图像识别技术在智能校园消费系统中的应用

本文作者：北京市第二中学 高凯 褚天舒

一、教学背景

2017年国务院发布《新一代人工智能发展规划》以来，人工智能技术不断在各级教育体系中呈现，已成为培养拔尖创新后备人才的重要途径和有效支撑。近年来，教育部门出台了一系列相关政策，推动人工智能教育在中小学阶段的普及。2024年10月发布的《北京市教育领域人工智能应用指南》中，明确了人工智能技术要与教育教学全过程深度融合、创新发展的指导原则。同年12月，教育部发布《关于加强中小学人工智能教育》的通知，强调高中阶段应侧重项目创作和前沿应用，鼓励研发人工智能教育学习类课程和教学案例，为教学提供支持。
人工智能作为一门跨学科的综合性课程，旨在通过实践探究，培养学生掌握人工智能的基本原理和方法，提升学生的创新能力和实践技能。当前，人工智能课程的需求主要体现在技术理解与应用、创新能力培养、实践技能提升、计算与工程思维发展以及跨学科融合等方面。为了更好地实现这些目标，高中阶段的课程可以通过搭建一些小型智能系统，将理论知识与实际应用相结合，引导学生理解人工智能的工作原理和实际价值。本节课通过构建小型智能校园消费系统，帮助学生更好地学习人工智能的相关知识，提升学生的技术意识，发展学生的计算思维和工程思维。

二、教学主题
本单元课程以Mind+图形化编程软件为开发工具，结合行空板K10，围绕“构建小型智能校园消费系统”这一主题展开。课程整合信息技术、通用技术等学科内容，以解决实际生活中普遍存在的无卡消费问题为载体，引导学生讲技术课程中学习的知识、技能灵活运用到项目的设计与制作中，创设“做中学”、“用中学”的情景。在教学过程中，鼓励学生深入思考并探索食堂消费管理系统中的关键技术问题，例如，人脸识别算法的设计与实现，校园卡的消费记录获取，以及校园卡内剩余金额的精准计算等。通过课程实践，培养学生的创新思维和问题解决能力。

三、教学实施
1.情境导入：校园卡消费问题
又到了中午吃饭时间，下课铃一响，小明和好朋友飞快地冲向了食堂。然而粗心的小明因为跑得太着急，忘记带校园卡了。他站在食堂门口，看着其他同学纷纷排队买饭，心里既着急又尴尬，平时的他可从来没有忘记带校园卡到食堂。也正是这次经历，他发现不少同学也遇到过类似的情况，甚至有人因为校园卡丢失或余额不足而耽误吃饭。
这让小明开始思考：在科技如此发达的今天，为什么不能有一种更智能、更便捷的校园消费方式呢？尤其是在这个移动支付和智能设备广泛应用的背景下，校园消费系统也应该与时俱进，为师生提供更高效的服务。他设想，如果学校食堂能够有一个人脸识别支付系统就好了，这样就不会有人因为忘记校园卡而饿肚子了。
第二天科技课堂上，小明向老师和同学们说出了自己的想法，他提出，可以设计一个集****脸识别和账户管理功能的智能校园消费系统，这个系统不仅能够使每一位同学的消费过程更加顺畅，同学们还可以实时查询自己的账户余额。他的提议引起了全班同学的共鸣。经过老师的肯定和同学们的支持，大家开始着手小型智能校园消费系统的构建。一个简单的问题，引发了关于科技与生活结合的广泛思考，也激发了同学们对创新实践的热情。
设计意图
本次任务设计以解决现实校园生活中普遍存在的“校园卡消费”问题为背景，旨在通过模拟实践，培养学生的创新思维和动手能力。以小明忘记带校园卡无法用餐为切入点，结合其对“智能校园消费系统”的设想，激发学生的兴趣和参与意识。在讨论过程中，学生能够主动思考问题的核心需求，进而明确设计目标和功能模块。在锻炼学生逻辑思维和团队协作能力的同时，培养学生的计算思维和工程思维。

2.项目搭建
本次任务的主题是解决无卡消费问题，项目是搭建一个小型智能校园消费系统。学生需要使用积木搭建出食堂消费窗口模型，并利用行空板K10的图像识别功能模拟实现人脸支付功能。材料包括积木零件，行空板K10，以及USB数据线。编程软件为Mind+（1.8.1）图形化编程软件。该系统主要由四个功能组成：一是学习人脸训练模型，二是识别人脸测试模型，三是通过人脸识别模型实现刷脸消费，四是通过网络通信显示并播报余额。如下图所示。

