《人面不知何處去—探尋人臉檢測奧秘》教學設計

王苑橋 四川省成都市教育科學研究院附屬中學

● 創新整合點

1.采用混合式學習環境解決人工智能學習趣味性問題

采用線上教育和線下課堂教學有機結合的混合式學習，強調以學生為中心，充分發揮學生作為學習主體的積極性、主動性、創造性。

2.重組教材，整合設計大單元專題，提升知識的連貫性

本單元圍繞“智能交互益拓展”開展項目學習及課堂活動。在“人工智能觀”這一核心概念下，筆者將本單元拆解為三個部分，包含三個子主題意義，共六個課時。第一部分是理解基礎意義，學會感知社會發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，學生通過生活場景思考解決問題所應運用的智能設備，通過理論知識設計構思應該如何解決，形成解決方案后動手實踐，形成成果報告后匯報展示。第三部分是賦予主題自我的認知，在完成前兩部分學習后，學生已深刻認知知識本身，本部分的作用就是內化知識、外化使用，提升思辨能力。

3.以問題為導向設計豐富教學活動，提升學生信息素養

創設問題情境，增強信息意識。本課通過分析問題，思考解決問題的途徑，用編程平臺實現人臉檢測功能，創設問題情境，既能從多個方面加深對相關知識的理解，又能有效地增強思維的廣闊性和深刻性，可謂一舉多得。

注重邏輯分析，培養計算思維。本課在實戰操作中以問題為導向，指導學生編譯人臉檢測的代碼，拋出如何進行代碼準確度的測試的問題，小組討論激發思考，收集圖片測試中出現的問題，過渡到下一層次—如何進行問題的解決，引導學生自主思考，在實踐中自我提問自我回答，有效鍛煉學生的邏輯思維和運算思維能力。

精選開放活動，提升創新能力。本課在實戰操作中，鼓勵學生自發思考；學生在教師引導合理創新的鼓勵下，針對不同的問題，敞開思路，解決問題，推動創新思維與能力的提升。

實施多元評價，促進反思能力。本課在成果展示環節，先運用極域進行學生作品展示，請學生分享自己的問題和成果；再展開討論，解決問題，學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

本節課選自粵教版信息技術教材必修1《數據與計算》第六章人工智能章節，了解人工智能的原理和應用場景，對人工智能的后續學習具有重要的作用，是培養學生信息意識和信息社會責任的重要課程。

● 學情分析

本節課的授課對象是高中一年級的學生，剛進入中學的他們渴求在新的環境中得到新的知識，對各學科抱有新奇感，尤其是編程這一新興又有挑戰的學科，相對其他學科具有一定的特殊性。在實施教學前，學生熟悉了輸入輸出、第三方庫等Python基礎知識點，理解了人臉檢測的過程，能夠使用OpenCV模塊編程實現人臉檢測。

● 教學目標

知識與技能目標：知道OpenCV模塊的含義，了解替換圖片并進行標注的實現過程。能使用OpenCV模塊編程實現替換檢測的圖像并進行人臉標注。

過程與方法目標：通過回顧計算機找到人臉的過程，對應程序找出讀取圖像代碼，替換圖像路徑即可替換檢測圖像。通過教師講解新知，實操修改線框的顏色和粗細。

情感態度與價值觀目標：體驗利用人工智能技術解決問題帶來的樂趣，形成正確對待人工智能技術的意識。

● 教學環境與準備

人工智能系列課程采用混合式學習的教學方式。本課分為理論講授和項目實踐兩部分，理論講授環節的授課地點在高清錄播教室，項目實踐環節的授課地點在計算機機房。機房計算機搭建了人工智能系列課程的專用平臺，用以實現代碼的編譯、結果的呈現。

混合式學習環境是基于混合式學習開展信息學人工智能模塊活動的基礎和保障，本系列課程中混合式學習環境包括網絡學習資源、互動交流軟件、面授學習環境等。

網絡學習資源主要包括講義、任務單、在線題目等，網絡學習資源的設計應注意：其一，資源的多態性，即可設計文字、視頻、圖片等多種類型的資源以適用不同學習特性的學習者使用；其二，資源的交互性，提倡學習資源的設計要關注資源與學習者之間的交互；其三，資源的探索性，在學習資源中切不可直接呈現答案，要引導學生在探索的過程中開展學習，以發現式學習、探究性學習為佳；其四，資源的明確性，資源使用的時機與方式要明確地告知學生，利于提升學生學習效率。

互動交流軟件在混合式學習過程中主要發揮互動交流、展示表達等功能，師生之間可利用QQ、騰訊會議等軟件進行溝通，也可通過博客等平臺發表展示自己的作品，還可通在線社區等平臺與異地的學習者進行交流。

面授學習環境是指在線下學習環境中，學生與教師面對面開展的學習活動。在此環境下開展的教學活動應充分發揮面授教學的優勢，注重對學生學習疑惑問題的解答、對學生學習狀態的分析、對學生學習情感的解讀。

