人機(jī)情感交互系統(tǒng)中教學(xué)Ａｇｅｎｔ心智模型的研究與構(gòu)建

【摘要】如何在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)以人文關(guān)懷為特征的和諧情感交互，以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，已成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育中值得深入研究的重要課題。本文在情感計(jì)算理論和軟件Agent技術(shù)基礎(chǔ)上，研究教學(xué)Agent心智模型，以期構(gòu)建和諧人機(jī)情感交互系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程教育，情感計(jì)算，Agent，心智模型

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【論文編號(hào)】1009—8097（2007）01—0055—03

一、引言

目前，遠(yuǎn)程教學(xué)已成為現(xiàn)代教育領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，而且受到越來(lái)越多的關(guān)注。它不受時(shí)間、空間以及人員的

限制，可以將教育通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到社會(huì)的各個(gè)角落，學(xué)習(xí)者能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和地點(diǎn)自主地學(xué)習(xí)，以較低的代價(jià)獲得較高質(zhì)量的教育效果。

遠(yuǎn)程教育雖然有著傳統(tǒng)教育無(wú)法比擬的優(yōu)越性，但是這種以系統(tǒng)為中心的教育模式要求人適應(yīng)系統(tǒng)而非系統(tǒng)主動(dòng)為學(xué)習(xí)者服務(wù)，沒(méi)有充分體現(xiàn)出教師在組織課程上的主導(dǎo)地位，無(wú)法表達(dá)教師的經(jīng)驗(yàn)、策略、特別是情感的描述，在指導(dǎo)學(xué)習(xí)者時(shí)更是缺乏智能，不能根據(jù)學(xué)習(xí)者情感狀態(tài)的變化來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略，不是非常切合于現(xiàn)代教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建。在某種意義上講，目前的基于Web的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)缺乏“以人為本”的氛圍。

用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬人類心理行為（情感等）一直為人們所追求，目前，相關(guān)技術(shù)研究正在形成一種趨勢(shì)，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始對(duì)情感科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究和探索。我國(guó)目前在情感信息處理領(lǐng)域已經(jīng)引起了國(guó)家有關(guān)部門的關(guān)注，例如，在國(guó)家自然科學(xué)基金1999年的項(xiàng)目指南中“和諧人機(jī)環(huán)境中的情感計(jì)算理論研究”被列為重點(diǎn)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一些科學(xué)家也對(duì)情感信息處理產(chǎn)生了濃厚的興趣，并開(kāi)始致力于該領(lǐng)域的探索和研究，1999年提出了“人工心理”的概念。所謂“人工心理”就是利用信息科學(xué)的手段，對(duì)人的心理活動(dòng)的更全面內(nèi)容的再一次人工機(jī)器（計(jì)算機(jī)、模型算法等）實(shí)現(xiàn)，其目的是賦予機(jī)器識(shí)別、理解、表達(dá)和適應(yīng)人情感的能力。^[1]情感模型是人工心理理論中心理建模研究的一個(gè)分支，是建立和諧人機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)。

從人工智能（AI）領(lǐng)域中發(fā)展起來(lái)的多Agent系統(tǒng)，主要用于解決分布式問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)涉及多個(gè)身份之間相互協(xié)調(diào)的技術(shù)問(wèn)題，其內(nèi)在要求適合用Agent思想分析解決。^[2]

本文在對(duì)情感計(jì)算理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，以遠(yuǎn)程教育應(yīng)用為背景，以軟件Agent技術(shù)為基礎(chǔ)，研究教學(xué)Agent心智模型，以期構(gòu)建具有情感交互能力的教學(xué)系統(tǒng)模型，為遠(yuǎn)程教育中人機(jī)之間的交流、情感的傳遞與表達(dá)探討一種行之有效的方法。

二、情感計(jì)算理論與技術(shù)

讓計(jì)算機(jī)具有情感實(shí)質(zhì)上就是讓計(jì)算機(jī)在與人類的交互中具有智能的和敏感的能力。賦予計(jì)算機(jī)情感能力并使之能夠理解和表達(dá)情感，引起了計(jì)算機(jī)界的興趣。如果將計(jì)算機(jī)賦予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、人與機(jī)器就能夠達(dá)成一種和諧。

