基于面部情緒識(shí)別的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程評(píng)價(jià)

龔雅云，唐小煜，劉思睿，鄭小冰

(1.華南師范大學(xué) a.物理與電信工程學(xué)院;b.腦認(rèn)知與教育科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006;2.東莞市石龍鎮(zhèn)中心小學(xué)，廣東 東莞 523000)

隨著教育現(xiàn)代化研究的深入，先進(jìn)的教育理念與科學(xué)技術(shù)為課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的革新帶來無限生機(jī)，實(shí)現(xiàn)全面、客觀、高效的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)成為可能. 為落實(shí)物理課程“立德樹人”的根本任務(wù)，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，教育部發(fā)布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》[1]，對(duì)中學(xué)物理教學(xué)與評(píng)價(jià)提出了總體要求. 針對(duì)當(dāng)前物理教學(xué)中“重結(jié)果輕過程”的現(xiàn)狀，相較于2003版本，新課標(biāo)在課程評(píng)價(jià)方面更明確地提出“注重過程評(píng)價(jià)，以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展”的基本理念[1]. 過程性評(píng)價(jià)內(nèi)涵豐富，目前被廣泛認(rèn)可的是美國研究團(tuán)隊(duì)提出的定義：過程性評(píng)價(jià)是師生在教學(xué)過程中所進(jìn)行的一種教學(xué)反饋，由反饋信息對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改善學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況而獲得預(yù)期的學(xué)習(xí)成果[2].

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科[3]，實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)的重難點(diǎn)，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵. 但應(yīng)試體系下的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)仍以單一的筆試考查為主，與新課標(biāo)提倡的“評(píng)價(jià)方式多樣化”存在較大偏差，難以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生發(fā)展、促進(jìn)教師反思及改進(jìn)教學(xué)的評(píng)價(jià)效果. 因此，落實(shí)高效的實(shí)驗(yàn)過程性評(píng)價(jià)是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能的重要一環(huán). 自新課標(biāo)頒布以來，已有許多物理實(shí)驗(yàn)的過程性評(píng)價(jià)研究，研究方向主要有三大類：研究實(shí)驗(yàn)課堂評(píng)價(jià)流程，研究基于核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容，構(gòu)建有層次、分權(quán)重的物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)量表. 在實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)中，王愛生等[4]認(rèn)為教師應(yīng)及時(shí)關(guān)注學(xué)生的情緒變化，采取體驗(yàn)成功操作的方法提高學(xué)生自我效能感，建立積極樂觀的情緒. 在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容的研究中，劉朝安等[5]提出除了關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和技能外，還應(yīng)關(guān)注每個(gè)學(xué)生的個(gè)體差異，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出的情感態(tài)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià). 但在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)量表構(gòu)建中，大多數(shù)研究者關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、分析數(shù)據(jù)、合作交流等外顯的能力，量表中缺乏針對(duì)學(xué)生內(nèi)隱情感的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且對(duì)學(xué)生課堂情感識(shí)別的工具開發(fā)不足，使得教師難以全面評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也未能及時(shí)獲取學(xué)生的情感反饋并做出相應(yīng)的指導(dǎo)調(diào)整.

人工智能、大數(shù)據(jù)等蓬勃發(fā)展，給人類生產(chǎn)和生活方式帶來深度改變，并在教育領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響[6],將圖像跟蹤及分析技術(shù)用于學(xué)生課堂狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)成為可能. 基于此，本文研究了物理實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生情緒的判別方法，利用面部情緒識(shí)別技術(shù)對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂中的學(xué)習(xí)投入狀態(tài)進(jìn)行評(píng)分，旨在將學(xué)生的課堂狀態(tài)變化與實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)緊密結(jié)合，獲得更實(shí)時(shí)、更全面、更客觀的評(píng)價(jià)效果.

