《“圖書自推送系統”之圖像識別技術》教學案例

鄭潔 浙江省樂清市樂成第一中學

全志敏 浙江省樂清市教育研究培訓院

●教學內容分析

《圖像識別技術》選自浙教版信息技術八年級下冊“第三單元人工智能基礎”。本單元以人工智能模擬人類器官的功能為主線，重點介紹感知智能，圍繞“聽說讀寫”四個方面展開人工智能的學習。筆者將本單元的學習內容改編為項目制作“圖書自推送系統”。項目驅動問題為：新冠疫情期間，為減少在公眾場所的停留時間，請結合人工智能技術，設計一個“圖書自推送系統”，讓每個進入圖書館的讀者，馬上收到一份推薦的書單，并鎖定圖書的位置。項目流程如圖1所示，核心概念和內容如圖2所示。本課是實現項目流程中“實施方案1 根據借閱記錄推薦同類別書籍”中的子任務“人臉識別讀者身份”，核心概念是圖像識別技術。

圖1 “圖書自推送系統”項目流程

圖2 項目核心概念和內容

項目共分為6課時，分別是入項課、圖像識別、推薦算法、語音播報、語音查詢、展示分享。每課時的內容安排如下頁表所示。本課為第2課時，主要實現通過人臉搜索識別讀者身份，旨在讓學生理解圖像識別過程，感知圖像識別技術提取和比對的數字化特征，并為單元目標理解模式識別奠定基礎。

●學習對象分析

本課的學習對象是八年級的學生。通過問卷調查可知，39%的學生在小學接觸過人工智能課程；七下學過圖像數字化，八上學習了一學期的Python編程，能熟練使用圖形化編程軟件。八年級的學生，觀察細節的感受力、辨別事物差異的準確率、抽象邏輯思維能力均在迅速發展。本課處于項目式學習初期，學生尚不具備長時間橫向對話的能力，問題拆解、小組合作需在教師的牽引下推進。

●教學目標

①通過過程遷移、獲取支持材料自主學習和合作探究，歸納出圖像識別的過程。②通過實驗觀察、分析數據中所承載的信息、問題歸因，感知圖像識別技術提取和比對的數字化特征。③在問題拆解、編程實現人臉識別、思考優化策略的過程中，能自主動手解決問題，逐步形成樂于探究前沿技術及依據法律法規保護個人隱私的意識。

●教學重難點

重點：理解圖像識別的過程。對策：通過在“人類識圖模式”基礎上的遷移調整、學生的自主探究、對環節的轉述和澄清、編程驗證來達成。

難點：感知圖像識別技術提取和比對的數字化特征。對策：通過關鍵問題“啟思”、動手實驗“踐行”、觀察記錄“剖析”、師生“提煉”增智四階學科實踐達成。

●教學準備

①完成項目入項：上一節入項課，通過明確目標、目標拆解、概念設計，最后生成了“根據借閱記錄推薦同類別書籍、直接查詢書目”兩個解決方案。

②搭建探究、編程平臺：學生端安裝Python、Mind+編程環境；Python安裝模塊baidu_aip、numpy、opencv、matplotlib、skimage。

③設計學生支持材料：在線課堂、小組協作單、人臉識別半成品.sb3（Mind+編程）、“圖像識別過程-分步驟展示程序.py”（驗證識別過程）、顯示人臉72個特征點并識別.py（探究特征提取）。

●教學策略

采用項目教學法、實驗教學法。項目線：實施方案的精細化設計，生成本課核心任務“人臉識別讀者身份”；編程測試，實施項目，生成體驗；系統改進，形成迭代方案。知識線：通過人類識圖心智模式的遷移，學生自主探究，形成人工智能圖像識別過程；感知數字化特征，理解圖像識別過程。5個環節，設計5個關鍵問題以及問題鏈（如圖3），將概念的探究學習內嵌于核心任務生成、實施、迭代過程中，幫助學生形成系統性思維、批判性思維。