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。這方面的工作首推美國(guó)MIT媒體實(shí)驗(yàn)室Picard教授領(lǐng)導(dǎo)研究小組的工作。“情感計(jì)算”一詞也首先由Picard教授于1997年出版的專著“Affective Computing（情感計(jì)算）”中提出，將其定義為“關(guān)于情感、情感產(chǎn)生以及影響情感方面的計(jì)算”。^[3]目前情感計(jì)算的研究普遍受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的關(guān)注，國(guó)際知名公司，如IBM和British Telecom等均成立了專門的情感計(jì)算研究小組。國(guó)際知名大學(xué)也紛紛建立情感計(jì)算研究小組。但總的來(lái)說(shuō)，情感計(jì)算的研究還處于起步階段。

情感計(jì)算是一個(gè)多學(xué)科交叉的嶄新的研究領(lǐng)域。它涉及傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、生理學(xué)、哲學(xué)、社會(huì)學(xué)等諸多領(lǐng)域。情感計(jì)算的研究?jī)?nèi)容主要應(yīng)包括：情感信號(hào)的獲取、情感信息的分析與識(shí)別、情感信息的理解和情感的表達(dá)。

三、教學(xué)Agent心智模型

由于目前基于Web的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)大多是非實(shí)時(shí)的，僅僅是教材的電子化翻版，開(kāi)發(fā)者將課件等教學(xué)資源放諸專用服務(wù)器上被動(dòng)地等待學(xué)習(xí)者瀏覽和下載使用，沒(méi)有充分體現(xiàn)出施教者在組織課程上的主導(dǎo)地位，無(wú)法表達(dá)教師的經(jīng)驗(yàn)、策略、特別是情感的描述，對(duì)學(xué)習(xí)者的行為習(xí)慣、學(xué)習(xí)需求等缺乏分析和指導(dǎo)，而且無(wú)法根據(jù)學(xué)生情感狀態(tài)的變化來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略，所以說(shuō)這種以系統(tǒng)為中心的教育模式要求人適應(yīng)系統(tǒng)而非系統(tǒng)主動(dòng)為學(xué)習(xí)者服務(wù)，缺乏“以人為本”的氛圍。

智能教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該是以認(rèn)知論為基礎(chǔ)的，但目前所建立的學(xué)生模型(如偏差模型、覆蓋模型)只能反映學(xué)生學(xué)習(xí)水平，而忽略了認(rèn)知能力在學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要作用。認(rèn)知能力是一個(gè)人用于支配自己學(xué)習(xí)、記憶和思維的能力，在很大程度上表現(xiàn)了一個(gè)人分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，它影響學(xué)習(xí)者對(duì)刺激的注意和編碼，影響學(xué)習(xí)者對(duì)信息的檢索和反應(yīng)。教師只有在了解學(xué)生的認(rèn)知能力、掌握學(xué)生的情感狀態(tài)之后，才能確定學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，采取相應(yīng)的教學(xué)策略和方法。

近年來(lái)，由于多Agent系統(tǒng)（MAS）在適應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)需求方面的有效性，使得基于Agent思想開(kāi)發(fā)一些實(shí)際的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。^[4]Agent是能自主學(xué)習(xí)、適應(yīng)環(huán)境的代理實(shí)體，基于Agent系統(tǒng)是目前一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域，它用一種全新的方式，對(duì)復(fù)雜、龐大系統(tǒng)進(jìn)行歸納、分析、描述和實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了一種新的軟件開(kāi)發(fā)范型。遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)涉及異構(gòu)環(huán)境的多個(gè)身份之間相互協(xié)調(diào)的技術(shù)問(wèn)題，其內(nèi)在要求無(wú)疑適合用Agent思想分析與構(gòu)建。因此說(shuō)，Agent技術(shù)為上述問(wèn)題的解決提供了有效途徑。

在多Agent系統(tǒng)（MAS）中要研究的一個(gè)主要問(wèn)題是Agent理論模型。Agent 理論模型就是以自主性為前提，面對(duì)個(gè)體智能性和群體交互的社會(huì)性要求，從邏輯、行為、心理、社會(huì)等角度出發(fā)，對(duì)Agent的本質(zhì)進(jìn)行描述，研究如何建立理性Agent以及由理性Agent構(gòu)成的多Agent的社會(huì)。其作用是用于知識(shí)表示，對(duì)認(rèn)知科學(xué)和哲學(xué)中的一些概念進(jìn)行形式化，為Agent系統(tǒng)的創(chuàng)建奠定基礎(chǔ)。

