《讓機器看懂表情》教學(xué)設(shè)計

陸航 湖北省武漢市第四十九中學(xué)

●創(chuàng)新整合點

多媒體技術(shù)：通過影片剪輯、效果圖、短視頻等多媒體技豐富課堂內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

課堂實時調(diào)查：設(shè)計一份課堂實時的調(diào)查問卷，實時展示課堂調(diào)查任務(wù)的結(jié)果，調(diào)動學(xué)生參與熱情，課堂數(shù)據(jù)得到及時反饋。

開源人工智能實驗：提前部署了一套開源的表情識別系統(tǒng)，邀請學(xué)生參與體驗，感受技術(shù)進(jìn)步，展示智能技術(shù)魅力。

所見即所得的工具平臺：采用圖形化、模塊化的實踐操作平臺，簡單易用，滿足不同技術(shù)水平的學(xué)生。

●教材分析

本節(jié)課選自教科版信息技術(shù)（2019）選擇性必修4《人工智能初步》第四單元第四節(jié)《人臉識別及其應(yīng)用》，以人臉識別技術(shù)作為背景，以表情識別作為實踐，讓學(xué)生體驗人工智能的應(yīng)用。

本節(jié)課內(nèi)容包含“表情識別的應(yīng)用和原理”和“表情識別的實現(xiàn)和風(fēng)險”兩個主要任務(wù)。任務(wù)一主要是了解表情識別的應(yīng)用領(lǐng)域，通過自身觀察表情的識別過程，了解其技術(shù)原理；任務(wù)二主要是體驗表情識別并動手實現(xiàn)表情識別，完成試驗后討論思考表情識別可能存在的風(fēng)險。

此節(jié)內(nèi)容可以讓學(xué)生通過表情識別技術(shù)的學(xué)習(xí)初步掌握人工智能中人臉識別的相關(guān)知識，了解機器學(xué)習(xí)的基本原理和過程并動手實踐，引導(dǎo)學(xué)生思考表情識別存在的風(fēng)險，滿足智能時代的知識需求，提升學(xué)習(xí)人工智能的興趣，發(fā)展信息意識和鍛煉計算思維，增強智能社會的責(zé)任感。

●學(xué)情分析

本次教學(xué)對象為武漢市第四十九中學(xué)高一（5）班學(xué)生，學(xué)生有一定的信息技術(shù)基礎(chǔ)，學(xué)生在日常生活中已經(jīng)接觸了大量的人工智能應(yīng)用實例，對人工智能有了很多的直觀感受和實際使用體驗。

學(xué)校開設(shè)了與人工智能相關(guān)的課程，除了信息技術(shù)課程，還開設(shè)了人工智能相關(guān)選修課，如智能機器人、無人機和創(chuàng)客培訓(xùn)等，但只有部分學(xué)生參與。大部分學(xué)生對表情識別都很陌生，甚至是第一次聽說，但人臉識別技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品大部分都了解和使用過。大部分學(xué)生對人工智能的認(rèn)識還停留在“見過”“用過”這個階段，但是對人工智能背后的相關(guān)技術(shù)原理等方面還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識，特別是對人臉識別可能產(chǎn)生的風(fēng)險還存在一定的混淆和模糊認(rèn)識。

針對學(xué)情，本節(jié)課有如下兩個影響因素：①積極因素。表情識別對學(xué)生來說是一個新穎的技術(shù)，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)動機強烈。從學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展的角度來看，他們很容易將本節(jié)內(nèi)容與現(xiàn)實生活相結(jié)合，這樣便于理解和知識遷移。②不利因素。人工智能涉及的概念、術(shù)語較多，學(xué)生在理解時會有困難；機器學(xué)習(xí)算法部分需要有一定的抽象能力，學(xué)生可能還存在一定的認(rèn)知困難；學(xué)生缺乏社會經(jīng)驗，在看待表情識別的風(fēng)險方面會有偏差。

●教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：了解表情識別在生活中的應(yīng)用；理解表情識別中機器學(xué)習(xí)的基本原理。

