基于認知與情感計算的在線學習模式探討

　　認知心理學重視學習者的內在學習歷程，亦即認為學習是主動擷取信息的過程，也是由既存的信息推論出新的信息的歷程。此理論認為心智改變或成長的基本單位是心理表征(Mental Representation)，每人學習時會將外在刺激轉化為一種概念符號，繼而利用心理表征的心智架構并將此符號操作處理，然后再將它表達出來。瑞士心理學家讓·皮亞杰(Jean Piaget，1896～1980)提出的認知階段論與信息處理理論(Information Processing Theory)的結合形成了心理學界著名的認知建構論。他認為，兒童是在與周圍環(huán)境相互作用的過程中，逐步建構起關于外部世界的知識，從而使自身認知結構得到發(fā)展。皮亞杰的認知理論強調失衡與適應(Adaptation)作為孩子求知的動力，而適應則包括同化(Assimilation)與調適(Accommodati-on)。
　　
　　認知的因素包括記憶力、理解能力、推理能力、創(chuàng)造力、后設認知。
　　情感計算(Affective Computing)的概念由美國MIT媒體實驗室的R.Picard于1995年提出，并于1997年正式出版專著“情感計算(Affective Computing)”。在書中她定義：“情感計算是于情感相關、來源于情感或能對情感施加影響的計算”。試圖賦予計算機象人一樣的觀察，理解和生成各種情感特征的能力，試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應的計算系統(tǒng)。即讓機器發(fā)自內心地擁有情感驅動力、讓機器表現(xiàn)得似乎擁有情感以及讓機器能夠識別理解人類的情感表現(xiàn)。北京科技大學王志良教授首次提出了人工心理的概念，對人的心理活動進行人工模擬，并確立了人工心理理論結構體系，并把這一理論應用于情感建模、人機情感交互系統(tǒng)的應用。人工心理目前著重于對混合智能系統(tǒng)中的適應性，情感交互能力以及認知方面的深層探索。
　　知識經濟時代的來臨。使得知識的價值更甚于其它有形資產，在線學習系統(tǒng)由于結合了知識內容及知識管理，不但在正規(guī)教育中占有非常重要的地位，在許多大企業(yè)中都用來作為員工教育訓練以提升其競爭力的手段。教育的實質是知識信息的傳播過程，而在線學習系統(tǒng)所提供的知識信息是完全數(shù)字化，不受配送體系等外部客觀因素的制約。尤其在網絡普及的時代，在線學習的方便、實時，且不受時間、空間所限制更是其它教學方法所無法比擬的。將各類網絡服務同教學服務結合起來，激勵學習者的學習動機，開發(fā)學習者的學習智能，提供個性化輔導、使學習者學會學習并產生認同感和歸屬感?？梢詷O大地提高學習者的學習效率。
　　1　人類學習過程與教學過程
　　
　　人類的學習即求知的過程，西蒙(Simon)指出求知的意義已從能夠記憶和獲得(或重述)信息，轉向能夠發(fā)現(xiàn)和使用信息。至于如何學習，卡謬(A.Camus)說：“一個真正聰明的人，是它的心智會看管好自己心智的人”。至于學習原則，美國教育學家克伯屈(Kilpatrick)提倡同時學習原則；至于終身學習，要實現(xiàn)從外顯學習到內隱學習轉變。
　　學習的基本形式有：第一手直接的經驗學習——從經驗中學到教訓；第二手間接的規(guī)則學習——從學習中學到知識。
　　影響學習因素：發(fā)展(development)——指學習者身、心的成熟度(maturity)；智力(intelligence)——即所謂的聰明才智，若從多元觀點來解釋，后天的學習可以克服或互補先天智力的不足；動機(motivation)——人類學習的原始欲望或沖動，稱為動機；環(huán)境(environment)——根據(jù)行為主義或社會學習理論，外在環(huán)境對學習具有重大的影響。例如班度拉(A.Bandura)認為，B(行為)、E(環(huán)境)，P(個人人格或特質)兩兩之間都存在互相關聯(lián)性。勒溫(Lewin)認為，人的行為是生活空間的函數(shù)，亦即。
