科技教育創(chuàng)新成果二等獎：探秘機器人表情背后的語言 ——機器人表情圖案設(shè)計制作

作者

翟琨

北京市宣武青少年科學(xué)技術(shù)館

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能機器人逐漸成為人類生活的重要組成部分，機器人如何更好地與人類進(jìn)行情感交流，是一個值得探索的問題。表情作為人類情感表達(dá)的重要方式之一，可以幫助人們快速傳遞情緒信息，設(shè)計能夠表達(dá)情感的機器人表情圖案，有助于增強人機交互的自然性和趣味性。

本次教學(xué)活動以《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》為指導(dǎo)，結(jié)合機器人編程與漢語情緒成語詞條，旨在引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計和制作機器人表情圖案，提升計算思維和數(shù)字化工具應(yīng)用技能。活動采取項目式學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生在真實問題驅(qū)動下，經(jīng)歷原理運用、計算思維和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，最終完成機器人表情圖案的設(shè)計與制作。

教學(xué)目標(biāo)與思路

教學(xué)目標(biāo)

提升計算思維能力通過感受情緒成語詞條、繪制面部表情、轉(zhuǎn)換像素模式和編程表情圖案，培養(yǎng)學(xué)生分層解析、建立流程和識別模式的能力。

增強數(shù)字化工具應(yīng)用技能引導(dǎo)學(xué)生使用機器人圖像編輯器和“像素洞洞板”教具，掌握數(shù)字化工具的使用方法，提升技術(shù)應(yīng)用能力。

促進(jìn)情感教育通過學(xué)習(xí)情緒成語詞條和設(shè)計表情圖案，幫助學(xué)生認(rèn)識情緒、理解情緒，提升共情能力和社交能力。

弘揚中華文化將漢語情緒成語詞條與機器人編程相結(jié)合，增強學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認(rèn)同感和自信心。

本課程適合3年級以上具備一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生。

圖1 教學(xué)核心理念

設(shè)計思路

本活動聚焦機器人表情圖案設(shè)計制作，引導(dǎo)學(xué)生在活動中分層解析、建立流程、識別模式，通過情緒詞條感受、面部表情繪制、像素模式轉(zhuǎn)換、表情圖案編程等過程，學(xué)會機器人表情圖案制作的技能，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、信息意識，以及信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

項目式學(xué)習(xí)以真實問題為驅(qū)動，通過“看‘心’、演‘心’、畫‘心’、學(xué)‘心’、謀‘心’、制‘心’、讀‘心’、展‘心’、傳‘心’”九個環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中探究。

學(xué)科融合將信息科技與漢語相結(jié)合，學(xué)生在正確認(rèn)識情緒的基礎(chǔ)上，通過編程呈現(xiàn)從情緒成語詞條含義到外在面部表情，再到機器人擬人表情之間的知識鏈接，一方面有效提升編程過程中學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的自信，繼承和弘揚中華文化底蘊；同時引導(dǎo)學(xué)生在具體語言情景中提升語言運用能力、創(chuàng)造思維和計算思維能力。

多感官調(diào)用通過看、畫、演、編、猜、展等多種活動形式，幫助他們更好地理解和表達(dá)情緒。

身心教育在活動中融入情緒管理教育，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識情緒，理解情緒引發(fā)的行為及后果，提升自我情緒認(rèn)知能力。

設(shè)計原理和方法

設(shè)計原理

情緒與表情的關(guān)系情緒是心理狀態(tài)的直接表現(xiàn)，而表情是情緒的外在表現(xiàn)形式。通過分析情緒成語詞條的含義，可以提煉出對應(yīng)的表情特征。

圖案像素化機器人液晶屏顯示方式為像素點模式，通過“像素洞洞板”教具，將常規(guī)表情圖片轉(zhuǎn)換為像素圖案，讓學(xué)生了解像素概念，幫助學(xué)生更好地掌握機器人圖像編輯器的使用方法。

編程控制通過機器人圖像編輯器，將設(shè)計好的像素圖案編程為機器人可執(zhí)行的代碼，實現(xiàn)表情圖案的顯示和動態(tài)變化。

設(shè)計方法

情緒成語詞條分析選擇與情緒相關(guān)的成語詞條，如“嫣然一笑”“怒火中燒”等，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱字典的方式了解、分析其含義及對應(yīng)的表情特征。這一過程旨在幫助學(xué)生理解成語中蘊含的情緒信息，將抽象的語言表達(dá)與具體的表情特征聯(lián)系起來，從而提升學(xué)生的語言運用能力和情感認(rèn)知能力。同時，通過成語學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠更深地理解成語的含義，學(xué)會用成語表達(dá)復(fù)雜的情緒，增強共情能力，還能增強學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認(rèn)同感和自信心。此外，查閱字典和小組討論也鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力。

