“認識人臉識別”教學(xué)實施與反思

陶靜

【摘 要】我們努力為人工智能教育提供人才培養(yǎng)，讓孩子們?yōu)橹悄軙r代的到來做好生活、就業(yè)和能力的準備是當(dāng)今教育的重要命題。在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，推進普及教育，大力實施全民智能教育，是當(dāng)今教育改革和發(fā)展的必然趨勢。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今眾多領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用人臉識別技術(shù)， 這些應(yīng)用大大方便了人們的生活。本文通過課程實例詳細闡述了中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容的設(shè)計，并提出課程目標及實施策略。

【關(guān)鍵詞】人工智能;人臉識別;教學(xué)案例;活動;游戲

隨著信息技術(shù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，2017年7月， 國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱“《規(guī)劃》”）明確提出：實施全民智能教育項目， 在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程， 逐步推廣編程教育， 鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣?！兑?guī)劃》的頒布為我國在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域布局“人工智能教育”提供了政策上的保障， 并指明了發(fā)展方向。如何進行有效的人工智能課程設(shè)計，在充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，提升學(xué)生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任等核心素養(yǎng)，是一個非常值得探討的課題。

課前分析及目標闡述

1.研究背景分析

本課教學(xué)內(nèi)容出自《小學(xué)人工智能基礎(chǔ)（上冊）》第三單元“機器理解”，本單元共包含“像素、圖像的簡單編碼、圖像識別”等幾部分內(nèi)容。“認識人臉識別”一課是第8課“你畫‘我猜”一課中的拓展內(nèi)容，通過“人機類比”初步了解機器識別人臉的過程。

人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)。通過攝像頭捕捉人臉進行采集，并且將人臉圖像存儲于數(shù)據(jù)庫中，再經(jīng)過人臉提取五官特征后，對人臉進行匹配識別。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，目前人臉識別產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于金融、軍隊、公安、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域。我們在生活中常見的面容解鎖、刷臉支付、人臉識別認證等，都為我們的生活帶來了便捷，也大大提高了我們的工作效率。

本節(jié)課通過一系列有趣的體驗活動，讓學(xué)生在觀察、討論、交流中認識人臉識別，了解機器識別人臉的過程，感受人臉識別在生活中的重要作用。引導(dǎo)學(xué)生在原有的知識經(jīng)驗上主動建構(gòu)，以知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)，深入拓展，形成新的理論知識結(jié)構(gòu)的過程。

2.學(xué)生特征闡述

著名心理學(xué)家皮亞杰指出：“真正的學(xué)習(xí)不是由教師傳給兒童，而是出自兒童本身，這是一個主動的發(fā)展過程?！苯處熗ㄟ^多種途徑喚醒學(xué)生的自主意識，啟發(fā)學(xué)生從被動接受學(xué)習(xí)中走出來，引導(dǎo)他們積極思索，自主實踐，學(xué)會學(xué)習(xí)，生動活潑地健康發(fā)展。

本次教學(xué)對象是五年級學(xué)生，在此之前，學(xué)生初步知道什么是人工智能以及它在生活中的重要作用，學(xué)習(xí)了像素、簡單圖像編碼等基礎(chǔ)知識。他們對人工智能有一定的了解，能夠列舉一些人臉識別在生活中的應(yīng)用。一部分學(xué)生在生活中體驗過人臉識別。但是對于人臉識別的過程、原理并不清楚，教學(xué)中，可以針對學(xué)生年齡特點，采用適合學(xué)生年齡特點的活動進行學(xué)習(xí)，教師用淺顯的語言、生動的內(nèi)容、邊講邊實操的模式，來引發(fā)他們對人臉識別探索的興趣。

3.教學(xué)目標

了解機器進行人臉識別的過程，初步認識人臉識別;知道人臉識別的兩種用途，從活動中感悟人臉識別技術(shù)的特點;小組合作參與挑戰(zhàn)人臉識別的活動，找出干擾人臉識別技術(shù)的影響因素，總結(jié)識別成功或失敗的原因;質(zhì)疑人臉識別技術(shù)的安全性問題，滲透信息安全意識。

課程實踐探索

人臉識別技術(shù)屬于人工智能技術(shù)范疇，是目前計算機領(lǐng)域熱點的技術(shù)?，F(xiàn)今，“刷臉”已經(jīng)悄悄地走進我們的生活中，無論是上班刷臉，支付刷臉都在影響每個人，讓學(xué)生了解前沿動態(tài)，有助于培養(yǎng)他們獲取信息的能力。

