基于人機交互技術的自閉癥社會交往課程開發研究

陳東帆+于新宇+沙慶慶+趙偉志+謝譽+李進+樂蕾

摘 要 社交溝通障礙是自閉癥患者存在的核心障礙之一，近年來在自閉癥研究領域得到較多關注。隨著科技的不斷發展，人機交互技術也逐漸應用于自閉癥康復領域。基于人機交互技術，將人形機器人介入自閉癥社會交往課程中，以應用行為分析的原理為基礎，設計、開發一系列社會交往課程，旨在通過人機交互課程訓練自閉癥兒童的社會交往能力。

關鍵詞 人機交互；自閉癥；社交溝通障礙；應用行為分析；ART模型

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）18-0068-05

Rehabilitation Solutions for Social Communication Disorders of

Autism based on Human Computer Interaction Techniques//CHEN Dongfan， YU Xinyu， SHA Qingqing， ZHAO Weizhi， XIE Yu，

LI Jin， YUE Lei

Abstract Social communication disorders is one of the three core disorders of autism， which has drawn great attention in the research of autism in recent years. With the continuous development of science

and technology， Human-Computer Interaction Techniques is increa-singly applied in the field of autism rehabilitation. This research is

based on theory of Human-Computer Interaction Techniques and

Applied Behavior Analysis， which applies humanoid robot into the

Curriculum Systems for autisms social communication disorders. The objective is to design and develop a series of social communi-cation curriculum system and promote autisms social interaction skills through the curriculum.

Keywords human-computer interaction techniques； autism； social communication disorders； applied behavior analysis； ART（autism-robot-therapist） model

1 引言

自閉癥，又稱孤獨癥，是發病于兒童早期的、以社交溝通障礙和局限興趣及刻板行為為核心癥狀的精神發育障礙[1]。其中，社交溝通障礙是自閉癥患者存在的最核心的癥狀，社會交往能力的缺失對于自閉癥患者來說是特異性的[2]。因此，社交溝通障礙的康復訓練對于自閉癥患者來說十分重要。近年來，社交溝通障礙是自閉癥領域研究的熱門主題，在2010—2014年的五年間，就有很多研究關注了自閉癥社交溝通障礙下的語言發展、交流、社會技能、共同注意、注意缺陷等方面[3]。

對于自閉癥進行干預的方法很多。其中，應用行為分析方法（Applied Behavior Analysis，ABA）是最廣為人知的綜合干預模式之一，可以提高自閉癥兒童的社會交往能力[4]。人機交互技術是將人與機器人進行互動，是目前較為熱門的科學技術。近年來，人機交互技術也被越來越多地應用于自閉癥的康復之中[5]。

本研究基于ABA的基本原理和方法，采用人機交互的技術，將人形機器人介入自閉癥社交溝通障礙康復課程之中，依據中國殘疾人聯合會編制的《孤獨癥兒童發展評估表》中的社會交往評估表，設計、開發一系列自閉癥社交溝通障礙康復課程，旨在提高自閉癥兒童的社會交往能力。本研究包括ART模型的設計、課程的設計與開發、具體實施方法與流程等幾個方面。

2 ART模型

ART模型是在康復課程的研發過程中設計、提出的，是在不斷地探索和嘗試中建立的一種人機交互關系的模型，反映了人機交互訓練課程中各個角色彼此之間的互動關系。其中，A指自閉癥兒童（Autism），R指機器人（Robot），T指康復師（Therapist）。三者呈現出穩固的三角關系（圖1）。三者之間的互動是兩兩之間互動的集合。

1）康復師與機器人的互動：康復師與機器人進行社會交往技能的初步示范，機器人作為康復師的助手和“學生”，示范模仿需要習得的動作，配合康復師完成課程；根據班杜拉社會學習理論，自閉癥兒童可以通過觀察和模仿康復師與機器人之間的互動來進行有效的學習[6]。

2）機器人與自閉癥兒童互動：機器人作為自閉癥兒童的模仿對象和學習伙伴，吸引、陪同自閉癥兒童完成課程。

3）康復師與自閉癥兒童互動：在三者的互動關系中，康復師是主導者，康復師輔助自閉癥兒童與機器人之間進行互動，并通過觀察自閉癥兒童的行為，給予及時的支持和反饋。

該模型將人機交互技術與ABA干預理念相結合，通過三者間互動關系，對兒童進行密集行為訓練。人機交互模式區別于傳統的人人交互模式，有很多優點：

首先，機器人可以代替康復師完成大量的、重復的動作，利用機器人進行訓練，可以減少密集行為訓練中康復師的工作量，康復師可以根據情境更加靈活地進行強化、反饋；endprint