1 學(xué)習(xí)情緒與狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展

1.1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)情感評(píng)價(jià)

學(xué)習(xí)者的情緒不僅作用于認(rèn)知加工過程中的注意、記憶、決策等各個(gè)環(huán)節(jié)，還會(huì)影響學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣[7]. 課堂中教師能否實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地感知學(xué)生的情緒狀態(tài)，在一定程度上決定了能否及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略以提高課堂教學(xué)效能，同時(shí)，學(xué)生在課堂中表現(xiàn)出的情感狀態(tài)也為教師實(shí)施個(gè)性化教育提供了關(guān)鍵信息. 從中學(xué)物理新課標(biāo)對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)的實(shí)施建議中可看出，隨著教育觀念的改變，課堂中學(xué)生的情緒狀態(tài)越來越被重視. 初中《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在評(píng)價(jià)建議中提出應(yīng)重視對(duì)“情感·態(tài)度·價(jià)值觀”的評(píng)價(jià)，在開展實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)過程中，教師要有對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、投入程度等情感狀態(tài)的判斷[8]. 而在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中則提出形成性評(píng)價(jià)不僅要關(guān)注學(xué)生獲得了什么，還要?jiǎng)討B(tài)觀察其表現(xiàn)，細(xì)心了解其內(nèi)心情感的變化[1]. 摒棄傳統(tǒng)的“講實(shí)驗(yàn)”模式，關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中的情感體驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變化的一大趨勢，實(shí)驗(yàn)課堂將更需要學(xué)生充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，積極地投入到探究活動(dòng)中. 學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的積極情感能夠促進(jìn)其更好地完成認(rèn)知活動(dòng)[9]，因此，在過程性評(píng)價(jià)中融入對(duì)學(xué)生情感投入狀態(tài)的判斷，更有針對(duì)性地誘發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極情緒，是物理教師提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能的重要途徑.

相較于物理理論課，學(xué)生的學(xué)習(xí)情感狀態(tài)在物理實(shí)驗(yàn)課堂中更容易被教師所察覺. 實(shí)驗(yàn)課多以動(dòng)手操作、師生問答、小組合作、討論交流等開放教學(xué)形式展開，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感官，更容易激發(fā)其內(nèi)部思維活動(dòng). 學(xué)生普遍對(duì)新鮮而實(shí)踐性強(qiáng)的內(nèi)容存在強(qiáng)烈好奇心，在實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生活動(dòng)的靈活度更高、自主性更強(qiáng)、情感狀態(tài)波動(dòng)更顯著，更容易反映出學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)的狀態(tài)與興趣. 實(shí)驗(yàn)操作具有外顯性的特點(diǎn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的肢體動(dòng)作及情緒變化能夠反映其思維活動(dòng)[4]. 自我效能感較高的學(xué)生通常在操作中更積極主動(dòng)，練習(xí)堅(jiān)持的時(shí)間更長，善于與同伴交流并發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)與觀點(diǎn)；相反，自我效能感低的學(xué)生動(dòng)手堅(jiān)持的時(shí)間較短，易產(chǎn)生放棄心理，若教師不及時(shí)干預(yù)，學(xué)生可能逐漸喪失學(xué)習(xí)物理的興趣. 因此，在實(shí)驗(yàn)中依據(jù)學(xué)生的外在表現(xiàn)對(duì)其學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)與指導(dǎo)，能夠彌補(bǔ)物理教學(xué)中對(duì)學(xué)生情感態(tài)度關(guān)注的缺失. 我國目前仍以一對(duì)多的大班教學(xué)為主，僅憑教師有限的精力難以實(shí)時(shí)關(guān)注全體學(xué)生的肢體和表情變化，教師往往對(duì)明顯存在操作困難的學(xué)生關(guān)注較多，而容易忽視其他學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的情緒狀態(tài)，存在課堂把握的片面性和滯后性問題.

1.2 情感評(píng)價(jià)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

心理學(xué)家Mehrabian的研究表明：情感表達(dá)可分為7%的語言、38%的聲音和55%的面部表情[10]. 面部表情是情感表達(dá)的重要載體，是情感判斷的重要依據(jù). 隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步以及圖像處理、模式識(shí)別等理論的發(fā)展，表情識(shí)別技術(shù)在安防監(jiān)控、疲勞駕駛、心理醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，技術(shù)的迅速發(fā)展使得表情識(shí)別應(yīng)用于教育領(lǐng)域逐漸成為現(xiàn)實(shí). 在此背景下，應(yīng)用面部情感識(shí)別技術(shù)，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生的面部表情進(jìn)行識(shí)別以評(píng)價(jià)學(xué)生的情感投入度，不失為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程細(xì)粒度評(píng)價(jià)的可行方案.

