基于情感計(jì)算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

【摘要】情感計(jì)算是與情感相關(guān)、來(lái)源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠?jì)算。文章在分析適應(yīng)性學(xué)習(xí)理論及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適應(yīng)性現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)基于情感計(jì)算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型，并對(duì)系統(tǒng)的用戶登錄模塊、情感交互模塊、評(píng)價(jià)模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過(guò)程模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊進(jìn)行了詳細(xì)論述，籍以此解決傳統(tǒng)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的情感缺失問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】情感計(jì)算；適應(yīng)性學(xué)習(xí)；適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097 (2008) 12—0091—03

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)（或?qū)W習(xí)系統(tǒng)）雖然可以在web環(huán)境下實(shí)現(xiàn)認(rèn)知層面的個(gè)性化教學(xué)，但往往只重視學(xué)習(xí)內(nèi)容的適應(yīng)性，忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的情感狀態(tài)，以致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏情感投入，造成嚴(yán)重的情感缺失，甚至產(chǎn)生反感情緒，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的效果。一個(gè)真正個(gè)性化的適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)不僅應(yīng)當(dāng)是有智能的，而且還應(yīng)當(dāng)是有情感的。

情感是人類的基本經(jīng)驗(yàn)，它同理性思維和邏輯推理能力一樣，在我們的日常生活、工作、交流、處理事務(wù)和決策中扮演著重要的角色[1]。情感在認(rèn)知和人機(jī)交互中起著關(guān)鍵性的作用，讓計(jì)算機(jī)具有情感實(shí)質(zhì)上就是讓計(jì)算機(jī)在與人的交互中具有智能和敏感的能力。如果計(jì)算機(jī)具備了類似于人類的情感能力，能夠感知和表達(dá)情感，那么人與自然、人與計(jì)算機(jī)就能達(dá)成一種和諧。因此，可以說(shuō)情感計(jì)算是建立這種和諧人機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)之一。

所謂的情感計(jì)算是與情感相關(guān)、來(lái)源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠?jì)算[2]。情感計(jì)算技術(shù)將有助于改變目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的情感缺失問(wèn)題，是解決目前網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適應(yīng)問(wèn)題的有效突破口。

一 適應(yīng)性學(xué)習(xí)理論及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適應(yīng)性現(xiàn)狀

適應(yīng)性學(xué)習(xí)（Adaptive Learning）是指為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的適應(yīng)性，通過(guò)學(xué)習(xí)環(huán)境的自身調(diào)整來(lái)適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個(gè)性特征和認(rèn)知水平，滿足學(xué)習(xí)者個(gè)別需要的學(xué)習(xí)過(guò)程。因此，適應(yīng)性學(xué)習(xí)主要包括：（1）學(xué)習(xí)者可以選擇學(xué)習(xí)支持工具來(lái)定制自己喜歡的學(xué)習(xí)環(huán)境。（2）根據(jù)學(xué)習(xí)者的需要，適應(yīng)性學(xué)習(xí)可以提供靈活的學(xué)習(xí)方法，動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容[3]?，F(xiàn)階段主流的適應(yīng)性學(xué)習(xí)模式主要包括3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：學(xué)習(xí)診斷、學(xué)習(xí)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)組織和學(xué)習(xí)策略的選擇[4]。

