将智能硬件融入高中信息技术教学的实践

陈宝杰

【摘 要】创客教育是一种新兴的教学形式，学生运用各种资源、工具让创意成为现实。在信息技术教学中可以借助创客教育中丰富的智能硬件资源，借鉴创客教育的优秀元素，在提高学生信息素养的同时，培养学生的实践与创新能力。本文以“人脸识别作品制作”为例，阐述了将智能硬件融入高中信息技术课堂教学的做法。

【关键词】智能硬件;人脸识别;信息技术教学;创客教育;创新能力

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）012-055-04

案例背景

2017年教育部印发的《中小学综合实践活动课程指导纲要》中提到，高中课程的培养目标是学生能从个体生活、社会生活及与大自然的接触中获得丰富的实践经验，形成并逐步提升对自然、社会和自我之间内在联系的整体认识，使学生具有价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等方面的意识和能力。其中的创意物化是指学生积极参与动手操作实践，熟练掌握多种操作技能，综合运用技能解决生活中的复杂问题。在教学中要增强学生创意设计、动手操作、技术应用和物化能力，提高学生解决实际问题的能力[1]。

笔者所在的首都师范大学附属密云中学属于北京市郊区高中校，自2016年起开设了“App Inventor手机编程”“Arduino创意制作”“3D创意设计”“机器人与人工智能”等创客课程。笔者近几年来一直致力于将智能硬件融入高中信息技术教学的实践探索。如从2018年起借助Micro：bit开展了Python程序教学，从2020年起借助Arduino及人工智能传感器实施了人工智能教学等。

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确提出，要让学生感受人工智能的魅力，使学生走进人工智能的世界，了解人工智能对整个社会的贡献，体验人工智能更深层次的应用，培养创新思维。因此，智能硬件的使用是开展人工智能教学很好的尝试。

本案例是人教版《数据与算法》教材中的第四章“走进智能时代”的内容。主要采用项目制作的方式，学生通过使用开源硬件Arduino开发板、二哈识图传感器以及舵机、LED等电子器件来制作一个人脸识别项目。学生们在课堂上将想法物化，在制作中提出自己的问题并解决问题，体验从确定需求到完成制作这样一个作品制作的过程。在动手实践中，学生加深对人工智能技术的感受，产生对人工智能在生活中应用安全性的思考，提升作为一个信息时代公民的责任感和使命感。

案例描述

在导入环节，我首先请学生们说一说身边有哪些人脸识别应用。学生会积极思考生活中人脸识别的应用，如手机解锁、支付宝的刷脸支付、疫情期间社区门口的人脸识别测温等生活现象。学生们互相启发，积极踊跃地述说着人脸识别在我们身边的应用。这个环节将学生拉进了生活之中，学生们认识到人工智能已经走进我们的生活，不再遥不可及。

“人脸识别的应用还真不少，那么同学们是否想过为什么人脸识别技术会得到如此广泛的应用？它究竟具有哪些特点呢？”我进一步引导学生思考人脸识别的特点。学生们回答：“疫情时期人脸识别可以杜绝接触，避免了病毒的传播。”“人脸识别用起来很方便，不像按指纹之类让人有不舒服的感觉。”“定位准，能准确定位就是这个人。”“一次能采集到很多人的脸。”

我和学生一起总结出人脸识别功能具有的特点：采集友好性（非强制性）、身份唯一性（生物特征识别技术）、非接触性（特别是疫情时期）、并发性（同时多个采集、进行人脸分拣、判断和识别）。学生了解了人脸识别的特点就能够依据这些特点进行作品设计了，这为作品的主题确定进行了很好的铺垫。

第二个环节，让学生明确人脸识别系统的组成，这样在后期制作中就会了解人脸识别的过程。“你们了解人脸识别系统吗？”我继续发问。

随后，我给学生们列举了一个真实的例子，就是我所在小区门口的人脸识别应用设备。“每次老师经过的时候屏幕上会有一个人脸识别框，但是屏幕只是告诉我温度是多少，并没有给出我是否是小区的住户等信息。这是为什么？”学生会说没有存储人脸信息。我顺势引出人脸识别的原理与过程，即人脸图像采集及检测→人脸图像预处理→人脸图像特征提取→人脸图像匹配与识别。所以，制作一个人脸识别系统，首先要进行人脸信息的采集存储，然后进行算法设计，这样人脸识别后仪器就会呈现出具体的结果或反应。

第三个环节，学生作品设计与制作。我将有可能使用的器材与设备提供给学生（图1），具体如下。

主控板：Arduino开发板。

输入设备：二哈识图传感器。

输出设备：Oled显示屏、舵机、Led灯等。

明确了需要使用的器材后，各小组要确定自己的作品主题。我运用思维导图的方式和学生讨论了如何从人脸识别的特点出发进行作品主题的确定。思维导图能够帮助学生打开思路，引导学生充分利用人脸识别的特點来确定创意、解决问题。比如依据身份唯一性，可以设计一个帮助寻找走失的老人或儿童的作品;依据传感器一次可以采集多张人脸的并发性特点，可以设计一个在特定地点检测人群密集度的作品，如检测地铁口、班级的人群密度等。

在制作过程中涉及的主要技术就是人脸识别传感器的使用、人脸识别程序的编写，但这些都不是教学的重点。我希望学生在实践中思考生活，能够运用简单的人脸识别技术激发创意想法，设计出能够解决问题的方案，同时增强他们作为信息时代公民的责任感。所以在制作过程中我将技术成分弱化，在自学材料中提供Mind+中对人脸识别的简单示范程序（如图2）供学生参考。学生根据自己的作品主题对范例程序进行修改和补充，由此降低了学生对人脸识别编程的难度，将重点落在作品的设计和想法的实现上。

