《讓機器看懂表情》教學設計

陸航 湖北省武漢市第四十九中學

●創新整合點

多媒體技術：通過影片剪輯、效果圖、短視頻等多媒體技豐富課堂內容，激發學生學習興趣。

課堂實時調查：設計一份課堂實時的調查問卷，實時展示課堂調查任務的結果，調動學生參與熱情，課堂數據得到及時反饋。

開源人工智能實驗：提前部署了一套開源的表情識別系統，邀請學生參與體驗，感受技術進步，展示智能技術魅力。

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，滿足不同技術水平的學生。

●教材分析

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

本節課內容包含“表情識別的應用和原理”和“表情識別的實現和風險”兩個主要任務。任務一主要是了解表情識別的應用領域，通過自身觀察表情的識別過程，了解其技術原理；任務二主要是體驗表情識別并動手實現表情識別，完成試驗后討論思考表情識別可能存在的風險。

此節內容可以讓學生通過表情識別技術的學習初步掌握人工智能中人臉識別的相關知識，了解機器學習的基本原理和過程并動手實踐，引導學生思考表情識別存在的風險，滿足智能時代的知識需求，提升學習人工智能的興趣，發展信息意識和鍛煉計算思維，增強智能社會的責任感。

●學情分析

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

學校開設了與人工智能相關的課程，除了信息技術課程，還開設了人工智能相關選修課，如智能機器人、無人機和創客培訓等，但只有部分學生參與。大部分學生對表情識別都很陌生，甚至是第一次聽說，但人臉識別技術和相關產品大部分都了解和使用過。大部分學生對人工智能的認識還停留在“見過”“用過”這個階段，但是對人工智能背后的相關技術原理等方面還缺乏系統的認識，特別是對人臉識別可能產生的風險還存在一定的混淆和模糊認識。

針對學情，本節課有如下兩個影響因素：①積極因素。表情識別對學生來說是一個新穎的技術，因此學生的學習興趣濃厚，學習動機強烈。從學生學習發展的角度來看，他們很容易將本節內容與現實生活相結合，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、術語較多，學生在理解時會有困難；機器學習算法部分需要有一定的抽象能力，學生可能還存在一定的認知困難；學生缺乏社會經驗，在看待表情識別的風險方面會有偏差。

●教學目標

知識與技能目標：了解表情識別在生活中的應用；理解表情識別中機器學習的基本原理。

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

情感態度與價值觀目標：體驗技術在生活中的應用，感受技術對生活帶來的變化，激發學習興趣。認識智能時代風險與挑戰并存，增強信息安全意識，培養信息社會責任感。

●教學環境與準備

教學環境：有互聯網連接的機房、帶有攝像頭的計算機、希沃授課一體機。

軟件準備：極域電子教室管理軟件、Mind+編程軟件。

●教學過程

1.影視導入，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》中關于表情的片段，教師同時觀察學生觀看影片時的面部表情，在電影片段結束后，給學生分享他們觀看視頻時的表情，學生頓時輕松了不少，順勢引出表情這個話題。同時，讓學生們思考自己對表情的了解有多少，教師引導學生帶著疑問開始本節課的學習。

設計意圖：本環節主要是為了引出本節課的學習主題，調節課堂氣氛，同時引起學生思考，激發學習興趣，學生可以帶著好奇心和疑問開始本節課學習。

2.話題深入，生成學習目標

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

學生可能回答：可以用來分析人的心情；可以用來分析上課的狀態……

針對學生的回答，教師進行點評，隨后播放一段關于表情識別應用的短視頻。教師總結表情識別的應用領域有教育、刑偵、商業和醫療等，讓學生感受表情識別的作用，進一步生成本節課的學習目標：如何讓機器看懂表情？

設計意圖：本環節通過師生問答，明確表情識別的應用價值，進一步提升學生學習的動力和興趣。

3.課堂調查，學習識別表情

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

圖1

學生根據自己觀察同學表情的過程回答：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。

教師點評學生的回答，并總結：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域叫機器學習。

設計意圖：本環節的目的主要有兩個，一是讓學生體會自己看懂表情的過程，活躍課堂氣氛，二是讓學生明白人工智能的機器學習技術其實都是在模擬人類的學習過程。有了這個前提，學生在后面的學習中就能舉一反三，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

