人脸识别技术的教学探索

教学背景

本案例属于人工智能模块的内容，学生通过前面的课程初步学习了机器视觉的定义，体验了机器视觉在生活中的应用，研究并理解了机器视觉的原理，为此案例的学习奠定了理论与实践基础。

本案例重点探究机器视觉中的典型技术：人脸识别技术。从识别技术、理解技术再到运用技术设计制作一个基于人脸识别技术的人工智能作品去解决生活中的问题，学生思维与能力节节攀升。案例设置四个活动：体验识AI应用、实验探AI原理、巧思创AI作品、明理辨AI技术，让学生了解概念、掌握原理、分析应用、创新设计，达到创造性地使用AI技术、辩证地看待人工智能技术的目标。

课例特色

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中提到，信息科技课程理念包括“遴选科学原理与实践应用并重的课程内容”“倡导真实性学习”。

1.科与技并重

如何在人工智能模块落地“遴选科学原理与实践应用并重的课程内容”这一要求？这需要课程设计将学习人工智能技术的科学原理和应用人工智能技术解决问题的实践活动放在同等重要位置，原理学习与技术学习相結合，共同为学科育人服务。

本案例既包含人脸识别的科学原理探究，也有人脸识别的技术实践应用，能够较好地体现“科学原理”与“实践应用”并重的课程理念。如在讲授人脸识别技术时，通过实验探究等方式让学生理解人脸识别技术的科学原理，体验“科”的魅力；再通过编程创作等方式让学生运用人脸识别技术解决生活中的问题，体验“技”的价值。

2.真实性学习

信息科技课程理念倡导真实性学习，创新教学方式，以真实问题或项目驱动构建知识，提升问题解决能力。鼓励学生“做中学”“用中学”“创中学”。为落地“真实性学习”理念，课堂可以创设真实环境，巧设实践活动，达成课堂目标。如在体验中理解概念、探究中掌握原理、运用中尝试创新、辨析中学会真理。教师可以让学生通过人脸识别技术打开教室门，通过人脸识别技术虚拟实验探究人脸识别技术的原理，设计并制作人脸识别作品，从而培养学生创新能力，使其感受创造的乐趣。

教学目标

知识与技能 掌握人脸识别的定义，理解人脸识别的原理，了解人脸识别技术在生活中的应用。

过程与方法 通过探究实验总结归纳人脸识别的技术原理，基于人脸识别技术制作人工智能作品。

情感态度与价值观 辨析人脸识别技术带来的利与弊，树立合理使用人工智能技术的意识，培养运用人工智能技术造福社会的责任感。

教学重点与难点

教学重点 人脸识别技术的原理；人脸识别应用的设计与制作。

教学难点 分析影响人脸识别准确度的因素；探讨人脸识别技术的边界，树立信息技术安全意识。

教学设计

一、体验识AI应用

教师在课堂上展示机器人小飞的新技能，即启动小飞，小飞通过摄像头认出教师并向教师问好：“包老师，您好！”

师：小飞是如何认出教师的？

学生观察小飞的行为，分析出小飞通过摄像头观察教师的面部特征，进而基于教师的面部特征认出教师。学生在观察分析中理解人脸识别的概念。

师：校园里、生活中还有哪些场景使用了人脸识别技术？它还有什么其他价值？

学生进一步基于概念理解探讨校园里、生活中人脸识别技术的应用和价值，并分享自己所了解的人脸识别的应用。如图书馆刷脸借书、食堂刷脸吃饭……人脸识别技术让生活更高效、便捷。

设计意图：学生通过观察和分析小飞的新技能理解人脸识别的概念，并总结生活中的人脸识别技术的应用场景和应用价值。

二、实验探AI原理

教师演示中央电化教育馆人工智能实验平台中的人脸识别模块，介绍实验目标、实验步骤、实验注意事项等。

学生使用小组账号登录人工智能实验平台，选择“人脸识别”实验；根据实验过程填写学习单；重点研究阈值对人脸匹配的影响。小组汇报研究过程及结论。人脸识别实验主要步骤如下。

第一步：采集图像。通过平板摄像头分别采集三张人脸照片，形成小型的人脸库，如图1。

第二步：人脸检测。系统自动扫描照片，找到照片中的人脸，并通过人脸分类器判断是否为人脸，如图2。

第三步：特征检测。根据输入的人脸图像，自动定位出面部关键特征点，如眼睛、鼻尖、嘴角、眉以及人脸各部分轮廓点等。人脸一共有128个特征点，以此形成128维特征向量，如图3。

第四步：人脸匹配。重拍一张人脸照片，与人脸库中的照片进行匹配，如图4。输入相似度阈值（0.1～0.9），默认值为0.4，阈值越大越严格。学生们在实验中体验阈值对匹配结果的影响。

设计意图：学生通过探究实验学习人脸识别的原理，理解相对枯燥的知识，在实验中理解阈值对人脸匹配结果的影响，学会选择适当的阈值。

三、巧思创AI作品

学生讨论人脸识别技术在各个场景中的应用，如银行、医院、饭店、酒店、商场、交通、学校、景点等。

教师指导学生思考人脸识别技术的特点，该技术在哪些场景中具有优势？生活中是否有应用价值。学生进行小组讨论，进一步理解人脸识别技术，并设计人脸识别智能程序，创新地解决生活中的问题。最后，教师展示编程平台中人脸识别技术相关的功能模块，介绍各功能模块的作用。学生设计作品，编程并调试，最后在课堂上分享作品，如图5。

设计意图：学生在运用技术的过程中提高创新能力。教师在过程中加强方法指导，引导学生围绕生活中的问题设计作品，并通过分析范例拓展设计人工智能作品功能的方法。

四、明理辨AI技术

教师带领学生观看视频《厉害了，我的国》，了解我国在人脸识别技术上的领先地位，感受人脸识别技术的魅力。学生观看视频《监控摄像头带来的安全隐患》，思考人脸识别技术的边界是什么？分析人脸识别的价值及可能带来的社会问题，学会辩证地看待AI技术，同时激发深入学习AI的兴趣。

设计意图：学生分析生活中的案例，了解人脸识别的价值及可能带来的社会问题，辨析人脸识别技术的边界，探讨人脸识别技术的伦理与安全挑战。该环节重在提升学生的信息社会责任。

实践反思

教师通过四个活动让学生从感知体验到理解掌握、从应用创新到感悟内化，逐步提高学生信息素养，框架如图6所示。

本案例的四个活动对应着不同的认知要求，对标核心素养目标。“体验识AI应用”环节，学生通过识别、列举人脸识别功能的应用，分析其在各种场景下的价值，提高人工智能的鉴赏力以及识别人工智能技术的信息意识。“实验探AI原理”环节，教师通过原理剖析及虚拟实验带领学生分析人脸识别的算法原理，提高学生的计算思维。“巧思创AI作品”环节，学生运用人脸识别技术解决生活中的问题，提高数字化学习与创新能力。“明理辨AI技术”环节，学生分析人脸识别技术可能带来的危害以及规避危害的方法，培养信息安全意识与能力，遵守信息社会的道德与伦理准则，对信息技术创新所产生的新观念和新事物，既具有积极学习的态度，又有理性判断的能力。

包桂霞

江苏省南京市科利华中学信息科技教师，南京市优秀青年教师。从事人工智能大班教学，相关课例获评中央电化教育馆中小学人工智能教育特色课例。现兼任江苏省中小学人工智能教育专家库成员，中央电化教育馆中小学人工智能教育培训师，参编多本中小学人工智能教育书籍。