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科技教育创新成果二等奖:探秘机器人表情背后的语言 ——机器人表情图案设计制作

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作者

翟琨

北京市宣武青少年科学技术馆

随着人工智能技术的快速发展,智能机器人逐渐成为人类生活的重要组成部分,机器人如何更好地与人类进行情感交流,是一个值得探索的问题。表情作为人类情感表达的重要方式之一,可以帮助人们快速传递情绪信息,设计能够表达情感的机器人表情图案,有助于增强人机交互的自然性和趣味性。

本次教学活动以《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》为指导,结合机器人编程与汉语情绪成语词条,旨在引导学生通过设计和制作机器人表情图案,提升计算思维和数字化工具应用技能。活动采取项目式学习方式,引导学生在真实问题驱动下,经历原理运用、计算思维和数字化工具应用过程,最终完成机器人表情图案的设计与制作。


教学目标与思路

教学目标

提升计算思维能力通过感受情绪成语词条、绘制面部表情、转换像素模式和编程表情图案,培养学生分层解析、建立流程和识别模式的能力。

增强数字化工具应用技能引导学生使用机器人图像编辑器和“像素洞洞板”教具,掌握数字化工具的使用方法,提升技术应用能力。

促进情感教育通过学习情绪成语词条和设计表情图案,帮助学生认识情绪、理解情绪,提升共情能力和社交能力。

弘扬中华文化将汉语情绪成语词条与机器人编程相结合,增强学生对中华优秀传统文化的认同感和自信心。

本课程适合3年级以上具备一定编程基础的学生。


图1 教学核心理念

设计思路

本活动聚焦机器人表情图案设计制作,引导学生在活动中分层解析、建立流程、识别模式,通过情绪词条感受、面部表情绘制、像素模式转换、表情图案编程等过程,学会机器人表情图案制作的技能,培养学生的计算思维、信息意识,以及信息科技学科核心素养。

项目式学习以真实问题为驱动,通过“看‘心’、演‘心’、画‘心’、学‘心’、谋‘心’、制‘心’、读‘心’、展‘心’、传‘心’”九个环节,引导学生在实践中探究。

学科融合将信息科技与汉语相结合,学生在正确认识情绪的基础上,通过编程呈现从情绪成语词条含义到外在面部表情,再到机器人拟人表情之间的知识链接,一方面有效提升编程过程中学生对中华优秀传统文化的自信,继承和弘扬中华文化底蕴;同时引导学生在具体语言情景中提升语言运用能力、创造思维和计算思维能力。

多感官调用通过看、画、演、编、猜、展等多种活动形式,帮助他们更好地理解和表达情绪。

身心教育在活动中融入情绪管理教育,引导学生正确认识情绪,理解情绪引发的行为及后果,提升自我情绪认知能力。


设计原理和方法

设计原理

情绪与表情的关系情绪是心理状态的直接表现,而表情是情绪的外在表现形式。通过分析情绪成语词条的含义,可以提炼出对应的表情特征。

图案像素化机器人液晶屏显示方式为像素点模式,通过“像素洞洞板”教具,将常规表情图片转换为像素图案,让学生了解像素概念,帮助学生更好地掌握机器人图像编辑器的使用方法。

编程控制通过机器人图像编辑器,将设计好的像素图案编程为机器人可执行的代码,实现表情图案的显示和动态变化。

设计方法

情绪成语词条分析选择与情绪相关的成语词条,如“嫣然一笑”“怒火中烧”等,引导学生通过查阅字典的方式了解、分析其含义及对应的表情特征。这一过程旨在帮助学生理解成语中蕴含的情绪信息,将抽象的语言表达与具体的表情特征联系起来,从而提升学生的语言运用能力和情感认知能力。同时,通过成语学习,学生不仅能够更深地理解成语的含义,学会用成语表达复杂的情绪,增强共情能力,还能增强学生对中华优秀传统文化的认同感和自信心。此外,查阅字典和小组讨论也锻炼了学生的自主学习能力和团队协作能力。

