī)房計(jì)算機(jī)搭建了人工智能系列課程的專用平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)代碼的編譯、結(jié)果的呈現(xiàn)。

混合式學(xué)習(xí)環(huán)境是基于混合式學(xué)習(xí)開展信息學(xué)人工智能模塊活動(dòng)的基礎(chǔ)和保障，本系列課程中混合式學(xué)習(xí)環(huán)境包括網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源、互動(dòng)交流軟件、面授學(xué)習(xí)環(huán)境等。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源主要包括講義、任務(wù)單、在線題目等，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)應(yīng)注意：其一，資源的多態(tài)性，即可設(shè)計(jì)文字、視頻、圖片等多種類型的資源以適用不同學(xué)習(xí)特性的學(xué)習(xí)者使用；其二，資源的交互性，提倡學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)要關(guān)注資源與學(xué)習(xí)者之間的交互；其三，資源的探索性，在學(xué)習(xí)資源中切不可直接呈現(xiàn)答案，要引導(dǎo)學(xué)生在探索的過程中開展學(xué)習(xí)，以發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)為佳；其四，資源的明確性，資源使用的時(shí)機(jī)與方式要明確地告知學(xué)生，利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

互動(dòng)交流軟件在混合式學(xué)習(xí)過程中主要發(fā)揮互動(dòng)交流、展示表達(dá)等功能，師生之間可利用QQ、騰訊會(huì)議等軟件進(jìn)行溝通，也可通過博客等平臺(tái)發(fā)表展示自己的作品，還可通在線社區(qū)等平臺(tái)與異地的學(xué)習(xí)者進(jìn)行交流。

面授學(xué)習(xí)環(huán)境是指在線下學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生與教師面對(duì)面開展的學(xué)習(xí)活動(dòng)。在此環(huán)境下開展的教學(xué)活動(dòng)應(yīng)充分發(fā)揮面授教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)疑惑問題的解答、對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的分析、對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情感的解讀。

● 教學(xué)過程

1.優(yōu)美詩(shī)文，情境導(dǎo)入

師：大家一起看屏幕，有誰知道“人面不知何處去”的下一句是什么？

生：桃花依舊笑春風(fēng)。

師：大千世界有千百萬張面孔，請(qǐng)觀察課件里的三張圖片，你們是否都能通過觀察圖片，快速說出其中人臉的數(shù)量。

學(xué)生觀察圖片，教師預(yù)估，學(xué)生可以快速說出單個(gè)及少數(shù)人臉圖片中的人臉數(shù)量，而百人合照的圖片學(xué)生無法迅速說出數(shù)量。

設(shè)計(jì)意圖：導(dǎo)入部分采取了快問快答的游戲，讓學(xué)生在視覺沖擊和頭腦風(fēng)暴下思考機(jī)器進(jìn)行人臉檢測(cè)的意義及優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生類比人眼檢測(cè)人臉的過程，討論探究計(jì)算機(jī)檢測(cè)人臉的過程。

2.探究活動(dòng)，認(rèn)知原理

活動(dòng)一：思考人工智能人臉檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

師：基于剛剛的活動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們思考一下，計(jì)算機(jī)識(shí)別人臉圖片的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

學(xué)生討論計(jì)算機(jī)識(shí)別人臉圖片的優(yōu)勢(shì)。

生：計(jì)算機(jī)更擅長(zhǎng)于識(shí)別人臉數(shù)量眾多的圖片，識(shí)別速度快，準(zhǔn)確率高等。

活動(dòng)二：總結(jié)人眼看到人臉的過程

師：了解了計(jì)算機(jī)識(shí)別人臉的優(yōu)勢(shì)，我們接著思考一下類比于人眼識(shí)別人臉的圖片。計(jì)算機(jī)識(shí)別人臉圖片的過程是什么呢？請(qǐng)同學(xué)們依據(jù)課件里總結(jié)的人眼識(shí)別人臉的圖片的過程—看到圖像→判斷圖像中是否有人臉→知道有多少人臉、分別在哪里，思考問題：對(duì)于機(jī)器來說，它是怎么找到人臉，實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)的？

學(xué)生類比人眼識(shí)別的計(jì)算機(jī)識(shí)別過程。

生：讀取圖片→定位人臉→框選人臉。

活動(dòng)三：體驗(yàn)人臉檢測(cè)程序

體驗(yàn)人臉檢測(cè)程序，找到人臉并將人臉進(jìn)行框選。

（1）體驗(yàn)人臉檢測(cè)程序，找到人臉并將人臉框出來。

在教師下發(fā)學(xué)習(xí)資源包，給予部分程序代碼示意后，學(xué)生根據(jù)自身Python基礎(chǔ)，進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐操作。

（2）在代碼運(yùn)行完成后，教師請(qǐng)學(xué)生判斷，在計(jì)算機(jī)找到人臉的過程中，每個(gè)步驟都對(duì)應(yīng)一個(gè)程序模塊。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用問答法引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)思考，下發(fā)資源文件給予學(xué)生類比的模板，激發(fā)學(xué)生探究意識(shí)。教師協(xié)助學(xué)生完成代碼的編譯，通過引導(dǎo)學(xué)生分析計(jì)算機(jī)檢測(cè)人臉的每個(gè)步驟所對(duì)應(yīng)的程序模塊，加深學(xué)生對(duì)代碼的理解和原理的認(rèn)知。

