李傳江 張秋秋 張崇明 尹仕熠 韓浩志

摘? 要 從中小學(xué)素質(zhì)教育的內(nèi)涵出發(fā)，在結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)與兒童教育學(xué)的基礎(chǔ)上，梳理中小學(xué)教育的智能化需求，將傳統(tǒng)的學(xué)生心理指導(dǎo)工作同人工智能技術(shù)高度融合，設(shè)計(jì)基于笑臉檢測(cè)的兒童笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中所涉及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行理論分析。該系統(tǒng)已在上海某小學(xué)獲得實(shí)際應(yīng)用，笑臉識(shí)別效果良好，初步達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 人工智能+教育;中小學(xué);心理教育;校園文化;笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng);素質(zhì)教育

中圖分類號(hào)：G444? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）07-0009-03

1 引言

在中小學(xué)教育改革進(jìn)程中，人們對(duì)素質(zhì)教育的重視程度逐漸提高。教育者以促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為目的，在注重培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)技能發(fā)展和學(xué)習(xí)成績(jī)的同時(shí)，更加注重學(xué)生成長(zhǎng)健康和心理健康。隨著近年來(lái)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，“人工智能+教育”的理念逐漸進(jìn)入大眾視野。為了實(shí)現(xiàn)人工智能新技術(shù)與教育的深度融合，推動(dòng)人工智能在校園中的應(yīng)用，需要根據(jù)中小學(xué)的實(shí)際需求有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用，為學(xué)生提供精準(zhǔn)服務(wù)，這也將給中小學(xué)教育帶來(lái)新一輪的技術(shù)革新與顛覆性的體驗(yàn)[1]。本文設(shè)計(jì)的學(xué)生笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)，利用人工智能技術(shù)滿足了中小學(xué)在心理教育方面的實(shí)際需求，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)快樂(lè)成長(zhǎng)，提高心理健康水平，減少心理行為問(wèn)題的發(fā)生，同時(shí)能體驗(yàn)人工智能技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

2 需求分析

近年來(lái)，隨著中小學(xué)生學(xué)習(xí)與生活壓力的增加，其心理行為問(wèn)題日趨突出。在眾多導(dǎo)致學(xué)生發(fā)生心理行為問(wèn)題的因素中，學(xué)習(xí)壓力大、在校人際交往障礙等原因占據(jù)多數(shù)。這類學(xué)生往往心理負(fù)擔(dān)沉重，逃避上學(xué)，對(duì)集體生活既無(wú)興趣又缺乏信心[2]，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)成績(jī)下降，且極大地妨礙身心成長(zhǎng)。

當(dāng)前，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展及在教育領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，人工智能技術(shù)在智能教育機(jī)器人、智能作業(yè)批改系統(tǒng)等方面不斷探索與發(fā)展[3]，但能夠輔助教師關(guān)注學(xué)生心理健康，引導(dǎo)學(xué)生快樂(lè)成長(zhǎng)的技術(shù)研究，目前尚處于起步階段。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于笑臉檢測(cè)的笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)。為了展示中小學(xué)生樂(lè)觀、自信、陽(yáng)光、活力四射的精神面貌，該系統(tǒng)結(jié)合人工智能，利用笑臉檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)鼓勵(lì)學(xué)生多微笑。該系統(tǒng)在每天早上抓拍學(xué)生豐富多彩的笑臉，將一張張燦爛的笑容綻放在“笑臉墻”上。在系統(tǒng)每天的鼓勵(lì)與引導(dǎo)下，學(xué)校能有效減少學(xué)生心理行為問(wèn)題的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的快樂(lè)成長(zhǎng)。不僅如此，當(dāng)教師或家長(zhǎng)行走在校園內(nèi)，看到“笑臉墻”上一張張?zhí)煺鏍€漫的笑臉，在更好地了解學(xué)生近期的心情狀態(tài)的同時(shí)，也被撲面而來(lái)的童真氣息以及快樂(lè)氛圍所感染，擁有同樣的快樂(lè)與幸福。

相比在學(xué)校墻壁上看到名人畫(huà)像或格言，“笑臉墻”更能緩解學(xué)生壓力，營(yíng)造健康、輕松、快樂(lè)的成長(zhǎng)氛圍，在向?qū)W生傳輸各方面的學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，關(guān)注學(xué)生的心理健康，達(dá)成學(xué)生身心的和諧、快樂(lè)成長(zhǎng)與健康發(fā)展。推行這樣的校園文化，也體現(xiàn)了學(xué)校的人文關(guān)懷和視學(xué)生為教育主體的辦學(xué)理念。

3 笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)通過(guò)圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)，利用攝像頭實(shí)時(shí)采集視頻，實(shí)現(xiàn)學(xué)生笑臉的抓拍，自動(dòng)在屏幕上循環(huán)展示。具體可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、人機(jī)交互模塊和笑臉識(shí)別模塊[4]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中，數(shù)據(jù)采集模塊由點(diǎn)陣紅外夜視攝像頭實(shí)現(xiàn)，可獲取實(shí)時(shí)視頻與照片的拍攝，最后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端。該攝像頭具有日夜切換，逆光補(bǔ)償、強(qiáng)光抑制的優(yōu)勢(shì)，從硬件角度出發(fā)，盡量減少光照對(duì)笑臉識(shí)別效果的影響。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生笑臉的存儲(chǔ)。其數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為兩張表，其中一張表存儲(chǔ)學(xué)生注冊(cè)信息，另一張用來(lái)保存動(dòng)態(tài)的學(xué)生笑臉圖片。本系統(tǒng)人機(jī)交互界面基于PyQt5工具包，由Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)如圖2所示，左邊顯示實(shí)時(shí)視頻，右邊不斷更新展示捕捉到的笑臉照片。

服務(wù)器端的笑臉識(shí)別模塊是本系統(tǒng)的核心模塊。該模塊通過(guò)對(duì)學(xué)生面部區(qū)域進(jìn)行笑臉檢測(cè)，結(jié)合嘴部姿態(tài)變化和牙齒特征檢測(cè)進(jìn)行綜合判斷，識(shí)別笑容。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

首先，對(duì)人臉圖像進(jìn)行人臉剪裁，直方圖均衡化、歸一化等預(yù)處理，然后對(duì)人臉圖像進(jìn)行LBP特征及唇部PHOG特征的提取[5]。其中，PHOG特征提取過(guò)程如下。

1）根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，獲取唇部位置。

2）采用sobel算子計(jì)算唇部梯度向量：

若Ix及Iy分別代表經(jīng)縱向及橫向邊緣檢測(cè)的圖像，即Ix=sobel1*I，Iy=sobel2*I，則圖像每個(gè)像素點(diǎn)的梯度幅值為：

梯度方向?yàn)椋害?arctan（Ix/Iy）

3）對(duì)唇部區(qū)域做金字塔分割。將原始圖像通過(guò)多次采樣處理，形成“金字塔”的一個(gè)圖像區(qū)域組成的序列。

4）提取各層子圖像的HOG特征，連接所有子圖像的特征作為最終提取的嘴部特征，獲取串聯(lián)后的PHOG特征向量總長(zhǎng)度。

提取圖像的人臉LBP特征時(shí)利用LBP編碼，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，P，R表示在半徑為R的鄰域內(nèi)，中心像素點(diǎn)相鄰采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為P個(gè)，R的鄰域尺寸為（8，1）;（xc，yc）表示中心像素點(diǎn)的坐標(biāo);S（Ii，Ic）為邏輯判斷函數(shù)，其中Ii表示第i個(gè)采樣點(diǎn)的灰度值，Ic表示中心像素點(diǎn)的灰度值，從而得到LBP特征LBPP，R（xc，yc）。

其次，串聯(lián)樣本提取到的PHOG特征向量和LBP特征向量，得到融合后的特征向量。在這組新的特征向量中，既包含唇部的PHOG特征信息，又包含人臉的LBP特征信息。

最后，結(jié)合隨機(jī)森林算法生成笑臉識(shí)別分類器[6]，得到笑臉和非笑臉的分類標(biāo)準(zhǔn)。在生成隨機(jī)森林過(guò)程中，需要通過(guò)從總訓(xùn)練樣本集的N次隨機(jī)取樣，得到N個(gè)決策樹(shù)訓(xùn)練的樣本集，再利用融合特征向量和訓(xùn)練集標(biāo)簽訓(xùn)練N個(gè)決策樹(shù)，隨之構(gòu)成“森林”。將測(cè)試集圖像輸入訓(xùn)練好的決策樹(shù)決策分類，并將每顆決策樹(shù)的結(jié)果進(jìn)行綜合，所得票數(shù)最高的分類結(jié)果作為整個(gè)隨機(jī)森林算法的輸出結(jié)果，判斷出待識(shí)別人臉是否為笑臉，完成笑臉檢測(cè)。

4 案例分析

笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)目前已在上海市浦東新區(qū)某小學(xué)投入使用。為了凸顯“笑臉墻”的重要性，研究團(tuán)隊(duì)將其設(shè)在校園門口，以此督促學(xué)生每天到校第一件事就是先給自己一個(gè)微笑，利用心理暗示法給自己加油打氣。該系統(tǒng)每天通過(guò)攝像頭采集視頻，對(duì)視頻中的每一幀圖像都進(jìn)行人臉檢測(cè)，并將人臉的特征向量與笑臉?lè)诸惼鬟M(jìn)行對(duì)比、匹配等操作，識(shí)別出是否為笑臉。最終將檢測(cè)到的笑臉抓拍，在屏幕上循環(huán)展示。圖3為實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)圖，由現(xiàn)場(chǎng)照片可看出，學(xué)生對(duì)該系統(tǒng)躍躍欲試，紛紛上前感受人工智能帶來(lái)的樂(lè)趣，讓系統(tǒng)抓拍到自己的笑臉并成功展示。

一日之計(jì)在于晨。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每天早上給自己心理暗示“今天是快樂(lè)向上的一天”，并能開(kāi)心大笑的學(xué)生，潛移默化地傳遞著正能量，能夠保持上課的興奮和心情愉悅，帶來(lái)一天的好心情。行為心理學(xué)認(rèn)為，一個(gè)人新習(xí)慣的形成并加以鞏固至少需21天。也就是說(shuō)一個(gè)人的動(dòng)作或想法，重復(fù)21天會(huì)變成習(xí)慣性的動(dòng)作或想法。起初，在學(xué)校教師的引導(dǎo)下，鼓勵(lì)學(xué)生每天多微笑，堅(jiān)持微笑打卡。通過(guò)一段時(shí)間的堅(jiān)持，學(xué)生可養(yǎng)成主動(dòng)微笑的習(xí)慣。長(zhǎng)此以往，每天的微笑可在一定程度上減輕學(xué)生的壓力與焦慮，使學(xué)生能夠更積極開(kāi)心地學(xué)習(xí)。

學(xué)校相關(guān)教師基于該系統(tǒng)提供的笑臉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)不愛(ài)笑的學(xué)生進(jìn)行甄別，主動(dòng)給予精準(zhǔn)個(gè)性化干預(yù)，包括詢問(wèn)該學(xué)生是否有煩惱、長(zhǎng)期不愛(ài)笑的原因，給予一定的鼓勵(lì)和疏導(dǎo)，提供有針對(duì)性的有效心理治療方案，并建立個(gè)人專屬心理檔案。

綜上所述，該系統(tǒng)一方面能讓學(xué)生通過(guò)心理暗示保持上課的興奮和心情愉悅;另一方面能使教師在人工智能技術(shù)的幫助下對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的心理輔導(dǎo)，滿足學(xué)校的需求，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

在人工智能快速發(fā)展的大趨勢(shì)下，需要不斷強(qiáng)化推廣人工智能理念，推動(dòng)其在中小學(xué)校的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人工智能在中小學(xué)教學(xué)教育中的滲透。本文將人工智能技術(shù)與教育深度結(jié)合，設(shè)計(jì)出笑臉識(shí)別鼓勵(lì)系統(tǒng)并加以運(yùn)用，仍需在實(shí)踐中不斷探索、總結(jié)和完善。

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