第三单元 第15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

第15课 面容钥匙显智能 课 题 第三单元 第15课 面容钥匙显智能 应到人数 实到人数 课 型 新授课 备课时间 上课时间 教 材 分 析 本节课是八年级全一册中物联网实践与探索单元的重要课程，主要聚焦于人脸识别技术在刷脸开锁及物联考勤系统中的应用。人脸识别技术作为人工智能与物联网深度融合的典型代表，在现代智能家居、安防等领域发挥着关键作用。通过本节课的学习，学生能够深入了解人脸识别的原理和实现过程，掌握刷脸开锁功能的模拟实现方法，进而体会人工智能为生活带来的便捷与智能，同时为后续学习更复杂的智能物联网系统奠定基础，提升学生在物联网和人工智能交叉领域的实践能力和创新意识。 学 情 分 析 学生在之前的课程中已经学习了物联网的基本概念、MQTT 协议、远程控制等相关知识，对物联系统的组成、数据传输和控制机制有了一定的了解，但对于人脸识别技术的原理、算法以及如何将其应用于物联网系统实现刷脸开锁等功能缺乏深入认识。他们具备一定的编程基础和逻辑思维能力，但在面对新的硬件设备（如摄像头在人脸识别中的应用）和复杂的功能实现（如人脸识别算法与物联网技术的融合）时，需要进一步学习和实践。 核 心 素 养 目 标 信息意识：学生能够通过学习刷脸开锁功能，深刻认识到人脸识别技术在智能家居和安防领域的重要性，增强对人工智能与物联网融合技术改善生活便利性的敏感度，主动关注人脸识别技术在其他场景中的应用，培养积极探索智能物联网技术提升生活品质的意识。 计算思维：引导学生思考如何优化刷脸开锁功能（如提高人脸识别准确率、加快开锁速度），理解其如何通过计算和编程技术实现更高效、智能的控制，提升计算思维在智能物联系统功能优化中的应用能力，培养运用计算思维解决物联网应用实际问题的意识，如改进人脸识别算法或优化 MQTT 服务器的配置。 数字化学习与创新：引导学生在拓展与提升活动中，发挥创意，设计物联考勤系统，通过实践活动培养创新思维和实践能力，如考虑考勤系统的功能需求、硬件选择、软件设计以及与物联网技术的结合方式，同时鼓励学生参与物联网相关的创新实践项目，提升学生在数字化环境下的创新实践精神。 信息社会责任：通过讨论人脸识别技术对社会生活的影响（如提高门禁安全性、优化考勤管理），培养学生的社会责任感，使其认识到物联网与人工智能技术在推动社会发展和改善生活质量方面的重要作用，鼓励学生积极关注物联网和人工智能技术的发展，为其合理应用和社会发展贡献力量，如宣传人脸识别安全知识，倡导智能、安全的物联网应用。 教学重点 掌握刷脸开锁功能的模拟实现方法，包括硬件连接（主控板、摄像头、舵机与计算机的连接）、软件设置（人脸识别平台的 MQTT 设置、服务器项目建立）、程序编写（判断识别人脸数据并控制舵机开锁的程序）以及功能测试（确保摄像头能够准确采集人脸数据、人脸识别准确且舵机正确转动开锁），能够熟练完成整个刷脸开锁功能的实现流程，提高学生的动手能力和实践应用能力。 教学难点 培养学生在刷脸开锁及物联考勤系统设计中的创新思维和综合应用能力，如在拓展与提升部分，引导学生设计物联考勤系统，涉及到系统需求分析、硬件选型、软件设计、数据传输与处理等多方面知识和技能的综合应用，提高学生解决实际问题的能力和创新能力，激发学生对物联网与人工智能技术创新应用的兴趣。同时，培养学生在设计和实现物联网应用时充分考虑信息安全和隐私保护的意识，使其能够有效防范人脸识别技术可能带来的数据安全风险。 