普適環境下基于情感計算的遠程教育研究

張燕樂 鄔家煒

華南師范大學計算機學院 廣州 510631

普適環境下基于情感計算的遠程教育研究

張燕樂 鄔家煒

華南師范大學計算機學院 廣州 510631

普適計算作為一種新型計算模式，突破傳統的桌面計算，是一種適合情感交流和表達的計算模式。它彌補了遠程教育中由于時空分離導致師生之間情感交流困難的缺陷。首先分析遠程教育中情感的缺失，然后以情感計算為技術基礎，具體分析智能教室里面師生之間的情感交互，最后提出簡化的人機情感交互模型，從而促進遠程教育情感交互的發展。

情感計算；遠程教育；智能空間

10.3969/j.issn.1671-489X.2010.24.007

作者：張燕樂，華南師范大學計算機學院碩士研究生，研究方向為遠程教育、計算機網絡技術、普適計算；鄔家煒，教授，碩士生導師，研究方向為計算機網絡與應用、遠程教育。

Author’s addressCollege of Computer, South China Normal University, Guangzhou, China 510631

隨著科學技術的發展，人們需要一種與信息空間發展相容的計算模式來滿足對信息獲取及處理的需求。一種新的計算模式誕生了，它就是普適計算（Ubiquitous Computing）。它強調把計算嵌入到環境和日常工具中，讓計算機本身從人們的視線中消失[1]，實現信息空間與物理世界的融合。在這個融合的空間中人們可以隨時隨地透明地獲得數字化服務[2]。基于這種理念的普適計算對遠程教育有著巨大的促進作用。本文結合智能教室對基于情感計算的遠程教學做深入研究，以解決遠程教學中情感交互匱乏的問題。

1 普適計算概述

1.1 普適計算的定義

普適計算的概念最早由施樂公司PALOATO研究中心的首席技術官Mark Weiser提出。他在1991年提出：21世紀的計算將是一種無所不在的計算模式，它是一種能包含各種設備的計算模式，其重點在于提供面向客戶的統一的、自適應的網絡服務。在普適計算環境下，人們可以“隨時隨地”并透明地獲得數字化服務[1]，而不用端坐在計算機面前，從某種意義上來講，計算機好像隱身了。

關于普適計算的定義，不同的人有不同的觀點。2002年清華大學徐光裕教授認為：“普適計算是信息空間和物理空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地透明地獲得數字化服務。”板村建認為，“普適計算技術是讓計算機通過認識周圍的環境和狀況進行判斷和反應”[3]，其目標都是“要建立一個充滿計算和通信能力的環境，同時使這個環境與人們逐漸融合在一起”[4]。

1.2 普適計算的特征

普適計算具有普適性、移動性、消失、透明性和自適應性。

1）透明性。普適計算無所不在，計算設備作為一種工具，人們在使用時不用關心如何去使用它，把它視為不可見，獲得這種服務時不需要花費很多注意力，即這種服務的訪問方式是十分自然的，甚至是用戶本身注意不到的。

2）自適應性。強調如何有效感知物理空間、信息空間及設備位置和人的行為變化，以便系統動態調整自身的行為。

3）消失（disappearing）。Mark Weiser有一個著名論述：“最深奧的技術是那些消失了的技術，這些技術將它們自身交織于日常生活中，直至不可區分。”比如，日常生活中的電雖然對生活有巨大的影響，但是猶如消失在人們的日常生活中。普適計算也將是那樣一種消失的計算。

5個特征中，普適性、移動性也是普適計算的基本特征，這里不一一介紹。

2 情感計算和人機情感交互

情感，是人類心理活動的重要組成部分，是人對客觀事物是否符合個人需要而產生的主觀體驗。一般認為，情感是琢磨不定、不可能計算的，因此，以往對情感的研究均局限于心理學范疇。事實上，對于人的情感，在某種程度上是可以進行定性和定量分析的。

2.1 情感計算

讓計算機具有情感，實質上就是讓計算機在與人類的交互過程中具有智能的和敏感的能力。這個觀點并不新鮮，早在1985年，由Marvin Minsky教授首先提出來。他指出問題不在于機器能否有任何情感，而在于機器實現智能時怎么能夠有情感[5]。然而，要賦予計算機或機器人以人類式的情感，使其能夠感知和表達情感，達到人與自然、人與機器的和諧，在學術

界罕有人關注。這種情況直到1997年美國麻省理工學院媒體實驗室Picard教授的專著Affective Computing（情感計算）[6]問世才宣告結束。Picard提出“情感計算”并將之界定為“關于情感、情感產生以及影響情感方面的計算”。

概括來講，情感計算的目的就是通過賦予計算機識別、理解、表達和適應人的情感的能力來建立和諧的人機環境，并使計算機具有更高的、全面的智能。情感計算的過程可用圖1表示[7]。