過程與方法目標(biāo)：通過動手實踐，將知識轉(zhuǎn)化到應(yīng)用中，鍛煉計算思維和解決實際問題的能力。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：體驗技術(shù)在生活中的應(yīng)用，感受技術(shù)對生活帶來的變化，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。認(rèn)識智能時代風(fēng)險與挑戰(zhàn)并存，增強信息安全意識，培養(yǎng)信息社會責(zé)任感。

●教學(xué)環(huán)境與準(zhǔn)備

教學(xué)環(huán)境：有互聯(lián)網(wǎng)連接的機房、帶有攝像頭的計算機、希沃授課一體機。

軟件準(zhǔn)備：極域電子教室管理軟件、Mind+編程軟件。

●教學(xué)過程

1.影視導(dǎo)入，引出表情話題

課堂開始，首先播放了周星馳主演的電影《喜劇之王》中關(guān)于表情的片段，教師同時觀察學(xué)生觀看影片時的面部表情，在電影片段結(jié)束后，給學(xué)生分享他們觀看視頻時的表情，學(xué)生頓時輕松了不少，順勢引出表情這個話題。同時，讓學(xué)生們思考自己對表情的了解有多少，教師引導(dǎo)學(xué)生帶著疑問開始本節(jié)課的學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)主要是為了引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題，調(diào)節(jié)課堂氣氛，同時引起學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生可以帶著好奇心和疑問開始本節(jié)課學(xué)習(xí)。

2.話題深入，生成學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師先假設(shè)世界上有個可以識別人類面部表情的機器，提問并讓學(xué)生們思考：“這個表情識別機器可能會有哪些應(yīng)用？”

學(xué)生可能回答：可以用來分析人的心情；可以用來分析上課的狀態(tài)……

針對學(xué)生的回答，教師進(jìn)行點評，隨后播放一段關(guān)于表情識別應(yīng)用的短視頻。教師總結(jié)表情識別的應(yīng)用領(lǐng)域有教育、刑偵、商業(yè)和醫(yī)療等，讓學(xué)生感受表情識別的作用，進(jìn)一步生成本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)：如何讓機器看懂表情？

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)通過師生問答，明確表情識別的應(yīng)用價值，進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的動力和興趣。

3.課堂調(diào)查，學(xué)習(xí)識別表情

教師首先對人類的六種基本表情做一個簡單介紹，并讓學(xué)生兩人一組，互相觀察對方當(dāng)前的表情，并填寫在線問卷（如圖1），問卷網(wǎng)址通過電子教室軟件進(jìn)行發(fā)送。在學(xué)生填寫的過程中，教師將問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行實時展示，并引導(dǎo)學(xué)生思考：你是如何識別同學(xué)的表情的？

圖1

學(xué)生根據(jù)自己觀察同學(xué)表情的過程回答：表情不同，五官的特點也不同，如眼睛瞪著可能代表生氣或害怕。

教師點評學(xué)生的回答，并總結(jié)：機器看懂表情跟人類有相似的過程，這個過程在人工智能領(lǐng)域叫機器學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)的目的主要有兩個，一是讓學(xué)生體會自己看懂表情的過程，活躍課堂氣氛，二是讓學(xué)生明白人工智能的機器學(xué)習(xí)技術(shù)其實都是在模擬人類的學(xué)習(xí)過程。有了這個前提，學(xué)生在后面的學(xué)習(xí)中就能舉一反三，對人工智能的理解就會更加深刻。

4.原理講解，體驗表情識別

學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中已經(jīng)了解過機器學(xué)習(xí)，為了加深學(xué)生印象，教師通過視頻形式回顧機器學(xué)習(xí)的基本原理，并將其與機器識別表情的過程進(jìn)行對比（如圖2），讓學(xué)生進(jìn)一步了解機器識別表情的過程。

圖2

教師課前已經(jīng)部署開源表情識別系統(tǒng)并調(diào)試完成，隨后邀請學(xué)生上臺表演多種表情，并使用提前部署好的識別系統(tǒng)進(jìn)行識別，讓學(xué)生體驗機器識別表情的效果。

