崔長華 北京市通州區(qū)潞河中學(xué)

●課程指導(dǎo)思想

課程的指導(dǎo)思想是《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》指出的“關(guān)注學(xué)生個性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求”“著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)”“通過解決實際問題體驗程序設(shè)計的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試與運行的方法”，以及基于項目的學(xué)習(xí)、“從做中學(xué)”即“從活動中學(xué)”。

●教學(xué)內(nèi)容分析

本課選自人教版高一信息技術(shù)選修4“3.1 計算機視覺”模塊。筆者在相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進行了重構(gòu)和加工，開展“基于人臉識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計”（共6課時）。前兩課時了解人臉檢測和人臉識別的相關(guān)技術(shù)，利用人臉關(guān)鍵點體驗人臉美顏效果。本課是項目的第3課時，主題是“解密活體檢測”，核心內(nèi)容是“基于人臉關(guān)鍵點進行活體檢測”。通過對人工智能典型案例的剖析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并嘗試用人工智能的方法解決問題，讓學(xué)生感受智能技術(shù)對生活和學(xué)習(xí)帶來的影響。

●學(xué)情分析

學(xué)生思維活躍，樂于動手實踐，在生活中體驗過不少人工智能產(chǎn)品，愿意探究技術(shù)背后的原理。經(jīng)過一段時間的Python編程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠用編程解決簡單的問題，但是將問題抽象成數(shù)學(xué)模型的經(jīng)驗略顯不足，并且對活體檢測的核心技術(shù)知之甚少。學(xué)生能夠利用人臉關(guān)鍵點檢測模型提取人臉的關(guān)鍵點信息，并體驗用關(guān)鍵點給人臉美顏；用程序設(shè)計方法解決現(xiàn)實問題有初步的經(jīng)驗及一定的抽象能力，但將實際問題抽象成計算機解決問題的能力經(jīng)驗不足。

●教學(xué)重難點

重點：利用人臉關(guān)鍵點，建立眨眼、張嘴、點頭、搖頭的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。

難點：依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計算法，使用選擇結(jié)構(gòu)編寫程序，驗證實驗結(jié)果。

●教學(xué)策略

整體設(shè)計思路：以解決問題為導(dǎo)向，重點圍繞實驗方案設(shè)計、實驗探索、實驗結(jié)果驗證展開。采用探究式的教學(xué)策略，運用提問法、演示法、講授法、小組探究法。

●教學(xué)準備

帶攝像頭的多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、OpenCv和Dlib庫、教學(xué)指南、任務(wù)單等。

●教學(xué)過程

1.項目回顧，引出主題

教師首先讓一名學(xué)生進行人臉識別程序測試（程序能準確識別出學(xué)生），接著用學(xué)生的照片進行程序測試（照片也能通過人臉識別程序）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)程序還不完善，不能區(qū)分是不是真人，為了提高安全性，需要增加活體檢測功能。

設(shè)計意圖：主動出示問題抓住學(xué)生的注意力，強調(diào)活體檢測的重要性，明確本節(jié)課主題——配合式活體檢測。

2.頭腦風暴，聚焦方法

師：配合式活體檢測主要是四種動作（眨眼、張嘴、點頭、搖頭）的隨機檢測，人是如何識別各種動作的？（引導(dǎo)學(xué)生回想自己識別各種動作的過程）

學(xué)生小組討論，結(jié)合生活經(jīng)驗，得出眨眼時黑眼球大小發(fā)生變化以及上下眼皮的距離發(fā)生變化、張嘴時上下嘴皮的距離發(fā)生變化、點頭時以脖子為軸心旋轉(zhuǎn)、搖頭時向右轉(zhuǎn)左臉朝前方、向左轉(zhuǎn)右臉朝前方等，這些都是目前主流的配合式活體檢測的一般方法。

師：（以眨眼為例再次拋出問題）如何讓計算機識別眨眼動作？

此時學(xué)生遷移舊知想到，可以利用前面學(xué)過的人臉關(guān)鍵點中的眼部數(shù)據(jù)，得到眼睛上關(guān)鍵點縱向距離，進而用眼睛距離變化判斷眨眼。

設(shè)計意圖：師生通過問題的不斷聚焦，將眨眼過程轉(zhuǎn)換成距離變化的過程（如圖1），形成計算機識別眨眼的思路。

圖1

3.教師演示，操作示范

教師進行演示，講授利用程序獲取關(guān)鍵點歐式距離以及顯示數(shù)據(jù)圖表的方法，帶領(lǐng)學(xué)生分析眼睛縱向的距離變化規(guī)律，并記錄實驗數(shù)據(jù)，如圖2所示。點頭和搖頭動作的規(guī)律，不容易發(fā)現(xiàn)，教師適時給予點撥（先選取合適的關(guān)鍵點，再將關(guān)鍵點連成線段，觀察線段或者圖形的變化規(guī)律，如圖3所示）。

圖2

圖3

各小組從眨眼、張嘴、搖頭、點頭四個常見活體檢測的動作中選擇其一開始探究實驗，選擇眨眼和張嘴實驗的小組按照教師的操作示范進行實驗操作，找到眼部和嘴部的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。在教師的點撥和引導(dǎo)下，學(xué)生反復(fù)實驗后找到點頭、搖頭的規(guī)律。

設(shè)計意圖：教師示范的目的是讓學(xué)生能夠迅速上手實驗，直奔實驗主題。教師適時點撥和細化探究任務(wù)，可避免部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生因為探究目的不明確而難以下手。

