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【摘 要】随着中小学教育机器人课程、兴趣选修课程的开设，更多的科学技术知识逐渐向中小学生普及。生物特征识别作为人工智能的一部分，也在逐渐融入人们的生活，应用范围也越来越广。本文通过对《面向人工智能技术探索的创客培育》系列科普课程中的《虹膜获取课程》案例进行分析，并对此次教学过程进行总结分析，以期不断增长经验，不断改进教学。
【关键词】虹膜识别；教学案例；教学反思
【中图分类号】G434 【文献标识码】B
【论文编号】1671-7384（2017）10-0072-03
随着指纹识别、人脸识别等安全技术逐渐深入人们的生活，生物特征识别技术在现实中越来越受到广泛关注。为了帮助中小学生更好地了解科技前沿，把握科技发展方向，中国科学院自动化研究所人工智能与机器人教育联合实验室与北京师范大学附属实验中学共同开设了《福尔摩斯科学探案》系列校本选修课程。该课程以生动有趣的探案故事为线索，为中学生介绍了生物特征识别、数字图像处理等人工智能前沿科学技术。
人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、学习、思考、问题求解以及规划等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题，例如诊断、规划、预测等决策性问题[1]。简言之，它是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。生物特征识别技术（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個重要发展方向，它主要是指通过可测量的身体或行为等生物特征进行身份认证的一种技术[2]。
生物特征识别技术包括指纹识别、人脸识别、虹膜识别、语言识别、步态识别等多种技术，是信息科学、生物科学、模式识别科学等多门学科的交叉学科。其中，虹膜识别是生物识别的重要组成部分。
本文以《虹膜识别技术》课堂教学为例反思了人工智能前沿科学在中小学中开展教育教学活动的内容和方法。
课前分析及目标阐明
1. 教学内容分析
此次课程的教学内容主要来源是《福尔摩斯科学探案——终极追凶（生物特征识别技术概述）》。此课程以福尔摩斯调查罪犯故事为背景，介绍了生物特征识别的概念、历史、种类及关键技术。虹膜识别技术作为生物特征识别的重要组成种类，在整个课程中占有重要位置。本次课程概述了虹膜识别的概念及具体流程。
虹膜识别是生物特征识别中的一个新兴的热门发展方向，虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区域，在红外光下可以看到丰富的纹理信息，如斑点、 条纹、 细丝、隐窝等细节特征[3]。
个体的虹膜结构独一无二、不具有遗传性，并且自童年以后，便基本不再变化，使得其非常适合生物识别。有统计表明，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。在包括指纹在内的所有生物特征识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种[4]。虹膜作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性、非侵犯性等优点.非侵犯性（或非接触式）的生物特征识别是身份鉴别研究与应用发展的必然趋势[5]。
虹膜识别整体包括注册和认证两个部分。每个部分的过程大体相同，认证部分比注册部分多了一个识别认证的过程。
综合以上两个部分，虹膜识别的具体过程主要由虹膜图像采集、图像预处理、特征提取、识别认证四部分组成。该系统的原理图如图1所示[6]。虹膜图像采集是生物特征传感器通过红外光源获取灰度虹膜图像以便后续处理的过程。图像预处理包括虹膜检测、活体检测、图像质量评估、虹膜定位、虹膜归一化、图像增强等步骤，其中虹膜定位为其关键步骤，虹膜的定位主要利用瞳孔/虹膜/巩膜存在较大的灰度跳变并且成圆形的边缘分布结构特征[7]。虹膜特征提取方法目前没有统一的标准，中科院自动化所生物识别与安全技术研究中心通过拓展原始的定序测量特征（Ordinal Measures）的内涵，提出了多极子滤波器的概念，建立了虹膜图像特征表达的一般框架，证明了虹膜图像区域之间的排序测度特征等价于虹膜物理表面不同位置反光率之间的大小顺序关系，是独立于光照、对比度等外界因素的虹膜图像的本质特征[7]。识别认证是特征匹配的过程，图像匹配算法在虹膜斑块模式的相似性度量中得到成功应用[7]。
