《图像识别技术》教学设计

平阳县鳌江镇第八中学  宋灵素

一、教材分析

《图像识别技术》是信息技术八年级下册第三单元《人工智能》的第四课，主要内容是人工智能技术中一项十分重要的技术：图像识别技术。本课是在学生初步认识了人工智能，学习了语音识别和语音合成技术之后，来学习人工智能模拟人类视觉器官进行图像识别的技术。

本课将从项目《智慧图书馆无卡借阅系统》出发，引导学生学习图像识别的本质、图像识别的应用，培养学生的AI思维，通过《无卡借阅系统》的开发体验，提高学生的AI能力，最后从体验中思考人脸识别技术的安全性和基于人工智能的系统改进，培养学生的信息责任意识和AI伦理意识。

二、 学情简析

本课的授课对象是八年级的学生，学生在小学时学过Scratch图形编程，且在八年级上册接触过一学期的Python代码编程，在七年级学习过图像数字化的过程，为本课的学习打下扎实的知识基础，同时八年级的学生观察力、辨别力迅速发展，抽象逻辑思维向“理论型”思维转化。

三、 学习目标

（1）三维目标

1.      通过列举生活中图像识别技术的场景，能够鉴别使用的图像识别技术。

2.      通过类比人类识图的过程，掌握人工智能图像识别的过程，

3.      通过观看视频，了解卷积神经在特征提取的功能。

4.      通过编写程序，利用人脸识别完成《图书馆无卡借阅系统》项目的设计。

（2）核心素养指向

通过完成《图书馆无卡借阅系统》的程序设计，培养学生的计算思维和数字化学习与创新的能力。

通过对系统安全性的思考，培养学生的信息安全意识，指向信息社会责任。

通过对系统2.0版本升级的思考，提升学生的AI思维。

重点：图像识别的本质和识别过程

难点：特征提取及卷积神经网络的功能。

四、教学过程

环节一：情境创设，项目分析（3分钟）

学习任务：

1.      出示项目，校图书馆凭借阅卡进入图书馆借阅书籍，容易丢失借阅卡，管理员也因为开卡补卡带来的工作量 烦恼，结合人工智能设计借阅系统实现无卡借阅。

2.      项目分析，借阅卡的作用是身份识别。

3.      提出方案：用人脸识别代替借阅卡进行身份识别。

学生活动：

1.      了解图书馆的图书借阅过程及借阅卡的本质作用不是存储数据而是身份识别。

2.      思考身份识别的方式。

学习指导：

1.      通过分析帮助学生理解借阅证的作用。

2.      引导学生思考身份识别的几种方式并且选择最优方式。

关键问题：

1.        借阅证的作用是什么？

2.        有什么方法可以替代借阅证？

设计意图：

通过学生生活中的问题——图书馆借阅卡容易丢失，引出本节课的学习项目。通过对项目中的两个关键性问题分析，引导学生去剖析借阅卡的本质作用是身份识别，再去思考对于学生来说有没有身份识别的最佳方式，引导学生用人工智能的角度来解决问题，培养了学生分析问题、解决问题的能力，也初步养成了学生的人工智能思维。

 

环节二：小组讨论，了解图像识别的应用（5分钟）

学习任务：

1.      了解图像识别的概念。

2.      了解图像识别的分类：文字识别、人体识别和动植物识别。

学生活动：

1.      小组讨论，说一说身边图像识别技术应用的场景。

学习指导：

1.      引导学生分析身边的图像识别技术。

2.      通过教师总结对身边的图像识别技术进行应用的分类。

关键问题：

1.      图像识别技术现在在我们身边已经广泛地应用了，小组讨论说一说你在哪些场合见过图像识别技术呢？

设计意图：

本节课的其中一个教学内容：图像识别技术的应用，其实学生在生活中已经经历了很多图像识别技术的应用，让学生去思考发现身边的图像识别技术的无所不在，通过教师的总结让学生能够鉴别特定的场景所使用的图像识别技术。

