陳寶杰

【摘 要】創(chuàng)客教育是一種新興的教學(xué)形式，學(xué)生運(yùn)用各種資源、工具讓創(chuàng)意成為現(xiàn)實(shí)。在信息技術(shù)教學(xué)中可以借助創(chuàng)客教育中豐富的智能硬件資源，借鑒創(chuàng)客教育的優(yōu)秀元素，在提高學(xué)生信息素養(yǎng)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。本文以“人臉識(shí)別作品制作”為例，闡述了將智能硬件融入高中信息技術(shù)課堂教學(xué)的做法。

【關(guān)鍵詞】智能硬件;人臉識(shí)別;信息技術(shù)教學(xué);創(chuàng)客教育;創(chuàng)新能力

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）012-055-04

案例背景

2017年教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中提到，高中課程的培養(yǎng)目標(biāo)是學(xué)生能從個(gè)體生活、社會(huì)生活及與大自然的接觸中獲得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成并逐步提升對(duì)自然、社會(huì)和自我之間內(nèi)在聯(lián)系的整體認(rèn)識(shí)，使學(xué)生具有價(jià)值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問(wèn)題解決、創(chuàng)意物化等方面的意識(shí)和能力。其中的創(chuàng)意物化是指學(xué)生積極參與動(dòng)手操作實(shí)踐，熟練掌握多種操作技能，綜合運(yùn)用技能解決生活中的復(fù)雜問(wèn)題。在教學(xué)中要增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作、技術(shù)應(yīng)用和物化能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。

筆者所在的首都師范大學(xué)附屬密云中學(xué)屬于北京市郊區(qū)高中校，自2016年起開(kāi)設(shè)了“App Inventor手機(jī)編程”“Arduino創(chuàng)意制作”“3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)”“機(jī)器人與人工智能”等創(chuàng)客課程。筆者近幾年來(lái)一直致力于將智能硬件融入高中信息技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐探索。如從2018年起借助Micro：bit開(kāi)展了Python程序教學(xué)，從2020年起借助Arduino及人工智能傳感器實(shí)施了人工智能教學(xué)等。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出，要讓學(xué)生感受人工智能的魅力，使學(xué)生走進(jìn)人工智能的世界，了解人工智能對(duì)整個(gè)社會(huì)的貢獻(xiàn)，體驗(yàn)人工智能更深層次的應(yīng)用，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。因此，智能硬件的使用是開(kāi)展人工智能教學(xué)很好的嘗試。

本案例是人教版《數(shù)據(jù)與算法》教材中的第四章“走進(jìn)智能時(shí)代”的內(nèi)容。主要采用項(xiàng)目制作的方式，學(xué)生通過(guò)使用開(kāi)源硬件Arduino開(kāi)發(fā)板、二哈識(shí)圖傳感器以及舵機(jī)、LED等電子器件來(lái)制作一個(gè)人臉識(shí)別項(xiàng)目。學(xué)生們?cè)谡n堂上將想法物化，在制作中提出自己的問(wèn)題并解決問(wèn)題，體驗(yàn)從確定需求到完成制作這樣一個(gè)作品制作的過(guò)程。在動(dòng)手實(shí)踐中，學(xué)生加深對(duì)人工智能技術(shù)的感受，產(chǎn)生對(duì)人工智能在生活中應(yīng)用安全性的思考，提升作為一個(gè)信息時(shí)代公民的責(zé)任感和使命感。

案例描述

在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，我首先請(qǐng)學(xué)生們說(shuō)一說(shuō)身邊有哪些人臉識(shí)別應(yīng)用。學(xué)生會(huì)積極思考生活中人臉識(shí)別的應(yīng)用，如手機(jī)解鎖、支付寶的刷臉支付、疫情期間社區(qū)門口的人臉識(shí)別測(cè)溫等生活現(xiàn)象。學(xué)生們互相啟發(fā)，積極踴躍地述說(shuō)著人臉識(shí)別在我們身邊的應(yīng)用。這個(gè)環(huán)節(jié)將學(xué)生拉進(jìn)了生活之中，學(xué)生們認(rèn)識(shí)到人工智能已經(jīng)走進(jìn)我們的生活，不再遙不可及。