教 法 讨论交流、讲解法、演示法、任务驱动法 学 法 交流讨论法、动手实践 教学准备 教师准备可联网的计算机 学生准备:预习本节课内容 教 学 过 程 二次备课 三次备课 一、新课导入 回顾之前学习的门锁开锁方式（如传统钥匙开锁、刷卡开锁、远程控制开锁），提问学生：“随着科技的发展，现在有一种更加智能的开锁方式 —— 刷脸开锁，你们知道它是如何实现的吗？” 引发学生对刷脸开锁功能的兴趣。 展示一些刷脸开锁在智能家居、门禁系统等场景中的应用图片或视频，强调刷脸开锁为人们生活带来的便捷和安全，引出本节课的主题 —— 面容钥匙显智能，让学生对即将学习的人脸识别技术和刷脸开锁功能充满期待。 1. 2. 3. 二、讲授新课 学习活动1 组织学生分组观察小组成员的五官特点，引导学生仔细描述每个成员的眉毛（浓密、稀疏等）、眼睛（双眼皮、单眼皮等）、鼻子（高鼻梁、鹰钩鼻等）、嘴（厚嘴唇、薄嘴唇等）、脸型（圆脸、方脸、瓜子脸等）特征，并记录下来。通过这种方式，让学生从直观上感受人脸特征的多样性，为理解机器识别人脸的原理奠定基础。 引导学生将自己或小组成员不同角度的照片分别上传到人脸识别平台（如百度 AI 开放平台等提供的在线人脸识别服务），体验人脸识别功能。在上传照片过程中，提醒学生注意照片的清晰度和角度，以确保人脸识别的准确性。学生上传照片后，观察平台对人脸的检测、特征点提取和身份判断结果，教师引导学生思考机器识别人脸的步骤，如平台是如何找到人脸并框出的、提取了哪些特征点、如何根据这些特征点判断身份等，培养学生的观察能力和对人脸识别技术的初步认识。 结合学生在人脸识别平台上的体验，详细讲解人脸识别的过程：首先，系统对输入的图像进行人脸检测，通过特定的算法在图像中寻找人脸的位置和轮廓，并将其框出；然后，使用算法提取人脸图像中的特征点，这些特征点包括眼睛、鼻子、嘴巴等五官的位置、形状、间距等信息，通过对这些特征点的分析，可以识别出人的表情、年龄等特征；最后，根据预先设置的匹配算法和条件，将提取的特征点与数据库中存储的人脸特征进行比对，判断输入人脸的身份。在讲解过程中，使用简单的示意图展示人脸检测、特征点提取和身份判断的过程，帮助学生理解人脸识别的原理，将抽象的概念具象化，培养学生的抽象思维能力。 学习活动2 指导学生运行人脸识别平台（如选择合适的在线平台或本地搭建的人脸识别软件），介绍平台的界面布局和主要功能模块，如人脸采集、人脸库管理、人脸识别设置等。选择人脸匹配模块，向学生讲解如何通过摄像头拍摄或上传图片的方式添加人脸库，强调添加人脸库时照片的质量要求（如正面、清晰、无遮挡）以及如何对人脸进行标注和分类，方便后续识别。在设置过程中，提醒学生注意保护个人隐私，避免上传他人照片或敏感信息。 学生将面部对准摄像头，观察平台是否能够准确识别人脸并给出匹配结果。在测试过程中，引导学生尝试不同的角度、表情和光照条件，观察人脸识别的准确性和稳定性。如果出现识别失败的情况，教师引导学生分析可能的原因，如光线太暗、面部遮挡、照片质量差等，并尝试调整环境或重新采集照片进行测试。通过实际测试，让学生深入了解人脸识别功能的实现过程和影响因素，培养学生的实践操作能力和问题解决能力。 学习活动3 指导学生在 MQTT 服务器中建立项目，设置项目名称、描述等信息。在人脸识别平台中进行 MQTT 设置，填写之前记录的主题、设备 ID、用户名和密码，以及 MQTT 服务器的 IP 地址和端口，确保人脸识别平台能够与 MQTT 服务器进行通信，实现数据的传输和交互。在设置过程中，提醒学生注意参数的准确性，避免因参数错误导致通信失败，培养学生的网络配置能力和细心认真的学习态度。 