原理線與技術線并行 教學初探人臉識別

王飛

教學內容分析

“初探人臉識別系統”是“校園人臉識別系統開發”的第一課時，其要解決的根本問題是站在宏觀的角度，找到設計人臉識別項目中的共性問題：原理與技術難點實現，進行集中突破與解決。從而保證學生在后面的課程中可以合理進行項目的分析與技術落實，切實地使人工智能相關知識與技術落地。

一個完整的人臉識別系統要求計算機能夠進行人臉定位、特征分析、匹配人臉等關鍵的三步，從而保證計算機對一張人臉圖像能夠看得到、看得懂、認得出。圍繞這一線索，本課從基本原理入手，最終完成身份識別。在初中階段，學生學習人工智能主要從技術體驗、原理理解、圖形化編程實踐幾個方面入手，依次進行學習理解;技術體驗層面，從計算機認識他們開始出發，去體驗人工智能技術的神奇，同時開源的代碼和匹配過程的可視化，讓他們感到神秘的人工智能技術背后的技術支持;原理部分相對枯燥，同時內容晦澀難懂。教學中嘗試使用人工智能服務平臺，并和編程解決思想過程相結合，規避復雜的特征模型提取、特征對比等數學問題;編程平臺采用基于Scratch 3.0的圖形化編程環境Scratch GUI提供的機器學習模型，利用積木模塊訓練人臉模型，并進行判定。

學情分析與教學目標

本課講授對象為北京師范大學附屬中學初二實驗班的學生，他們具有較強的邏輯思維和學習能力。通過一些輔助材料，如學案、微課或微視頻能夠很快掌握新知，并提出有建設性的觀點或完成個性化的作品。

在日常經驗中，他們具有人臉識別技術相關的產品或應用的使用和體驗經歷，如需要利用人臉識別技術解鎖手機，人臉簽到系統等。但是對技術的認知停留在使用層面，對執行的具體過程和背后蘊含的原理缺乏足夠的認識與理解。

在知識掌握層面，學生們已經初步掌握了Simba編程平臺的使用方法，能夠利用圖形化編程平臺編寫簡單程序。如能夠利用圖形化指令獲取人的部分臉部特征進行判定，以此作為基礎制作一些簡單應用。這些優勢可以有助于完成對于開源工具Scratch 3.0的遷移。但對于相對復雜的技術實現，如利用人臉識別技術識別人的身份信息，無論從原理認知還是編程實現上都存在著較大的困惑與障礙。因此將本節課的落腳點放在幫助學生突破原理難點，實現關鍵技術上，為后面的項目設計打下基礎。

由于是和學生第一次見面，學生的課上活動情況不明，可能會出現不踴躍回答問題、不集中精力上課的情況，因此需要教師在課堂上多加引導。

本節課旨在讓學生了解人臉識別技術在實際生活中的應用與價值，理解人臉識別系統的工作過程和基本原理，能夠使用開源編程工具模擬人臉識別系統的工作過程，理解開發人臉識別項目的關鍵問題和相應的解決手段。

教學策略與方法

依據《普通高中技術課程標準（實驗）》選擇性必修模塊要求：“利用開源人工智能應用框架，搭建簡單的人工智能應用模塊，并能根據實際需要配置適當的環境、參數及自然交互方式。”本項目重點關注人臉識別系統的設計，能夠使用Scratch3.0 GUI搭建模塊，同時能夠使用通訊模塊輔助Python代碼完成與人工智能服務平臺的通訊，完成相對復雜的交互過程。

依據《普通高中技術課程標準（實驗）》模塊1“數據與計算”要求，本課以圖形化開源工具為依托，能夠結合人臉識別項目實現基本的程序過程;能夠掌握系統運行過程中的數據傳遞過程，合理設計數據結構和運算方法;通過圖形化編程和開源代碼提供的接口完成數據處理。

教學方式采用講授法、討論法、探究法等。用到的資源和設備有問卷星、課件、自制程序（慧眼識人、屬性判定）、Scratch3.0 GUI、Python 3.6。

教學過程

游戲活動，引入新知。設計進行兩次人機互動。第一次，通過慧眼識人游戲，讓計算機識別出測試對象的身份，并叫出學生的姓名。第二次，增加難度，請測試學生戴上墨鏡或口罩，再次進行交互，判斷結果;并圍繞相關問題進行討論。

活動中提出問題和預設的回答有：（1）程序運用了哪些人工智能相關技術？（人臉識別，語音識別）（2）機器能夠識別我們身份運用的核心技術是什么？（人臉識別）（3）簡單分析機器是如何識別我們身份的？（人臉庫，人臉匹配，判定……）

計算機分析人臉識別身份，并做出響應是人臉識別技術發展的重要方向。對身份的判定過程是打造刷臉系統的關鍵環節。本環節設計意圖是激發學生興趣，從實際體驗到聯系生活，引入本節課主題。

過程分析，提出問題。本環節主要圍繞計算機識別人身份的過程，從程序運行過程的角度進行討論，繪制程序運行的流程圖。并通過流程圖分析哪些問題是我們可以解決的內容，哪些問題是目前無法解決的。

活動中提出問題和預設的回答有：（1）計算機識別人身份的步驟是什么？（圖像采集→特征對比→判定→不同語句）（2）哪些內容是我們可以通過編程實現的？（圖形采集、分支結構）（3）哪些問題我們目前無法實現？（特征對比）

為了完成解決特征對比識別身份的問題，我們首先要弄懂人臉識別的原理，再找到相應的編程方法。本環節設計意圖是從技術解決角度出發，以程序運行過程為線索，引出需要解決的核心問題。