　　學習的大致過程為學習如何學習，學習與遷移，記憶，推理決策，問題解決，由生手到專家的轉變。
　　形式教育論代表亞里斯多德、盧梭、杜威以官能心理學為基礎，主張教學的根本任務在干發(fā)展學生的心智，重視知識的訓練價值；心智、能力的發(fā)展遠比知識傳授重要；只要能力發(fā)展了，知識的獲得是自然的過程。實質教育論代表人物斯賓塞等以觀念心理學(聯(lián)想心理學)為理論基礎，主張教育就是學習實用的知識和技能。
　　傳統(tǒng)教學派代表人物夸美紐斯、赫爾巴特主張“教師中心論”。認為教師是教學過程的主宰者，是知識的擁有者，知識的傳遞者，他決定著教學過程；教師是社會的代言人，他代表著社會利益、價值觀和主導的思想識，在教學過程中，教師是中心，學生在知識、思想、思維和能力等方面的未成熟特征決定了他處于接受地位。這種觀點肯定了教師在教學過程中的地位和作用，但否定了學生在教學過程中的獨立人格和應有的主體地位。
　　杜威提出了“學生中心論”。認為教學活動是師生交往，共同發(fā)展的互動過程，注重培養(yǎng)學生的獨立性和自主性，引導學生質疑，調查、探究，在實踐中學習，使學習成為在教師指導下主動的、富有個性的過程；教師應尊重學生的人格，關注個體差異，滿足不同需要，創(chuàng)設能引導學生主動參與的教育環(huán)境，激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生掌握和運用知識的態(tài)度和能力，使每個學生都能得到充分的發(fā)展。
　　布盧姆等人提出的一種教學模式，主要是為了把教學過程與學生的個別需要和特征聯(lián)系起來，讓大多數(shù)學生都可以掌握所教學的內容，實現(xiàn)預定的教學目標。它的基本程序是學生定向、常規(guī)授課、揭示差錯、矯正差錯、再次測評。
　　2　目前常見在線學習系統(tǒng)
　　在線學習系統(tǒng)，簡稱E-Learning系統(tǒng)，是近年來出現(xiàn)的新生事物。
　　隨著計算機技術的迅速發(fā)展、網絡的普及與學習觀念的改變，E-Leaming作為極具潛力的一種學習方法，以傳統(tǒng)的學習方法所無可比擬的優(yōu)勢迅速發(fā)展。但是這種以系統(tǒng)為中心的教育模式要求人適應系統(tǒng)而非系統(tǒng)主動為學習者服務，沒有充分體現(xiàn)出教師在組織課程上的主導地位，無法表達教師的經驗、策略、特別是情感的描述，在指導學習者時更是缺乏智能，不能根據(jù)學習者心理(情緒和情感)和認知狀態(tài)的變化來動態(tài)調整教學策略。缺乏“以人為本”的教學與學習氛圍。
　　多數(shù)E-Leaming的多媒體設計只是文字教材到超文本頁面的簡單轉換，缺乏以認知為支撐的理論依據(jù)；E-Leaming設計者并不了解所提供的內容是否真正適合學習者，不能實時地把握學習者的學習狀況而做出調整并提出建議；缺乏提高E-Leaming學習效果的學習評價方法。
　　腦科學、認知心理學的最新研究成果表明情感在人類學習中起著不可低估的作用，所以在認知和情感計算的基礎上，結合多媒體設計原則、人工心理理論和學習評價策略。提出了基于認知與情感計算的E-Leaming學習模式，并對其進行探討。針對學習者的學習興趣、學習情緒、學習狀態(tài)、學習能力的不同，可以進行智能化調整，以提高E-Leaming學習的效果。
　　E-Leaming的學習方式應該是具有豐富的多媒體資源、便捷的協(xié)同交流，友好的互動等獨特的優(yōu)勢，但還是不能完全替代教師的課堂教學，缺乏了教師的深度參與，學習效果并不像預期的那么理想。如何充分體現(xiàn)E-Leaming的主動參與性，以及如何充分發(fā)揮教師或專家的引導作用、人格影響、學習和研究方法的滲透優(yōu)勢，已經成為共同關注的問題。