图2  示例程序

学生在制作的过程中要填写项目书，即依据设计思维的五个步骤来完成：确定适用人群→确定需求→作品雏形→作品制作并调整→展示与汇报，其具体内容如下。

确定适用人群：描述应用场景、针对人群;

确定需求：以同理心的方式，如果我是那个角色，我的感受是什么，我需要什么。

作品雏形：绘制草图及功能。

作品制作及调整：调试作品，总结遇到的困难及解决办法。

展示与汇报：分享经验。

第四个环节，展示与汇报。各小组进行作品的展示和汇报。我请小组成员阐述该组人脸识别作品应用的场景、解决的主要问题、作品的功能以及后期要进一步完善的地方，并进行现场演示。学生汇报的作品主题有“公司考勤系统”“上课考勤”“走失儿童识别”“罪犯识别系统”“地铁人群密集提示系统”等。

“公司考勤系统”小组制作的作品实现了公司人员人脸考勤功能，后期想加上通信技术，将考勤结果实时同步给公司主管。

“上课考勤”小组制作的作品主要是想解决大学课堂上学生冒名签到等问题，后期想加上数据库数据收集和统计功能。

“走失儿童识别”小组制作的作品想法是在交通要处设立摄像头，识别出走失儿童的人脸，来帮助那些在茫茫人海中苦心寻找孩子的父母。后期可以将走失儿童人脸和其父母手机建立联系，一旦发现第一时间请父母进行确认。

“罪犯识别系统”小组制作的作品，想为社会安全和稳定贡献一份力量。

“地铁人群密集提示系统”小组制作的作品中识图传感器能够一次性获取多张人脸，通过人脸计数功能，实时地播报人群密集程度，对于疫情期间人群密集起到很好的提示作用。

最后一个环节是总结与反思。学生制作了应用于各种场景的人脸识别作品，在此过程中一定会产生很多思考。例如，对于人脸识别的安全问题，有的学生会提出人脸识别考勤系统会不会有人拿照片来以假乱真。我顺势引出加强人脸识别安全性的扩展知识——人脸识别与活体检测技术。通过播放1分钟短视频，使学生了解活体检测三大技术动作指令：活体检测（配合式，如眨眼等）、静默活体检测（录一段视频）和双目活体检测技术（可见光+近红外）。这些技术在我们生活中也有很多应用，学生会有似曾相识的感觉。通过这三种技术的展示，学生会发现技术在不断进步，人脸识别技术的安全性在不断加强。

教学反思

这是一个将智能硬件融入高中信息技术教学的案例，我尝试在信息技术课堂中加入人工智能硬件来开展人工智能方面的教学，在教学实践中有如下体会。

1.借助智能硬件让信息技术教学内容更丰富，更具生动性

创客教育中有各种优秀的智能硬件，如Micro：bit、Arduino主板及各种用于互动的具有输入、输出功能的传感器等。随着人工智能教育的兴起，又增加了人脸识别、物体分类、物体追踪的识图传感器以及语音识别、语音合成等器件。在信息技术教学中使用智能硬件，使更多的学生有机会接触这些有趣的资源，有机会享受创造的乐趣。在动手操作的过程中，会调动学生多种感官，使其大脑接受多方面的刺激并做出反应。学生拥有了更多动手操作的机会，他们在实践中融会贯通地理解知识、运用知识。学生参与课堂活动的主动性更强，信息技术课堂也因此充满了活力。将智能硬件巧妙地引入课堂不仅丰富了信息技术课的教学内容，也给信息技术教学注入了新的活力，使之更具生动性。

2.借助智能硬件可以架起学习与生活的桥梁，培养学生解决实际问题的能力

创客教育中的资源，如开发板、传感器以及涉及外观造型的技术，都是物化创意的有效工具，这些资源都有助于学生接近生活、思考生活和创造生活。我们可以根据信息技术教学内容的需要，在课堂教学中灵活地将智能硬件引入，可以增强信息技术课堂的时代性和生活感。本文案例中学生使用智能硬件制作人脸识别作品，不仅有利于对人工智能技术的了解，也拉近了人工智能与学生的距离。学生会觉得人工智能不再遥远，人工智能理论也不再是深奥难懂，人工智能技术是可以驾驭的。这些和人工智能有关的智能硬件能够很好地帮助学生进行创意设计、想法物化，使学生在动手实践中加深对知识的理解，并运用技术去解决生活中的问题。

3.通用智能硬件与项目式学习的方式更有利于学生综合能力的培养

将智能硬件融入信息技术教学可以促进学生综合能力的发展。在实际教学活动开展中，采用项目式学习方式将创客教育思维引入课堂，能够更好地实现新课程教学改革活动，促进教育教学质量提升[2]。项目式学习让学生在开放环境中有了更加多元的学习体验，在信息技术课堂中，学生在教师的引导下主动地去探索和完成挑战性的任务。在项目制作的过程中，学生会启动内在的学习驱动力，积极主动地去获取知识。将智能硬件融入项目式学习中能够锻炼学生解决问题的能力、团队合作的能力、表达交流的能力以及创新的能力，能够实现学生综合能力的全面培养。

参考文献

教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知 [EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

任建华，赵强，张玉梅 . 信息技术背景下教育教学多维度创新体系研究[J]. 河北工程大學学报：社会科学版，2018（1）： 92-93.