網格計算在網絡學習情感評價中的應用初探

【摘要】對網絡學習的有效評價是當前的研究熱點，其中對網絡學習者的情感評價更是熱點中的難點。網格計算技術是高性能計算技術與分布式計算技術相結合的產物，將它應用于網絡學習中的情感計算就能了解學習者在學習活動中的情緒狀態(tài)及其變化。本文嘗試將網格計算技術應用于網絡學習中的情感計算，旨在為解決網絡學習者的情感評價難題拋磚引玉。

【關鍵詞】網格計算；網絡學習；情感計算；情感評價

【中圖分類號】G434【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097 (2007) 10—0079—03

網格是繼Internet之后的又一重大科技進步，它將地理上分布異構的各種高性能計算機、數據服務器、大型檢索存儲系統(tǒng)等通過網絡連接集成，對所有資源統(tǒng)一調配和使用，建立面向網絡服務的通用基礎支撐環(huán)境，實現Internet上計算資源、數據資源和服務資源的有效聚合和廣泛共享，從而建立一個能夠實現區(qū)域或全球合作或協(xié)作的虛擬科研和實驗環(huán)境，支持以大規(guī)模計算和數據處理為特征的科學活動。當今全世界都密切關注的網格計算(grid computing)技術正是實現基于網絡的科學活動虛擬計算環(huán)境的理想平臺。

一、網絡學習與情感評價

網絡學習的一個引人注目的特點就在于它是一個學習系統(tǒng)。通過管理學習過程、跟蹤學習歷史、計量學習效果等，網絡學習可以較客觀公正地評估學習者的學習過程與學習效果，為不同學習者制定不同的學習方案，并及時提供反饋和評價，從而為學習風格的個性化提供了更大的空間，并有助于激發(fā)學習者興趣，提高學習積極主動性和學習效率，提高整體教學質量。歸納各網絡學習評價的主要內容，不外乎：學習次數、學習時長、在線測試、作業(yè)、討論、老師講解、內容擴展等等。人們期盼著能擁有并使用更為人性化和智能化的網絡學習系統(tǒng)，即人機交互的計算機一方也能具有情感能力。

情感是人與環(huán)境之間某種關系的維持或改變，當客觀事物或情境與人的需要和愿望符合時會引起人積極肯定的情感，而不符合時則會引起人消極否定的情感。而各種復雜情緒是由基本情緒的不同組合派生出來的。在學習活動中，學習者會表現出各種基本情緒或復雜情緒，而這些情緒狀態(tài)會對學習績效產生明顯影響。

情感評價嚴格來說不是一種評價方式，而是指在評價內容上側重于對學生情感、態(tài)度、價值觀的評價。但因為對學生的情感評價方式有一定的共性(比如比較側重于質的評價方法)，因此統(tǒng)稱它為情感評價。[1]這是在當前新課程改革理念下所倡導的新型評價方式。

傳統(tǒng)意義上的網絡學習情感評價是一件非常困難的事情，要耗費大量人力物力，往往只能進行次數很少的總結性評價。形成性評價能對學習過程提供有效的支持，但評價反饋的時效性和形成性評價的經常性勢必大大增加評價的工作量，當面對大規(guī)模的學習者群體時尤為突出。

當前網絡學習評價系統(tǒng)面對的主要問題是如何進行廣域跨組織大規(guī)模的學習評價活動，它的特殊性體現在:(1)資源廣域分布，地理范圍覆蓋全國，用戶數量巨大；(2)組織體系既有集中管理，也存在區(qū)域自治的問題；(3)形成性評價是經常性的活動，需要對廣域分布資源進行跨組織的普適存取，系統(tǒng)安全問題十分突出；(4)涉及多機構之間的資源協(xié)調以及教師群體、學生群體和管理者群體之間的協(xié)同工作。

二、情感計算簡介及研究現狀

情感計算研究就是試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感作出智能、靈敏、友好反應的計算系統(tǒng)。情感計算研究的內容包括三維空間中動態(tài)情感信息的實時獲取與建模，基于多模態(tài)和動態(tài)時序特征的情感識別與理解及其信息融合的理論與方法，情感的自動生成理論和面向多模態(tài)的情感表達，以及基于生理和行為特征的大規(guī)模動態(tài)情感數據資源庫的建立等。情感計算是一個高度綜合化的技術領域。通過計算科學與心理科學、認知科學的結合，研究人與人交互、人與計算機交互過程中的情感特點，設計具有情感反饋的人機交互環(huán)境，將有可能實現人與計算機的情感交互。[2]

情境化是人機交互研究中的新熱點。自然和諧的智能化的人機界面的溝通能力特征包括：⑴自然溝通：能看，能聽，能說，能觸摸；⑵主動溝通：有預期，會提問，并及時調整；⑶有效溝通：對情境的變化敏感，理解用戶的情緒和意圖，對不同用戶、不同環(huán)境、不同任務給予不同反饋和支持。因此，人機界面的“智能”不僅應有高的認知智力，也應有高的情緒智力，從而有效地解決人機交互中的情境感知問題，情感與意圖的產生與理解問題，以及反應應對問題。經過情感化設計的計算機能像人一樣具有情感，與人進行自然、親切和生動的智能交互。

