數(shù)字化學(xué)習(xí)系統(tǒng)情緒感知功能研究

劉小丹 趙鑫 李玉斌

摘要：情緒對人們的工作、學(xué)習(xí)有著重要的影響，也是決定數(shù)字化學(xué)習(xí)效果的一個(gè)重要因素。本文提出了一種數(shù)字化學(xué)習(xí)中的情緒感知功能，首先運(yùn)用表情識別技術(shù)獲取學(xué)習(xí)者當(dāng)前的情緒狀態(tài)，進(jìn)而從分析數(shù)字化學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)情緒產(chǎn)生的原因入手，采取相應(yīng)措施激發(fā)正面情緒的持續(xù)性或規(guī)避負(fù)面情緒對學(xué)習(xí)活動(dòng)的進(jìn)一步影響，通過這種方式使得學(xué)習(xí)活動(dòng)能更加有效地進(jìn)行，從而進(jìn)一步改善數(shù)字化學(xué)習(xí)的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化學(xué)習(xí);學(xué)習(xí)情緒;表情識別

中圖分類號：G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 論文編號：1674-2117（2015）07-0077-03

● 引言

教學(xué)應(yīng)該是教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”交互的過程，但以往的數(shù)字化學(xué)習(xí)大多是學(xué)習(xí)者面對冰冷的電腦進(jìn)行單方面的知識獲取，這種學(xué)習(xí)方式雖然給學(xué)習(xí)者帶來了一定自主性，但使得學(xué)習(xí)過程枯燥乏味，學(xué)習(xí)者長時(shí)間地處于一種孤獨(dú)的狀態(tài)，容易對學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭煩等負(fù)面情緒，從而影響學(xué)習(xí)的有效性和持續(xù)性。

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深化，數(shù)字化學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者的情感因素也成為大家關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。人們對數(shù)字化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的要求也有了進(jìn)一步的提高，要求其能像傳統(tǒng)教師一樣進(jìn)行智能化教學(xué)，除了組織引導(dǎo)學(xué)習(xí)以外，還要能理解學(xué)習(xí)者的特征、情感狀態(tài)等，以便為教學(xué)提供更好的服務(wù)。目前，國內(nèi)外已有許多相關(guān)的研究案例。孟秀艷、王志良等[1]人設(shè)計(jì)了一個(gè)以情感交互為核心的人性化教學(xué)輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)名為Avatar的虛擬教學(xué)助理，接受情感信息，向?qū)W習(xí)者提供改善自身的建議，并把學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)發(fā)送給教師。吳彥文等[2]提出了一項(xiàng)基于情感識別的智能教學(xué)系統(tǒng)，利用人臉識別技術(shù)分析學(xué)習(xí)者的表情信息，判斷其情緒狀態(tài)。Mahmoud Neji在情感計(jì)算理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可識別高興、恐懼、驚訝、悲傷、憤怒、厭惡六種基本情緒的在線學(xué)習(xí)平臺。[3]

諸如以上研究，雖都考慮了情緒因素在數(shù)字化學(xué)習(xí)過程中的影響，但并未從教育學(xué)、心理學(xué)的角度分析情緒產(chǎn)生的原因，而且沒有給出系統(tǒng)、有效的應(yīng)對措施。

● 數(shù)字化學(xué)習(xí)中的情緒

情緒是人受到情境刺激，經(jīng)過是否符合自己需要的判斷后，而產(chǎn)生的行為變化、生理變化和對事物或事件態(tài)度的主觀體驗(yàn)。[4]在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者會(huì)因?yàn)樽约旱钠枚鴮Σ煌膶W(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生不同的學(xué)習(xí)情緒，這種偏好即學(xué)習(xí)風(fēng)格。針對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，將極大激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)習(xí)效率。[5]例如，有些學(xué)生喜歡通過讀書、閱讀文字的方式來學(xué)習(xí);有些學(xué)生則喜歡看視覺性較強(qiáng)的教材，如圖片、板書等;有些學(xué)生善于通過聽講來學(xué)習(xí);有些學(xué)生善于通過動(dòng)手操作學(xué)習(xí);有些學(xué)生喜歡合作學(xué)習(xí)，而有些學(xué)生則比較愿意自學(xué)。如果教學(xué)方案不符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，就容易使學(xué)生失去耐心，甚至對學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生抗拒心理，出現(xiàn)厭惡、煩躁等情緒。因此，學(xué)習(xí)方案是否符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格是數(shù)字化學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)情緒產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

