薛慧君+++吳麗影+++張森

【摘 要】隨著中小學(xué)教育機(jī)器人課程、興趣選修課程的開設(shè)，更多的科學(xué)技術(shù)知識逐漸向中小學(xué)生普及。生物特征識別作為人工智能的一部分，也在逐漸融入人們的生活，應(yīng)用范圍也越來越廣。本文通過對《面向人工智能技術(shù)探索的創(chuàng)客培育》系列科普課程中的《虹膜獲取課程》案例進(jìn)行分析，并對此次教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)分析，以期不斷增長經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】虹膜識別；教學(xué)案例；教學(xué)反思

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2017）10-0072-03

隨著指紋識別、人臉識別等安全技術(shù)逐漸深入人們的生活，生物特征識別技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中越來越受到廣泛關(guān)注。為了幫助中小學(xué)生更好地了解科技前沿，把握科技發(fā)展方向，中國科學(xué)院自動化研究所人工智能與機(jī)器人教育聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室與北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)共同開設(shè)了《福爾摩斯科學(xué)探案》系列校本選修課程。該課程以生動有趣的探案故事為線索，為中學(xué)生介紹了生物特征識別、數(shù)字圖像處理等人工智能前沿科學(xué)技術(shù)。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用計算機(jī)模仿人腦所從事的推理、學(xué)習(xí)、思考、問題求解以及規(guī)劃等思維活動，來解決需要人類專家才能處理的復(fù)雜問題，例如診斷、規(guī)劃、預(yù)測等決策性問題[1]。簡言之，它是一門研究運(yùn)用計算機(jī)模擬和延伸人腦功能的綜合性學(xué)科。生物特征識別技術(shù)（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個重要發(fā)展方向，它主要是指通過可測量的身體或行為等生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)[2]。

生物特征識別技術(shù)包括指紋識別、人臉識別、虹膜識別、語言識別、步態(tài)識別等多種技術(shù)，是信息科學(xué)、生物科學(xué)、模式識別科學(xué)等多門學(xué)科的交叉學(xué)科。其中，虹膜識別是生物識別的重要組成部分。

本文以《虹膜識別技術(shù)》課堂教學(xué)為例反思了人工智能前沿科學(xué)在中小學(xué)中開展教育教學(xué)活動的內(nèi)容和方法。

課前分析及目標(biāo)闡明

1. 教學(xué)內(nèi)容分析

此次課程的教學(xué)內(nèi)容主要來源是《福爾摩斯科學(xué)探案——終極追兇（生物特征識別技術(shù)概述）》。此課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，介紹了生物特征識別的概念、歷史、種類及關(guān)鍵技術(shù)。虹膜識別技術(shù)作為生物特征識別的重要組成種類，在整個課程中占有重要位置。本次課程概述了虹膜識別的概念及具體流程。

虹膜識別是生物特征識別中的一個新興的熱門發(fā)展方向，虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域，在紅外光下可以看到豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)、 條紋、 細(xì)絲、隱窩等細(xì)節(jié)特征[3]。

個體的虹膜結(jié)構(gòu)獨(dú)一無二、不具有遺傳性，并且自童年以后，便基本不再變化，使得其非常適合生物識別。有統(tǒng)計表明，到目前為止，虹膜識別的錯誤率是各種生物特征識別中最低的。在包括指紋在內(nèi)的所有生物特征識別技術(shù)中，虹膜識別是當(dāng)前應(yīng)用最為方便和精確的一種[4]。虹膜作為重要的身份鑒別特征，具有唯一性、穩(wěn)定性、可采集性、非侵犯性等優(yōu)點(diǎn).非侵犯性（或非接觸式）的生物特征識別是身份鑒別研究與應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢[5]。