學生在之前的學習中已經了解過機器學習，為了加深學生印象，教師通過視頻形式回顧機器學習的基本原理，并將其與機器識別表情的過程進行對比（如圖2），讓學生進一步了解機器識別表情的過程。

圖2

教師課前已經部署開源表情識別系統并調試完成，隨后邀請學生上臺表演多種表情，并使用提前部署好的識別系統進行識別，讓學生體驗機器識別表情的效果。

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

設計意圖：本環節將視頻講解與程序體驗相結合，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習效果，這樣既能加深學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品的基本原理，加深對知識的印象。5.動手實踐，實現表情識別

有了理論基礎，接下來讓學生利用Mind+平臺動手實現一個表情識別程序，需要說明的是：考慮到學生的基礎以及本節課主要以了解表情識別的基本原理和流程為目標，所以采用了較簡單的KNN算法來進行訓練和識別，識別結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：

（1）學習編程軟件和基礎代碼

本課導學案已提前發給學生，教師根據導學案內容進行答疑，及時解決學生疑問，為后續操作實踐做好準備。學生根據導學案學習編程軟件的操作步驟和編程說明，動手測試軟件功能和進行代碼測試。

（2）編寫表情識別程序

教師準備一份基礎的代碼模板供學生參考，并通過電子教室軟件以文件形式發送給學生，在學生編程過程中，教師進行指導，學生之間也可以互相討論。對于有困難的學生，可以直接進行程序填空、求助同學或老師；對于完成較快較好的學生，可以自行編寫程序，教師可以進一步啟發學生如何提高識別的準確度。

（3）測試優化和分享程序

學生完成程序后進行測試，訓練自己的多個表情，然后進行識別，觀察識別結果。教師邀請部分學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，其他學生觀察并思考是否還有需要優化的地方。

設計意圖：本環節通過編程實踐的方式幫學生梳理表情識別的過程，及時將課堂理論知識轉化為實踐知識，讓學生學以致用。根據學生水平采用不同的實踐方式，因材施教，有針對性地指導，也讓學生能夠查漏補缺，跟上教學節奏，完成課堂學習目標。學生現場進行作品分享和互相點評的過程，幫助學生鞏固知識和鍛煉創新思維。

6.討論思考，樹立信息責任

隨著人工智能的發展，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，也存在一定的風險，教師請學生們思考可能有哪些風險？學生開拓思路，熱烈討論。

教師針對學生的回答進行點評，并要求大家在信息社會中既要增強防范技術風險的意識，也要通過學習新的技術來提高技術的安全性。

設計意圖：本環節在學習知識的基礎上，對學生進行德育滲透，進一步鞏固技術的核心素養。

7.知識總結，回歸表情識別

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

設計意圖：本環節在總結知識的基礎上再次回歸“表情”這個主題，讓課堂更加完整，也讓學生在潛移默化中復習和鞏固了課堂知識。

●教學反思

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查，發現一旦說到人工智能就離不開物品識別、人臉識別、聲音識別等內容，課程大多也很類似，學生在面對這些內容的時候其實已經有些疲勞感了。所以在選題上，可以多考慮一些細分的技術領域，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學生的好奇心和學習興趣，但也要考慮選題的知識點、難度等因素。

2.利用實時問卷，及時反饋課堂數據

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

3.抓住關鍵技術點，合理呈現

人工智能綜合了很多學科的知識，如果不加篩選地都在課堂上呈現，勢必讓課堂效果打折扣。不同階段的學生，都有其相應的認知水平和學習特點，教師應該將相關知識點進行篩選，并以學生可以接受的方式呈現出來。在本案例中，表情識別的技術原理部分就涉及人工智能最核心的機器學習技術，機器學習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讓學生理解這個技術對教師來說是一種考驗。在本節課中，筆者將機器學習通過“視頻講解+生活案例”的方式呈現出來，讓學生既容易接受又能聯系生活，拉近距離并加深理解。

4.人工智能課堂不僅要講技術，還要講責任和風險

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

總之，人工智能的課堂教學是融合了技術課程核心素養和學科思政的綜合體，本案例還有很多方面需要繼續研究和完善。筆者作為人工智能時代的一份子，在今后的教學工作中，還要時刻關注學科動態，保持知識更新，用科學、嚴謹的態度去對待教學，讓教師教有所長，學生學有所得。