Agent理論家開(kāi)發(fā)出了許多表示Agent特性的形式方法，主要有：BDI(Belief-Desire-Intention)模型理論、Konolige的演繹模型(Deduction model)理論、Moore的知識(shí)和行為(Knowledge Action)邏輯、Cohen和Levesque的意圖(Intention)理論。其中，BDI模型以其堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和方便的可操作性成為目前在研究和應(yīng)用領(lǐng)域中使用的最多的Agent理論模型。

1．BDI Agent模型

BDI——信念（Belief）、愿望（Desire）和意圖（Intension），分別反映了Agent在認(rèn)知、情感和意動(dòng)方面的思維狀態(tài)。BDI間的約束與激發(fā)關(guān)系能夠使Agent達(dá)到理性平衡，體現(xiàn)個(gè)體智能性。同時(shí)，BDI還可用以其它Agent思維狀態(tài)的建模，解釋交互語(yǔ)言的語(yǔ)義和語(yǔ)用，支持多Agent的交互。

1991年，Rao和Georgeff建立了第一個(gè)基于BDI觀念的Agent邏輯框架#65377;

對(duì)于一個(gè)BDI主體(理性主體)主要包括以下三個(gè)方面：

Belief——信念，主體對(duì)環(huán)境的基本看法。

Desire——愿望，主體想要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)，即目標(biāo)。

Intention——意圖，目標(biāo)的子集。

根據(jù)上述說(shuō)明，BDI結(jié)構(gòu)可以包括：信知數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)關(guān)于世界的當(dāng)時(shí)信知、事實(shí)和需求。系統(tǒng)有一組等待實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，一組規(guī)劃描述怎樣達(dá)到目標(biāo)和怎樣改變信念；意圖結(jié)構(gòu)，描述主體當(dāng)前怎樣達(dá)到它的目標(biāo)和改變信念，即已經(jīng)選擇作為最終執(zhí)行的規(guī)劃；解釋器，操作以上組件。挑選合適的基于信知和目標(biāo)的規(guī)劃，放到意圖結(jié)構(gòu)中。^[5]BDI Agent結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．FPBDI Agent心智模型

針對(duì)遠(yuǎn)程教育這一復(fù)雜大系統(tǒng)中廣泛存在的異質(zhì)智能子系統(tǒng)，本文作者以情感計(jì)算理論、教育心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)理論為指導(dǎo)，在軟件Agent技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了擴(kuò)展BDI Agent模型——FPBDI Agent心智模型。

該模型力求既能反映學(xué)習(xí)者受教育背景、知識(shí)掌握水平等基本狀況，同時(shí)又能表達(dá)學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力、動(dòng)機(jī)情感等心理特征。

在本文的研究中，將FPBDI Agent心智模型用六元組描述：FPBDI Model = (F，P，B，D，I，C)，具體實(shí)現(xiàn)情況如下：

（1）F為特征模型：該Agent的基本情況。學(xué)生和教師的特征模型結(jié)構(gòu)相同，包括：注冊(cè)號(hào)、姓名、性別、年齡、學(xué)歷五個(gè)成份。在實(shí)現(xiàn)時(shí)建立了一個(gè)特征模型類，用它包括的五個(gè)域來(lái)分別表示這五個(gè)成份。

（2）P為心理模型：該Agent心理方面的特征。學(xué)生和教師的心理模型結(jié)構(gòu)相同，包括：性格類別、認(rèn)知能力、動(dòng)機(jī)興趣、情緒行為四個(gè)成份。在實(shí)現(xiàn)時(shí)同樣建立了一個(gè)心理模型類，用它包括的四個(gè)域來(lái)分別表示這四個(gè)成份。

（3）B為信念模型：在學(xué)生模型中，它記錄了學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)的掌握狀態(tài)，包括學(xué)習(xí)內(nèi)容和內(nèi)容評(píng)價(jià)兩個(gè)成份。我們這里的學(xué)習(xí)內(nèi)容不是指具體的某一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，而是指比較寬泛的學(xué)習(xí)模式，比如理論學(xué)習(xí)、課件學(xué)習(xí)、視頻學(xué)習(xí)、實(shí)戰(zhàn)練習(xí)、動(dòng)態(tài)交互等。內(nèi)容評(píng)價(jià)是指學(xué)生對(duì)該項(xiàng)學(xué)習(xí)方式的評(píng)價(jià)信息。教師的信念模型記錄了對(duì)選修該教師課程的所有學(xué)生的評(píng)價(jià)信息，包括學(xué)生注冊(cè)號(hào)、對(duì)該學(xué)生的評(píng)價(jià)兩項(xiàng)成份，其中學(xué)生注冊(cè)號(hào)從學(xué)生特征模型中提取。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為學(xué)生和老師分別建立其相對(duì)應(yīng)的信念模型對(duì)象。