講授計算機識別人臉的原理與方法。本環節涉及的活動是通過觀看視頻，了解人臉識別的整個過程;在此基礎上，通過討論計算機如何區分兩張人臉，理解人臉對比的過程;在此基礎上，討論如何在多行人臉庫中找到匹配的對象，從而理解人臉識別整個技術的應用過程。

人臉對比的過程是定位、檢測和對比技術實現的過程，而人臉匹配的過程是需要創建信息庫和匹配特征信息的。本環節設計意圖是利用視頻突破原理難點，利用案例分析人臉識別中的兩個關鍵問題。

人臉識別的技術原理體驗。本環節涉及的活動是給出一張授課教師照片，學生描述教師的面部特征，并將結果填寫在問卷星上，進行統計分析;將照片上傳至人工智能服務平臺，體會機器在識別面部屬性時的異同;利用程序體驗機器是如何得出相關結論的;分析人工智能服務平臺在編程中的作用。

活動中提出問題和預設的回答有：（1）如何將屬性進行分類（兩類，可以準確描述，主觀經驗判斷）（2）人們之間判定的差異來自什么？（認知、主觀經驗、情感等）（3）機器是如何得出結論的？（特征數據+算法+分類模型）（4）人機之間的判定差異主要來自哪里？（依靠數據，無主觀經驗和感情色彩）（5）人工智能服務平臺的作用？（支持作用）

本環節的設計意圖是利用問卷星的數據體驗人的主觀認知;觀察人工智能服務平臺，體驗機器識別人的技術操作;了解平臺對應用開發的支持作用，同時使學生理解我們的技術只是冰山一角。

編程實現身份識別。通過Scratch GUI的機器學習平臺實現人臉身份的識別。小組為一個單位，利用模型訓練的方法使計算機能夠區分小組成員，并完成結果的輸出。輸出結果可以通過多種方式，如語音、文字等。

活動過程中學生可能會遇到各種編程問題、創建人臉模型庫問題和如何生成判定結果等問題，這些問題也會在各小組的討論和全班學生的交流中得到解答。本環節的設計意圖是在分析原理的基礎上，了解作為應用端的用戶，在設計時的程序設計思想，體驗開源平臺在技術解決層面的方法。

本節課有原理線，從身份識別到特征對比，再到特征模型提取和模型信息匹配;也有技術線，從設計人臉庫到匹配人臉，再到返回結果應用。通過學習本節課的內容，學生對計算機識別人身份的整個過程與原理有了初步的了解。借助人工智能服務平臺與開源的圖形化工具，學生可以將生活中的場景進行復現。當然，程序還有許多不盡如人意的地方，還需要進一步討論與分析。

學習效果評價

評價方式。本節課中，教師以提問、體驗過程、任務完成等方式進行評價。評價以過程性評價為主，聚焦學生的思維發展過程。同時這是人臉識別項目的起始課，在整個項目完成后，會對學生的作品進行最終的評價。

對于學生回答問題，教師更多關注學生的思考過程，引導他們發現問題、分析問題和解決問題的能力，關注計算思維在求解實際問題中的培養。在任務后期，教師要對學生的作品和在整個活動中的表現進行全面客觀地評價。

評價量規。實際意義和創意，10分。實際意義維度占5分，對應的量規有：依托學校實際情景，具有應用價值（4分～5分）;模仿生活中的情景，有一定現實意義（1分～3分）。項目創意維度占5分，對應的量規有：項目設計具有創意，有實用性（4分～5分）;項目設計有一定拓展功能和推廣性（1分～3分）。

設計思路，20分。流程設計維度占10分，對應的量規有：流程圖清晰，技術線明確，過程清晰（8分～10分）;有流程描述和技術解決方案，內容需完善（4分～7分）;缺少流程設計，方案設計有待提高（0分～3分）。分工實施維度占10分，對應的量規有：小組成員有明確的分工，任務量合理（8分～10分）;小組成員有分工，內容和任務量還需優化（4分～7分）;小組成員分工任務不明確，任務量不合理（0分～3分）。

程序實現，40分。基本代碼維度占30分，對應的量規有：代碼結構清晰，功能完整實現（20分～30分）;基本功能完成，未完成部分有思考（15分～20分）;未完成基本功能的設計（5分～15分）。拓展應用維度占10分，對應的量規有：引入Python模塊或平臺參數解決問題（6分～10分）;使用了其他組件，并進行思考與嘗試（1分～5分）。

文本展示，10分。文本設計維度占5分，對應的量規有：文件界面簡潔美觀，結構清晰（4分～5分）;文本經過排版，在美觀和合理性上尚需提高（1分～3分）。課件展示維度占5分，對應的量規有：課件美觀要點突出（4分～5分）;課件和文字進行了布局，內容完整（1分～3分）。

成果表達，20分。文字表達維度占10分，對應的量規有：項目內容描述完整、嚴謹、思路清晰（6分～10分）;項目內容描述完整，語言文字還需推敲（2分～5分）;內容描述不清，內容缺少邏輯和完整性（0分～1分）。語言表達維度占10分，對應的量規有：表達完整，流程、思路清晰、有感染力（6分～10分）;內容完整，描述準確（2分～5分）;語言表達存在問題，思維邏輯相混亂（0分～1分）。

教學反思與分析

教學內容上，教師也嘗試對原理進一步挖掘。從技術實現角度對人臉識別的過程進行分析與討論。在授課過程中，嘗試最大化地降低教育裝備成本，并努力利用Python代碼實現原理的可視化。

本課教學中，因為內容難度相對較大，所以教師講解過多。此外，原理的呈現方式和平臺選用的方面還有待進一步提高，從原理的理解到程序實現的過程中還需搭建更加通暢的橋梁。

作者單位：北京教育科學研究院