　　網絡教育的誕生帶來了E-Leaming行業(yè)革命性的創(chuàng)新和發(fā)展，中國教育行業(yè)從此進入了高質量、低成本的網絡學習時代。數(shù)億中國人民可以通過網絡教育平臺，享受到最具有性價比的、最優(yōu)質的網絡教育資源。如上海久隆信息技術有限公司的E-Leaming在線平臺及其子系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。
　　3　課件與網絡課程設計
　　有關課件與網絡課程設計的著述頗豐，多數(shù)以設計技術為中心，而不是以學生為中心，不注重探討課件設計與學習對象的內在的邏輯關系。從而使課件及網絡課程在實際運用中不能充分發(fā)揮其功效。
　　教學資源整合例意味著對教學目標、教學計劃、教學大綱、實施方案、實施細則進行系統(tǒng)分析，需要對文字教材、音像教材、課件、點播等教學媒體進行深入研究。教學資源的整合分為狹義和廣義兩種，狹義整合是考慮各種資源之間的有機聯(lián)系，通過閱讀、分析、提煉、整理使其綜合化、整體化。廣義整合是用現(xiàn)代教育思想，以學生為軸心，分析學生學習的全過程與教學資源的動態(tài)關系，從優(yōu)化教學過程、教學目標、教學效果出發(fā)，精心選擇教學資源，融入現(xiàn)代教育技術，使其整體化、系統(tǒng)化。整合后的教學資源與學生有一種親和力，使教學目標、教學內容、學習過程、學習目標變成有機的整體。
　　在線學習強調以學生為中心、學習為中心，學生在學習過程中。以往的知識成為新知識的增長點，幫助學生“內化”知識，促使舊知識轉移，新知識形成。學生是認知主體，課件與網絡課程設計應以學生學習需求為依托，重視學生學習動機，以學生以往的經驗和知識為支撐，充分考慮學生認知能力的情況下，系統(tǒng)設計課件的知識結構，使之與學生的認知結構相適宜。重視學生的學習過程。使其與學生的認知過程相協(xié)調，設計網絡學習環(huán)境，當學生進入在線學習時，學生對學習內容可以自主的選擇、自由的交流。這種設計理念不僅使學生“學會”、“會學”，而且使學生“好學”、“樂學”。
　　在線學習面臨的不僅是課程知識，更重要的是學生，充滿人性化的設計，充分發(fā)揮課件的外因作用，啟發(fā)和引導學生，使其產生高層次的學習動機和持久的學習興趣，才能“抓住”學生。設計要摒棄那種不注意知識的整體性和結構性，人為地把知識劃分成零碎、孤立的知識點，一個一個地灌輸給學生的想法和做法。糾正以教學目標為課件與網絡課程設計的起始點和終止點的設計思想。
　　課件與網絡課程設計要遵循如下設計原則：科學性原則，導航清晰原則-交互性原則；創(chuàng)新能力培養(yǎng)原則；簡約性原則；藝術性原則。
　　心理學研究表明：人類的視覺和聽覺是吸收知識、捕獲信息的重要門戶，其中視覺占83％，聽覺占11％?？梢娨曈X在人類獲取知識中顯得極為重要。設計時，要綜合處理文字、圖形、圖像、動畫、視頻、音頻，使其滿足在線學習學生的審美需求。根據(jù)和諧、均衡和重點突出的原則，將不同色彩的網頁元素進行組合、搭配才能構成優(yōu)美的頁面。設計者運用對比與調和，通過時間、空間、文字、圖形、聲音、圖像之間的相互關系建立整體的均衡狀態(tài)，使頁面產生和諧的美感。
　　為了便于方便地開發(fā)網絡課程，可以采用源代碼開放的Claroline Open SourceE-Learning環(huán)境來開發(fā)，目前已經在浙江師范大學電工電子實驗中心的實驗教學中心搭建的在線學習平臺，及課程架構和我承擔或參與的部分已經按照本文思想搭建好的網絡課程如圖3所示。
　　4　人工心理及學習評價策略
　　人工心理(artificial psychology)就是利用信息科學的手段，對人的心理活動(包括情感、意志、性格、創(chuàng)造等)進行全面而正確的人工機器(計算機、模型算法等)模擬，其目的在于從心理學廣義層次上研究情感、情緒與認知、動機與情緒的人工機器實現(xiàn)問題。