表情图案设计使用“像素洞洞板”将表情图片转换为像素模式,绘制出符合情绪特征的像素图案。这一过程的目的是通过像素化处理,将抽象的表情特征转化为具体的像素图案,培养学生的艺术表现力和技术应用能力。同时,这也有助于提升学生的空间想象力和逻辑思维能力。在这个过程中,学生能够更直观地理解像素的概念及其在图像显示中的作用,提升对技术原理的认知。

编程实现通过机器人图像编辑器,将设计好的表情图案转换为像素化的代码,再通过编程将这些代码映射到OLED液晶屏的像素点上,从而实现表情图案在OLED液晶屏上的显示和动态变化。这一过程不仅涉及图像的像素化处理,学生还学会了如何将表情图片通过编程转化为可在OLED液晶屏上显示的图案,提升了他们对像素化原理和编程控制的理解。

互动展示通过小组展示和互猜活动,验证表情图案的准确性,进一步优化设计。这一环节旨在验证表情图案是否能够准确传达情绪信息,并根据反馈进行优化。互猜活动的趣味性能够激发学生对机器人编程和情感表达的兴趣,增强学习动力。同时,学生能够从他人的反馈中发现自己设计中的不足,学会如何改进自己的作品,提升批判性思维能力。


教学过程

第一阶段:提出问题

看“心”通过展示表情图片,引导学生观察和描述表情特征,提出问题:通过什么样的脸部表情判断情绪变化?

演“心”学生通过角色扮演,真实情景导入,体验情绪成语词条的含义,感受面部表情与情绪的直接联系。

画“心”学生查阅汉语词典,理解情绪成语词条的含义,并绘制对应的表情图案,将抽象的情绪成语词条具象化。

[设计意图]探索情绪变化与脸部表情之间的关系;感受表情词条与心理情绪的直接联系。

第二阶段:机器人表情方案设计

学“心”了解像素点概念和机器人屏幕显示原理,使用“像素洞洞板”将表情图片转换为像素模式,使用机器人图像编辑器,给机器人添加一个固定表情,表现它的“情感”,完成一幅表情图案的编程控制。

谋“心”教师提前准备表情成语词条并密封成为表情密语,每组学生随机抽取,且仅本小组知晓,通过查阅汉语字典了解其含义,使用机器人图像编辑器完成表情图案的设计与绘制。

[设计意图]理解像素图案的构成,学会将普通图片像素化的方法;学会设计绘制机器人表情图案。

第三阶段:设计物化——机器人表情实践制作

制“心”学生根据设计方案,核对表情设计方案与表情谜语词条含义的一致性,运用编程技能开展表情机器人的程序编写与制作。

读“心”小组之间轮流展示作品,互猜机器人表情所表达的情绪含义,并完善、调整本组表情图案设计。

[设计意图]引导学生在活动中实践制作表情机器人,逐步培养创新物化和技术应用能力;认识机器人表情动作的重要性和作用。

第四阶段:展示交流,提升信息创新意识

展“心”展示我国类人机器人的面部设计,提出遵守信息社会法律法规及信息社会创新意识的希望。

传“心”开展“机器人表情背后的语言”主题新品推介会,分享设计成果,弘扬科技创新与人文融合精神。

[设计意图]提高公众对智能科技的认识和兴趣,激发公众对科技创新的关注和支持,逐渐培养学生的社会责任心和科技实践能力。


图2 教学活动流程


图3 表情图案处理过程示例


教学效果与收获

本次教学活动通过项目式学习方式,将信息科技与语文、艺术等学科相结合,帮助学生在真实问题驱动下,经历原理运用、计算思维和数字化工具应用的过程,最终完成了机器人表情图案的设计与制作。活动不仅提升了学生的计算思维能力和数字化工具应用技能,还促进了情感教育,增强了文化自信。

该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果二等奖

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来源 | 《中国科技教育》2025-05

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安

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