第十五课 面容钥匙显智能 教学设计 2024—-2025学年人教版（2024）初中信息科技八年级全一册

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八年级信息技术义务教育版教学设计
课题 面容钥匙显智能 单元 第三单元 学科 信息技术 年级 八年级
学习目标 1.深入理解人脸识别技术的原理，清晰阐述机器识别人脸的基本过程，包括人脸图像采集、特征提取、特征匹配与身份识别，掌握人脸识别系统关键步骤和要求。2.熟练掌握利用摄像头采集人脸数据的方法，能够正确搭建实验环境，包括连接摄像头与计算机，熟练操作人脸识别平台进行人脸图像采集、特征点提取、人脸对比及人脸库管理，确保人脸数据的有效获取和处理。3.学会分析刷脸开锁功能的模块组成（输入、计算、输出模块），精准掌握各模块的硬件构成和功能实现细节，能够独立完成刷脸开锁功能的模拟实现，包括硬件连接、程序编写与调试，实现从人脸数据采集到门锁控制的完整流程。4.熟练运用MQTT协议进行数据通信，实现人脸识别端与门锁控制端的数据交互，确保刷脸开锁系统的稳定运行，具备解决实际应用中常见问题的能力。
重点 1.人脸识别技术的原理及机器识别人脸的基本过程，使学生深刻理解人脸识别的核心机制，这是掌握刷脸开锁及其他相关应用的关键所在。2.利用摄像头实现人脸识别的操作方法，包括实验环境搭建、人脸数据采集与处理、人脸库管理以及与MQTT服务器的结合应用，确保学生能够熟练运用摄像头和相关软件平台实现有效的人脸识别功能。3.刷脸开锁功能的模拟实现，包括系统架构设计、功能模块划分、利用MQTT协议实现数据交互和控制动作的编程实现及硬件连接和调试，确保学生能够成功构建刷脸开锁系统，体验物联系统的智能控制功能，掌握物联系统开发的基本技能。
难点 1.深入理解人脸识别算法中特征提取与匹配的原理，涉及到复杂的图像处理和数学模型，学生理解和掌握起来具有一定难度。2.在实践操作中，正确搭建和优化人脸识别系统的实验环境，确保摄像头、计算机、人脸识别平台、MQTT服务器之间的协同工作稳定高效，需要学生具备扎实的硬件知识、软件操作能力和网络配置技能，对学生的综合技术能力要求较高。3.全面理解刷脸开锁系统的安全性和隐私保护问题，包括人脸数据存储安全、传输加密、防止人脸伪造等方面，以及在系统设计中如何平衡安全性与用户体验，需要学生综合考虑技术、伦理和法律等多方面因素，从系统整体角度进行深入分析和设计，对学生的系统思维能力和安全意识提出了较高挑战。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 展示问题情境中门锁从传统钥匙开锁到智能开锁方式的演变，重点突出刷脸开锁的便捷与安全优势，提问学生刷脸开锁是如何实现的，引发学生对人脸识别技术的好奇，引出本节课的主题——人脸识别技术在刷脸开锁中的应用，激发学生的学习兴趣，让学生明确本节课将深入探究人脸识别技术如何让门锁变得更加智能。 倾听老师引入相关问题 激发学生的学习兴趣，让从问题中进行思考，从而引出本节课的学习内容
讲授新课 一一、认识人脸识别1.播放科普视频展示人脸的五官特征，组织学生进行观察同桌五官特征并描述的活动，引导学生思考人类识别人脸的方式，如眼睛捕捉图像、大脑分析特征并匹配记忆中的人脸等，培养学生的观察和思考能力。2.开展“猜猜他是谁”的小游戏，通过让学生根据描述的五官特征猜测同学身份，进一步加深学生对人脸特征在身份识别中作用的理解，为理解机器识别人脸过程做好铺垫。3.组织学生分组观察小组成员不同角度的照片，上传至人脸识别平台体验人脸识别功能，引导学生思考机器识别人脸的步骤，小组讨论后总结：机器识别人脸首先要采集人脸图像，然后提取人脸的局部特征（如眉毛、眼睛、鼻子、嘴等）和整体轮廓，最后与已存储的人脸特征进行匹配，识别出身份，教师进行补充和完善，确保学生理解机器识别人脸的基本过程，培养学生的归纳总结和逻辑思维能力。4.讲解人脸识别技术的定义，强调其是基于人的脸部特征数据进行身份识别的生物识别技术，以及一个完整的人脸识别系统要求计算机能够进行人脸定位、特征分析、匹配人脸等三个关键步骤，使学生对人脸识别技术有初步的理论认识。二、利用摄像头实现人脸识别1.实践操作环节：搭建实验环境：介绍实验所需硬件（摄像头和计算机），展示摄像头与计算机的连接方法，确保学生能够正确连接设备，为后续人脸数据采集做好准备。讲解人脸识别平台的功能（如采集人脸图像、识别人脸、人脸对比等）和操作界面，引导学生熟悉平台的基本操作，如登录、界面导航等。