教師鼓勵學(xué)生表演不同的表情，讓未上臺的學(xué)生猜一猜，并與機器的識別結(jié)果進(jìn)行對比，這樣一來可以讓全體學(xué)生都參與進(jìn)來，二來可以讓大家評估機器識別表情的準(zhǔn)確度。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)將視頻講解與程序體驗相結(jié)合，特別是在體驗表情識別階段，能夠直觀地看到人工智能的學(xué)習(xí)效果，這樣既能加深學(xué)生對表情識別的原理的理解，也能解答生活中很多人工智能產(chǎn)品的基本原理，加深對知識的印象。5.動手實踐，實現(xiàn)表情識別

有了理論基礎(chǔ)，接下來讓學(xué)生利用Mind+平臺動手實現(xiàn)一個表情識別程序，需要說明的是：考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)以及本節(jié)課主要以了解表情識別的基本原理和流程為目標(biāo)，所以采用了較簡單的KNN算法來進(jìn)行訓(xùn)練和識別，識別結(jié)果在多人之間會有一定的誤差，單人效果尚可。其中主要有三個任務(wù)：

（1）學(xué)習(xí)編程軟件和基礎(chǔ)代碼

本課導(dǎo)學(xué)案已提前發(fā)給學(xué)生，教師根據(jù)導(dǎo)學(xué)案內(nèi)容進(jìn)行答疑，及時解決學(xué)生疑問，為后續(xù)操作實踐做好準(zhǔn)備。學(xué)生根據(jù)導(dǎo)學(xué)案學(xué)習(xí)編程軟件的操作步驟和編程說明，動手測試軟件功能和進(jìn)行代碼測試。

（2）編寫表情識別程序

教師準(zhǔn)備一份基礎(chǔ)的代碼模板供學(xué)生參考，并通過電子教室軟件以文件形式發(fā)送給學(xué)生，在學(xué)生編程過程中，教師進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生之間也可以互相討論。對于有困難的學(xué)生，可以直接進(jìn)行程序填空、求助同學(xué)或老師；對于完成較快較好的學(xué)生，可以自行編寫程序，教師可以進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生如何提高識別的準(zhǔn)確度。

（3）測試優(yōu)化和分享程序

學(xué)生完成程序后進(jìn)行測試，訓(xùn)練自己的多個表情，然后進(jìn)行識別，觀察識別結(jié)果。教師邀請部分學(xué)生通過電子教室軟件分享屏幕，講解程序并演示程序的運行過程，其他學(xué)生觀察并思考是否還有需要優(yōu)化的地方。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)通過編程實踐的方式幫學(xué)生梳理表情識別的過程，及時將課堂理論知識轉(zhuǎn)化為實踐知識，讓學(xué)生學(xué)以致用。根據(jù)學(xué)生水平采用不同的實踐方式，因材施教，有針對性地指導(dǎo)，也讓學(xué)生能夠查漏補缺，跟上教學(xué)節(jié)奏，完成課堂學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生現(xiàn)場進(jìn)行作品分享和互相點評的過程，幫助學(xué)生鞏固知識和鍛煉創(chuàng)新思維。

6.討論思考，樹立信息責(zé)任

隨著人工智能的發(fā)展，表情識別會越來越多地介入人們的生活，它在提供便利的同時，也存在一定的風(fēng)險，教師請學(xué)生們思考可能有哪些風(fēng)險？學(xué)生開拓思路，熱烈討論。

教師針對學(xué)生的回答進(jìn)行點評，并要求大家在信息社會中既要增強防范技術(shù)風(fēng)險的意識，也要通過學(xué)習(xí)新的技術(shù)來提高技術(shù)的安全性。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)在學(xué)習(xí)知識的基礎(chǔ)上，對學(xué)生進(jìn)行德育滲透，進(jìn)一步鞏固技術(shù)的核心素養(yǎng)。