在情感計算的過程中，所涉及關鍵技術包括人類生理、心理及行為特征的情感狀態分析，人類情感信息信號采集傳感器的研究，人類情感的識別技術等。其中，人類情感的識別又包括人面部表情、姿態表情、語調表情識別等技術。

2.2 人機情感交互

人的情感交流是一個十分復雜的過程，不受時間、地點、環境等的影響，每種情感都具有獨特的主觀體驗，同時也會伴隨著某種外部表情。例如：愉快時額眉平展、面頰上提、嘴角上翹的面部表情；狂喜時捧腹大笑、悔恨時捶胸頓足的姿態表情；憤怒時聲調升高、語速加快，悲傷時語調低沉、語速緩慢的語調表情；等等。

要想準確評價情感的這些主觀體驗，必須首先確定情感的維度。ACCenter（情感計算中心）引入PAD三維情感模型[8]，該模型認為情感具有愉悅度、激活度和優勢度3個維度，其中P代表愉悅度（Pleasure-displeasure），表示個體情感狀態的正負特性；A代表激活度（Arousalnonarousal），表示個體的神經生理激活水平；D代表優勢度（Dominance-submissiveness），表示個體對情景和他人的控制狀態。可以通過這3個維度的值來代表具體的情感。ACCenter基于PAD三維情感模型和對簡化版PAD情感量表進行中國化修訂，構建出中國人的三維情感空間模型，搭建情感與計算之間的橋梁。

ACCenter設法利用PAD模型[9]，將計算機無法直接理解的文本語義轉化為可以刻畫度量的情感三維空間，再將文本情感的PAD量化結果與情感信息數據庫進行對比建模，建立PAD三維情感數據和相關參數之間的關聯模型。基于此原理，人機情感交互的模型可用圖2來表示[10]。

事實上，除了這些主觀體驗伴隨的外部表情之外，還有生理狀態的變化，比如水平、心率、血壓、呼吸等，這種生理狀態又會進一步增強情感的主觀體驗（如嚇出一身冷汗后體驗到的后怕等）。這些成為測量情感的相對客觀的指標。記錄這些生理指標需要使用特定的設備和技術。

3 遠程教育中的情感分析

遠程教育的特點，即教學與學習行為在時空上分離，導致學生和教師，或學生和學習支柱組織之間的通信是非連續的。雖然說人們試圖通過各種現代通訊手段來實現師生之間的交互，彌補遠程教育中師生分離所帶來的交流困難。但是由于不能直接面對面地交流，那些在人類普通的情感領域的東西，如暗示、感染、觸摸、模仿等具體的行為方式在遠程教育中遭遇失落。這種情感的缺失導致人的情感、自主性甚至尊嚴等慢慢地被異化。這在遠程教育中，對學生的學習動機，調動并保持學生的積極性和主動性非常不利。概括來講，造成遠程教育中的情感缺失主要表現在3個方面。

1）在傳統課堂教學中，師生之間的交流主要通過語言、手勢、體態、眼神、面部表情、語氣、語調等來實現。這種情感傳遞是真實的、迅速且有效的。然而在遠程教育中卻缺少傳統教育的這種情感影響力，缺少人文關懷精神，學生生活在一個虛擬的信息空間里，制約了其情感的發展。

2）遠程教育的學習環境是一個相對封閉的環境，由于這種空間上的隔離，造成教師授課和學生聽課時的面部表情、手勢、體態、眼神等情感信息在簡單的文本傳遞中丟失。另外，個體面對的是沒有情感、表現敏捷而又機械的網絡，人與人之間的交流只局限于鼠標、鍵盤或其他外設上，無法表達傳遞復雜的情感。雖然可以通過耳麥和攝像機來傳遞聲音和視頻來彌補，但這種聲音沒有距離變化，視頻也僅僅是大頭像，無法表現肢體的動作狀態。

3）遠程教育中，單一強調認知的發展，教育的情感層面日漸衰弱。

4 普適計算環境下的遠程教育情感交互

Weiser提出的普適計算是一種適合情感表達的計算模式，它突破傳統的桌面計算，為人類打造一個360度的計算模式。在普適計算環境中，人們在工作、生活的現場就可以獲得服務，而不需要離開這個現場去端坐在一個專門的計算機面前。人機交互的接口不再局限于傳統的鼠標、鍵盤和顯示器這些固定設備上，用戶可通過手持設備、可穿戴設備和其他設備無障礙地享用計算能力和信息資源，同時這些設備還可以通過無線通信技術與Internet連接起來，使計算機接口與用戶的生活環境相融合。

鑒于此，基于普適計算的遠程教育在情感傳遞和表達上有著明顯的優勢，而形成這種優勢的技術基礎就是情感計算。情感計算（affective computing）[10]作為一個高度綜合化的技術領域，通過計算機科學與心理科學、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境，從而實現人與計算機的情感交互。