 

环节三：类比人类识图，了解图像识别的本质和过程（15分钟）

学习任务：

1.      以人脸识别为例，分析图像识别的过程。

2.      了解图像识别过程中特征提取及卷积神经网络的功能。

学生活动：

1.      猜猜TA是谁，并且说一说你认出TA的过程。

2.      阅读材料，结合人类视图的过程，来完成人工智能进行图像识别的过程。

3.      观看视频，了解卷积神经网络在特征提取的作用。

学习指导：

1.      通过“猜猜TA是谁”的活动，引导学生说出认出TA的过程：看见——看清——观察特征——特征比对——得出结论。

2.      引导学生总结图像识别的过程，并且说说每个过程中的作用。

3.      以视频讲解卷积神经网络在特征提取中的作用。

关键问题：

1.      说说你是怎么认出TA的？

2.      结合人类视图，人工智能又是如何进行图像识别的呢？

3.      关于特征提取，我们知道图像对于计算机而言就是0和1，那么又是怎么在这些数学里提取到特征的呢？

设计意图：

通过活动“猜猜TA是谁”环节，让学生体验人类识别图像的过程，让学生才下发的材料进行自主学习，并且类比人类识图的过程写出人工智能进行图像识别的过程，用自己的话说说每个过程的作用，让学生掌握图像识别的过程。只有掌握了其识别的原理，才能让学生具备AI思维，能够站在人工智能的角度看待身边的事物。

 

环节四：编写程序，进行项目实践（15分钟）

学习任务：

1.      《智慧图书馆无卡借阅系统》人脸识别项目实践。

2.      “识别结果可信度”的拓展探究。

学生活动：

1.      体验使用“人脸识别”进行注册环节。

2.      编写程序，设计使用“人脸识别”进行登录。

3.      利用百度智能云平台，对比给定照片中任意两张照片的相似度。

学习指导：

1.      利用导学单，使用半成品Mind+程序进行编程。

设计意图：

本环节是本课中学生进行项目实践的重要环节，在本环节中设计了两个活动：学生体验使用人脸识别已完成的“注册”程序和使用人脸对比设计“登录”程序。学生对于人脸识别重在体验，编程不是本节课的重点，因此在导学案的设计中，将程序中代码一一列出给予学生参考。在苯环节中，对于学有余力的学生可以去探究为什么“识别结果可信度”要设定为90，在对比给定照片中任意两张照片的相似度进行对比。

 

环节五：拓展提升，系统2.0升级畅想（5分钟）

学习任务：

1.      对系统进行升级2.0版本的畅想

学生活动：

1.      基于人工智能技术的2.0版本的升级畅想。

学习指导：

1.      帮助学生分析其系统升级设想的可实施性及实施原理（如疫情环境下加入口罩识别等）

关键问题：

1.      系统是要不断进行更新迭代的，基于人工智能技术，你想提出系统升级的哪些方案吗？

设计意图：

让学生站在人工智能的角度去思考如何对系统进行升级，进一步提升学生的AI思维，并且能够用人工智能技术去解决身边的现实问题。

 

环节六：课堂小结，总结提升（2分钟）

学习任务：

1.      课堂知识小结

2.      系统中存在的问题（使用照片或视频进行人脸盗刷等）

学生活动：

1.      进行所学总结

2.      思考系统中存在的安全问题。

学习指导：

1.      帮助学生进行课堂知识总结

2.      帮助总结在人脸识别安全方面的注意事项（如不要在未经认证的网站或系统中进行人脸输入、提出现在的人脸识别中加入了活体检测的算法。）

关键问题：

1.      你学会了什么？

2.      系统中存在哪些问题呢？

设计意图：

让学生发现系统存在的问题，指向人脸识别的安全性，提高的学生信息安全意识、渗透信息社会责任。进行知识总结，帮助梳理所学知识。