圖3 項目環節、關鍵問題、問題鏈

●教學過程

1.方案1精細化設計，生成本課核心任務

回顧項目驅動問題及實施方案。關鍵問題：“根據借閱記錄推薦同類別書籍”如何分步實施？問題鏈：①實施方案1需要解決哪些問題？②生活中有哪些方法可以識別人的身份？③新冠疫情期間哪一種方法更具有優勢？頭腦風暴生成本課核心任務“人臉識別讀者身份”。推薦算法留待下節課實施。

設計意圖：精細化設計生成本課核心任務。通過對刷卡、人臉識別等識別方式的分析，對比計算機傳統方法和人工智能方法處理同類問題的效果。

2.探究圖像識別過程

（1）激活經驗，提取人類識圖過程

學生體驗互動游戲“猜猜我是誰”：學生“摘掉眼鏡、天黑閉眼”，讓一位學生上臺戴上3D打印的個性眼鏡，再讓其他學生“天亮睜眼”，猜這位同學是誰。關鍵問題：人類識圖的過程是怎樣的？問題鏈：①人如何接收圖像信息？（看見）②為什么需戴眼鏡觀察？（看清）③你是根據什么識別出這位同學的？（觀察五官特征）④為什么本班同學能識別，其他學段同學無法識別？（記憶庫-比對特征）

項目課時內容安排

設計意圖：激活“人識別人臉的經驗”，提取以此經驗為基礎的心智模型，為新知遷移做好準備。

（2）過程遷移，構建圖像識別過程

關鍵問題：人工智能圖像識別過程是怎樣的？活動1：小組填寫圖像識別過程，描述各環節的功能作用。學生閱讀在線課堂支持材料，進行合作學習、組間互評。在活動反饋中，兩個小組上臺用板貼展示不同的識別順序，說明觀點進行辯論。針對識別過程的認知偏差，教師開發了“分步展示過程”Python程序，引導學生觀察“識別程序”對曝光不足的照片階段性處理的結果，驗證識別過程如圖4所示。最后，學生體驗用識花APP識別人，辨析分類的必要性，也體會人工智能的能力邊界。

圖4 圖像識別過程分步驟展示.py

設計意圖：通過在“人類識圖模式”基礎上的遷移調整、學生的自主探究、對環節的轉述和澄清、構建“圖像識別過程”，落實本課重點。

3.實施項目，編程測試

活動2：編程實現人臉識別讀者身份——輸入百度人臉識別賬號；人臉注冊、人臉識別；錄入（名字拼音）、識別自己人臉，識別雙胞胎。拓展任務：顯示人臉特征線條，輸出左眼眉、右眼眉的X、Y坐標。在活動反饋中，學生先嘗試用人眼分辨雙胞胎，并進行投票，再展示用程序識別的結果。

設計意圖：實現人臉比對，感知人臉庫。通過對比人眼識別結果的不一致、程序識別結果的唯一，感受人工智能在相似人臉分辨上擴展了人類智能。

4.感知數字化特征

活動3中：圍繞關鍵問題“人臉識別是依據什么識別雙胞胎的”，學生先運行“顯示人臉72個特征點并識別Python程序”生成并觀察特征點坐標及兩點間距，再閱讀在線課堂支持材料，由淺入深地分析：哪個是小明特征臉；你是根據什么識別的；特征點坐標對區分雙胞胎有什么幫助。

在活動反饋中，學生展示問題探究結果。師生共同提煉：特征線表征形狀特征，是模仿了人類識圖的規則；圖像識別技術能提取特征點坐標，可計算精確距離、角度、弧度，形成數字化特征，從而精準識別雙胞胎，擴展人類智能。教師引導學生進一步深挖：不同的人臉識別算法，往往提取的特征點數不同（18個、72個、200多個特征點）。討論：哪一種準確率更高？我們編寫的人臉識別程序使用了多少個特征點？（72個）為什么不使用200多個點？學生結合“編程實現人臉識別”拓展任務中的“特征線條顯示滯后”現象，討論得出點數越多對算力的要求也越高。最后指出，企業圖像模型庫中不能保留人臉照片底庫，存儲的是數字化特征。