目前，對(duì)傳統(tǒng)課堂中提取學(xué)生面部表情以分析學(xué)生聽課狀態(tài)的即時(shí)評(píng)價(jià)方式的相關(guān)研究還較少[11]. 謝幼如等[6]提出智能時(shí)代基于深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)觀，制定智能時(shí)代基于深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)體系. 馮滿堂等[12]探索性地將人臉表情識(shí)別應(yīng)用于智能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，從而補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)教育的情感缺失. 孫波等[9]通過面部表情的情感分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智慧環(huán)境下的學(xué)習(xí)者的情感識(shí)別及情感干預(yù)功能. 除了利用表情情緒識(shí)別技術(shù)外，劉毓等[13]還提出了基于中文短文本教學(xué)評(píng)價(jià)的情感分析方法，該方法有助于教師獲得準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)反饋信息并及時(shí)調(diào)整教學(xué)工作. 崔懷豐等[14]研發(fā)了在課堂環(huán)境中匯集學(xué)生的肢體、表情、語音、坐姿、心率等信息的學(xué)生情緒識(shí)別裝置，幫助教師在課堂中因狀態(tài)施教. 這些技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用與方法創(chuàng)新，使得面部情緒識(shí)別應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程性評(píng)價(jià)更加科學(xué)可行.

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，提出面部情感識(shí)別技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)課堂相融合的過程性評(píng)價(jià)方法，建立實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與學(xué)生的情感投入狀態(tài)之間的聯(lián)系，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的細(xì)粒度評(píng)價(jià)與學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的分析提供依據(jù).

2 基于PAD三維情感模型的人臉情緒識(shí)別與分析方法

2.1 人臉情感識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過獲取學(xué)生的面部表情作為分析其情感狀態(tài)的依據(jù)，這一方法比傳統(tǒng)的問答互動(dòng)來獲取其語言、聲音等信息更加準(zhǔn)確有效. 在表情識(shí)別領(lǐng)域中，將人類的表情分為高興、憤怒、厭惡、恐懼、悲傷及驚訝6種基本表情[15]，但在實(shí)驗(yàn)課堂中，學(xué)生平靜聽課狀態(tài)下還會(huì)呈現(xiàn)中性表情，因此，本文針對(duì)以上7種表情進(jìn)行分析歸類識(shí)別.

物理實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生活動(dòng)多樣化，實(shí)施各環(huán)節(jié)時(shí)的情感狀態(tài)呈現(xiàn)在面部表情中的變化明顯，在錄制的實(shí)驗(yàn)課堂學(xué)生活動(dòng)視頻中截取教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的圖像，捕獲學(xué)生的面部表情樣本. 對(duì)表情進(jìn)行情感分類屬于模式識(shí)別的過程，本文采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)實(shí)現(xiàn)面部情感分類識(shí)別的算法，在對(duì)面部情感識(shí)別模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練調(diào)優(yōu)后，基于圖像計(jì)算分析出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中各節(jié)點(diǎn)的情感狀態(tài).

2.2 PAD三維情感模型

情緒是反映學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的主要表現(xiàn)形式，可作為評(píng)價(jià)學(xué)生課堂狀態(tài)的重要依據(jù). 但在課堂評(píng)價(jià)中對(duì)學(xué)生情感狀態(tài)指標(biāo)的評(píng)判需要量化，PAD三維情感模型則將情感與外部表現(xiàn)、外界環(huán)境聯(lián)系起來，為實(shí)現(xiàn)不可量化的學(xué)生情感和可量化的投入度之間的轉(zhuǎn)換提供了工具，得出的情感投入度可作為反映學(xué)生課堂情感的指標(biāo)納入實(shí)驗(yàn)課堂評(píng)價(jià)體系中.