虹膜識別整體包括注冊和認(rèn)證兩個部分。每個部分的過程大體相同，認(rèn)證部分比注冊部分多了一個識別認(rèn)證的過程。

綜合以上兩個部分，虹膜識別的具體過程主要由虹膜圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、識別認(rèn)證四部分組成。該系統(tǒng)的原理圖如圖1所示[6]。虹膜圖像采集是生物特征傳感器通過紅外光源獲取灰度虹膜圖像以便后續(xù)處理的過程。圖像預(yù)處理包括虹膜檢測、活體檢測、圖像質(zhì)量評估、虹膜定位、虹膜歸一化、圖像增強(qiáng)等步驟，其中虹膜定位為其關(guān)鍵步驟，虹膜的定位主要利用瞳孔/虹膜/鞏膜存在較大的灰度跳變并且成圓形的邊緣分布結(jié)構(gòu)特征[7]。虹膜特征提取方法目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，中科院自動化所生物識別與安全技術(shù)研究中心通過拓展原始的定序測量特征（Ordinal Measures）的內(nèi)涵，提出了多極子濾波器的概念，建立了虹膜圖像特征表達(dá)的一般框架，證明了虹膜圖像區(qū)域之間的排序測度特征等價于虹膜物理表面不同位置反光率之間的大小順序關(guān)系，是獨(dú)立于光照、對比度等外界因素的虹膜圖像的本質(zhì)特征[7]。識別認(rèn)證是特征匹配的過程，圖像匹配算法在虹膜斑塊模式的相似性度量中得到成功應(yīng)用[7]。

2. 學(xué)生特征分析

本課程的學(xué)習(xí)者是初中二年級的學(xué)生，根據(jù)皮亞杰的兒童智力發(fā)展階段觀點(diǎn)，他們當(dāng)前的智力水平處于形式運(yùn)算階段。處在這個階段的學(xué)生已經(jīng)具備假設(shè)——演繹思維和系統(tǒng)思維的能力，能夠進(jìn)行抽象思維，但是還需要借助一些具體形象的事物來支持學(xué)習(xí)。同時，他們已經(jīng)具有一定的分析、概括能力、自學(xué)與合作學(xué)習(xí)能力。初中二年級的學(xué)生處于好奇心強(qiáng)烈的階段，對于未知事物有著強(qiáng)烈的求知欲，而且形象思維能力強(qiáng)，強(qiáng)烈的求知欲和好奇心會驅(qū)動他們想要探索虹膜識別中虹膜檢測的奧秘。

初二的學(xué)生在生物課上已經(jīng)學(xué)習(xí)了眼球的結(jié)構(gòu)以及視覺形成的相關(guān)知識，具有足夠的相關(guān)生物學(xué)知識儲備。并且在本次課程前學(xué)生們已經(jīng)學(xué)習(xí)了生物特征識別概念、指紋識別技術(shù)等內(nèi)容，也具有足夠的生物特征識別知識儲備。

3. 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是我們進(jìn)行課程設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，這里采用的是新課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡使用的三維目標(biāo)的表述，主要有：知識與技能；過程與方法；情感、態(tài)度與價值觀。

（1）知識與技能：掌握虹膜的概念；理解虹膜識別的具體流程。

（2）過程與方法：通過對虹膜識別的學(xué)習(xí)，深入認(rèn)識其內(nèi)在的知識技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及創(chuàng)新意識。

（3）情感、態(tài)度與價值觀：通過對新技術(shù)新科學(xué)的學(xué)習(xí)，能夠有效聯(lián)系生活實(shí)際案例，實(shí)現(xiàn)知識與生活的有效融合，形成對科學(xué)的正確認(rèn)識。

教學(xué)過程

1. 創(chuàng)設(shè)情境

本課程以福爾摩斯調(diào)查罪犯故事為背景，通過創(chuàng)設(shè)調(diào)查罪犯的任務(wù)情境，將知識的學(xué)習(xí)貫穿于整體任務(wù)情境中，借此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到對知識進(jìn)行意義建構(gòu)的目的。endprint

設(shè)置問題討論，給出幾幅圖片，提問學(xué)生，你知道虹膜嗎？學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的生物學(xué)知識說出虹膜的位置，結(jié)構(gòu)，功能以及特點(diǎn)。教師進(jìn)一步引導(dǎo)，讓學(xué)生討論計算機(jī)如何識別虹膜。