2. 学生特征分析
本课程的学习者是初中二年级的学生，根据皮亚杰的儿童智力发展阶段观点，他们当前的智力水平处于形式运算阶段。处在这个阶段的学生已经具备假设——演绎思维和系统思维的能力，能够进行抽象思维，但是还需要借助一些具体形象的事物来支持学习。同时，他们已经具有一定的分析、概括能力、自学与合作学习能力。初中二年级的学生处于好奇心强烈的阶段，对于未知事物有着强烈的求知欲，而且形象思维能力强，强烈的求知欲和好奇心会驱动他们想要探索虹膜识别中虹膜检测的奥秘。
初二的学生在生物课上已经学习了眼球的结构以及视觉形成的相关知识，具有足够的相关生物学知识储备。并且在本次课程前学生们已经学习了生物特征识别概念、指纹识别技术等内容，也具有足够的生物特征识别知识储备。
3. 教学目标
教学目标是我们进行课程设计的出发点和归宿，这里采用的是新课程标准所提倡使用的三维目标的表述，主要有：知识与技能；过程与方法；情感、态度与价值观。
（1）知识与技能：掌握虹膜的概念；理解虹膜识别的具体流程。
（2）过程与方法：通过对虹膜识别的学习，深入认识其内在的知识技术，培养学生的科学素养以及创新意识。
（3）情感、态度与价值观：通过对新技术新科学的学习，能够有效联系生活实际案例，实现知识与生活的有效融合，形成对科学的正确认识。
教学过程
1. 创设情境
本课程以福尔摩斯调查罪犯故事为背景，通过创设调查罪犯的任务情境，将知识的学习贯穿于整体任务情境中，借此激发学生的学习兴趣，达到对知识进行意义建构的目的。 设置问题讨论，给出几幅图片，提问学生，你知道虹膜吗？学生可以根据所学的生物学知识说出虹膜的位置，结构，功能以及特点。教师进一步引导，让学生讨论计算机如何识别虹膜。
2. 讲授新知
（1）虹膜的概念与识别流程
小组讨论，什么是虹膜？计算机是如何进行虹膜识别的？基于已有的知识基础，学生可以大致概括出虹膜的概念及识别过程。教师进一步引导，进而引出基于统计的识别方法。
（2）虹膜识别的课程步骤
教师采用从总体到局部方式讲授虹膜概念及识别过程。首先小组讨论并通过图例方式，如图2所示，介绍虹膜概念，并组织小组观察各自成员的虹膜；然后给出虹膜识别的具体流程，逐个步骤加以介绍并抽取若干技术，组织小组成员讨论其具体实现，如图3所示。最后总结虹膜概念及识别流程，引导学生大胆假设，创新提出新的虹膜识别技巧。
图2 虹膜的概念
借助多媒体设备用动画形式展现虹膜识别过程，对于超出当前学生认知水平的知识用简单通俗的话语表达出来，并且用反复强调、不断提问的方式加深学生的理解。
3. 课堂总结
本课程的知识内容对学生来说是比较抽象的，具有一定难度。通过虹膜的概念及识别流程，我们所要讲授的是一种科学思考问题的方法而不是某一个关键技术。
教学反思
在此次虹膜识别的教学中，虽然知识点较为抽象，但都与生活息息相关。教师在教学过程中突出体现了以学生为中心的教学思想，采用了小组讨论，教师讲解的教学方法。小组活动时，教师从旁观察指导学生讨论方向的正确与否，对于出现的问题，能够及时地给予指导与建议，帮助学生及时地解决问题，同时注重关注学生间的差异，符合当代教育教学理念的教学方式。
本节课力求将学习的知识与解决社会问题联系起来。在教学过程中让学生感受到知识的实用性，通过这节课学生知道了虹膜识别处理信息的过程和基本原理，感受到了人工智能科学在生活中的应用。还有助于学生未来的发展，可以激发学生学习人工智能的兴趣，有可能有的学生大学时就会学习这个专业，为人工智能这个领域做出贡献。
本节课作为校本选修课，时间长达一个小时，总的来说课堂中学生的注意力都较集中，学习积极性也很高，但在理论性较强的知识讲授过程中学生会显得不太专心。这个方面需要教师进一步思考改进，建议学生能有一些动手动笔的过程，这样可以使上课的气氛更好。
本次课程主要是讲解虹膜概念及识别流程，让学生了解当前新兴技术背后的原理知识，激发学习兴趣，促进学生创新意识的培养。即使本课程是作为选修课程进行的，但是在科学知识的普及方面还是有所收获的。初步统计，70%多的學生能够理解相关技术的基本思想，这也说明此次课程的教学是比较成功的。有助于培养学生积极探索、不断创新的精神。实现了知识与实际生活的有效结合，对生活实践具有一定的指导意义。当然，对于本课程不完善的地方，还有待改进，争取使我们的课程体系不断得到更新完善，不断增长教学经验，使得教学工作更上一层楼。