“人臉識(shí)別的應(yīng)用還真不少，那么同學(xué)們是否想過(guò)為什么人臉識(shí)別技術(shù)會(huì)得到如此廣泛的應(yīng)用？它究竟具有哪些特點(diǎn)呢？”我進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考人臉識(shí)別的特點(diǎn)。學(xué)生們回答：“疫情時(shí)期人臉識(shí)別可以杜絕接觸，避免了病毒的傳播?！薄叭四樧R(shí)別用起來(lái)很方便，不像按指紋之類讓人有不舒服的感覺(jué)?！薄岸ㄎ粶?zhǔn)，能準(zhǔn)確定位就是這個(gè)人。”“一次能采集到很多人的臉?！?/p>

我和學(xué)生一起總結(jié)出人臉識(shí)別功能具有的特點(diǎn)：采集友好性（非強(qiáng)制性）、身份唯一性（生物特征識(shí)別技術(shù)）、非接觸性（特別是疫情時(shí)期）、并發(fā)性（同時(shí)多個(gè)采集、進(jìn)行人臉?lè)謷?、判斷和識(shí)別）。學(xué)生了解了人臉識(shí)別的特點(diǎn)就能夠依據(jù)這些特點(diǎn)進(jìn)行作品設(shè)計(jì)了，這為作品的主題確定進(jìn)行了很好的鋪墊。

第二個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生明確人臉識(shí)別系統(tǒng)的組成，這樣在后期制作中就會(huì)了解人臉識(shí)別的過(guò)程?！澳銈兞私馊四樧R(shí)別系統(tǒng)嗎？”我繼續(xù)發(fā)問(wèn)。

隨后，我給學(xué)生們列舉了一個(gè)真實(shí)的例子，就是我所在小區(qū)門口的人臉識(shí)別應(yīng)用設(shè)備。“每次老師經(jīng)過(guò)的時(shí)候屏幕上會(huì)有一個(gè)人臉識(shí)別框，但是屏幕只是告訴我溫度是多少，并沒(méi)有給出我是否是小區(qū)的住戶等信息。這是為什么？”學(xué)生會(huì)說(shuō)沒(méi)有存儲(chǔ)人臉信息。我順勢(shì)引出人臉識(shí)別的原理與過(guò)程，即人臉圖像采集及檢測(cè)→人臉圖像預(yù)處理→人臉圖像特征提取→人臉圖像匹配與識(shí)別。所以，制作一個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)，首先要進(jìn)行人臉信息的采集存儲(chǔ)，然后進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，這樣人臉識(shí)別后儀器就會(huì)呈現(xiàn)出具體的結(jié)果或反應(yīng)。

第三個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生作品設(shè)計(jì)與制作。我將有可能使用的器材與設(shè)備提供給學(xué)生（圖1），具體如下。

主控板：Arduino開(kāi)發(fā)板。

輸入設(shè)備：二哈識(shí)圖傳感器。

輸出設(shè)備：Oled顯示屏、舵機(jī)、Led燈等。

明確了需要使用的器材后，各小組要確定自己的作品主題。我運(yùn)用思維導(dǎo)圖的方式和學(xué)生討論了如何從人臉識(shí)別的特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行作品主題的確定。思維導(dǎo)圖能夠幫助學(xué)生打開(kāi)思路，引導(dǎo)學(xué)生充分利用人臉識(shí)別的特點(diǎn)來(lái)確定創(chuàng)意、解決問(wèn)題。比如依據(jù)身份唯一性，可以設(shè)計(jì)一個(gè)幫助尋找走失的老人或兒童的作品;依據(jù)傳感器一次可以采集多張人臉的并發(fā)性特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)在特定地點(diǎn)檢測(cè)人群密集度的作品，如檢測(cè)地鐵口、班級(jí)的人群密度等。