　　研究人的情感網絡輸出將影響認知網絡的學習率和精度，影響其性能。所以E-Learning在線學習的核心功能是對學習者情緒、心理狀態(tài)的檢測，對學習者知識水平的定位評價，從而調整學習內容并提出建議以提高學習效率。
　　將關注區(qū)域、知識評價、學習狀態(tài)三者進行信息融合，將學習者的各個特征綜合起來構成一個比較完整和正確的情況描述，以增強系統(tǒng)正確決策的能力，動態(tài)調整教學策略，達到個性學習的目的。
　　認知過程并非單純的記憶那么簡單，教育過程所包含的兩個最基本目標分別是促進保持和遷移(即體現(xiàn)為有效學習一主動學習)。前者體現(xiàn)為一種記憶能力，就是重現(xiàn)和再認學習過程中呈現(xiàn)材料的能力，通過保持測驗結果，我們可以用來判定學習效果，后者就是將記憶獲得的知識運用于新環(huán)境、解決新問題，主要有理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造五個維度。通過遷移測驗結果我們可以判斷學生對教學內容的理解程度，這也是主要的教學效果測量指標。(Mayer，Wittrock，1996)。學習者前期的認知水平直接影響后續(xù)知識的學習：因此在E-Learning設計中我們必須實現(xiàn)動態(tài)在線測試的實現(xiàn)，依據(jù)各種已知信息動態(tài)組織兩組測試內容，即分別設計保持測驗和遷移測驗的題目，然后進行在線測試結果情況詳細分析，由此獲得學習者知識水平分析評價，做出相應的客戶端學習計劃和學習內容調整。
　　著名教育學家布魯納(Bruner，J.S)曾說過：“不論我們教的內容是什么，首先都應該使學習者理解(掌握)該學習內容的基本結構”。并指出結構是知識構成的基本架構，具有結構性的教學內容更易于學生理解，并且學后不容易遺忘，而學生從結構中所學到的原理、原則，有助于在以后類似情境中，產生正向學習遷移。Mandler說過：“Meaningdoes not exist until some structure，ororganization is achieved”，即知識的學習必須使學習者在學習認知過程中形成結構性，否則有意義的學習便無從產生。
　　在參照國外研究成果的基礎上，我同教育工作者結合實際情況，提出了自己的教育目標分類體系。這里簡單介紹其中的認知領域教學目標體系。我國使用的認知類教學目標分為五級。
　　(1)記憶。記憶是指能夠記住所學的材料。
　　(2)理解。理解是指能把握知識材料意義，包括三種：一是能夠領會學習材料；二是能夠解釋將學習材料從一種形式轉換成為另一種形式，三是能對學習材料作簡單的判斷。
　　(3)簡單應用。簡單應用是指能把學過的材料用于新的具體情境去解決一些簡單的問題。
　　(4)綜合應用。綜合應用包括三種情況：一是能對問題的各組成部分進行辨認；二是進行部分之間的關系分析；三是能識別組成這些部分的原理、法則，綜合運用并解決問題。
　　(5)創(chuàng)見。創(chuàng)見包括三種情況：一是突破常規(guī)的思維格式，提出獨到的見解或解題方法；二是按自己的觀點對學習過程的材料進行整理分類；三是自己設計方案，解決一些實際問題。
　　這五級分類與布盧姆的認知領域分類有著一定的對應關系：記憶相當于知識，理解相當于領會，簡單應用相當于運用，綜合應用相當于分析，創(chuàng)見相當于綜合與評價。
　　5　在線學習必須考慮的因素
　　維納，美國數(shù)學家，控制論的主要創(chuàng)始人。之所以將控制論引入教育技術領域，是因為它的很多觀點與方法對于我們如何更好地利用教育技術，建構優(yōu)化的在線學習系統(tǒng)有著重要的理論價值和現(xiàn)實指導意義。
