《虹膜識別》課程案例與反思

薛慧君+++吳麗影+++張森

【摘 要】隨著中小學教育機器人課程、興趣選修課程的開設，更多的科學技術知識逐漸向中小學生普及。生物特征識別作為人工智能的一部分，也在逐漸融入人們的生活，應用范圍也越來越廣。本文通過對《面向人工智能技術探索的創客培育》系列科普課程中的《虹膜獲取課程》案例進行分析，并對此次教學過程進行總結分析，以期不斷增長經驗，不斷改進教學。

【關鍵詞】虹膜識別；教學案例；教學反思

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2017）10-0072-03

隨著指紋識別、人臉識別等安全技術逐漸深入人們的生活，生物特征識別技術在現實中越來越受到廣泛關注。為了幫助中小學生更好地了解科技前沿，把握科技發展方向，中國科學院自動化研究所人工智能與機器人教育聯合實驗室與北京師范大學附屬實驗中學共同開設了《福爾摩斯科學探案》系列校本選修課程。該課程以生動有趣的探案故事為線索，為中學生介紹了生物特征識別、數字圖像處理等人工智能前沿科學技術。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用計算機模仿人腦所從事的推理、學習、思考、問題求解以及規劃等思維活動，來解決需要人類專家才能處理的復雜問題，例如診斷、規劃、預測等決策性問題[1]。簡言之，它是一門研究運用計算機模擬和延伸人腦功能的綜合性學科。生物特征識別技術（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個重要發展方向，它主要是指通過可測量的身體或行為等生物特征進行身份認證的一種技術[2]。

生物特征識別技術包括指紋識別、人臉識別、虹膜識別、語言識別、步態識別等多種技術，是信息科學、生物科學、模式識別科學等多門學科的交叉學科。其中，虹膜識別是生物識別的重要組成部分。

本文以《虹膜識別技術》課堂教學為例反思了人工智能前沿科學在中小學中開展教育教學活動的內容和方法。

課前分析及目標闡明

1. 教學內容分析

此次課程的教學內容主要來源是《福爾摩斯科學探案——終極追兇（生物特征識別技術概述）》。此課程以福爾摩斯調查罪犯故事為背景，介紹了生物特征識別的概念、歷史、種類及關鍵技術。虹膜識別技術作為生物特征識別的重要組成種類，在整個課程中占有重要位置。本次課程概述了虹膜識別的概念及具體流程。

虹膜識別是生物特征識別中的一個新興的熱門發展方向，虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環狀區域，在紅外光下可以看到豐富的紋理信息，如斑點、 條紋、 細絲、隱窩等細節特征[3]。

個體的虹膜結構獨一無二、不具有遺傳性，并且自童年以后，便基本不再變化，使得其非常適合生物識別。有統計表明，到目前為止，虹膜識別的錯誤率是各種生物特征識別中最低的。在包括指紋在內的所有生物特征識別技術中，虹膜識別是當前應用最為方便和精確的一種[4]。虹膜作為重要的身份鑒別特征，具有唯一性、穩定性、可采集性、非侵犯性等優點.非侵犯性（或非接觸式）的生物特征識別是身份鑒別研究與應用發展的必然趨勢[5]。

虹膜識別整體包括注冊和認證兩個部分。每個部分的過程大體相同，認證部分比注冊部分多了一個識別認證的過程。

綜合以上兩個部分，虹膜識別的具體過程主要由虹膜圖像采集、圖像預處理、特征提取、識別認證四部分組成。該系統的原理圖如圖1所示[6]。虹膜圖像采集是生物特征傳感器通過紅外光源獲取灰度虹膜圖像以便后續處理的過程。圖像預處理包括虹膜檢測、活體檢測、圖像質量評估、虹膜定位、虹膜歸一化、圖像增強等步驟，其中虹膜定位為其關鍵步驟，虹膜的定位主要利用瞳孔/虹膜/鞏膜存在較大的灰度跳變并且成圓形的邊緣分布結構特征[7]。虹膜特征提取方法目前沒有統一的標準，中科院自動化所生物識別與安全技術研究中心通過拓展原始的定序測量特征（Ordinal Measures）的內涵，提出了多極子濾波器的概念，建立了虹膜圖像特征表達的一般框架，證明了虹膜圖像區域之間的排序測度特征等價于虹膜物理表面不同位置反光率之間的大小順序關系，是獨立于光照、對比度等外界因素的虹膜圖像的本質特征[7]。識別認證是特征匹配的過程，圖像匹配算法在虹膜斑塊模式的相似性度量中得到成功應用[7]。