设计意图

学生在搭建模拟食堂消费窗口时，更加清晰本项目所要实现的功能，理解各部分在项目实现过程中发挥的作用，以更好的完成编程实现小型智能校园消费系统的构建。

3.编写程序和结构制作实现人脸识别消费功能

在完成系统硬件设备和基本模型搭建后，为了实现智能化的消费方式，我们需要进一步编写程序来实现人脸识别消费功能。然而，在实现人脸识别功能前，机器首先要先学习人脸，这里，我们以行空板K10的图像识别功能学习人脸，即向食堂消费系统中录入学生面容。其次，待机器学习人脸后，开始识别摄像头中的人脸面容，并根据识别结果，给予相应反馈。即将摄像头中识别到的人脸与食堂消费系统中录入的学生人类进行比对，并及时给出比对结果。最后，我们结合硬件需求完成结构搭建和射界。

（1）学习活动一：人脸ID标记

在这一活动中，我们借助行空板K10自带的摄像头对不同人脸进行学习，即为学生人脸图像录入过程。在学习过程中，系统自动将每一张所识别到的人脸进行ID标记，具体来说，当摄像头捕捉到人脸图像时，行空板K10会自动为该人脸分配ID，例如，第一张人脸标记为ID1，第二张人脸标记为ID2，以此类推。在使用Mind+（1.8.1）程序编写时，我们将主控板修改为行空板K10，并选择其自带的图像识别功能迅速捕捉人脸，当屏幕捕捉到人脸时，按下A按钮，学习人脸，亮黄灯，与此同时对每张人脸进行ID的依次标记，随后系统语音播报“已完****脸学习”。相关程序编写如图所示。

（2）学习活动二：人脸识别

在这一活动中，我们主要对前面录入的学生人脸图像进行调用，并通过灯光显示和语音播报给予反馈。当摄像头捕捉到人脸图像时，系统会迅速与前期录入的图像数据库进行比对，若所识别的人脸图像与前期录入图像相匹配，即确认为已注册的学生，此时系统会立即触发绿灯，若所识别的人脸图像非录入图像，系统则会亮红灯，同时语音播报“对不起，查找不到您的信息”。相关程序编写如图所示。

（3）学习活动三：结构制作

在前面的活动中，我们完成了智能校园消费系统的软件编译部分，接下来我们将进行硬件的搭建，完善整个系统的实体架构。首先，我们选取合适的乐高积木，学生们可以创意构思进行拼接。为了使操作过程更加便捷、直观，我们在搭建过程中通过外接按键实现交互操作，例如，人脸图像的录入、消费金额的输入、返回操作等。最终搭建如下图所示硬件结构。

设计意图

通过了解学习人脸、识别人脸程序的编写，加深学生对编程模块的理解，为场景式项目实践做铺垫。

4.项目实践

实践活动一：搭建系统结构并完成程序编写

同学们5人为一小组，并录入每位成员的人脸信息，完****脸学习和人脸识别功能。我们利用行空板K10模拟食堂消费系统，当摄像头检测到学习过的人脸且校园卡余额充足时，实现自动扣费，提示消费完成，并显示校园卡的余额。当摄像头检测到学习过的人脸但校园卡余额不足时，无法完成扣费，系统提示余额不足，同时显示校园卡的余额。当摄像头检测到未学习过的人脸时，标记人脸ID为-1，同时提示查找不到该生信息，且无法显示余额。如下图所示。

实践活动二：消费系统的完善
当检测到学生校园卡余额不足时，是否能够实现现场充值功能？
针对这一问题，学生认为可以通过定义一个金额充值函数实现。在消费过程中，系统首先获取识别到人脸的ID，随后将所获取的ID与前期录入的图像数据库进行人脸比对，若为库中人脸，则显示该学生卡内余额，此时，学生可以自主决定是否进行充值，如有需要可以通过外接按键实现金额充值，且在金额充值后，系统自动更新该生卡内余额。若无法识别，行空板亮红灯并语音播报“对不起，查找不到您的信息”。

设计意图

通过这一模拟过程，实现了学习人脸、识别人脸和自动扣费功能，并通过项目细节的不断完善，引导学生联系生活实际思考如何优化系统方案，在程序编写过程中，学生通过使用条件判断语句发展计算思维。

四、拓展延伸
结合实践情况，引导学生思考以下问题：除了智能校园消费系统，还可以用人脸识别和人脸标记探究什么问题呢？是否能够实现课堂学生的自动签到？能否构建一个智能图书馆系统？请学生针对上述问题明确系统功能，绘制出思维导图。

设计意图
通过系统功能的完善发散学生思维，激发学生问题解决能力，锻炼学生的系统规划能力和前瞻性思维。

*本文系“中国自动化学会青少年人工智能创新后备人才培育工程名师工作室”（编号：HBRC-MS-2024-101）课题研究成果