4.小組探究，建立模型

有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果靠近攝像頭時距離值增大，遠離攝像頭時距離值減小，教師適時鼓勵學(xué)生思考解決辦法。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以利用比值關(guān)系來解決距離發(fā)生近大遠小的問題。在師生的共同研討下得出用嘴部縱橫距離比值的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測嘴部動作，建模公式如圖4所示。教師請發(fā)現(xiàn)規(guī)律的小組進行課堂展示，如圖5所示。

圖4

圖5

設(shè)計意圖：利用圖形直觀地呈現(xiàn)出動作的變化規(guī)律，降低學(xué)習(xí)難度，使抽象的動作更加直觀，使思維過程可視，達成教學(xué)目標。教師適時對不完善的模型和思路進行點撥。

5.應(yīng)用模型，編程驗證

學(xué)生利用模型進行實驗，并記錄各種動作的實驗數(shù)據(jù)。教師帶領(lǐng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，設(shè)計算法。以嘴部實驗為例，當嘴部比例大于均值時，嘴處于張開狀態(tài)，小于均值時，嘴處于閉合狀態(tài)（如下頁圖6），在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律后，師生共同梳理各組的初步算法，以均值為閾值，利用閾值法編程驗證動作的狀態(tài)（如下頁圖7）。

圖6

圖7

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)數(shù)學(xué)知識融入到計算機解決問題的過程中，并適時捕捉課堂中生成的問題，及時給予解釋和加以引導(dǎo)，推進課堂進程，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

6.展示交流，拓展延伸

在學(xué)生編程驗證后，請學(xué)生分享作品，將三種動作狀態(tài)都識別出來。教師在總結(jié)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生理清知識結(jié)構(gòu)，構(gòu)建完善的知識體系：人工智能典型案例需歷經(jīng)采集數(shù)據(jù)、特征提取、建立模型、訓(xùn)練模型、評估模型、應(yīng)用模型等過程。教師鼓勵學(xué)生進行應(yīng)用遷移，學(xué)生想到了眨眼檢測可以遷移到監(jiān)測疲勞駕駛、表情識別等領(lǐng)域。

設(shè)計意圖：通過模型方案的不斷迭代，找到更符合實際需求的動作檢測模型。在作品分享交流環(huán)節(jié)，給學(xué)生提供交流展示的平臺，小組間相互取長補短，找到最優(yōu)的解決問題的思路和方法。在提升環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生進行應(yīng)用遷移，這不僅能拓寬學(xué)生的視野和思維，還可提高學(xué)生解決問題的能力。

●教學(xué)反思

本課選取貼近學(xué)生生活的人工智能主題，使學(xué)生深入體會到在面對復(fù)雜問題時，如何化繁為簡，拆解任務(wù)。整個教學(xué)過程以發(fā)展思維為核心，以“問題猜想—實驗提煉—抽象模型—編程驗證”為主線，使學(xué)生在輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍中學(xué)習(xí)，實現(xiàn)教學(xué)目標，提升學(xué)生的計算思維。

點 評

本節(jié)課是以項目制作的形式開展的一節(jié)課，教學(xué)內(nèi)容選自“人工智能模塊”，執(zhí)教教師對其進行了設(shè)計和重構(gòu)，從教材中的表情識別過渡到解密活體檢測，包含了對數(shù)學(xué)建模的設(shè)計，這是教材中沒有涉及的，也是高中階段學(xué)生學(xué)習(xí)的一個難點。本節(jié)課具有如下特點：

1.落實學(xué)科核心素養(yǎng)

本節(jié)課關(guān)注利用信息技術(shù)學(xué)科特有的方法分析問題和解決問題，從一開始就引導(dǎo)學(xué)生思考怎么區(qū)分點頭和搖頭這幾個動作，引入計算機來識別，讓學(xué)生關(guān)注數(shù)據(jù)在其中起到的作用，重點研究通過數(shù)據(jù)的關(guān)系進行相應(yīng)的建模，進而解決問題，其中也讓學(xué)生理解人和計算機解決問題的異同。整個學(xué)習(xí)過程，關(guān)注問題解決方法的引導(dǎo)，發(fā)展了學(xué)生的計算思維。

2.實驗教學(xué)法，促進高效課堂

本節(jié)課采用實驗教學(xué)的方式，通過問題猜想、實驗提煉、抽象模型，最后編程驗證，讓學(xué)生經(jīng)歷項目的每一個環(huán)節(jié)，學(xué)生的思維也在活動中不斷深入，從課堂表現(xiàn)看，學(xué)生的參與度非常高，而且學(xué)生想到的解決方法并不唯一。四種活體檢測動作在本節(jié)課都有落實，不同的小組來實驗不同的內(nèi)容，互相學(xué)習(xí)、相互啟發(fā)，這是一種非常有效的授課方式。

3.借助信息化工具，突破教學(xué)難點

教師考慮用相應(yīng)的方法和手段來突破本節(jié)課的難點——數(shù)據(jù)建模。怎么讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律？怎么去建構(gòu)模型？這都是比較難的，教師通過圖形直觀呈現(xiàn)動作變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，讓學(xué)生把動作抽象成數(shù)據(jù)，再找到數(shù)據(jù)的規(guī)律，這使模型的構(gòu)建更加自如，也相應(yīng)降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，這種設(shè)計非常巧妙，最終達成解密活體檢測的主題。