依據(jù)情感維度理論，PAD三維情感狀態(tài)模型將情感借由愉悅度(Pleasure-displeasure)、激活度(Arousel-nonarousal)和優(yōu)勢度(Dominance-submissiveness)這3個(gè)維度來描述[16]. 愉悅度表示個(gè)體情感狀態(tài)的正負(fù)特性，激活度表示個(gè)體的神經(jīng)生理激活水平，優(yōu)勢度表示個(gè)體對(duì)情景和他人的控制狀態(tài)(主要指對(duì)情感狀態(tài)的主觀控制程度). 研究表明，PAD 3個(gè)維度的值能夠代表具體的人類情感. 李曉明等[17]以中國人群為樣本對(duì)Mehrabian提出的PAD情感模型進(jìn)行可信度測評(píng)，并修正得到各種情感對(duì)應(yīng)三維權(quán)重值. 其中，7類基本情感在愉悅度、激活度和優(yōu)勢度3個(gè)維度上的權(quán)重，如表1所示.

表1 7類基本情感在PAD情感空間中投影的權(quán)重值

分別以這3個(gè)維度為坐標(biāo)軸可構(gòu)成PAD三維情感空間. 基于表1所列權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，將各類表情投影到情感空間中，得到7類基本情感在PAD三維情感空間中的分布，如圖1所示.

圖1 基本情感在PAD 3維情感空間的分布

學(xué)生的課堂投入度主要由愉悅度、激活度和優(yōu)勢度體現(xiàn)，但在不同形式、不同教學(xué)方法的課堂中，3個(gè)維度對(duì)學(xué)生整體課堂投入度的貢獻(xiàn)值有所不同，其系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際課堂情況而定，因此，投入度公式可以表示為

(1)

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)面部情緒識(shí)別過程主要包括數(shù)據(jù)獲取、情感識(shí)別以及結(jié)果分析，智能教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架如圖2所示.

圖2 智能教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架

通過攝像頭獲取學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的視頻信息，在視頻中以設(shè)定的時(shí)間間隔截取1幀照片，并從中識(shí)別提取出每位學(xué)生的人臉圖像. 在獲得各學(xué)生的人臉樣本后，情感識(shí)別則通過人臉檢測框出人臉部分，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，降低輸入圖像的數(shù)據(jù)維數(shù). 再通過特征學(xué)習(xí)提取出表情圖像中的有效信息并去除冗余，完成情感分類模型的預(yù)訓(xùn)練，從而判斷輸入樣本的情感類型. 最后利用(1)式計(jì)算學(xué)生的投入度. 綜合各時(shí)間節(jié)點(diǎn)學(xué)生的投入度可計(jì)算出該學(xué)生在課堂中的平均情感狀態(tài)(Average 1,I1)，用于評(píng)估學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)個(gè)別學(xué)生的教學(xué)效果. 運(yùn)用多名學(xué)生的投入度可計(jì)算出全體學(xué)生的整體情感狀態(tài)(Average 2,I2)，用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生整體狀態(tài)效果.

(2)

式中,i表示時(shí)間節(jié)點(diǎn)，j表示學(xué)生個(gè)體.

3 系統(tǒng)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生的情感狀態(tài)隨探究活動(dòng)的開展而易顯于其外部表情和動(dòng)作中，這為攝像頭捕獲有效的可識(shí)別圖像奠定了基礎(chǔ). 同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課堂也存在學(xué)生活動(dòng)多樣、復(fù)雜的特點(diǎn)，大多數(shù)學(xué)生的面部朝向不同，需多角度捕獲面部圖像并篩選出可用樣本. 為提高智能教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)課堂的可行性與準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型調(diào)優(yōu)，并實(shí)際應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂中,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程評(píng)估的效果.

3.1 系統(tǒng)模型

情感分類屬于模式識(shí)別的過程，其本質(zhì)是選擇合適的分類算法對(duì)圖像進(jìn)行分類判決. 對(duì)于面部情感分類識(shí)別的算法，將采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)來實(shí)現(xiàn). CNN的最基本架構(gòu)為卷積層、池化層和全連接層. 傳統(tǒng)的基于特征提取的方法在選擇合適的特征進(jìn)行模型學(xué)習(xí)時(shí)非常耗時(shí)，CNN能有效地學(xué)習(xí)這些特征，這使CNN在現(xiàn)實(shí)場景中使用變得非常方便[18]. 2012年，Alex在此基礎(chǔ)上提出了AlexNet，在imageNet2012的圖片分類任務(wù)上，AlexNet以15.3%的錯(cuò)誤率登頂，由于其顯著的學(xué)習(xí)能力，自提出以來便引起眾多研究者的注意. 對(duì)比LeNet，AlexNet的卷積層和池化層沒有太大變化，不過層數(shù)有所加深. AlexNet在模型訓(xùn)練提出了LRN局部響應(yīng)歸一化、ReLU激活函數(shù)、Dropout、GPU加速等新的技術(shù)點(diǎn)[19]. 本文將應(yīng)用遷移學(xué)習(xí)的方法，使用AlexNet進(jìn)行表情情感分類.