在制作過(guò)程中涉及的主要技術(shù)就是人臉識(shí)別傳感器的使用、人臉識(shí)別程序的編寫(xiě)，但這些都不是教學(xué)的重點(diǎn)。我希望學(xué)生在實(shí)踐中思考生活，能夠運(yùn)用簡(jiǎn)單的人臉識(shí)別技術(shù)激發(fā)創(chuàng)意想法，設(shè)計(jì)出能夠解決問(wèn)題的方案，同時(shí)增強(qiáng)他們作為信息時(shí)代公民的責(zé)任感。所以在制作過(guò)程中我將技術(shù)成分弱化，在自學(xué)材料中提供Mind+中對(duì)人臉識(shí)別的簡(jiǎn)單示范程序（如圖2）供學(xué)生參考。學(xué)生根據(jù)自己的作品主題對(duì)范例程序進(jìn)行修改和補(bǔ)充，由此降低了學(xué)生對(duì)人臉識(shí)別編程的難度，將重點(diǎn)落在作品的設(shè)計(jì)和想法的實(shí)現(xiàn)上。

圖2? 示例程序

學(xué)生在制作的過(guò)程中要填寫(xiě)項(xiàng)目書(shū)，即依據(jù)設(shè)計(jì)思維的五個(gè)步驟來(lái)完成：確定適用人群→確定需求→作品雛形→作品制作并調(diào)整→展示與匯報(bào)，其具體內(nèi)容如下。

確定適用人群：描述應(yīng)用場(chǎng)景、針對(duì)人群;

確定需求：以同理心的方式，如果我是那個(gè)角色，我的感受是什么，我需要什么。

作品雛形：繪制草圖及功能。

作品制作及調(diào)整：調(diào)試作品，總結(jié)遇到的困難及解決辦法。

展示與匯報(bào)：分享經(jīng)驗(yàn)。

第四個(gè)環(huán)節(jié)，展示與匯報(bào)。各小組進(jìn)行作品的展示和匯報(bào)。我請(qǐng)小組成員闡述該組人臉識(shí)別作品應(yīng)用的場(chǎng)景、解決的主要問(wèn)題、作品的功能以及后期要進(jìn)一步完善的地方，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。學(xué)生匯報(bào)的作品主題有“公司考勤系統(tǒng)”“上課考勤”“走失兒童識(shí)別”“罪犯識(shí)別系統(tǒng)”“地鐵人群密集提示系統(tǒng)”等。

“公司考勤系統(tǒng)”小組制作的作品實(shí)現(xiàn)了公司人員人臉考勤功能，后期想加上通信技術(shù)，將考勤結(jié)果實(shí)時(shí)同步給公司主管。

“上課考勤”小組制作的作品主要是想解決大學(xué)課堂上學(xué)生冒名簽到等問(wèn)題，后期想加上數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)功能。

“走失兒童識(shí)別”小組制作的作品想法是在交通要處設(shè)立攝像頭，識(shí)別出走失兒童的人臉，來(lái)幫助那些在茫茫人海中苦心尋找孩子的父母。后期可以將走失兒童人臉和其父母手機(jī)建立聯(lián)系，一旦發(fā)現(xiàn)第一時(shí)間請(qǐng)父母進(jìn)行確認(rèn)。

“罪犯識(shí)別系統(tǒng)”小組制作的作品，想為社會(huì)安全和穩(wěn)定貢獻(xiàn)一份力量。

“地鐵人群密集提示系統(tǒng)”小組制作的作品中識(shí)圖傳感器能夠一次性獲取多張人臉，通過(guò)人臉計(jì)數(shù)功能，實(shí)時(shí)地播報(bào)人群密集程度，對(duì)于疫情期間人群密集起到很好的提示作用。

最后一個(gè)環(huán)節(jié)是總結(jié)與反思。學(xué)生制作了應(yīng)用于各種場(chǎng)景的人臉識(shí)別作品，在此過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生很多思考。例如，對(duì)于人臉識(shí)別的安全問(wèn)題，有的學(xué)生會(huì)提出人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)會(huì)不會(huì)有人拿照片來(lái)以假亂真。我順勢(shì)引出加強(qiáng)人臉識(shí)別安全性的擴(kuò)展知識(shí)——人臉識(shí)別與活體檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)播放1分鐘短視頻，使學(xué)生了解活體檢測(cè)三大技術(shù)動(dòng)作指令：活體檢測(cè)（配合式，如眨眼等）、靜默活體檢測(cè)（錄一段視頻）和雙目活體檢測(cè)技術(shù)（可見(jiàn)光+近紅外）。這些技術(shù)在我們生活中也有很多應(yīng)用，學(xué)生會(huì)有似曾相識(shí)的感覺(jué)。通過(guò)這三種技術(shù)的展示，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)技術(shù)在不斷進(jìn)步，人臉識(shí)別技術(shù)的安全性在不斷加強(qiáng)。

