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

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

摘要：【摘要】情感計算是與情感相關(guān)、來源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠嬎?。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)建了一個基于情感計算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)的用戶登錄模塊、情感交互模塊、評價模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊及數(shù)

關(guān)鍵詞：基于,情感,計算,適應(yīng)性,網(wǎng)絡(luò),學(xué)習(xí)系統(tǒng),模型,設(shè)計,摘要,

【摘要】情感計算是與情感相關(guān)、來源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠嬎恪Ｎ恼略诜治鲞m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)建了一個基于情感計算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)的用戶登錄模塊、情感交互模塊、評價模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊及數(shù)據(jù)庫模塊進(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)的情感缺失問題。

【關(guān)鍵詞】

本文出自：

情感計算；適應(yīng)性學(xué)習(xí)；適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

【

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)過程中表現(xiàn)出來的情感狀態(tài)，以致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏情感投入，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。一個真正個性化的適應(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，讓計算機(jī)具有情感實(shí)質(zhì)上就是讓計算機(jī)在與人的交互中具有智能和敏感的能力。如果計算機(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、人與計算機(jī)就能達(dá)成一種和諧。因此，可以說情感計算是建立這種和諧人機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)之一。

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

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)（AdaptiveLearning）是指為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的適應(yīng)性，通過學(xué)習(xí)環(huán)境的自身調(diào)整來適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個性特征和認(rèn)知水平，滿足學(xué)習(xí)者個別需要的學(xué)習(xí)過程。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個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：學(xué)習(xí)診斷、學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(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)，通過研究人類學(xué)習(xí)思維的特征和過程，來尋求學(xué)習(xí)認(rèn)知的模式[5]。在適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能夠自己組織、制訂并執(zhí)行學(xué)習(xí)計劃，能控制整個學(xué)習(xí)過程，對學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評估。學(xué)習(xí)系統(tǒng)要能夠滿足學(xué)生進(jìn)行個性化學(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)。同時還應(yīng)該適時地對學(xué)習(xí)者的情感狀態(tài)做出反應(yīng)，使學(xué)習(xí)者快樂地學(xué)習(xí)，防止由于情感交流缺失造成情感障礙問題。適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)要充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)行為的個性化特征和情感需要，給學(xué)生提供個性化、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)知層面的個性化教學(xué)，出現(xiàn)了大量學(xué)習(xí)適應(yīng)不良問題等，情感缺失問題尤為嚴(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)教育那么及時地、面對面地交流，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的某些問題得不到解決，在心理上存在困惑而得不到幫助。這樣，如果學(xué)生長時間面對冷漠的電腦屏幕而感受不到交互的樂趣和情感的激勵時，就會產(chǎn)生反感情緒，從未造成各種各樣的學(xué)習(xí)適應(yīng)問題。

二基于情感計算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論模型

在教與學(xué)的過程中，人類的表情和語言是豐富的，當(dāng)教師講授的內(nèi)容學(xué)生能夠理解和接受的時候，會出現(xiàn)情緒高漲的狀態(tài)，學(xué)生會用微笑的表情或歡快的語言來表示。反之，情緒會低落，學(xué)生可能會用眉頭緊鎖、目光呆滯、低沉喪氣等方式來表示他們無法理解講授的知識。學(xué)生的這些情感表現(xiàn)是很重要的反饋信號，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題，本文提出了基于情感計算技術(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)將對學(xué)生的情感信號進(jìn)行捕捉和識別，并以此作為重要依據(jù)，判定學(xué)生的情感狀態(tài)和對所學(xué)知識的接受情況。系統(tǒng)通過訪問學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)庫和相關(guān)知識庫，主動收集、分析來自學(xué)生的反饋信息，從而給出合理的、個性化的學(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：對學(xué)生的情感信息進(jìn)行捕捉和識別，并以此作為動態(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)時的情感表現(xiàn)和學(xué)習(xí)歷史，適時調(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、評價模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊及數(shù)據(jù)庫模塊。

1用戶登錄模塊

這部分是用戶與計算機(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)時要進(jìn)行注冊，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在用戶特征數(shù)據(jù)庫中，主要包括注冊用戶的基本情況（如注冊號、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，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)格測試和知識的前測，收集的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格特征和知識特征信息被記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