在本課的教學(xué)中，利用平板電腦、人臉識別門禁等移動終端智能設(shè)備，讓學(xué)生在課堂上就能體驗到人臉識別的技術(shù)，在體驗中得到知識的樂趣。培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊技術(shù)，引發(fā)思考和探究的能力，提升敏銳的信息洞察力，有助于他們信息素養(yǎng)的提升。

1.活動一：猜猜我是誰

在這個游戲活動中，學(xué)生通過教師展示的部分人臉特征，能夠快速說出同學(xué)的姓名，從而知道了人們在識別人臉的過程中往往是通過眼睛對人的面部特征進行觀察，然后將人臉的特征進行提取后，與人腦記憶庫中的人臉信息進行對比，從而達到識別人臉的目的。通過這一活動，學(xué)生能夠總結(jié)出人類識別人臉的過程（圖1）。

2.活動二：AI體驗

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今眾多領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用人臉識別技術(shù)，如人臉閘機系統(tǒng)，通過人臉識別作為門禁開啟的鑰匙，免去了忘帶鑰匙或者卡的煩惱;人臉支付系統(tǒng)，通過人臉特征識別的方式，輕松結(jié)賬，省去手機支付的過程?，F(xiàn)在火車站、機場也同樣增設(shè)了“人臉識別+證件”雙認證系統(tǒng)，通過用戶拍照以及在線上傳身份證，直連公安大數(shù)據(jù)，比對用戶的姓名、身份證號，核驗用戶身份真?zhèn)?。這些應(yīng)用大大方便了人們的生活，也同時體現(xiàn)了人臉識別技術(shù)便捷、安全、智能的特點。

人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)。通過攝像頭捕捉人臉進行人臉采集，并且將人臉圖像存儲于數(shù)據(jù)庫中，再經(jīng)過提取五官特征后，對人臉進行匹配識別。

為了讓學(xué)生更加了解機器進行人臉識別的過程，我讓學(xué)生通過平板電腦體驗人臉屬性和人臉搜索兩個App小程序，在體驗的過程中思考機器識別人臉的過程（圖2）。

（1）圖像采集

學(xué)生在體驗活動后，能夠說出機器進行人臉識別時，首先需要拍照人像進行上傳，這就是人臉圖像采集。當(dāng)用戶在采集設(shè)備的拍攝范圍內(nèi)時，采集設(shè)備會自動搜索并拍攝用戶的人臉圖像。利用各種數(shù)字媒體設(shè)備，采集人臉圖像，建立人臉數(shù)據(jù)庫，將采集的照片放在指定的庫中。

（2）人臉圖像特征提取

在人臉屬性App中，機器可以將采集后的人臉圖像進行屬性分析，如性別、年齡、魅力等。這些屬性信息都是機器根據(jù)人臉圖像的面部特征推斷的結(jié)果。通過觀察，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)機器在識別的過程中，人臉圖像上出現(xiàn)了一些小藍點，這些小藍點就是自動定位出的面部關(guān)鍵特征點，如眼睛、鼻尖、嘴角點、眉毛以及人臉各部件輪廓點等。該步驟的主要任務(wù)是用數(shù)據(jù)將人臉圖像進行描述或表示。數(shù)據(jù)包含臉上的主要器官的形狀、彼此間的距離等，甚至毛孔的位置、皺紋的深淺等都會記錄在內(nèi)。機器識別人臉的過程，就是通過獲取人臉五官的形狀和位置信息的過程。

（3）人臉圖像匹配識別

在人臉搜索App中，學(xué)生先將自己的照片上傳至人臉庫中，此時，數(shù)據(jù)庫中就有了我們的臉部數(shù)據(jù)，在人臉庫中搜集與目標圖像相似度高的結(jié)果，就是人臉圖像匹配識別。

機器在人臉識別時，會將新收集到的數(shù)據(jù)與已有的數(shù)據(jù)進行對比，當(dāng)相似度超過某個特定的數(shù)字時，則認為匹配成功。如學(xué)生在體驗人臉對比這個活動時，會分別上傳兩名學(xué)生的照片，通過人臉匹配識別，得出兩張照片的相似度，如果相似度達到一定的數(shù)值，則認定兩張照片可能是同一個人。