設計意圖：學生經歷關鍵問題“啟思”、動手實驗“踐行”、觀察“剖析”記錄、師生提煉“增智”四階學科實踐。通過分析數據中所承載的信息，判斷數據指向的目的性，突破“感知數字化特征”的教學難點。通過對圖像模型庫中只能存儲數字化特征的澄清，形成依據法律法規保護個人隱私的意識。

5.系統改進及圖像識別技術應用討論

著重從算法（設置唯一ID，避免注冊使用名字拼音重名）、人工智能安全挑戰方面（使用活體檢測防止人臉被盜刷），反思優化解決問題的方案，留待下節課實施。討論圖像識別技術在生活中其他領域的應用。

●教學反思

本課圍繞焦點概念（特征）提出關鍵問題，通過實驗操作、觀察分析記錄單、提煉深挖，開發以問題為牽引、以身體參與和親身經歷為過程、以理解為導向、以理解深度為表征的“啟思、踐行、剖析、增智”四段式信息科技實驗。整個實驗遵循從體驗觀察到探索原理再到抽象形成概念的螺旋上升的深度學習路徑。

點 評

《圖像識別技術》一課選自浙教版信息技術八年級下冊第三單元“人工智能基礎”。整個單元以人工智能模擬人類器官的功能為主線，重點介紹感知智能，圍繞“聽說讀寫”四個方面展開人工智能的學習。執教教師將本單元的學習內容改編為項目——制作“圖書自推送系統”，試圖以項目為明線，以學科本質問題為暗線，探討初中段開展人工智能教育的一般范式。縱觀本課，有以下幾個特點：

1.準確定位教學目標，以體驗引發學生知識遷移。初中段的人工智能教育不應再局限于對人工智能技術的感知，更要透過現象看人工智能技術背后的實現過程、原理及進行簡單的自動化實現。基于這樣的定位，把“歸納圖像識別過程、感知其識別中的數字化特征、編程實現人臉識別”作為本節的知識目標。鑒于從具象到抽象的學習過程，對初中學生有一定的難度，教師創設了互動游戲“猜猜我是誰”，學生在體驗“人識別人臉的過程”中，提取“圖像識別”的心智模型，實現了從“人的圖像識別”到“人工智能圖像識別”的知識遷移。

2.制造識別沖突，引導學生在比對中內化教學難點。為了讓學生感知圖像識別中的數字化特征，教師故意制造了一個識別沖突——識別雙胞胎。通過人眼識別的模糊性與人工智能識別的準確性對比，引發學生探究人工智能圖像識別的原理。再通過運行程序，觀察記錄人臉的數字化特征，學生在猜測、實驗、觀察、提煉中完成了對本節難點——“感知圖像識別技術數字化特征”的內化。

3.創新教學方式，實現學科育人價值。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導真實性學習。本課以解決“新冠疫情期間，減少在公眾場所（圖書館）的停留時間”為真實驅動問題，進行項目化學習。學生在制作“圖書自推送系統”項目過程中，經歷運用計算思維從大到小進行項目分解，逐步細化，實現原理運用、編程實現的過程，并通過這個過程完成學科知識建構，提升問題解決能力，發展“分析、評價、創造”等高階思維。

本課探索了初中段人工智能教學的模式，努力打破人工智能應用“黑箱”。通過遷移心智模式，助力過程建構；實施積木編程，明確識別過程；實驗觀察、問題探究，開發信息科學實驗，指向概念的深度理解。通過項目線、知識線雙線并行，理念上以概念建構與高階思維養成為價值取向，過程中采用項目實施做中學、實驗觀察思中學、小組合作互評學，開展科學實踐，發展數字素養和跨學科素養，實現學科育人價值。