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

模型訓(xùn)練部分的數(shù)據(jù)將采用JAFFE和Ck+這2個(gè)公開數(shù)據(jù)集：

1)JAFFE由10位日本女性在誘發(fā)狀態(tài)下產(chǎn)生，該數(shù)據(jù)庫包含了213幅圖像，每幅圖像都有原始的表情定義，共有7種表情：中性、高興、悲傷、驚奇、憤怒、厭惡、恐懼.

2)Ck+數(shù)據(jù)庫是在 Cohn-Kanade Dataset的基礎(chǔ)上擴(kuò)展來的，發(fā)布于2010年，該數(shù)據(jù)庫包括123個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象,593個(gè)圖像序列，每個(gè)圖像序列的最后1張框都有行為單元的標(biāo)記，而在這593個(gè)圖像序列中，有327個(gè)序列有情感狀態(tài)的標(biāo)記. 該數(shù)據(jù)庫是人臉表情識(shí)別中比較流行的數(shù)據(jù)庫.

為了達(dá)到2個(gè)數(shù)據(jù)集上的統(tǒng)一，在訓(xùn)練學(xué)習(xí)Ck+數(shù)據(jù)集時(shí)也引入了“中性”這一感情. 實(shí)驗(yàn)中將數(shù)據(jù)集中提取得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集、測試集以及驗(yàn)證集. 其中，每個(gè)時(shí)期的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為80%，測試數(shù)據(jù)則為20%. 用于驗(yàn)證的數(shù)據(jù)始終與用于測試的數(shù)據(jù)保持相同的大小.

3.3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.3.1 模型效果評(píng)估

實(shí)驗(yàn)采用五折交叉訓(xùn)練，在2個(gè)公開數(shù)據(jù)集上得到的驗(yàn)證平均準(zhǔn)確率及測試平均準(zhǔn)確率如表2所示.

表2 不同數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證集和測試集的準(zhǔn)確率

模型的泛化能力通常由模型在驗(yàn)證集上的性能來評(píng)估，隨著網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，泛化誤差也會(huì)出現(xiàn)，即使訓(xùn)練集上的泛化能力下降，其在驗(yàn)證集上的表現(xiàn)也不一定變差. 反之，即使模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)良好，但在驗(yàn)證集上表現(xiàn)不佳，也可能發(fā)生過擬合. 因此，為了避免過擬合，引入了提前停止的機(jī)制. 如圖3所示，當(dāng)性能達(dá)到最佳預(yù)測時(shí)，模型將被保存.

(a)基于JAFFE

(b)基于Ck+圖3 不同數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率曲線圖

3.3.2 模型可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證學(xué)生面部情緒識(shí)別方法的實(shí)際可行性，研究團(tuán)隊(duì)在廣東某中學(xué)的2節(jié)40 min物理實(shí)驗(yàn)公開課堂中，于教室的前方、左側(cè)、右側(cè)3個(gè)角度放置了攝像頭，每堂課中分別采集了20名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中5個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的面部表情樣本，運(yùn)用該識(shí)別模型對(duì)學(xué)生各節(jié)點(diǎn)的表情圖片進(jìn)行分析計(jì)算，得到關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)學(xué)生情感狀態(tài)(I)、學(xué)生個(gè)體在整體實(shí)驗(yàn)中的情感狀態(tài)(I1)及實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生整體的情感狀態(tài)(I2). 經(jīng)篩除表情圖片中截取到學(xué)生背面、側(cè)臉、低頭姿勢以及表情模糊的樣本后，選取其中2個(gè)實(shí)驗(yàn)小組共9名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂完整的情感投入度變化來記錄、預(yù)測與評(píng)價(jià).