● 教學過程

1.優美詩文，情境導入

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。

師：大千世界有千百萬張面孔，請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量。

學生觀察圖片，教師預估，學生可以快速說出單個及少數人臉圖片中的人臉數量，而百人合照的圖片學生無法迅速說出數量。

設計意圖：導入部分采取了快問快答的游戲，讓學生在視覺沖擊和頭腦風暴下思考機器進行人臉檢測的意義及優勢，引導學生類比人眼檢測人臉的過程，討論探究計算機檢測人臉的過程。

2.探究活動，認知原理

活動一：思考人工智能人臉檢測技術的優勢

師：基于剛剛的活動，請同學們思考一下，計算機識別人臉圖片的優勢在哪里呢？

學生討論計算機識別人臉圖片的優勢。

生：計算機更擅長于識別人臉數量眾多的圖片，識別速度快，準確率高等。

活動二：總結人眼看到人臉的過程

師：了解了計算機識別人臉的優勢，我們接著思考一下類比于人眼識別人臉的圖片。計算機識別人臉圖片的過程是什么呢？請同學們依據課件里總結的人眼識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：對于機器來說，它是怎么找到人臉，實現人臉檢測的？

學生類比人眼識別的計算機識別過程。

生：讀取圖片→定位人臉→框選人臉。

活動三：體驗人臉檢測程序

體驗人臉檢測程序，找到人臉并將人臉進行框選。

（1）體驗人臉檢測程序，找到人臉并將人臉框出來。

在教師下發學習資源包，給予部分程序代碼示意后，學生根據自身Python基礎，進行上機實踐操作。

（2）在代碼運行完成后，教師請學生判斷，在計算機找到人臉的過程中，每個步驟都對應一個程序模塊。

設計意圖：運用問答法引導學生循序漸進思考，下發資源文件給予學生類比的模板，激發學生探究意識。教師協助學生完成代碼的編譯，通過引導學生分析計算機檢測人臉的每個步驟所對應的程序模塊，加深學生對代碼的理解和原理的認知。

3.做中學練，驗證時效

活動四：替換檢測圖片，體驗程序的準確度變化

師：在編譯完人臉檢測程序后，為確保程序的合理準確，我們應如何進行程序準確度的檢測？

生：可以替換多張圖片，觀察是否都能準確進行識別。

師：對比人臉檢測程序，說一說每個步驟對應的程序模塊，更換圖片需要調整哪部分的程序？

生：想要替換檢測圖片，更換圖片路徑即可。

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

學生上機操作，替換檢測圖片，體驗程序的準確度變化。

活動五：修改線框的顏色和粗細，體驗程序框選結果的變化

師：在你們的操作中出現人臉面部被遮擋，或標注位置不清晰的情況，應當如何解決？

學生小組探討，給出答案：修改線框的顏色和粗細。

師：閱讀程序，說說看哪行代碼可以設置線框的顏色和粗細？

學生找出對應的程序模塊，預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所代表的意思）請你們思考，為什么（0，255，0）表示綠色？請查閱學習資源包思考回答。

學生學習RGB色彩模式。上機操作，修改線框的顏色和粗細，體驗程序結果的變化。

設計意圖：以問題為導向，指導學生編譯人臉檢測的代碼，拋出如何進行代碼準確度的測試的問題，通過小組討論激發思考，收集圖片測試中出現的問題，引導學生自主思考，在實踐中自我提問自我回答。

4.分享總結，課后迭代

師：請整理學習任務單上你們記錄的問題和探索的解決措施，分組進行匯報總結。

學生描述在替換檢測圖片和修改線框的顏色和粗細中遇到的問題。

師：在大家匯報的問題中，其中一部分通過今天的學習你們已經找到了解決的辦法。那其他諸如在操作中出現了模糊人臉被識別、漫畫人臉未識別、多個人臉漏識別的情況，又應當如何解決？

生：應該精化算法，提高程序的準確度（小組探討）。

師：目前，我們學習的算法比較簡單，所以無法全部解決當下同學們發現的問題，從大家的總結中也能看出，目前人工智能技術在人臉檢測上還存在諸多問題，請大家思考總結一下，人工智能技術在人臉檢測上的優劣勢分別是什么？作為學生，我們能為人工智能技術發展、為社會生活更加便捷高效做些什么？將思考結果記錄在任務學習單上。

設計意圖：引導學生在問題中進行反思和總結，在實踐中自我提升，在智能系統的體驗中感受人工智能的巨大價值，使其能客觀認識人臉識別技術發展對社會的影響。

● 教學反思

1.重組教材，激發興趣

學生正處于學習Python的初級階段，對知識的趣味性比較敏感。在教授該階段的學生時，更應該注意教材的梯度問題，合理進行順序的調動和整合。

2.針對學情，化繁為簡

在人臉檢測程序學習初期，大段代碼帶來的知識難度可能過大，應當根據學生學情，進行程序拆解，分模塊和步驟進行順序講解，最后合成整段代碼，這樣既能避免學生一開始受大量知識沖擊而產生無力感，也能讓學生在一步一步的學習中體驗知識的積累。

3.把控時間，合理安排

在時間的安排上，最后對學案上的課后鞏固沒有與學生一起進行學習、交流，只能留為作業，下節課進行講解討論。對于這樣的安排后面需要進行改進，盡量讓學生能當堂完成學案。