除此之外，學(xué)習(xí)者情緒的產(chǎn)生還有可能是因?yàn)槠诨驅(qū)W習(xí)過程遇到困難等。疲勞是數(shù)字化學(xué)習(xí)中最容易出現(xiàn)的情緒之一，由于數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的特殊性，學(xué)習(xí)者常常處于孤獨(dú)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者長時(shí)間面對枯燥的學(xué)習(xí)內(nèi)容，往往會(huì)出現(xiàn)精神不振、打哈欠等情況，這就需要系統(tǒng)及時(shí)地提醒和干預(yù)，以免影響正常的學(xué)習(xí)進(jìn)度。當(dāng)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)疑惑、沮喪等負(fù)面情緒，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取應(yīng)對措施，將會(huì)對后繼的學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生影響。

眾所周知，積極的情緒會(huì)促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)度，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，而消極的情緒則會(huì)影響學(xué)習(xí)者的正常思維，阻礙學(xué)習(xí)活動(dòng)的有效進(jìn)行。神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)的研究也表明：情緒、情感能促進(jìn)或阻止個(gè)體的工作記憶、推理操作和問題解決。這是因?yàn)橛汕楦畜w驗(yàn)所構(gòu)成的恒常心理背景或一時(shí)的心理狀態(tài)可以影響和調(diào)節(jié)知覺、記憶和思維等認(rèn)知過程。[6]

情緒不但影響著學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也是學(xué)習(xí)者向教師提供的重要反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的情緒推測其對知識的掌握情況，采取教學(xué)策略、把握教學(xué)進(jìn)度。若是在學(xué)習(xí)者對當(dāng)前所講解的內(nèi)容充分理解或符合其喜好的情況下，通常會(huì)產(chǎn)生高興、愉悅的情緒;若當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容不符合其學(xué)習(xí)風(fēng)格或理解起來有難度時(shí)，則會(huì)表現(xiàn)出厭煩、懊惱等情緒。因此，情緒與學(xué)習(xí)活動(dòng)緊密相連，如果教師在學(xué)習(xí)過程中能及時(shí)了解學(xué)習(xí)者的情緒變化，采取適當(dāng)應(yīng)對措施，將會(huì)有效提高學(xué)習(xí)者數(shù)字化學(xué)習(xí)的質(zhì)量。

● 學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)的獲取

情緒產(chǎn)生時(shí)往往會(huì)伴隨一定的外部表現(xiàn)，表情是最主要的表達(dá)方式。例如，人在高興時(shí)會(huì)開懷大笑，悲傷時(shí)會(huì)痛哭流涕，煩惱時(shí)會(huì)眉頭緊鎖。情緒與表情間的密切關(guān)聯(lián)性，再加上表情識別技術(shù)的不斷發(fā)展，使得我們獲取學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)變得更加方便。

面部表情是通過面部肌肉的變化表現(xiàn)出來的，眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴各部分變化的組合構(gòu)成了各種各樣的表情。本文結(jié)合心理學(xué)家Paul Ekman[7]定義的六種基本表情和關(guān)鍵部位變化的關(guān)系[8]，以及疲勞狀態(tài)下人的面部特征表現(xiàn)，列出了學(xué)習(xí)過程中常見的幾種情緒下人的面部特征，如下表所示。

在學(xué)習(xí)過程中，教師可通過攝像頭獲取學(xué)習(xí)者的圖像信息，運(yùn)用表情識別技術(shù)對學(xué)習(xí)者的表情進(jìn)行分析，推斷其當(dāng)前情緒。表情識別過程主要分為三個(gè)步驟，即人臉檢測、特征提取、表情分類識別。人臉檢測是指在圖像中檢測出人臉的位置，去除背景信息，提取出人的面部圖像，而人臉的精確定位可以保證特征提取的有效性和表情識別的精度。本文采用Adaboost方法實(shí)現(xiàn)人臉檢測，該方法采用級聯(lián)的方式，可以大大提高分類器的檢測速度和精度。然后，運(yùn)用Gabor小波變換進(jìn)行特征提取，由于Gabor濾波器只提取低頻信息，不但可以減小計(jì)算量，也能夠在一定程度上去除多余噪聲的影響，而且，它可以提取圖像中局部細(xì)微的變化，有利于提高表情識別的精度。最后，采用支持向量機(jī)的方法進(jìn)行表情識別分類，該方法具有很強(qiáng)的泛化性，在解決小樣本、非線性及高維模式識別問題方面具有明顯優(yōu)勢。

● 學(xué)習(xí)情緒的應(yīng)對

1.修正學(xué)習(xí)風(fēng)格

在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)當(dāng)充分尊重和發(fā)揮學(xué)習(xí)者的個(gè)性特征，與學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格相適應(yīng)的教學(xué)能有效激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行的難易度。相反，若是不能準(zhǔn)確預(yù)測學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，對因材施教、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的維持都是相當(dāng)不利的。