2. 講授新知

（1）虹膜的概念與識別流程

小組討論，什么是虹膜？計算機(jī)是如何進(jìn)行虹膜識別的？基于已有的知識基礎(chǔ)，學(xué)生可以大致概括出虹膜的概念及識別過程。教師進(jìn)一步引導(dǎo)，進(jìn)而引出基于統(tǒng)計的識別方法。

（2）虹膜識別的課程步驟

教師采用從總體到局部方式講授虹膜概念及識別過程。首先小組討論并通過圖例方式，如圖2所示，介紹虹膜概念，并組織小組觀察各自成員的虹膜；然后給出虹膜識別的具體流程，逐個步驟加以介紹并抽取若干技術(shù)，組織小組成員討論其具體實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。最后總結(jié)虹膜概念及識別流程，引導(dǎo)學(xué)生大膽假設(shè)，創(chuàng)新提出新的虹膜識別技巧。

圖2 虹膜的概念

借助多媒體設(shè)備用動畫形式展現(xiàn)虹膜識別過程，對于超出當(dāng)前學(xué)生認(rèn)知水平的知識用簡單通俗的話語表達(dá)出來，并且用反復(fù)強(qiáng)調(diào)、不斷提問的方式加深學(xué)生的理解。

3. 課堂總結(jié)

本課程的知識內(nèi)容對學(xué)生來說是比較抽象的，具有一定難度。通過虹膜的概念及識別流程，我們所要講授的是一種科學(xué)思考問題的方法而不是某一個關(guān)鍵技術(shù)。

教學(xué)反思

在此次虹膜識別的教學(xué)中，雖然知識點(diǎn)較為抽象，但都與生活息息相關(guān)。教師在教學(xué)過程中突出體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，采用了小組討論，教師講解的教學(xué)方法。小組活動時，教師從旁觀察指導(dǎo)學(xué)生討論方向的正確與否，對于出現(xiàn)的問題，能夠及時地給予指導(dǎo)與建議，幫助學(xué)生及時地解決問題，同時注重關(guān)注學(xué)生間的差異，符合當(dāng)代教育教學(xué)理念的教學(xué)方式。

本節(jié)課力求將學(xué)習(xí)的知識與解決社會問題聯(lián)系起來。在教學(xué)過程中讓學(xué)生感受到知識的實(shí)用性，通過這節(jié)課學(xué)生知道了虹膜識別處理信息的過程和基本原理，感受到了人工智能科學(xué)在生活中的應(yīng)用。還有助于學(xué)生未來的發(fā)展，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣，有可能有的學(xué)生大學(xué)時就會學(xué)習(xí)這個專業(yè)，為人工智能這個領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

本節(jié)課作為校本選修課，時間長達(dá)一個小時，總的來說課堂中學(xué)生的注意力都較集中，學(xué)習(xí)積極性也很高，但在理論性較強(qiáng)的知識講授過程中學(xué)生會顯得不太專心。這個方面需要教師進(jìn)一步思考改進(jìn)，建議學(xué)生能有一些動手動筆的過程，這樣可以使上課的氣氛更好。

本次課程主要是講解虹膜概念及識別流程，讓學(xué)生了解當(dāng)前新興技術(shù)背后的原理知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。即使本課程是作為選修課程進(jìn)行的，但是在科學(xué)知識的普及方面還是有所收獲的。初步統(tǒng)計，70%多的學(xué)生能夠理解相關(guān)技術(shù)的基本思想，這也說明此次課程的教學(xué)是比較成功的。有助于培養(yǎng)學(xué)生積極探索、不斷創(chuàng)新的精神。實(shí)現(xiàn)了知識與實(shí)際生活的有效結(jié)合，對生活實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，對于本課程不完善的地方，還有待改進(jìn)，爭取使我們的課程體系不斷得到更新完善，不斷增長教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，使得教學(xué)工作更上一層樓。endprint