【关键词】虹膜识别；教学案例；教学反思
【中图分类号】G434 【文献标识码】B
【论文编号】1671-7384（2017）10-0072-03
随着指纹识别、人脸识别等安全技术逐渐深入人们的生活，生物特征识别技术在现实中越来越受到广泛关注。为了帮助中小学生更好地了解科技前沿，把握科技发展方向，中国科学院自动化研究所人工智能与机器人教育联合实验室与北京师范大学附属实验中学共同开设了《福尔摩斯科学探案》系列校本选修课程。该课程以生动有趣的探案故事为线索，为中学生介绍了生物特征识别、数字图像处理等人工智能前沿科学技术。
人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、学习、思考、问题求解以及规划等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题，例如诊断、规划、预测等决策性问题[1]。简言之，它是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。生物特征识别技术（Biometric Identification Technology）是人工智能的一個重要发展方向，它主要是指通过可测量的身体或行为等生物特征进行身份认证的一种技术[2]。
生物特征识别技术包括指纹识别、人脸识别、虹膜识别、语言识别、步态识别等多种技术，是信息科学、生物科学、模式识别科学等多门学科的交叉学科。其中，虹膜识别是生物识别的重要组成部分。
本文以《虹膜识别技术》课堂教学为例反思了人工智能前沿科学在中小学中开展教育教学活动的内容和方法。
课前分析及目标阐明
1. 教学内容分析
此次课程的教学内容主要来源是《福尔摩斯科学探案——终极追凶（生物特征识别技术概述）》。此课程以福尔摩斯调查罪犯故事为背景，介绍了生物特征识别的概念、历史、种类及关键技术。虹膜识别技术作为生物特征识别的重要组成种类，在整个课程中占有重要位置。本次课程概述了虹膜识别的概念及具体流程。
虹膜识别是生物特征识别中的一个新兴的热门发展方向，虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区域，在红外光下可以看到丰富的纹理信息，如斑点、 条纹、 细丝、隐窝等细节特征[3]。
个体的虹膜结构独一无二、不具有遗传性，并且自童年以后，便基本不再变化，使得其非常适合生物识别。有统计表明，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。在包括指纹在内的所有生物特征识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种[4]。虹膜作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性、非侵犯性等优点.非侵犯性（或非接触式）的生物特征识别是身份鉴别研究与应用发展的必然趋势[5]。
虹膜识别整体包括注册和认证两个部分。每个部分的过程大体相同，认证部分比注册部分多了一个识别认证的过程。
综合以上两个部分，虹膜识别的具体过程主要由虹膜图像采集、图像预处理、特征提取、识别认证四部分组成。该系统的原理图如图1所示[6]。虹膜图像采集是生物特征传感器通过红外光源获取灰度虹膜图像以便后续处理的过程。图像预处理包括虹膜检测、活体检测、图像质量评估、虹膜定位、虹膜归一化、图像增强等步骤，其中虹膜定位为其关键步骤，虹膜的定位主要利用瞳孔/虹膜/巩膜存在较大的灰度跳变并且成圆形的边缘分布结构特征[7]。虹膜特征提取方法目前没有统一的标准，中科院自动化所生物识别与安全技术研究中心通过拓展原始的定序测量特征（Ordinal Measures）的内涵，提出了多极子滤波器的概念，建立了虹膜图像特征表达的一般框架，证明了虹膜图像区域之间的排序测度特征等价于虹膜物理表面不同位置反光率之间的大小顺序关系，是独立于光照、对比度等外界因素的虹膜图像的本质特征[7]。识别认证是特征匹配的过程，图像匹配算法在虹膜斑块模式的相似性度量中得到成功应用[7]。
