基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

孔藝權(quán)

(1.嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院，廣東湛江524048；2.嶺南師范學(xué)院南海絲綢之路協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東湛江524048)

2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出要利用人工智能助力教育發(fā)展，推動(dòng)教學(xué)改革，構(gòu)建新型教育體系，這標(biāo)志著人工智能技術(shù)助力教育已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面[1]?！短嵘Ｑ髲?qiáng)國(guó)軟實(shí)力——全民海洋意識(shí)宣傳教育和文化建設(shè)“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年我國(guó)將初步建成全方位、多層次、寬領(lǐng)域的全民海洋意識(shí)宣傳教育[2]。在當(dāng)前形勢(shì)下，通過海洋教育，充分認(rèn)識(shí)中國(guó)海洋(如：南沙群島)的歷史、自然和人文等原始信息及其內(nèi)涵，加強(qiáng)海洋教育具有必要性和重要性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸滲透到教育教學(xué)的各個(gè)方面，虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革是一項(xiàng)有益的探索[3]。

1 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建框架

基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式虛擬環(huán)境、建模與模擬資源庫(kù)、人機(jī)交互空間、海洋教育知識(shí)庫(kù)、智能混合建模、情感計(jì)算、教育干預(yù)和實(shí)驗(yàn)行為分析等系統(tǒng)功能模塊。海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過沉浸式虛擬環(huán)境下建模與模擬庫(kù)呈現(xiàn)，人機(jī)交互空間進(jìn)行輸入和輸出，海洋教育知識(shí)庫(kù)支撐整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)?；谌斯ぶ悄艿暮Ｑ蠼逃摂M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建框架如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用人工智能理論下智能混合建模技術(shù)和情感計(jì)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)行為分析和教育干預(yù)，其診斷功能能夠幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正[4]。

學(xué)習(xí)者情感計(jì)算為海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入情感識(shí)別因素，是實(shí)現(xiàn)智能化人機(jī)交互的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過建立多模情感交互模型，模型構(gòu)建過程中涉及知識(shí)獲取、知識(shí)表示、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、推理策略、控制策略、沖突消解等方面，制定多維度的情感極性量化規(guī)則，構(gòu)建海洋教育實(shí)驗(yàn)語義知識(shí)資源庫(kù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及海洋領(lǐng)域知識(shí)圖譜等人工智能方法，獲取學(xué)習(xí)者的情感信息，從而達(dá)到人機(jī)交互過程中對(duì)學(xué)習(xí)者更深層次的理解。

在分析學(xué)習(xí)者心理和行為特征的基礎(chǔ)上，海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過傳感器(如手腕監(jiān)視器)進(jìn)行生理信號(hào)檢測(cè)、面部表情捕捉、語音情緒識(shí)別，結(jié)合內(nèi)外部的多模態(tài)設(shè)計(jì)，獲取與識(shí)別學(xué)習(xí)者在不同場(chǎng)景下的情感信息，實(shí)現(xiàn)更深的語義理解和多模態(tài)情感交互分析，根據(jù)情感狀態(tài)提供相應(yīng)的情感干預(yù)。在情感計(jì)算技術(shù)支撐下，海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立學(xué)習(xí)者感覺模型，持續(xù)跟蹤學(xué)習(xí)者記錄，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，用數(shù)學(xué)符號(hào)和計(jì)算機(jī)語言構(gòu)建教育干預(yù)要素的結(jié)構(gòu)方程，接受虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化情感干預(yù)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，并檢驗(yàn)其有效性，提高學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

圖1 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建框架

2 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能混合建模技術(shù)

基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用智能混合建模方法與技術(shù)，先通過機(jī)理分析確定出海洋模型及其結(jié)構(gòu)，然后再利用系統(tǒng)辨識(shí)方法辨識(shí)出海洋教育實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型的維數(shù)、階次和參數(shù)。海洋實(shí)物實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)辨識(shí)相互結(jié)合，相互補(bǔ)充、相互支持和相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生良好疊加效果，進(jìn)一步提高海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建模精度、質(zhì)量和效率。

基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，在海洋教育實(shí)驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)上，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)感知模塊、系統(tǒng)信息處理模塊、自適應(yīng)模塊、實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、通信模塊、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程表、決策與智能控制模塊和執(zhí)行與輸出模塊等功能。