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)過程中實(shí)現(xiàn)人機(jī)的情感交互，情感計算服務(wù)器對收集到的情感信息分別進(jìn)行情感識別，涉及到的情感識別技術(shù)主要包括面部表情識別，語音情感識別、姿態(tài)情感識別和生理指標(biāo)情感識別。系統(tǒng)通過統(tǒng)計方法計算出學(xué)習(xí)者在該學(xué)習(xí)階段中所表現(xiàn)出來的情感種類和比例，識別出學(xué)習(xí)者的整體情感反應(yīng)，并做出合理的情感評價和認(rèn)知評價。

用戶的整個學(xué)習(xí)過程是通過與可進(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“獎勵”和“懲罰”兩種信號，這些信號作為系統(tǒng)的輸入信息，通過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，并用動畫的效果進(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評價模塊

該模塊的評價信息來自四個方面：

（1）用戶首次登錄時，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者填寫的學(xué)習(xí)風(fēng)格測試問卷和知識前測問卷得出學(xué)生的認(rèn)知風(fēng)格特征和知識掌握情況，并對此做出認(rèn)知評價。

（2）情感計算終端實(shí)時監(jiān)測學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的情感表現(xiàn)，并將收集到的人臉表情、語音情感、姿態(tài)信息以及生理指標(biāo)信息等傳遞給情感計算服務(wù)器。在一段學(xué)習(xí)結(jié)束后，自動統(tǒng)計出所出現(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價和認(rèn)知評價。

（3）系統(tǒng)根據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格、知識特征以及情感數(shù)據(jù)等信息對學(xué)習(xí)者的狀態(tài)做出適時評價。

（4）學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，對自己的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果的滿意程度做出自我評價（即反思的過程）。

4適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊

初次登錄時，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)特征庫中，知識特征記錄到學(xué)生的知識特征庫中。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)過程中需要為學(xué)生配置一個攝像頭，系統(tǒng)會通過情感識別技術(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)容難度過大，這時就應(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)開始，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)習(xí)者的知識模型來提供適應(yīng)性的導(dǎo)航和幫助，引導(dǎo)著學(xué)習(xí)者瀏覽合適的頁面內(nèi)容。比如，對己經(jīng)掌握的知識點(diǎn)的鏈接添加相應(yīng)的標(biāo)志，還沒有學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)的鏈接可以不用展開或隱藏起來，即將學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)的鏈接也可以用相應(yīng)的標(biāo)志來標(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)格特征和知識特征，以使系統(tǒng)更好的適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個性化需求。在學(xué)習(xí)過程中，如果學(xué)習(xí)者遇到困難可以向在線幫助模塊發(fā)出請求，如果系統(tǒng)中己經(jīng)存在問題的解決方案，則系統(tǒng)會給學(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)的常見問題中沒有發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)者問題相似的問題，系統(tǒng)則會根據(jù)學(xué)習(xí)者知識模型為困難學(xué)生找到對這部分的內(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，及時地更新學(xué)生的知識特征庫，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行自適應(yīng)測試，系統(tǒng)會自動引導(dǎo)學(xué)習(xí)者繼續(xù)學(xué)習(xí)新內(nèi)容或?qū)]有掌握的舊知識進(jìn)行補(bǔ)習(xí)。

學(xué)習(xí)系統(tǒng)的適應(yīng)性引擎模塊會追蹤學(xué)習(xí)者的整個學(xué)習(xí)過程，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)者知識特征。

5數(shù)據(jù)庫模塊

該模塊主要包括四個部分：

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

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

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

（4）領(lǐng)域知識庫：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、學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫和學(xué)生知識特征庫是該系統(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、情感識別及情感表達(dá)等情感計算的相關(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)者獲取知識的主渠道。

三結(jié)束語

情感計算技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，還處于初級階段，面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。情感計算技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的新技術(shù)，迄今為止，相關(guān)研究在人臉表情識別，姿態(tài)分析、語言情感表達(dá)和識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)模動態(tài)情感數(shù)據(jù)資源，情感計算的發(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、親切交互的情感計算機(jī)在不久的將來將會出現(xiàn)。將情感計算融入到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中，通過與學(xué)習(xí)者“對話”給予學(xué)習(xí)者情感鼓勵和情感補(bǔ)償，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的情感反應(yīng)，適時幫助學(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)情感計算技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開發(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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