適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究以人工智能科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和思維科學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)研究人類學(xué)習(xí)思維的特征和過(guò)程，來(lái)尋求學(xué)習(xí)認(rèn)知的模式[5]。在適應(yīng)性學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生能夠自己組織、制訂并執(zhí)行學(xué)習(xí)計(jì)劃，能控制整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，對(duì)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)估。學(xué)習(xí)系統(tǒng)要能夠滿足學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求，提供適應(yīng)性的學(xué)習(xí)診斷、適應(yīng)性的導(dǎo)航及適應(yīng)性的內(nèi)容呈現(xiàn)。學(xué)生在系統(tǒng)提供的環(huán)境中，可以自由選擇學(xué)習(xí)方式。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生與系統(tǒng)的交互情況及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、歷史記錄，適時(shí)地給學(xué)生以引導(dǎo)，幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。同時(shí)還應(yīng)該適時(shí)地對(duì)學(xué)習(xí)者的情感狀態(tài)做出反應(yīng)，使學(xué)習(xí)者快樂(lè)地學(xué)習(xí)，防止由于情感交流缺失造成情感障礙問(wèn)題。適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)要充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)行為的個(gè)性化特征和情感需要，給學(xué)生提供個(gè)性化、和諧的人機(jī)交互環(huán)境，最終達(dá)到因材施教的目的。但目前所設(shè)計(jì)的“適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)”或“適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)”往往忽略學(xué)習(xí)者情感這一重要因素，僅僅實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知層面的個(gè)性化教學(xué)，出現(xiàn)了大量學(xué)習(xí)適應(yīng)不良問(wèn)題等，情感缺失問(wèn)題尤為嚴(yán)重。所謂情感缺失[6]，就是指由于教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生分離，使得學(xué)生和學(xué)生不能像常規(guī)教育那么及時(shí)地、面對(duì)面地交流，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的某些問(wèn)題得不到解決，在心理上存在困惑而得不到幫助。這樣，如果學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)冷漠的電腦屏幕而感受不到交互的樂(lè)趣和情感的激勵(lì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反感情緒，從未造成各種各樣的學(xué)習(xí)適應(yīng)問(wèn)題。

二 基于情感計(jì)算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論模型

在教與學(xué)的過(guò)程中，人類的表情和語(yǔ)言是豐富的，當(dāng)教師講授的內(nèi)容學(xué)生能夠理解和接受的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)情緒高漲的狀態(tài)，學(xué)生會(huì)用微笑的表情或歡快的語(yǔ)言來(lái)表示。反之，情緒會(huì)低落，學(xué)生可能會(huì)用眉頭緊鎖、目光呆滯、低沉喪氣等方式來(lái)表示他們無(wú)法理解講授的知識(shí)。學(xué)生的這些情感表現(xiàn)是很重要的反饋信號(hào)，為了在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境中，有效地解決情感交流匾乏問(wèn)題，本文提出了基于情感計(jì)算技術(shù)的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論模型，如圖1所示。該系統(tǒng)將對(duì)學(xué)生的情感信號(hào)進(jìn)行捕捉和識(shí)別，并以此作為重要依據(jù)，判定學(xué)生的情感狀態(tài)和對(duì)所學(xué)知識(shí)的接受情況。系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)知識(shí)庫(kù)，主動(dòng)收集、分析來(lái)自學(xué)生的反饋信息，從而給出合理的、個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，并能不斷地調(diào)整和修正學(xué)習(xí)方案，實(shí)現(xiàn)和諧人機(jī)交互功能和真正的學(xué)習(xí)自適應(yīng)。

上述模型是在傳統(tǒng)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上加入了情感計(jì)算技術(shù)，系統(tǒng)更加具有智能性和友好性，能更好地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和情感狀態(tài)，最終提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：對(duì)學(xué)生的情感信息進(jìn)行捕捉和識(shí)別，并以此作為動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)策略的重要依據(jù)；情感虛擬教師可以與學(xué)生進(jìn)行情感交流，實(shí)現(xiàn)人機(jī)情感交互；根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的情感表現(xiàn)和學(xué)習(xí)歷史，適時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和內(nèi)容的難度等，真正實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性學(xué)習(xí)。

該系統(tǒng)分為五大模塊：用戶登錄模塊、情感交互模塊、評(píng)價(jià)模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過(guò)程模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

1 用戶登錄模塊

這部分是用戶與計(jì)算機(jī)的接口，主要負(fù)責(zé)用戶的身份驗(yàn)證。學(xué)習(xí)者初次登錄系統(tǒng)時(shí)要進(jìn)行注冊(cè)，這是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。獲取的用戶信息存儲(chǔ)在用戶特征數(shù)據(jù)庫(kù)中，主要包括注冊(cè)用戶的基本情況（如注冊(cè)號(hào)、姓名、性別、年齡等）、受教育背景（如學(xué)歷、學(xué)位、進(jìn)修情況）等。同時(shí)，初次登陸系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者還必須進(jìn)行學(xué)習(xí)風(fēng)格測(cè)試和知識(shí)的前測(cè)，收集的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格特征和知識(shí)特征信息被記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 情感交互模塊