表情圖案設(shè)計使用“像素洞洞板”將表情圖片轉(zhuǎn)換為像素模式，繪制出符合情緒特征的像素圖案。這一過程的目的是通過像素化處理，將抽象的表情特征轉(zhuǎn)化為具體的像素圖案，培養(yǎng)學(xué)生的藝術(shù)表現(xiàn)力和技術(shù)應(yīng)用能力。同時，這也有助于提升學(xué)生的空間想象力和邏輯思維能力。在這個過程中，學(xué)生能夠更直觀地理解像素的概念及其在圖像顯示中的作用，提升對技術(shù)原理的認(rèn)知。

編程實現(xiàn)通過機器人圖像編輯器，將設(shè)計好的表情圖案轉(zhuǎn)換為像素化的代碼，再通過編程將這些代碼映射到OLED液晶屏的像素點上，從而實現(xiàn)表情圖案在OLED液晶屏上的顯示和動態(tài)變化。這一過程不僅涉及圖像的像素化處理，學(xué)生還學(xué)會了如何將表情圖片通過編程轉(zhuǎn)化為可在OLED液晶屏上顯示的圖案，提升了他們對像素化原理和編程控制的理解。

互動展示通過小組展示和互猜活動，驗證表情圖案的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。這一環(huán)節(jié)旨在驗證表情圖案是否能夠準(zhǔn)確傳達(dá)情緒信息，并根據(jù)反饋進(jìn)行優(yōu)化。互猜活動的趣味性能夠激發(fā)學(xué)生對機器人編程和情感表達(dá)的興趣，增強學(xué)習(xí)動力。同時，學(xué)生能夠從他人的反饋中發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計中的不足，學(xué)會如何改進(jìn)自己的作品，提升批判性思維能力。

教學(xué)過程

第一階段：提出問題

看“心”通過展示表情圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察和描述表情特征，提出問題：通過什么樣的臉部表情判斷情緒變化？

演“心”學(xué)生通過角色扮演，真實情景導(dǎo)入，體驗情緒成語詞條的含義，感受面部表情與情緒的直接聯(lián)系。

畫“心”學(xué)生查閱漢語詞典，理解情緒成語詞條的含義，并繪制對應(yīng)的表情圖案，將抽象的情緒成語詞條具象化。

[設(shè)計意圖]探索情緒變化與臉部表情之間的關(guān)系；感受表情詞條與心理情緒的直接聯(lián)系。

第二階段：機器人表情方案設(shè)計

學(xué)“心”了解像素點概念和機器人屏幕顯示原理，使用“像素洞洞板”將表情圖片轉(zhuǎn)換為像素模式，使用機器人圖像編輯器，給機器人添加一個固定表情，表現(xiàn)它的“情感”，完成一幅表情圖案的編程控制。

謀“心”教師提前準(zhǔn)備表情成語詞條并密封成為表情密語，每組學(xué)生隨機抽取，且僅本小組知曉，通過查閱漢語字典了解其含義，使用機器人圖像編輯器完成表情圖案的設(shè)計與繪制。

[設(shè)計意圖]理解像素圖案的構(gòu)成，學(xué)會將普通圖片像素化的方法；學(xué)會設(shè)計繪制機器人表情圖案。

第三階段：設(shè)計物化——機器人表情實踐制作

制“心”學(xué)生根據(jù)設(shè)計方案，核對表情設(shè)計方案與表情謎語詞條含義的一致性，運用編程技能開展表情機器人的程序編寫與制作。

讀“心”小組之間輪流展示作品，互猜機器人表情所表達(dá)的情緒含義，并完善、調(diào)整本組表情圖案設(shè)計。

[設(shè)計意圖]引導(dǎo)學(xué)生在活動中實踐制作表情機器人，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新物化和技術(shù)應(yīng)用能力；認(rèn)識機器人表情動作的重要性和作用。

第四階段：展示交流，提升信息創(chuàng)新意識

展“心”展示我國類人機器人的面部設(shè)計，提出遵守信息社會法律法規(guī)及信息社會創(chuàng)新意識的希望。

傳“心”開展“機器人表情背后的語言”主題新品推介會，分享設(shè)計成果，弘揚科技創(chuàng)新與人文融合精神。

[設(shè)計意圖]提高公眾對智能科技的認(rèn)識和興趣，激發(fā)公眾對科技創(chuàng)新的關(guān)注和支持，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任心和科技實踐能力。

圖2 教學(xué)活動流程

圖3 表情圖案處理過程示例

教學(xué)效果與收獲

本次教學(xué)活動通過項目式學(xué)習(xí)方式，將信息科技與語文、藝術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，幫助學(xué)生在真實問題驅(qū)動下，經(jīng)歷原理運用、計算思維和數(shù)字化工具應(yīng)用的過程，最終完成了機器人表情圖案的設(shè)計與制作。活動不僅提升了學(xué)生的計算思維能力和數(shù)字化工具應(yīng)用技能，還促進(jìn)了情感教育，增強了文化自信。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果二等獎

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來源 | 《中國科技教育》2025-05

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安