实现人脸匹配功能：教师演示运行人脸识别平台，选择人脸匹配模块，通过摄像头实时采集或上传图片的方式添加人脸库的操作过程，强调不同平台操作可能存在差异，提醒学生注意观察和记录操作步骤，同时讲解人脸库管理的基本操作（如添加、删除人脸等）。学生分组进行操作，将自己或小组成员的面部对准摄像头，观察人脸匹配结果，教师巡视各小组，及时帮助学生解决遇到的问题（如摄像头驱动问题、平台操作不熟悉等），确保每个学生都能成功体验人脸匹配功能，培养学生的实际操作能力和问题解决能力。三、探究刷脸开锁功能1.分析刷脸开锁功能的模块组成，通过表格形式讲解各模块硬件构成和功能：输入模块：硬件：摄像头。功能：采集人脸数据，利用人脸识别算法进行识别处理后，将识别结果（如是否为授权人员）发布消息至MQTT服务器相应主题。计算模块：硬件：具备移动热点功能的计算机。功能：搭建MQTT服务器，设置主题，实现数据的存储、管理和分发，确保人脸识别端与门锁控制端之间的数据准确传输。输出模块：硬件：主控板和舵机。功能：主控板订阅MQTT服务器相应主题，当收到开门指令（即识别为授权人员）后，控制舵机转动实现开锁动作。2.模拟实现刷脸开锁功能：搭建实验环境：教师指导学生设置无线网络，确保设备能够正常联网通信，讲解网络设置中的关键参数和注意事项，如SSID、密码等。演示搭建本地MQTT服务器的过程，包括安装相关软件（如SIoT等）、进行配置（如设置服务器地址、端口号、用户名和密码等），强调服务器配置的重要性和常见问题的解决方法，让学生了解服务器搭建的基本步骤，学生分组进行操作，教师巡视指导，确保每个小组都能成功搭建服务器。引导学生登录人脸识别平台，配置MQTT相关参数（如服务器地址、主题等），确保人脸识别平台能够与MQTT服务器正常通信，实现数据交互。教师演示启动web版摄像头页面，采集人脸到库中的操作，学生按照步骤进行操作，确保人脸数据能够准确采集并存储到人脸库中，为后续识别做准备。模拟实现刷脸开锁功能：教师提供部分刷脸开锁功能实现的主要代码（如舵机控制函数、MQTT消息接收处理函数等），逐行解释代码含义，引导学生理解代码逻辑，重点讲解如何根据人脸识别结果控制舵机动作，以及如何与MQTT服务器进行数据交互。学生根据教师讲解补充完善程序，根据实际硬件连接调整相关参数（如舵机控制引脚等），将编写好的程序烧录到主控板中，教师检查学生程序代码和硬件连接，确保无误后进行下一步操作。学生进行测试验证，站在摄像头前进行刷脸操作，观察门锁是否能够正确开锁，若出现问题，小组内共同分析原因（如人脸采集不清晰、程序逻辑错误、服务器通信故障等）并解决，教师巡视各小组，对普遍问题进行集中讲解和指导，确保每个小组都能成功实现刷脸开锁功能，让学生体验到物联系统的智能控制效果，增强学生的实践成就感。 认识人脸识别、人脸开锁等相关的面容钥匙的相关知识 通过几个学习活动让学习开始掌握本节课的重点及难点
课堂练习 提出问题：“在模拟刷脸开锁功能的过程中，你遇到了哪些困难？如何解决的？你认为刷脸开锁系统在安全性和隐私保护方面存在哪些问题？如何改进？”组织学生分组讨论，鼓励学生分享实践中的经验和问题，如摄像头图像质量问题的解决方法、程序调试中遇到的逻辑错误等，引导学生思考刷脸开锁系统可能存在的安全隐患（如人脸数据泄露风险、人脸伪造攻击、系统漏洞导致非法开锁等）以及相应的改进措施（如加密存储和传输人脸数据、采用活体检测技术防止伪造、定期更新系统软件和算法等），培养学生的问题解决能力和安全意识。每个小组推选一名代表发言，分享小组讨论结果，其他小组可以进行补充和提问，教师进行总结和点评，强调在物联系统设计中安全和隐私保护的重要性，鼓励学生在今后的学习和实践中注重系统的安全性设计，树立正确的技术应用价值观。 提出相关问题，学生之间进行讨论与思考，进一步扩展所学知识 进一步拓展本节课的学习知识
课堂小结 1.与学生一起回顾本节课的重点内容，包括人脸识别技术的原理（人脸图像采集、特征提取、特征匹配与身份识别）、利用摄像头实现人脸识别的操作方法、刷脸开锁功能的工作流程（输入 - 计算 - 输出模块的数据交互）和模拟实现过程，强调人脸识别技术在智能门锁及物联网应用中的重要作用和发展趋势。2.提问学生：“通过本节课的学习，你对人脸识别技术和刷脸开锁功能有了哪些新的认识？在生活中你还能想到哪些人脸识别技术的应用场景？”引导学生总结自己的学习收获，加深对知识的理解和应用能力，同时培养学生对物联网和人工智能技术在生活中应用的观察力和创新思维。 引导学生总结自己本节课的学习收获 对本节课的学习进行总结
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