人臉識別系統(tǒng)會提前錄入相關(guān)人員的臉部信息，當(dāng)陌生人使用人臉識別系統(tǒng)時，由于他的臉部數(shù)據(jù)并沒有被保存在系統(tǒng)里，從而無法識別人臉。

（4）輸出結(jié)果

人臉識別后的輸出結(jié)果是與數(shù)據(jù)庫中的人臉對比后的相似度，通過比對兩個人臉的特征，衡量兩個人臉之間的相似度（相似度越高，同一個人的概率越大），得到一個具體的百分數(shù)，當(dāng)這個相似度的數(shù)值達到設(shè)定的數(shù)值后，就可以判斷是同一個人。

學(xué)生通過以上體驗活動，總結(jié)出機器進行人臉識別的過程，分為人臉采集、特征提取、匹配識別和輸出結(jié)果四個步驟。

3.活動三：人臉識別大比拼

人臉識別技術(shù)在日常生活中主要有兩種用途，一種是用來進行人臉驗證（又叫人臉比對），即1∶1模式，驗證“你是不是某某人”;另一種用于人臉識別，即系統(tǒng)采集了“我”的一張照片之后，從海量的人像數(shù)據(jù)庫中找到與當(dāng)前使用者人臉數(shù)據(jù)相符合的圖像，并進行匹配，找出來“我是誰”，即1∶N模式。

（1）百里挑一

人臉識別有強大的搜索功能，它可以針對一個指定的人臉，在已有的人臉庫中與N個人臉比對，在短時間內(nèi)鎖定目標，即1∶N的人臉搜索技術(shù)。

為了讓學(xué)生能夠更加直觀地感受人臉識別快速搜索的特點，我為學(xué)生提供了100張陌生學(xué)生的照片。學(xué)生以6人為一個小組合作完成，在規(guī)定的時間內(nèi)快速找出和教師手中相同的照片，并且說出照片所對應(yīng)的號碼。

學(xué)生在查找的過程中，發(fā)現(xiàn)有的照片相似度很高，需要仔細甄別才能夠識別準確。在這之后，我向?qū)W生播放一段關(guān)于人臉識別的視頻，視頻中“御眼重明”系統(tǒng)對入場的100名觀眾做了人臉信息的采集，然后在黑暗的燈光下進行掃描，可以快速找到目標人物，被大家稱為是“1秒識人”。這種海量搜索技術(shù)目前應(yīng)用于公安系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、機場安檢核對身份等領(lǐng)域，利用人臉識別技術(shù)大大提高了工作效率，體現(xiàn)了人臉識別的特點——迅速。

（2）張冠李戴

人臉識別1∶1的比對，是計算機對當(dāng)前人臉與人像數(shù)據(jù)庫進行快速人臉比對，并得出是否匹配的過程，可以簡單理解為證明“你”就是“你”。

在生活中，有些人的長相很相似，尤其是同卵雙胞胎，他們的長相幾乎一模一樣，就連家人都有可能認錯，那么針對這種情況，人臉識別技術(shù)可以準確地識別他們嗎？我出示這樣一組照片（圖3）——四位造型統(tǒng)一、長相相似的同卵四胞胎，學(xué)生以組為單位根據(jù)自己的判斷進行連線，將上下兩組照片一一對應(yīng)。

活動中，學(xué)生們紛紛表示同卵四胞胎的長相太像了，根本無法區(qū)分，最終，他們只能憑借直覺進行判斷，每個組所提交的答案也各有不同。隨后，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生觀看視頻，在視頻中“螞蟻佐羅”系統(tǒng)能夠準確地識別四胞胎，并且一一對應(yīng)。

其實，雙胞胎對于人臉識別技術(shù)是一項世界難題，從圖像角度來說相似度是非常高的，對人臉識別是一個很大的挑戰(zhàn)。雖然同卵四胞胎的長相極端相似，不過每個人都有獨一無二的眼紋特征。眼紋識別就是針對眼白上的血管排布進行識別，相較其他維度的生物識別技術(shù)，在誤識率和精準率方面表現(xiàn)更為優(yōu)秀。通過這個活動，體現(xiàn)了人臉識別的第二個特點——準確。