同時(shí)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中根據(jù)觀察到的學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)情況，將學(xué)生的情感投入度分為2個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)分，投入度低用0表示，投入度高則用1表示. 最后將教師對(duì)各學(xué)生各節(jié)點(diǎn)的評(píng)分與模型測試計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性與可行性，對(duì)比結(jié)果如表3所示.

表3 方案預(yù)測結(jié)果與教師評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

面部情緒識(shí)別方案經(jīng)分析計(jì)算所得的學(xué)生情感投入結(jié)果，與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師所給出的學(xué)生狀態(tài)等級(jí)基本一致，驗(yàn)證了本文提出的智能情感評(píng)價(jià)模型具有較高的可行性與準(zhǔn)確度.

評(píng)價(jià)所獲得學(xué)生各節(jié)點(diǎn)的課堂情感投入情況與物理實(shí)驗(yàn)課堂的科學(xué)探究流程設(shè)計(jì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)照，能夠?yàn)榻處煼此?、改善教學(xué)提供有力指導(dǎo)依據(jù). 在實(shí)驗(yàn)課中，第1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)為小組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與猜想，有的學(xué)生在教師的情境引入下能較快適應(yīng)課堂角色，積極主動(dòng)地聯(lián)想，呈現(xiàn)較高的投入度，有的小組卻仍未進(jìn)入課堂狀態(tài). 因此，在實(shí)驗(yàn)操作前教師應(yīng)設(shè)置合適的情境并引導(dǎo)小組討論猜想，讓學(xué)生精力集中、情緒飽滿，保持思維活躍. 第2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，學(xué)生上臺(tái)分享小組的實(shí)驗(yàn)猜想，而其他學(xué)生多呈現(xiàn)低投入度，實(shí)驗(yàn)猜想的思維發(fā)散度較低，各小組間的設(shè)計(jì)猜想差異較小，教師可適當(dāng)縮短這一環(huán)節(jié)的時(shí)間. 第3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置在學(xué)生初步實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生還未完全進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作狀態(tài)，僅有少數(shù)學(xué)生動(dòng)手操作，智能系統(tǒng)識(shí)別出大多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)投入度低，但當(dāng)教師巡視到目標(biāo)學(xué)生面前進(jìn)行指導(dǎo)時(shí)，他們的注意力很快集中回來，因此教師判斷出大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)投入度較高，這一評(píng)價(jià)存在片面性. 第4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)學(xué)生處于實(shí)驗(yàn)探究的高潮，操作熟練且能對(duì)感興趣的問題進(jìn)行自主探究，整體投入度較高，該階段教師應(yīng)抓住學(xué)生這一積極狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)中的“爭議點(diǎn)”；最后的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置在結(jié)論分析環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠在小組交流中闡述自己的發(fā)現(xiàn)，此時(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)較興奮，有助于教師進(jìn)行總結(jié)梳理與拓展延伸.

用面部情緒識(shí)別技術(shù)來評(píng)估學(xué)生的投入度的方法能夠在實(shí)驗(yàn)課堂的自然狀態(tài)下進(jìn)行，避免了教師干預(yù)所帶來的影響，相較于傳統(tǒng)的教師評(píng)價(jià)，可實(shí)現(xiàn)更高效且客觀的情感評(píng)價(jià).

4 結(jié)束語

模型驗(yàn)證所選的2堂實(shí)驗(yàn)課均為公開課，課堂質(zhì)量較高，學(xué)生精神飽滿熱情，大多呈現(xiàn)出高投入度. 在后續(xù)的研究中，可以在更多實(shí)驗(yàn)課堂中進(jìn)行實(shí)證分析，以新課標(biāo)提倡的科學(xué)探究7環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步修正物理實(shí)驗(yàn)課堂評(píng)價(jià)的PAD模型3個(gè)維度的權(quán)重，提高模型的準(zhǔn)確度. 還可以進(jìn)一步細(xì)化評(píng)價(jià)的粒度，將評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)分解到物理實(shí)驗(yàn)課堂的各個(gè)具體環(huán)節(jié)，用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)教學(xué)微設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的影響，為物理教師探索出有效激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究興趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑提供參考. 要實(shí)現(xiàn)有效的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程性評(píng)價(jià)，不僅要充分考慮評(píng)價(jià)內(nèi)容，還要有客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)工具. 隨著圖像處理和人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來有望實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)作表情識(shí)別，更智能、更高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià).