看看我「辨」臉:人臉辨識在科學教育的應用

作者 : NSTC

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授邱美虹,運用荷蘭臉部辨識與表情分析軟體(FaceReader),分析高中生與大學生在進行科學教育經歷概念改變時會表現出幾種表情,幫助教師及時調整教學方法,讓科學教育更貼近學生需求...

隨著人臉辨識科技的快速發展,人們臉部表情改變與科學學習之間的關係逐漸被發現與證實。在國科會的支持下,國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授邱美虹,運用荷蘭臉部辨識與表情分析軟體(FaceReader),嘗試分析台灣高中生與大學生在進行科學教育經歷概念改變時會表現出幾種表情,藉此探究學生學習進程,並且幫助教師及時調整教學方法,讓科學教育更貼近學生需求。

臉是人類辨別他人喜怒哀樂最重要的途徑之一,人們時常經由自己臉部表情向其他人傳達感受,無論是笑、哭或是一個眼神,臉部表情都是解讀他人思緒的重要線索。然而絕大多數時候,人們都是無意識地經由臉部表情傳達心情,因此,豐富的臉部表情也成為能透視他人想法的窗口。在科學教育研究中,分析學生學習當下的表情也成為理解其學習成效的一種方法。

邱美虹教授和她的研究團隊使用臉部表情分析軟體蒐集我國高中學生和大學生面對不同科學現象所產生的臉部表情變化,尤其是當學生看到與其預期不符的科學現象所產生的反差表情,再與學生後續的科學學習及理解作為比對,結果發現:學生學習科學概念時臉部的微表情(即持續不超過0.5秒之臉部表情)狀態不同,這些瞬間改變的微表情,有助於研究者辨識學生的理解程度高低,未來也可以協助教師研發課堂上的適當的教學素材,幫助程度不同的學生並給予適當指導。

邱美虹教授團隊運用沸水停止加熱後,以冰塊降溫導致沸水瓶內氣體壓力降低,水再次沸騰的反直覺式實驗,引發學生對壓力、沸點等既有概念的質疑。研究發現,學生面對冰塊降溫卻反使水再次沸騰的反直覺現象產生許多微表情,且學生臉部微表情與其科學概念的改變有密切關係,若團隊替換其他反直覺實驗,也出現相同結果,因此研究發現並不侷限於單一實驗或科學概念。

研究團隊依據人類六大主要表情(快樂、驚訝、噁心、難過、憤怒及害怕)進行統計決策樹分析後也發現,驚訝、難過、噁心等三種主要表情,是預測學生科學概念會否改變的關鍵表情。尤其負面表情是預測學生會改變科學概念的重要指標,這與過去認為正面表情才是代表學習發生的結論有所不同。研究團隊再進一步分析,科學素材的呈現方式對於預測學生學習成效也會有影響,例如,運用動畫解說科學概念的意義,比單獨使用文字說明或播放實驗影片有更佳的預測指標;另一方面,運用文本說明又比僅播放實驗影片更能傳達科學概念。

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