7.知識總結(jié)，回歸表情識別

教師在總結(jié)本課知識點的同時，再次觀察學(xué)生的表情，并做分享，課堂開始和課堂尾聲學(xué)生的表情有著明顯的變化，首尾呼應(yīng)，回歸表情識別，讓學(xué)生在本節(jié)課不僅收獲了知識，解答了疑問，更重要的是感受到技術(shù)帶給人類的溫暖和價值。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)在總結(jié)知識的基礎(chǔ)上再次回歸“表情”這個主題，讓課堂更加完整，也讓學(xué)生在潛移默化中復(fù)習(xí)和鞏固了課堂知識。

●教學(xué)反思

1.選題不僅要有知識，還要有個性

本課在選題時筆者曾做了一個小調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一旦說到人工智能就離不開物品識別、人臉識別、聲音識別等內(nèi)容，課程大多也很類似，學(xué)生在面對這些內(nèi)容的時候其實已經(jīng)有些疲勞感了。所以在選題上，可以多考慮一些細(xì)分的技術(shù)領(lǐng)域，如既然有人臉識別，那肯定有動物臉的識別；有聲音識別，也有動物叫聲的識別。個性的選題可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，但也要考慮選題的知識點、難度等因素。

2.利用實時問卷，及時反饋課堂數(shù)據(jù)

在課堂中讓學(xué)生互相觀察表情的時候，傳統(tǒng)的做法可能是讓學(xué)生觀察完畢后舉手回答，學(xué)生的參與度有限，所以本節(jié)課筆者使用飛書問卷設(shè)計了一份課堂表情的調(diào)查問卷，讓學(xué)生觀察完畢后馬上填寫提交，問卷的數(shù)據(jù)也以圖形化的方式實時展現(xiàn)出來。整個課堂的氣氛非常熱烈，學(xué)生全部都能參與進(jìn)來，調(diào)查數(shù)據(jù)也能及時得到反饋。

3.抓住關(guān)鍵技術(shù)點，合理呈現(xiàn)

人工智能綜合了很多學(xué)科的知識，如果不加篩選地都在課堂上呈現(xiàn)，勢必讓課堂效果打折扣。不同階段的學(xué)生，都有其相應(yīng)的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)特點，教師應(yīng)該將相關(guān)知識點進(jìn)行篩選，并以學(xué)生可以接受的方式呈現(xiàn)出來。在本案例中，表情識別的技術(shù)原理部分就涉及人工智能最核心的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，機器學(xué)習(xí)本身就可以作為一門課程，所以如何在課堂上有限的時間內(nèi)讓學(xué)生理解這個技術(shù)對教師來說是一種考驗。在本節(jié)課中，筆者將機器學(xué)習(xí)通過“視頻講解+生活案例”的方式呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生既容易接受又能聯(lián)系生活，拉近距離并加深理解。

4.人工智能課堂不僅要講技術(shù)，還要講責(zé)任和風(fēng)險

身處信息時代，技術(shù)的高速發(fā)展改變了我們的生活、生產(chǎn)，在給人類帶來便利的同時，潛藏的危險也無處不在。人工智能技術(shù)也不例外，高中生還未成年，社會經(jīng)驗不足，很容易被新奇的技術(shù)所吸引，甚至被控制。這就要求教師在課堂中除了教授知識，還需要展示出技術(shù)的兩面性。本節(jié)課針對表情識別應(yīng)用中可能存在的人臉泄露、人臉偽造等風(fēng)險，通過教師引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，辯證且客觀地看待當(dāng)前人工智能技術(shù)的發(fā)展，在學(xué)生心中埋下警惕的種子，增強學(xué)生的防范意識，促進(jìn)信息社會的責(zé)任意識的形成和鞏固。

總之，人工智能的課堂教學(xué)是融合了技術(shù)課程核心素養(yǎng)和學(xué)科思政的綜合體，本案例還有很多方面需要繼續(xù)研究和完善。筆者作為人工智能時代的一份子，在今后的教學(xué)工作中，還要時刻關(guān)注學(xué)科動態(tài)，保持知識更新，用科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度去對待教學(xué)，讓教師教有所長，學(xué)生學(xué)有所得。