麻省理工學院媒體實驗室的情感計算小組研制的情感計算系統(tǒng)通過記錄人面部表情的攝像機和連接在人身體上的生物傳感器來收集數據，然后由一“情感助理”來調節(jié)程序以識別人的情感。如果你對電視講座的一段內容表現出困惑，情感助理會重放該片段或者給予解釋。而目前國內的情感計算研究重點在于通過各種傳感器獲取由人的情感所引起的生理及行為特征信號，確定情感類別的關鍵特征，建立“情感模型”，從而創(chuàng)建個人情感計算系統(tǒng)。研究內容主要包括臉部表情處理、情感計算建模方法、情感語音處理、姿態(tài)處理、情感分析、情感機器人等。[3]

迄今為止，有關研究已在人臉表情、姿態(tài)分析、語音的情感識別和表達方面獲得了一定的進展。情感計算研究將不斷加深對人的情感狀態(tài)和機制的理解，并提高人機界面的和諧性，即提高計算機感知情境，理解人的情感和意圖，作出適當反應的能力。

目前，情感計算研究面臨的挑戰(zhàn)仍是多方面的：⑴情感信息的獲取與建模，例如細致和準確的情感信息獲取，描述及參數化建模，海量的情感數據資源庫，多特征融合的情感計算理論模型；⑵情感識別與理解，例如多模態(tài)的情感識別和理解；⑶情感表達，例如多模態(tài)的情感表達（圖像、語音、生理特征等），自然場景對生理和行為特征的影響；⑷自然和諧的人性化和智能化的人機交互的實現，例如情感計算系統(tǒng)需要將大量廣泛分布的數據整合，然后再以個性化的方式呈現給每個用戶。

已有的網絡技術也不能從根本上解決這些問題。為此，需嘗試將網格計算技術引入網絡學習評價研究，通過構建基于網格計算環(huán)境的資源共享與協(xié)同工作平臺解決廣域跨組織大規(guī)模遠程學習評價的問題以及情感計算的海量數據整合問題。

三、基于網格計算的網絡學習情感評價

1 網格計算概述

一個網格計算系統(tǒng)由三個基本層次構成；資源層、中間件層和應用層[4]。網格資源層是構成網格系統(tǒng)的硬件基礎。它包括各種計算資源，如超級計算機、可視化設備、現有應用軟件等。這些計算資源通過網絡硬件設備連接起來，構成網格的資源層。網格中間件層是指一系列的工具和協(xié)議軟件，其功能是屏蔽網格資源層中計算資源的分布、異構特性。向網格應用層提供透明、一致的使用接口。中間件層也稱為網格操作系統(tǒng)，它同時提供用戶編程接口和相應的環(huán)境，以支持網格應用的開發(fā)。網格應用層是用戶需求的具體體現。在網格操作系統(tǒng)的支持下，網格用戶可以使用其提供的工具或環(huán)境開發(fā)各種應用系統(tǒng)。能否在網格系統(tǒng)上開發(fā)應用系統(tǒng)以解決各種大型計算問題是衡量網格系統(tǒng)優(yōu)劣的關鍵。

網格計算的特點主要集中在分布與共享、自相似性、動態(tài)性與多樣性、自治性與管理的多重性4個方面[5]。

（1） 分布與共享?；诰W格的計算需要解決資源與任務的分配、調度、安全傳輸與通信等問題；實現資源的共享是網格的目的，解決分布資源的共享問題是網格的核心內容。分布是網格硬件在物理上的特征，而共享是在網格軟件支持下實現的邏輯上的特征。

（2）自相似性。網格的自相似性是指網格的局部和整體之間存在著一定的相似性，局部往往在許多地方具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的體現。

（3）動態(tài)性與多樣性。網格的動態(tài)性是指網格內的資源和功能是動態(tài)變化的。網格應能處理任務的動態(tài)遷移。網格的多樣性體現在網格資源的異構和多樣方面，網格環(huán)境中可以有不同體系結構的計算機系統(tǒng)和類別不同的資源。

（4）自治性與管理的多重性。網格的自治性是指網格資源的擁有者對該資源具有最高級別的管理權限，網格允許資源擁有者對他的資源具有自主管理能力。但是網格資源也必須接受網格的統(tǒng)一管理，否則不同的資源就無法建立相互之間的聯系，無法實現共享和互操作。因此網格的管理具有多重性，一方面它允許網格資源擁有者具有自主管理能力；另一方面它又要求網格資源必須接受網格的統(tǒng)一管理。