該模塊由可進(jìn)行情感交互的虛擬教師和情感識(shí)別兩部分組成，是本系統(tǒng)模型的特色部分。情感教師可以在用戶學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)人機(jī)的情感交互，情感計(jì)算服務(wù)器對(duì)收集到的情感信息分別進(jìn)行情感識(shí)別，涉及到的情感識(shí)別技術(shù)主要包括面部表情識(shí)別，語(yǔ)音情感識(shí)別、姿態(tài)情感識(shí)別和生理指標(biāo)情感識(shí)別。系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出學(xué)習(xí)者在該學(xué)習(xí)階段中所表現(xiàn)出來(lái)的情感種類和比例，識(shí)別出學(xué)習(xí)者的整體情感反應(yīng)，并做出合理的情感評(píng)價(jià)和認(rèn)知評(píng)價(jià)。

用戶的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程是通過(guò)與可進(jìn)行情感交流的虛擬教師（智能代理）進(jìn)行交互而進(jìn)行的，系統(tǒng)將學(xué)生的交互信息分為“獎(jiǎng)勵(lì)”和“懲罰”兩種信號(hào)，這些信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信息，通過(guò)虛擬教師的情感模型刺激系統(tǒng)產(chǎn)生出符合人類情感變化規(guī)律的情感信號(hào)，并用動(dòng)畫的效果進(jìn)行表情輸出，從而改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的呆板界面，實(shí)現(xiàn)和諧的人機(jī)交互。

3 評(píng)價(jià)模塊

該模塊的評(píng)價(jià)信息來(lái)自四個(gè)方面：

（1） 用戶首次登錄時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者填寫的學(xué)習(xí)風(fēng)格測(cè)試問(wèn)卷和知識(shí)前測(cè)問(wèn)卷得出學(xué)生的認(rèn)知風(fēng)格特征和知識(shí)掌握情況，并對(duì)此做出認(rèn)知評(píng)價(jià)。

（2） 情感計(jì)算終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的情感表現(xiàn)，并將收集到的人臉表情、語(yǔ)音情感、姿態(tài)信息以及生理指標(biāo)信息等傳遞給情感計(jì)算服務(wù)器。在一段學(xué)習(xí)結(jié)束后，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出所出現(xiàn)的情感種類及各種情感所占比例，系統(tǒng)在認(rèn)知心理學(xué)理論的支持下形成情感評(píng)價(jià)和認(rèn)知評(píng)價(jià)。

（3） 系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格、知識(shí)特征以及情感數(shù)據(jù)等信息對(duì)學(xué)習(xí)者的狀態(tài)做出適時(shí)評(píng)價(jià)。

（4） 學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，對(duì)自己的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)結(jié)果的滿意程度做出自我評(píng)價(jià)（即反思的過(guò)程）。

4 適應(yīng)性學(xué)習(xí)過(guò)程模塊

初次登錄時(shí)，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格特征被記錄到學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫(kù)中，知識(shí)特征記錄到學(xué)生的知識(shí)特征庫(kù)中。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者選擇的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)歷史記錄進(jìn)行自適應(yīng)診斷學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，學(xué)習(xí)起點(diǎn)的確定為后面的學(xué)習(xí)內(nèi)容的適應(yīng)性呈現(xiàn)提供了依據(jù)。起點(diǎn)確定之后，學(xué)習(xí)者就進(jìn)入了學(xué)習(xí)狀態(tài)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要為學(xué)生配置一個(gè)攝像頭，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)情感識(shí)別技術(shù)分析攝像頭所捕獲的學(xué)生的情感信息，并根據(jù)情感模型判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，然后給出相應(yīng)的提示和合理的建議。如果學(xué)生的情緒為煩躁不安，則可能是學(xué)習(xí)內(nèi)容難度過(guò)大，這時(shí)就應(yīng)該提示學(xué)生注意調(diào)整一下學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度。

學(xué)習(xí)開(kāi)始，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)者的知識(shí)模型來(lái)提供適應(yīng)性的導(dǎo)航和幫助，引導(dǎo)著學(xué)習(xí)者瀏覽合適的頁(yè)面內(nèi)容。比如，對(duì)己經(jīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)的鏈接添加相應(yīng)的標(biāo)志，還沒(méi)有學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)的鏈接可以不用展開(kāi)或隱藏起來(lái)，即將學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)的鏈接也可以用相應(yīng)的標(biāo)志來(lái)標(biāo)注，以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方向。