2. 學生特征分析

本課程的學習者是初中二年級的學生，根據皮亞杰的兒童智力發展階段觀點，他們當前的智力水平處于形式運算階段。處在這個階段的學生已經具備假設——演繹思維和系統思維的能力，能夠進行抽象思維，但是還需要借助一些具體形象的事物來支持學習。同時，他們已經具有一定的分析、概括能力、自學與合作學習能力。初中二年級的學生處于好奇心強烈的階段，對于未知事物有著強烈的求知欲，而且形象思維能力強，強烈的求知欲和好奇心會驅動他們想要探索虹膜識別中虹膜檢測的奧秘。

初二的學生在生物課上已經學習了眼球的結構以及視覺形成的相關知識，具有足夠的相關生物學知識儲備。并且在本次課程前學生們已經學習了生物特征識別概念、指紋識別技術等內容，也具有足夠的生物特征識別知識儲備。

3. 教學目標

教學目標是我們進行課程設計的出發點和歸宿，這里采用的是新課程標準所提倡使用的三維目標的表述，主要有：知識與技能；過程與方法；情感、態度與價值觀。

（1）知識與技能：掌握虹膜的概念；理解虹膜識別的具體流程。

（2）過程與方法：通過對虹膜識別的學習，深入認識其內在的知識技術，培養學生的科學素養以及創新意識。

（3）情感、態度與價值觀：通過對新技術新科學的學習，能夠有效聯系生活實際案例，實現知識與生活的有效融合，形成對科學的正確認識。

教學過程

1. 創設情境

本課程以福爾摩斯調查罪犯故事為背景，通過創設調查罪犯的任務情境，將知識的學習貫穿于整體任務情境中，借此激發學生的學習興趣，達到對知識進行意義建構的目的。endprint

設置問題討論，給出幾幅圖片，提問學生，你知道虹膜嗎？學生可以根據所學的生物學知識說出虹膜的位置，結構，功能以及特點。教師進一步引導，讓學生討論計算機如何識別虹膜。

2. 講授新知

（1）虹膜的概念與識別流程

小組討論，什么是虹膜？計算機是如何進行虹膜識別的？基于已有的知識基礎，學生可以大致概括出虹膜的概念及識別過程。教師進一步引導，進而引出基于統計的識別方法。

（2）虹膜識別的課程步驟

教師采用從總體到局部方式講授虹膜概念及識別過程。首先小組討論并通過圖例方式，如圖2所示，介紹虹膜概念，并組織小組觀察各自成員的虹膜；然后給出虹膜識別的具體流程，逐個步驟加以介紹并抽取若干技術，組織小組成員討論其具體實現，如圖3所示。最后總結虹膜概念及識別流程，引導學生大膽假設，創新提出新的虹膜識別技巧。

圖2 虹膜的概念

借助多媒體設備用動畫形式展現虹膜識別過程，對于超出當前學生認知水平的知識用簡單通俗的話語表達出來，并且用反復強調、不斷提問的方式加深學生的理解。

3. 課堂總結

本課程的知識內容對學生來說是比較抽象的，具有一定難度。通過虹膜的概念及識別流程，我們所要講授的是一種科學思考問題的方法而不是某一個關鍵技術。

教學反思

在此次虹膜識別的教學中，雖然知識點較為抽象，但都與生活息息相關。教師在教學過程中突出體現了以學生為中心的教學思想，采用了小組討論，教師講解的教學方法。小組活動時，教師從旁觀察指導學生討論方向的正確與否，對于出現的問題，能夠及時地給予指導與建議，幫助學生及時地解決問題，同時注重關注學生間的差異，符合當代教育教學理念的教學方式。

本節課力求將學習的知識與解決社會問題聯系起來。在教學過程中讓學生感受到知識的實用性，通過這節課學生知道了虹膜識別處理信息的過程和基本原理，感受到了人工智能科學在生活中的應用。還有助于學生未來的發展，可以激發學生學習人工智能的興趣，有可能有的學生大學時就會學習這個專業，為人工智能這個領域做出貢獻。

本節課作為校本選修課，時間長達一個小時，總的來說課堂中學生的注意力都較集中，學習積極性也很高，但在理論性較強的知識講授過程中學生會顯得不太專心。這個方面需要教師進一步思考改進，建議學生能有一些動手動筆的過程，這樣可以使上課的氣氛更好。

本次課程主要是講解虹膜概念及識別流程，讓學生了解當前新興技術背后的原理知識，激發學習興趣，促進學生創新意識的培養。即使本課程是作為選修課程進行的，但是在科學知識的普及方面還是有所收獲的。初步統計，70%多的學生能夠理解相關技術的基本思想，這也說明此次課程的教學是比較成功的。有助于培養學生積極探索、不斷創新的精神。實現了知識與實際生活的有效結合，對生活實踐具有一定的指導意義。當然，對于本課程不完善的地方，還有待改進，爭取使我們的課程體系不斷得到更新完善，不斷增長教學經驗，使得教學工作更上一層樓。endprint