教學(xué)反思

這是一個(gè)將智能硬件融入高中信息技術(shù)教學(xué)的案例，我嘗試在信息技術(shù)課堂中加入人工智能硬件來(lái)開(kāi)展人工智能方面的教學(xué)，在教學(xué)實(shí)踐中有如下體會(huì)。

1.借助智能硬件讓信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容更豐富，更具生動(dòng)性

創(chuàng)客教育中有各種優(yōu)秀的智能硬件，如Micro：bit、Arduino主板及各種用于互動(dòng)的具有輸入、輸出功能的傳感器等。隨著人工智能教育的興起，又增加了人臉識(shí)別、物體分類、物體追蹤的識(shí)圖傳感器以及語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等器件。在信息技術(shù)教學(xué)中使用智能硬件，使更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸這些有趣的資源，有機(jī)會(huì)享受創(chuàng)造的樂(lè)趣。在動(dòng)手操作的過(guò)程中，會(huì)調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感官，使其大腦接受多方面的刺激并做出反應(yīng)。學(xué)生擁有了更多動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，他們?cè)趯?shí)踐中融會(huì)貫通地理解知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)。學(xué)生參與課堂活動(dòng)的主動(dòng)性更強(qiáng)，信息技術(shù)課堂也因此充滿了活力。將智能硬件巧妙地引入課堂不僅豐富了信息技術(shù)課的教學(xué)內(nèi)容，也給信息技術(shù)教學(xué)注入了新的活力，使之更具生動(dòng)性。

2.借助智能硬件可以架起學(xué)習(xí)與生活的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力

創(chuàng)客教育中的資源，如開(kāi)發(fā)板、傳感器以及涉及外觀造型的技術(shù)，都是物化創(chuàng)意的有效工具，這些資源都有助于學(xué)生接近生活、思考生活和創(chuàng)造生活。我們可以根據(jù)信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的需要，在課堂教學(xué)中靈活地將智能硬件引入，可以增強(qiáng)信息技術(shù)課堂的時(shí)代性和生活感。本文案例中學(xué)生使用智能硬件制作人臉識(shí)別作品，不僅有利于對(duì)人工智能技術(shù)的了解，也拉近了人工智能與學(xué)生的距離。學(xué)生會(huì)覺(jué)得人工智能不再遙遠(yuǎn)，人工智能理論也不再是深?yuàn)W難懂，人工智能技術(shù)是可以駕馭的。這些和人工智能有關(guān)的智能硬件能夠很好地幫助學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)、想法物化，使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中加深對(duì)知識(shí)的理解，并運(yùn)用技術(shù)去解決生活中的問(wèn)題。

3.通用智能硬件與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式更有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

將智能硬件融入信息技術(shù)教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展中，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式將創(chuàng)客教育思維引入課堂，能夠更好地實(shí)現(xiàn)新課程教學(xué)改革活動(dòng)，促進(jìn)教育教學(xué)質(zhì)量提升[2]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生在開(kāi)放環(huán)境中有了更加多元的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在信息技術(shù)課堂中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下主動(dòng)地去探索和完成挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在項(xiàng)目制作的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)啟動(dòng)內(nèi)在的學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，積極主動(dòng)地去獲取知識(shí)。將智能硬件融入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中能夠鍛煉學(xué)生解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力、表達(dá)交流的能力以及創(chuàng)新的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生綜合能力的全面培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

教育部關(guān)于印發(fā)《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》的通知 [EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

任建華，趙強(qiáng)，張玉梅 . 信息技術(shù)背景下教育教學(xué)多維度創(chuàng)新體系研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2018（1）： 92-93.