學(xué)習(xí)風(fēng)格是指學(xué)習(xí)者在獲取、處理和記憶新信息、新技能時(shí)自然的、習(xí)慣性的偏好方式。[9]首先，在學(xué)習(xí)者登錄數(shù)字化學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)，通過測量問卷等形式對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格初始化。進(jìn)而教師才能夠在學(xué)習(xí)過程中，通過表情識別分析學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)，推測其對當(dāng)前的學(xué)習(xí)方案是否滿意。若學(xué)習(xí)者表現(xiàn)出高興等正面情緒，則說明其對學(xué)習(xí)的呈現(xiàn)方式、學(xué)習(xí)方案等比較滿意;若是學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)方案、學(xué)習(xí)的呈現(xiàn)方式等不滿，則會(huì)出現(xiàn)焦慮、厭惡等負(fù)面情緒。我們通過這種方式進(jìn)一步對學(xué)習(xí)風(fēng)格模型進(jìn)行修正，能有效彌補(bǔ)量表測量方式主觀性過強(qiáng)的弊端，獲得更加準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)風(fēng)格。

2.調(diào)整教學(xué)

情緒能直觀反映出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，成為調(diào)整教學(xué)策略的可靠依據(jù)。根據(jù)本文定義的五種情緒特征，學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以采取以下應(yīng)對方法：當(dāng)情緒推斷的結(jié)果為高興時(shí)，說明學(xué)習(xí)活動(dòng)正順利開展，學(xué)生對當(dāng)前的學(xué)習(xí)節(jié)奏、學(xué)習(xí)內(nèi)容都比較滿意;若學(xué)習(xí)者對當(dāng)前所學(xué)存在厭惡情緒，說明其對現(xiàn)有的教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容有所抵觸，應(yīng)對系統(tǒng)作出提醒，使其調(diào)整教學(xué)方案;若學(xué)習(xí)者出現(xiàn)打哈欠等明顯疲勞特征，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)采取措施，發(fā)出警告或播放音樂等，避免疲勞情緒的進(jìn)一步發(fā)展;若檢測到學(xué)習(xí)者出現(xiàn)疑惑情緒，有可能是其對當(dāng)前的學(xué)習(xí)內(nèi)容存在疑惑或沒有理解，系統(tǒng)此時(shí)彈出提醒對話框，詢問是否需重新講解;當(dāng)檢測到學(xué)習(xí)者出現(xiàn)沮喪情緒時(shí)，說明當(dāng)前的學(xué)習(xí)內(nèi)容超出了其理解范圍，任由這種情況發(fā)展會(huì)極大削弱學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，此時(shí)應(yīng)重新組織學(xué)習(xí)方案，降低學(xué)習(xí)難度。

3.多媒體情感互動(dòng)

在數(shù)字化學(xué)習(xí)中，為了激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者的正面情緒，我們應(yīng)充分利用豐富的多媒體資源。例如，可以在系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)虛擬的教師形象，運(yùn)用表情、語言、肢體動(dòng)作等對學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)，或?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供一些虛擬的物品獎(jiǎng)勵(lì)，使得學(xué)習(xí)者在情感上能得到一定的回饋，保持愉悅的情緒。

除此之外，在學(xué)習(xí)者出現(xiàn)疲勞、厭惡等不利于學(xué)習(xí)活動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行的情緒時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)中斷學(xué)習(xí)，彈出對話框詢問是否繼續(xù)學(xué)習(xí)，若學(xué)習(xí)者選擇中斷學(xué)習(xí)，系統(tǒng)會(huì)向?qū)W習(xí)者推送幾種休閑方式，插入音頻、視頻或小游戲等供其選擇，來幫助學(xué)習(xí)者消除暫時(shí)的負(fù)面情緒干擾。

● 結(jié)語

在缺乏交互性的數(shù)字化學(xué)習(xí)中，應(yīng)當(dāng)有效利用學(xué)習(xí)者的情緒，作為制定教學(xué)方案、調(diào)整教學(xué)進(jìn)度的可靠依據(jù)，這是提高數(shù)字化學(xué)習(xí)效率的重要途徑之一。本文從教育學(xué)、心理學(xué)的角度闡述了數(shù)字化學(xué)習(xí)中情緒感知的必要性，運(yùn)用表情識別技術(shù)獲取學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)，并分析了各類情緒產(chǎn)生的原因，針對不同的原因給出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，能在一定程度上消除影響數(shù)字化學(xué)習(xí)的干擾因素，改善數(shù)字化學(xué)習(xí)的質(zhì)量。

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