展示图 15.2 中的代码，向学生详细讲解刷脸开锁的程序逻辑。首先，定义 open 函数，用于控制舵机转动模拟开锁动作，包括将舵机转动到 180° 位置（模拟开锁），等待 1.5 秒后再转回 0° 位置（模拟锁关闭）。然后，定义 receivedfunction 函数，它是用于处理接收到的主题消息的回调函数，当收到 MQTT 服务器主题的消息时，该函数将被自动调用。在函数内部，通过 mqttclient.message 函数获取接收到的消息内容，并使用 ujson.loads 函数将消息解析为字典格式，判断字典中 "status" 的值是否为 1，如果是，则表示识别到人脸库中的人脸，调用 open 函数执行开锁动作。最后，通过 mqttclient.received 函数绑定接收事件，指定当订阅的主题收到消息时，执行 receivedfunction 函数来处理消息。在讲解过程中，引导学生理解程序如何实现对人脸识别结果的接收、判断和控制舵机开锁动作，培养学生的编程逻辑理解能力。 指导学生将主控板、摄像头、舵机进行正确连接，确保硬件设备能够正常工作且相互通信。连接完成后，将编写好的程序烧录到主控板中，进行刷脸开锁功能的整体测试。学生将面部对准摄像头，观察系统是否能够准确识别人脸并控制舵机转动开锁。如果出现问题，如人脸识别失败、舵机不转动或转动异常等，教师引导学生从硬件连接（如摄像头是否正常工作、主控板与舵机的连接是否正确）、软件设置（如 MQTT 服务器参数是否正确、人脸识别平台设置是否准确）、程序代码（如人脸识别判断逻辑是否正确、舵机控制函数是否无误）等方面进行排查和优化，确保刷脸开锁功能能够稳定、准确地实现。在测试成功后，鼓励学生思考如何优化刷脸开锁功能，如提高人脸识别的速度和准确率、增加开锁提示音等，培养学生的功能优化意识和创新思维能力。 三、拓展与提升 提出设计物联考勤系统的任务，引导学生分析系统的功能需求，如准确识别人脸、获取学生学号、将考勤信息实时推送到教师端设备等。组织学生讨论实现这些功能需要的硬件设备（如摄像头、主控板、显示屏等）和软件技术（如人脸识别算法、MQTT 通信、数据存储与处理），让学生明确设计方向，培养学生的需求分析能力。 参考拓展与提升部分提供的实现思路，指导学生进行物联考勤系统的设计与实现。学生分组进行硬件连接和软件编程，主控板 A 连接摄像头采集人脸数据，将识别到的学生学号存储在列表中，并发布到相应主题；主控板 B 订阅主题，在字典中存入人脸 ID 号与学生姓名的对应关系，当收到消息时，在显示屏上显示 “某某已签到”。在实现过程中，教师巡视各小组，为学生提供技术指导和问题解决支持，如帮助学生解决人脸识别算法的优化问题、数据传输的稳定性问题、显示屏显示的格式问题等。每个小组完成系统实现后，进行功能测试，确保考勤系统能够准确识别学生人脸并推送考勤信息到教师端，培养学生的综合应用知识能力和创新实践能力。 四、教学反思 在刷脸开锁程序编写环节，学生对代码中人脸识别结果判断部分（如 ujson.loads 函数和字典中 "status" 值的判断）理解困难，导致在调试程序时无法准确定位问题。教师在讲解代码时，应更加详细地解释这部分代码的逻辑和作用，结合实际的人脸识别数据格式，让学生明白如何从接收到的消息中获取有效的识别结果信息。此外，对于编程基础较薄弱的学生，可以提供更多的代码注释和示例，帮助他们逐步理解和掌握程序编写技巧。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$