（4）D為愿望模型：學(xué)生的愿望模型只包括學(xué)習(xí)目標(biāo)一個(gè)成份，也就是學(xué)生希望通過(guò)學(xué)習(xí)后達(dá)到的一種狀態(tài)。教師的愿望模型包括選修該教師課程的學(xué)生注冊(cè)號(hào)、教學(xué)目標(biāo)兩個(gè)成份，其中學(xué)生注冊(cè)號(hào)從學(xué)生特征模型中提取，教學(xué)目標(biāo)是對(duì)該學(xué)生的教學(xué)要達(dá)到的目標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為學(xué)生和老師分別建立其相對(duì)應(yīng)的愿望模型對(duì)象。

（5）I為意圖模型：在學(xué)生模型中是指學(xué)生實(shí)施個(gè)別化學(xué)習(xí)時(shí)所采用的教學(xué)流程，即可動(dòng)態(tài)調(diào)整的教學(xué)策略，包括教學(xué)流程一個(gè)成份；教師的意圖模型包括選修該教師課程的學(xué)生注冊(cè)號(hào)和教學(xué)流程兩個(gè)成份。在教師模型中，記載著教師的通用教學(xué)策略，可作為學(xué)生初始意圖，隨著學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)的進(jìn)行，學(xué)生心理模型中的屬性值可能會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)教師模型分析其發(fā)生變化的原因，并改變其意圖模型，即適合當(dāng)前學(xué)生狀態(tài)的教學(xué)策略流程，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。而學(xué)生模型中的意圖隨時(shí)記錄教師賦予他的教學(xué)策略流程，使得他再次登錄學(xué)習(xí)時(shí)，可以以此意圖作為初始教學(xué)策略流程，有助于他減少情緒波動(dòng)，獲得好的學(xué)習(xí)效果。比如，當(dāng)某一個(gè)學(xué)生在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)時(shí)，由于都是純文字信息顯示，他可能會(huì)感覺(jué)枯燥而使得情緒變得厭煩，此時(shí)教師得知他的情緒變化后，分析原因并改變教師的意圖模型，學(xué)生模型此時(shí)也會(huì)記錄改后的意圖，這樣當(dāng)這個(gè)學(xué)生下次再登錄進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，在他的情緒可能發(fā)生變化之前（可能變得厭煩），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)意圖模型中的教學(xué)流程自動(dòng)提示他是否改變學(xué)習(xí)策略，比如是否改變成視頻學(xué)習(xí)，這有助于減少學(xué)生的情緒波動(dòng)，以獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

（6）C為會(huì)話模型：學(xué)生和教師的會(huì)話模型相同，都是對(duì)其相應(yīng)的心智模型的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，即顯示界面。其中可展示的內(nèi)容有：該Agent的個(gè)性特征、學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)/教學(xué)目標(biāo)、通用教學(xué)策略以及個(gè)別教學(xué)流程等。

FPBDI Agent心智模型通過(guò)連續(xù)地感知外界發(fā)生和自身狀態(tài)的變化，自主地產(chǎn)生相應(yīng)的情緒反應(yīng)，有一定的認(rèn)知功能。基于該模型可進(jìn)一步構(gòu)建出基于多Agent的和諧人機(jī)情感交互教學(xué)體系構(gòu)架。該模型的建立對(duì)于教學(xué)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略，自動(dòng)生成教學(xué)信息，是至關(guān)重要的。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)情感計(jì)算理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，以遠(yuǎn)程教育應(yīng)用為背景，以軟件Agent技術(shù)為基礎(chǔ)，研究并構(gòu)建教學(xué)Agent心智模型，以期構(gòu)建具有情感交互能力的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)模型，從而能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)更加和諧的人機(jī)情感交互，為遠(yuǎn)程教育中人機(jī)之間的交流、情感的傳遞與表達(dá)探討一種行之有效的方法。

遠(yuǎn)程教育這一領(lǐng)域蘊(yùn)藏著巨大的潛力，構(gòu)筑現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)值得長(zhǎng)期研究的課題，而和諧人機(jī)情感交互機(jī)制將為學(xué)生提供更好的人性化環(huán)境，形成一個(gè)開(kāi)放的但并不是放任的、自主的但不是自由的、帶有智慧和導(dǎo)航機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)環(huán)境。

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