與Internet相比，網格具有更強的功能和性能，主要表現為[6]：(1)網格的互聯網絡比Internet具有更大的帶寬；(2)網格的計算速度、數據處理速度可以大幅度提高；（3)網格的體系結構比Internet更能有效利用這些資源；(4)網格將促進更多、更大的網上社區(qū)的出現，網格采用的是國際標準，可以使接入設備像電話一樣易用。

2 網格計算在網絡學習情感評價中的應用

正因網格計算技術有如上的特點和優(yōu)勢，針對上文中提出的網絡學習情感評價的困難以及情感計算研究中的困境，我們可以利用網格計算技術來彌補。

已有研究成果顯示[7]，網格計算技術可以為網絡學習評價提供技術解決方案，從而實現基于網格的新一代CAA（計算機輔助評價）系統(tǒng)，我們將其稱為LAGrid(Learning Assessment Grid)。LAGrid通過構建基于網格計算環(huán)境的資源共享與協(xié)同工作平臺解決廣域跨組織大規(guī)模遠程學習評價問題，主要特點包括：(1)通過感知服務實現協(xié)作流程的跨組織運行，提供虛擬化透明協(xié)調資源與問題解決的動態(tài)協(xié)作環(huán)境，協(xié)調廣域分布的協(xié)作群體行為，保證評價反饋的時效性；(2)提供個性化的資源配送服務支持學生的學習；(3)通過網格信息服務和服務聚合等核心網格中間件實現評價活動的有效組織與全局監(jiān)控；(4)具有比較完善的安全體系，提供統(tǒng)一入口、單次登錄、認證授權、面向服務的安全機制以及跨組織的安全資源訪問機制；(5)LAGrid體系結構具有良好的可擴展性和靈活性，能夠敏捷地響應組織結構的變化并滿足不斷變化的應用需求。作E-Learning Grid研究的應用示范工程，LAGrid目前已在中央廣播電視大學系統(tǒng)試用，并取得良好的效果。

對于網絡學習中的情感評價，結合情感計算和網格計算的相關知識，筆者認為網絡學習情感評價系統(tǒng)設計至少面臨以下三個特殊問題：

（1）如何協(xié)調廣域分布的協(xié)作群體行為，保證評價的時效性？這需要構建人-系統(tǒng)-人協(xié)同工作環(huán)境，支持動態(tài)、開放、群體行為的跨組織大規(guī)模協(xié)作。

（2）如何有效獲取情感信息與描述及參數化建模？這需要構建有利于系統(tǒng)監(jiān)測與控制的虛擬化透明操作環(huán)境，其中，計算海量的情感數據資源庫并構建多特征融合的情感計算理論模型是關鍵。

（3）如何實現自然和諧的人性化和智能化的人機交互，提供高質量的反饋內容和個性化的學習支持服務？這需要構建資源共享環(huán)境以及解決個性化的資源配送服務問題，其中，將大量廣泛分布的數據整合后再以個性化的方式呈現給每個用戶的情感計算系統(tǒng)是關鍵。

在網絡學習活動中，計算機通過對人類的情感進行獲取、分類、識別和響應，設計并提供更愉悅舒適的學習環(huán)境，幫助學習者獲得高效而又親切的感覺，并有效減輕人們學習過程中的挫敗感，甚至幫助人們理解自己和他人的情感世界。展望現代科技的潛力，讓學習者面對運作良好、操作容易，甚至具有情感特點的計算機這不是不可能的。

參考文獻：

[1]萬偉等．新課程教學評價方法與設計[M]．北京：教育科學出版社，2004．

[2][3]傅小蘭．電子學習中的情感計算[J]．計算機教育．2004，(12):27，30．

[4]武法提．網絡教育應用[M]．北京:高等教育出版社，2003，(12):31．

[5]易向軍．網格及其應用研究[J]．電信網技術，2004，(11):24—27．

[6]吳迪，王青海．網格計算及其應用研究初探[J]．微計算機應用，2003，(9):283—286．

[7]王冬青，李玉順，王桂玲，許駿，李克東，史美林．LAGrid:遠程學習評價網格——基于網格計算環(huán)境的CAA系統(tǒng)[J]．中國電化教育，2005，(12):92．

Exploring the Aplications of the Grid Computing among the Affective Evaluation of E-learning

GAO YanZOU XiaMA Weiwei

（China West Normal University， Nanchong ， Sichuan 637002）

Abstract: The effective learning evaluation of e-learning is the hotspot of the present research，of which，the Affective Evaluation of E-learning is the difficulty.The Grid Computing is the production of combining high performance computing technology and distributed computing technology.Aplicating it in the Affective Computing of E-learning，we can know the states and changes about learners’ affect during their study.In this paper，the aplication the Grid Computing among the Affective Computing of Affective Evaluation in E-learning is put forward to draw more and more methods to solove the problem of Affective Evaluation of E-learning.

Keywords: Grid Computing; E-learning; Affective Computing ; Affective Evaluation