2. 学生特征分析
本课程的学习者是初中二年级的学生，根据皮亚杰的儿童智力发展阶段观点，他们当前的智力水平处于形式运算阶段。处在这个阶段的学生已经具备假设——演绎思维和系统思维的能力，能够进行抽象思维，但是还需要借助一些具体形象的事物来支持学习。同时，他们已经具有一定的分析、概括能力、自学与合作学习能力。初中二年级的学生处于好奇心强烈的阶段，对于未知事物有着强烈的求知欲，而且形象思维能力强，强烈的求知欲和好奇心会驱动他们想要探索虹膜识别中虹膜检测的奥秘。
初二的学生在生物课上已经学习了眼球的结构以及视觉形成的相关知识，具有足够的相关生物学知识储备。并且在本次课程前学生们已经学习了生物特征识别概念、指纹识别技术等内容，也具有足够的生物特征识别知识储备。
3. 教学目标
教学目标是我们进行课程设计的出发点和归宿，这里采用的是新课程标准所提倡使用的三维目标的表述，主要有：知识与技能；过程与方法；情感、态度与价值观。
（1）知识与技能：掌握虹膜的概念；理解虹膜识别的具体流程。
（2）过程与方法：通过对虹膜识别的学习，深入认识其内在的知识技术，培养学生的科学素养以及创新意识。
（3）情感、态度与价值观：通过对新技术新科学的学习，能够有效联系生活实际案例，实现知识与生活的有效融合，形成对科学的正确认识。
教学过程
1. 创设情境
本课程以福尔摩斯调查罪犯故事为背景，通过创设调查罪犯的任务情境，将知识的学习贯穿于整体任务情境中，借此激发学生的学习兴趣，达到对知识进行意义建构的目的。 设置问题讨论，给出几幅图片，提问学生，你知道虹膜吗？学生可以根据所学的生物学知识说出虹膜的位置，结构，功能以及特点。教师进一步引导，让学生讨论计算机如何识别虹膜。
2. 讲授新知
（1）虹膜的概念与识别流程
小组讨论，什么是虹膜？计算机是如何进行虹膜识别的？基于已有的知识基础，学生可以大致概括出虹膜的概念及识别过程。教师进一步引导，进而引出基于统计的识别方法。
（2）虹膜识别的课程步骤
教师采用从总体到局部方式讲授虹膜概念及识别过程。首先小组讨论并通过图例方式，如图2所示，介绍虹膜概念，并组织小组观察各自成员的虹膜；然后给出虹膜识别的具体流程，逐个步骤加以介绍并抽取若干技术，组织小组成员讨论其具体实现，如图3所示。最后总结虹膜概念及识别流程，引导学生大胆假设，创新提出新的虹膜识别技巧。
图2 虹膜的概念
借助多媒体设备用动画形式展现虹膜识别过程，对于超出当前学生认知水平的知识用简单通俗的话语表达出来，并且用反复强调、不断提问的方式加深学生的理解。
3. 课堂总结
本课程的知识内容对学生来说是比较抽象的，具有一定难度。通过虹膜的概念及识别流程，我们所要讲授的是一种科学思考问题的方法而不是某一个关键技术。
教学反思
在此次虹膜识别的教学中，虽然知识点较为抽象，但都与生活息息相关。教师在教学过程中突出体现了以学生为中心的教学思想，采用了小组讨论，教师讲解的教学方法。小组活动时，教师从旁观察指导学生讨论方向的正确与否，对于出现的问题，能够及时地给予指导与建议，帮助学生及时地解决问题，同时注重关注学生间的差异，符合当代教育教学理念的教学方式。
本节课力求将学习的知识与解决社会问题联系起来。在教学过程中让学生感受到知识的实用性，通过这节课学生知道了虹膜识别处理信息的过程和基本原理，感受到了人工智能科学在生活中的应用。还有助于学生未来的发展，可以激发学生学习人工智能的兴趣，有可能有的学生大学时就会学习这个专业，为人工智能这个领域做出贡献。
本节课作为校本选修课，时间长达一个小时，总的来说课堂中学生的注意力都较集中，学习积极性也很高，但在理论性较强的知识讲授过程中学生会显得不太专心。这个方面需要教师进一步思考改进，建议学生能有一些动手动笔的过程，这样可以使上课的气氛更好。
本次课程主要是讲解虹膜概念及识别流程，让学生了解当前新兴技术背后的原理知识，激发学习兴趣，促进学生创新意识的培养。即使本课程是作为选修课程进行的，但是在科学知识的普及方面还是有所收获的。初步统计，70%多的學生能够理解相关技术的基本思想，这也说明此次课程的教学是比较成功的。有助于培养学生积极探索、不断创新的精神。实现了知识与实际生活的有效结合，对生活实践具有一定的指导意义。当然，对于本课程不完善的地方，还有待改进，争取使我们的课程体系不断得到更新完善，不断增长教学经验，使得教学工作更上一层楼。