　　香農，美國數(shù)學家、工程師，信息論的主要創(chuàng)始人之一。信息論是研究各種系統(tǒng)中信息的計量、傳遞、變換、存儲和使用規(guī)律的理論。信息論提倡我們要運用信息方法來分析在線學習系統(tǒng)，因為在線學習的過程，實際上也是教學信息的傳遞過程。教育技術也突出強調如何對教學信息進行分析、處理和傳遞等問題，而信息論恰恰為解決這些問題提供了很好的思路與方法。
　　塔貝·郎菲，美籍奧地利生物學家，系統(tǒng)論主要創(chuàng)始人。這一理論認為系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的、具有特定功能的有機整體。系統(tǒng)論教會我們，要用整體的、綜合的，動態(tài)的觀點考察在線學習系統(tǒng)，用系統(tǒng)方法來解決在線學習的各種問題。
　　根據(jù)心理學理論，情緒表現(xiàn)一般稱為表情(Emotional Expression)，對于表情，心理學界有多種不同的表述。彭聃齡認為，情緒與情感的外部表現(xiàn)，通常稱為表情，它是在情緒和情感狀態(tài)發(fā)生變化時身體各部分的動作量化形式，包括面部表情、姿態(tài)表情和語調表情。張春興是這樣表述的：情緒表達是指個體將其情緒經驗。經由行為活動表露于外，從而顯現(xiàn)其心理感受，并藉以達到與外在溝通的目的。孟昭蘭在其著作中認為，情緒具有獨特的外部表現(xiàn)形式，即表情。表情是表達情感狀態(tài)的身體各部分的動作變化模式。以此看來，心理學界基本贊同情緒表現(xiàn)是情緒的外化這一觀點，包含三個方面：面部表情、身體動作表情和言語表情。
　　正因為表情是情緒的外在體現(xiàn)，所以如果能對人的表情進行識別，那么就可以通過人的表情來判斷人的情緒，而且能通過人的表情來表現(xiàn)人的情緒。在這三種表情形式中，面部表情模式能最精細地區(qū)分出不同性質的情緒，并且只有面部表情具有標定特定情緒的特異模式，因而面部表情是鑒別情緒的主要標志。因此，作為在線學習的情感交互與智能情緒反應以面部表情為主。
　　對于精細的面部表情的檢測來說，需要在圖像處理方面作很多工作。
　　根據(jù)學習支持的相關理論，可以采用動畫人物作為人機交互中的表現(xiàn)形式，以起到監(jiān)督學習、加強學習支持的作用。給出動畫助教的情緒反應(即對學習者不同學習行為的具體情緒表現(xiàn))，制定個性化助教以及教學過程中助教的行為規(guī)則。
　　在線學習中必須考慮的方面如下。
　　(1)交互自然性，以符合人類學習的方式進行信息交互，使學生盡可能多地利用已有的日常技能與系統(tǒng)交互，降低認識負荷。
　　(2)高效和便利性，使信息交換吞吐量更大，形式更豐富，發(fā)揮不同的認知潛力，并與網絡、通信技術相結合克服時間和空間上的限制，進行“人一計算機一網絡一人”交互。
　　(3)使在線學習系統(tǒng)能理解學習者的感情和意圖，主動地進行交流和服務。通過表情分析，事件檢測，行為分析等方面來綜合理解用戶的意圖，并主動采取對策或提供服務。
　　(4)允許非精確的交互。人類在日常生活中習慣于并大量使用非精確的信息交流，人類語言本身就具有高度模糊性。允許使用模糊的表達手法可以避免不必要的認識負荷，有利于提高交互活動的自然性和高效性。
　　(5)雙向交互性。雙向交互性是在線學習系統(tǒng)的基本要求。良好的交互性使學習者避免生硬的、不自然的、頻繁的、耗時的通道切換從而提高學習的興趣和效率。
　　6　結語
　　基于認知和人工心理的理論，重視E-learning學習者的學習心理狀態(tài)、學習興趣導向、知識掌握程度，強調學習者和在線學習系統(tǒng)之間的情感互動，有助于提高在線學習的興趣和效率，有利于實現(xiàn)真正意義上的個性化、人性化的在線學習。
　　本文在認知與情感的基礎上，結合人類的學習活動及教學活動規(guī)律，遵循交互式多媒體課件設計原則與情感化的網絡課程設計準則，符合人工心理及學習評價策略，提出具有情感交互能力、個性化教學功能、智能化情緒反應的在線學習模式并進行了初步探