目前在普適計算的影響下已經形成許多相對自完備的研究領域，比如智能空間（smart space）、可穿戴計算（wearable computing）、覺察上下文計算（contextaware computing）、游牧計算（nomadic computing）等。智能空間［11］是從一個縱向剖面的角度來研究普適計算，將智能空間應用于真正的教室中，就是一個智能教室[12]。圖3就是一個智能教室系統。在智能教室里面，教師可以自由地移動，用方便、快捷的教學方法去指導遠程學習的學生。

真正的原型系統是在一個3.1 m×7.6 m用窗簾隔開的房間里面，如圖4所示。從外觀上看，智能教室內有2個主要設施分別稱為媒體板（Media Board）和學生板（Student Board）。Media Board是由一個投影機把影像投影在一個放在教室前部的Smart Board設備上形成的。Media Board充當傳統教室中的黑板。Student Board則是投影在教室側墻上的另一個顯示屏幕，是遠程學生現場的一個窗口。每個出席課程的遠程學生都會有一幅靜態的頭像顯示在上面，同時如果一個遠程學生獲得發言權后，他的運動圖像和聲音也可以在這兒播放。此外，教室里面還配備多個攝像頭，教師也佩戴有無線麥克風和多功能交互筆（UPen）。

在這里，根據情感計算的人機交互模型（圖2），對智能教室里面的情感交互做一個剖析。在圖2所示的模型中，整個過程由6個階段構成一個完全閉合的回路，這6個階段分別是情感捕捉、情感識別、綜合分析、情感理解、情感建模和系統輸出。

情感捕捉階段，主要由面部、體態、聲音、文本情感捕捉4個子模塊來完成情感信息的捕捉。在智能教室里面，可以通過攝像機、麥克風、虛擬鼠標或多功能交互筆來實現對情感信息的捕捉。這些捕捉來的信息由相應的情感識別單元來進行處理，識別出來的信息送至綜合分析單元，分析屬于哪類情感，將得到的結果送至情感信息數據庫進行對比；然后由應答單元決定相應情感信息的回答，回答信息確定后再次傳送回情感信息數據庫，并從數據庫中提取相關的情感信息，決定屬于哪類情感；接著生成相關參數并進行情感建模；最后通過交互界面傳遞給遠程的學生，在智能教室里面可以通過Student Board交互。這能給學生面對面的、真實的課堂感覺。

智能教室采用SRI的多Agent系統[12]，通過Agent間相互通信、相互協作來實現系統所需的功能，所以人機交互模型可以簡化為圖5所示。

5 總結和展望

普適計算運用于遠程教育中，對情感的交互和情感表達具有很大的優勢，使遠程教育模式和手段更具有人的情感色彩。然而，作為情感交互技術基礎的情感計算目前仍面臨諸多挑戰，例如情感信息的獲取與建模、情感識別與理解、情感表達以及自然和諧的人性化和智能化的人機交互的實現等問題。普適環境下的遠程教育情感交互是一個值得長期研究的課題，相信在未來社會，將會有大量的操作容易、運作良好的具有情感特征的計算機面世。

[1]Weiser M.The computer for the twenty-first century[J].Scientific American,1991,265(3):94-104

[2]徐光裕,史元春,謝偉凱.普適計算[J].計算機學報,2003(9):19-27

[3]饒云波,張應輝,周明天.基于普適計算研究及其應用[J].微型計算機應用,2006(5)

[4]趙海.普適計算：計算混沌形式[M].沈陽:東北大學出版社,2005

[5]Minsky M.the Society of Mind[M].New York:Simon & Schuster,1985:210-212

[6]Picard R W.Affective Computing[M].London:MIT Press,1997

[7]馬希榮,王志良.遠程教育中和諧人機情感交互模型的研究[J].計算機科學,2005(9):182-194

[8]李曉明.PAD三維情感模型[N].計算機世界,2007-1-29(14)

[9]傅小蘭.情感計算與人機交互的情感特征[EB/OL].http://www.cass.net.cn/file/20090602235170.html

[10]劉景福,陳松生.普適計算環境下遠程教育情感交互的設計模型[J].現代教育技術,2009,19(4):90-93

[11]史元春.智能空間:和諧的人機交互環境[EB/OL].http://www.CCF.Org.cn

[12]謝偉凱,蔣長浩,史元春,徐光祐.智能教室:一種用于遠程教育的交互空間[EB/OL].http://pi.cs.tsinghua.edu.cn/projects/classroom/200107-1.pdf

Research on Distance Education based on Affective Computing in Ubiquitous Environment

Zhang Yanle,Wu Jiawei

As a new computing model, Ubiquitous Computing, which breaks the traditional desktop computing, is suitable for the expression of emotional communication and computing model. It is made up for the defects which are emotional communication difficulties between teachers and students, caused by space and time separation in distance education. This paper firstly analyzes the absence of emotion in distance education, and then detailed analysis of the emotional communication between teachers and students in the smart classroom based on affective computing and finally presented a simplified human-computer emotional interaction model, thereby promoting the development of emotion interactive in distance education.

affective computing; long-distance education; smart space

G434

A

1671-489X(2010)24-0007-04