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的情況適當(dāng)?shù)男薷淖约旱膶W(xué)習(xí)風(fēng)格特征和知識(shí)特征，以使系統(tǒng)更好的適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，如果學(xué)習(xí)者遇到困難可以向在線幫助模塊發(fā)出請(qǐng)求，如果系統(tǒng)中己經(jīng)存在問(wèn)題的解決方案，則系統(tǒng)會(huì)給學(xué)習(xí)者提供反饋信息，從而為學(xué)習(xí)者提供幫助。如果系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)者問(wèn)題相似的問(wèn)題，系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)者知識(shí)模型為困難學(xué)生找到對(duì)這部分的內(nèi)容已經(jīng)掌握的其他學(xué)習(xí)者，以幫助他進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣就避免了傳統(tǒng)的協(xié)作學(xué)習(xí)中的盲目性。

為了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)地更新學(xué)生的知識(shí)特征庫(kù)，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行自適應(yīng)測(cè)試，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者繼續(xù)學(xué)習(xí)新內(nèi)容或?qū)](méi)有掌握的舊知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)習(xí)。

學(xué)習(xí)系統(tǒng)的適應(yīng)性引擎模塊會(huì)追蹤學(xué)習(xí)者的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，并記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，如學(xué)習(xí)歷史記錄、學(xué)習(xí)路徑、掌握情況等，以不斷更新學(xué)習(xí)者知識(shí)特征。

5 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該模塊主要包括四個(gè)部分：

（1） 學(xué)生情感數(shù)據(jù)庫(kù)：即學(xué)生的動(dòng)態(tài)情感數(shù)據(jù)資源，包括面部表情、語(yǔ)音情感、姿態(tài)情感和生理指標(biāo)等；

（2） 學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫(kù)：存儲(chǔ)了學(xué)生的通用信息以及學(xué)習(xí)風(fēng)格、知識(shí)水平和偏好的學(xué)習(xí)策略等；

（3） 學(xué)生知識(shí)特征庫(kù)：學(xué)生的認(rèn)知能力、認(rèn)知風(fēng)格、領(lǐng)域知識(shí)掌握情況的表征；

（4） 領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)：按照不同形式組織的教學(xué)最小單元及其屬性的集合。

其中，學(xué)生情感數(shù)據(jù)庫(kù)、學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫(kù)和學(xué)生知識(shí)特征庫(kù)是該系統(tǒng)中學(xué)生模型的基本組成部分。

上述適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)融入了情感建模、情感識(shí)別及情感表達(dá)等情感計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，從而使傳統(tǒng)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)更加個(gè)性化和人性化，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)這種學(xué)習(xí)方式成為學(xué)習(xí)者獲取知識(shí)的主渠道。

三 結(jié)束語(yǔ)

情感計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，還處于初級(jí)階段，面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。情感計(jì)算技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的新技術(shù)，迄今為止，相關(guān)研究在人臉表情識(shí)別，姿態(tài)分析、語(yǔ)言情感表達(dá)和識(shí)別等方面取得了一定的進(jìn)展，提高了人機(jī)界面、人機(jī)交互的和諧性[7]。但由于缺乏大規(guī)模動(dòng)態(tài)情感數(shù)據(jù)資源，情感計(jì)算的發(fā)展受到了一定的限制。本文所構(gòu)建的基于情感計(jì)算技術(shù)的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型也只是在理論層面提出的，還需要相關(guān)技術(shù)的支持。但我們相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，能夠理解人的情感，與人進(jìn)行自然、親切交互的情感計(jì)算機(jī)在不久的將來(lái)將會(huì)出現(xiàn)。將情感計(jì)算融入到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)與學(xué)習(xí)者“對(duì)話”給予學(xué)習(xí)者情感鼓勵(lì)和情感補(bǔ)償，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的情感反應(yīng)，適時(shí)幫助學(xué)習(xí)者調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)策略，是必要的，也是可行的。我們下一步的工作將是基于本文所構(gòu)建理論模型，運(yùn)用相關(guān)情感計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)出具有適應(yīng)性功能和情感交互能力的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

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