圖2 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

2.2 學(xué)習(xí)者情感計(jì)算及建模方法

情感計(jì)算是指人類通過為機(jī)器設(shè)定程序使之能識(shí)別、理解、處理并模擬人的情感[5]，海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)者情感多維數(shù)據(jù)集如圖3所示，界定3個(gè)實(shí)驗(yàn)情感維度，分別包括實(shí)驗(yàn)情感驅(qū)動(dòng)因素(由實(shí)驗(yàn)回報(bào)或懲罰所產(chǎn)生)、期待差別(由實(shí)驗(yàn)預(yù)期回報(bào)和收到的回報(bào)比較而產(chǎn)生)和驚訝(實(shí)驗(yàn)預(yù)期值相對(duì)于實(shí)際值的評(píng)估)等，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)情感數(shù)據(jù)規(guī)格化到一個(gè)間隔[0,1]，然后得出一個(gè)實(shí)驗(yàn)情感多維數(shù)據(jù)集，將每個(gè)數(shù)據(jù)通過量化標(biāo)注在相應(yīng)情感軸上。

實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者情感模型映射設(shè)計(jì)如表1所示，給出實(shí)驗(yàn)相關(guān)情感映像和情感組合界定，每個(gè)情感增長(zhǎng)強(qiáng)度通過表中單元格映射到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者情感多維數(shù)據(jù)集上，而實(shí)驗(yàn)情感狀態(tài)的最終強(qiáng)度，由實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者情感數(shù)據(jù)軸所量化的3個(gè)數(shù)據(jù)部件強(qiáng)度疊加而成。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)者情感多維數(shù)據(jù)集

更多回報(bào)的情感如期效果的情感更多懲罰的情感實(shí)驗(yàn)預(yù)期性效果 高興+驚訝(驕傲)高興 難過+驚訝(痛苦)實(shí)驗(yàn)中性效果 高興+驚訝(幸福)中性 難過+驚訝(失望)實(shí)驗(yàn)懲罰性效果 高興+驚訝(寬慰)難過難過+驚訝

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者情感計(jì)算使用Martinho的情感控制器和預(yù)測(cè)器，設(shè)定實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)值Xt-1和實(shí)驗(yàn)感知的值Yt，權(quán)值Wi在計(jì)算中目的性占據(jù)系統(tǒng)的確定性比重，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)感情計(jì)算組件。當(dāng)情感控制器中有一個(gè)所需值時(shí)，將實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)速率設(shè)置為與實(shí)驗(yàn)感情計(jì)算組件當(dāng)前感知強(qiáng)度，所描寫的實(shí)驗(yàn)情感干預(yù)要素的結(jié)構(gòu)方程如公式(1)。

(1)

其中，α為實(shí)際收到的實(shí)驗(yàn)情感驅(qū)動(dòng)因素，β為期待的實(shí)驗(yàn)情感驅(qū)動(dòng)因素，實(shí)際收到的實(shí)驗(yàn)情感驅(qū)動(dòng)因素與期待的實(shí)驗(yàn)情感驅(qū)動(dòng)因素之間差別為Δr，驚訝要素為Δs。

2.3 沉浸式混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建

混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)作為一種介于虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)之間的技術(shù)，繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又摒除兩者的主要缺點(diǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[6]。近年來，相繼出現(xiàn)了很多虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)產(chǎn)品[7-10]。

海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景包括海洋原型、實(shí)體、模型、環(huán)境、地形等。在沉浸式混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，仿真環(huán)境和真實(shí)環(huán)境保持虛實(shí)結(jié)合，自由切換或調(diào)整。同時(shí)與眼前的虛擬信息進(jìn)行互動(dòng)，無論“虛擬物體+真實(shí)環(huán)境”還是“真實(shí)物體+虛擬環(huán)境”，兩者之間都可以有效融為一體，提供良好互動(dòng)性的海洋教育沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

3 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景如圖4和圖5所示，以計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)顯示海洋教育實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及各要素和虛擬空間形態(tài)結(jié)構(gòu)。在海洋歷史事件和地理信息圖譜的虛擬實(shí)驗(yàn)中，用戶可根據(jù)感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容瀏覽、漫游和查詢相關(guān)海洋教學(xué)信息，實(shí)現(xiàn)智能化、虛擬化和互動(dòng)性強(qiáng)的海洋教育。

圖4 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景一

圖5 基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景二

4 結(jié)語

教育領(lǐng)域研究者應(yīng)密切關(guān)注人工智能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并以此為基礎(chǔ)，切實(shí)推進(jìn)人工智能在教育領(lǐng)域的研究與發(fā)展[11]。隨著人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，海洋教育工程領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)問題也越來越突出，這給復(fù)雜系統(tǒng)建模提出了更高的挑戰(zhàn)[12]。基于人工智能的海洋教育虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過對(duì)我國(guó)海洋歷史、自然、經(jīng)濟(jì)、人文、社會(huì)等原始信息按照多維空間進(jìn)行集成整合，建成數(shù)字虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化、虛擬化和互動(dòng)性海洋教育。