4.活動四：挑戰(zhàn)人臉識別

（1）超級變變變

在實際應(yīng)用中，人臉識別技術(shù)對識別的準確度有很高的要求，哪些因素會影響人臉識別的效果呢？學(xué)生在討論后，可以列舉一些可能會影響人臉識別的干擾因素，如遮擋、發(fā)型、表情、角度、光線……接下來，每個小組分別從中選擇一種干擾因素進行挑戰(zhàn)，每組選出一個代表，由小組的其他人員一起來裝扮或改變造型后，再去體驗人臉門禁，看是否成功識別，并分析原因。通過反復(fù)試驗學(xué)生得出結(jié)果，像發(fā)型、微表情、光線這些因素是可以識別成功的，而戴口罩、面具等這些遮擋比較嚴重的情況會導(dǎo)致人臉識別失敗，從而得出結(jié)論，影響人臉識別的原因主要在于機器所提取的人臉特征的信息是否足夠支撐系統(tǒng)進行匹配識別，如果所提取的特征信息太少，則無法實現(xiàn)。

（2）以假亂真

隨著人臉識別技術(shù)的成熟，我們似乎已經(jīng)進入了一個“刷臉時代”，人臉解鎖、刷臉取款、刷臉支付、刷臉坐高鐵等，越來越多的生活環(huán)節(jié)與“刷臉”形成了緊密聯(lián)系。不過，在這個“刷臉”時代，人臉識別真的安全嗎？如果有人想利用照片、視頻甚至3D模型來操作，是否能識別成功呢？由此可見，人臉識別技術(shù)在應(yīng)用同時，也給我們帶來了諸多安全挑戰(zhàn)。

當(dāng)我向?qū)W生拋出這個問題后，引起了他們激烈的辯論，隨后我在課上和學(xué)生們現(xiàn)場進行驗證。首先，我請一名學(xué)生在手機里錄入面容信息，然后通過刷臉檢驗是否可以解鎖成功，緊接著，我再拿出提前打印好的學(xué)生照片進行解鎖實驗，結(jié)果驗證失敗。通過這一活動，學(xué)生知道了手機在錄入信息時采集的是3D人臉模型，而照片是2D的，所以無法識別成功。

為了提高安全性，系統(tǒng)會根據(jù)人的各項生物數(shù)據(jù)來判斷是否是真人。人臉識別技術(shù)無論是照片、3D照片、視頻都是無效的，是無法通過人臉識別的。當(dāng)然，任何新技術(shù)在剛開始的時候都會有各種各樣的問題，這些都還需要不斷地更新與改進。

課后反思

人工智能是一門綜合交叉性學(xué)科，課程涉及面廣、概念抽象、不利于理解，講授式的教學(xué)模式不適合，需要改進教學(xué)模式來提高教學(xué)效果，讓每位學(xué)生都參與進來。在教學(xué)中，應(yīng)盡量使用淺顯的語言、生動的內(nèi)容、邊講邊實操的模式，引發(fā)學(xué)生對人工智能探索的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

人臉識別涉及一些抽象和專業(yè)的概念，對于小學(xué)生而言理解起來有一定難度。學(xué)生難以通過講授和演示直接理解課程內(nèi)容。因此本課教學(xué)中就是利用學(xué)生已有的知識與經(jīng)驗，將任務(wù)與情境相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實踐中認識和學(xué)習(xí)面部識別。教學(xué)中，我采用“做中學(xué)”的方法，以學(xué)生為主體、以任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)思路，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮其學(xué)習(xí)主動性，從而主動去發(fā)現(xiàn)問題，探究解決的方法，獲取知識，掌握技能。借助活動、游戲、競賽的形式，為學(xué)生提供豐富、有趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生增強學(xué)習(xí)的體驗感，對人工智能技術(shù)形成直觀、形象的理解，提高學(xué)習(xí)者在活動中的參與率。因而，將情境的創(chuàng)設(shè)與游戲化學(xué)習(xí)相結(jié)合，有利于增強人工智能課堂教學(xué)的趣味性、個性化。課堂上，通過多個活動層層遞進，逐步深層次地認識人臉識別、挑戰(zhàn)人臉識別。教學(xué)內(nèi)容涉及一些抽象概念，我是通過實例、視頻、活動、游戲等形式呈現(xiàn)，潛移默化地滲透抽象概念的知識，使學(xué)生能夠在不斷的實踐學(xué)習(xí)過程中，逐步將其內(nèi)化成自己的學(xué)習(xí)能力。

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