3.做中學(xué)練，驗(yàn)證時(shí)效

活動(dòng)四：替換檢測(cè)圖片，體驗(yàn)程序的準(zhǔn)確度變化

師：在編譯完人臉檢測(cè)程序后，為確保程序的合理準(zhǔn)確，我們應(yīng)如何進(jìn)行程序準(zhǔn)確度的檢測(cè)？

生：可以替換多張圖片，觀察是否都能準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別。

師：對(duì)比人臉檢測(cè)程序，說一說每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的程序模塊，更換圖片需要調(diào)整哪部分的程序？

生：想要替換檢測(cè)圖片，更換圖片路徑即可。

教師演示更換圖片路徑的操作，講解OpenCV庫(kù)中讀取圖像的函數(shù)：imread(圖像路徑)。

學(xué)生上機(jī)操作，替換檢測(cè)圖片，體驗(yàn)程序的準(zhǔn)確度變化。

活動(dòng)五：修改線框的顏色和粗細(xì)，體驗(yàn)程序框選結(jié)果的變化

師：在你們的操作中出現(xiàn)人臉面部被遮擋，或標(biāo)注位置不清晰的情況，應(yīng)當(dāng)如何解決？

學(xué)生小組探討，給出答案：修改線框的顏色和粗細(xì)。

師：閱讀程序，說說看哪行代碼可以設(shè)置線框的顏色和粗細(xì)？

學(xué)生找出對(duì)應(yīng)的程序模塊，預(yù)估他們知道模塊位置，但是不了解模塊具體含義。

師：（講解繪制線框這行代碼里參數(shù)所代表的意思）請(qǐng)你們思考，為什么（0，255，0）表示綠色？請(qǐng)查閱學(xué)習(xí)資源包思考回答。

學(xué)生學(xué)習(xí)RGB色彩模式。上機(jī)操作，修改線框的顏色和粗細(xì)，體驗(yàn)程序結(jié)果的變化。

設(shè)計(jì)意圖：以問題為導(dǎo)向，指導(dǎo)學(xué)生編譯人臉檢測(cè)的代碼，拋出如何進(jìn)行代碼準(zhǔn)確度的測(cè)試的問題，通過小組討論激發(fā)思考，收集圖片測(cè)試中出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，在實(shí)踐中自我提問自我回答。

4.分享總結(jié)，課后迭代

師：請(qǐng)整理學(xué)習(xí)任務(wù)單上你們記錄的問題和探索的解決措施，分組進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)。

學(xué)生描述在替換檢測(cè)圖片和修改線框的顏色和粗細(xì)中遇到的問題。

師：在大家匯報(bào)的問題中，其中一部分通過今天的學(xué)習(xí)你們已經(jīng)找到了解決的辦法。那其他諸如在操作中出現(xiàn)了模糊人臉被識(shí)別、漫畫人臉未識(shí)別、多個(gè)人臉漏識(shí)別的情況，又應(yīng)當(dāng)如何解決？

生：應(yīng)該精化算法，提高程序的準(zhǔn)確度（小組探討）。

師：目前，我們學(xué)習(xí)的算法比較簡(jiǎn)單，所以無法全部解決當(dāng)下同學(xué)們發(fā)現(xiàn)的問題，從大家的總結(jié)中也能看出，目前人工智能技術(shù)在人臉檢測(cè)上還存在諸多問題，請(qǐng)大家思考總結(jié)一下，人工智能技術(shù)在人臉檢測(cè)上的優(yōu)劣勢(shì)分別是什么？作為學(xué)生，我們能為人工智能技術(shù)發(fā)展、為社會(huì)生活更加便捷高效做些什么？將思考結(jié)果記錄在任務(wù)學(xué)習(xí)單上。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生在問題中進(jìn)行反思和總結(jié)，在實(shí)踐中自我提升，在智能系統(tǒng)的體驗(yàn)中感受人工智能的巨大價(jià)值，使其能客觀認(rèn)識(shí)人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)的影響。

● 教學(xué)反思

1.重組教材，激發(fā)興趣

學(xué)生正處于學(xué)習(xí)Python的初級(jí)階段，對(duì)知識(shí)的趣味性比較敏感。在教授該階段的學(xué)生時(shí)，更應(yīng)該注意教材的梯度問題，合理進(jìn)行順序的調(diào)動(dòng)和整合。

2.針對(duì)學(xué)情，化繁為簡(jiǎn)

在人臉檢測(cè)程序?qū)W習(xí)初期，大段代碼帶來的知識(shí)難度可能過大，應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生學(xué)情，進(jìn)行程序拆解，分模塊和步驟進(jìn)行順序講解，最后合成整段代碼，這樣既能避免學(xué)生一開始受大量知識(shí)沖擊而產(chǎn)生無力感，也能讓學(xué)生在一步一步的學(xué)習(xí)中體驗(yàn)知識(shí)的積累。

3.把控時(shí)間，合理安排

在時(shí)間的安排上，最后對(duì)學(xué)案上的課后鞏固沒有與學(xué)生一起進(jìn)行學(xué)習(xí)、交流，只能留為作業(yè)，下節(jié)課進(jìn)行講解討論。對(duì)于這樣的安排后面需要進(jìn)行改進(jìn)，盡量讓學(xué)生能當(dāng)堂完成學(xué)案。