其次，相比于人，機器人身形嬌小，面孔簡單，更能吸引自閉癥兒童的興趣，或能引發更多的共同注意[7]；

最后，機器人能作為自閉癥兒童行為泛化過渡階段的同伴，相比于正常人，自閉癥兒童更喜歡與機器人互動[8]，自閉癥兒童學習社交技能后，先同機器人進行技能的泛化，再逐漸從機器人過渡到人，完成社交技能的泛化。

3 教育康復課程的設計

結構化課程開發 此部分主要介紹課程開發的框架搭建。本研究結合硬件系統、計算機軟件編程等構建結構化課程，將課程的開發過程進行結構化分層，形成一個自頂向下的縱向結構，包含課程、情節、模塊、函數、軟件、硬件六個層面。其中，課程、情節、模塊三個層面涉及教育康復的內容，而函數、軟件、硬件三個層面涉及機器人核心控制技術。

圖2以社會交往課程之一——“打招呼—揮手”課程為例，對課程進行結構化分解，對應動作目標，研發編制機器人應用程序，生成驅動函數，由機器人做出動作。在本研究中，應用的機器人是法國Aldebaran Robotics公司研制的一款人工智能仿人機器人——NAO。NAO是目前教育領域廣泛應用的人形機器人，精巧的機械結構、強大的處理器和先進的傳感器能夠支持它完成各種復雜的動作[9]。

同時，NAO提供了一個開放的編程構架，使用戶可以使用諸如LabVIEW、Python、C++、Java、MATLAB、.NET及Urbi-script語言進行編程，本研究中應用的是Python語言。課程的具體結構框架如圖2所示。

課程目標與主題設計 本研究依據中國殘疾人聯合會編制的《孤獨癥兒童發展評估表》評估表中的社會交往評估表，參照正常兒童社會交往能力的發展進程，將課程根據兒童發展年齡分為三個階段：0～12個月，12～36個月和36～72個月。每個階段又進行細分，在細分階段下從社交前基本能力、社交技巧和社交禮儀三方面確定階段目標，依據階段目標進行課程的設計。

三個階段共形成47個目標項，見附表1；基于這47個目標項，將具有相似內容的課程按照難度梯度進行歸納，形成47節課，分屬八個主題，分別為“周圍的世界”“我自己”“我身邊的人”“你好”“再見”“謝謝”“對不起”“你真棒”。詳細清單見附表2。

教案編寫 根據47節課程的目標設計教案，教案設計的原則是：符合兒童社會交往能力的發展規律，通過主題的形式使各種能力能夠從低級到高級進行延續，各個能力模塊可以單獨成體系進行評估與訓練。每節課程包含三個課時：情緒誘導，早期行為干預，溝通交流。每個課時設計一個教案，總計144課時。

教案的設計中體現了密集回合教學的思想，每節課的三個課時共同服務于一個課程目標，圍繞一個目標進行密集行為訓練。為了兒童有明顯的收獲，應該每天進行非常大量的密集教學[10]。在密集回合教學中，應將一種技能分解成較小的部分；一次只教一個小技能，直到掌握為止；集中一段時間，反復練習；進行提示，并在必要時逐漸減少；使用強化方法[11]。

每節課的教案都分為情緒誘導、早期行為干預、溝通交流三種形式，分別為課時一、課時二、課時三，體現了課程從情緒誘導到技能泛化的過程。情緒誘導是每節課程的第一課時，主要目的是讓自閉癥兒童體驗不同的情感，自閉癥兒童無法將自己的情緒與動作系統或動作計劃能力聯結在一起[12]，因而若想對自閉癥兒童進行社會交往能力中動作和行為的訓練，首先應該讓他們體會情感、理解情感。情緒誘導中應用了可視音樂治療方法，可視音樂可對多種特殊兒童的情緒與行為問題起到緩解作用，并使其癥狀向良性方向發展[13]。早期行為干預作為每節課的第二課時，是每節課的主要部分，通過密集行為訓練來使兒童習得社會交往的關鍵性語言、動作、行為等，課程在密集行為干預的基礎上結合游戲與音樂律動，通過多種有效干預方式的結合來促進兒童能力的發展[14]。溝通交流是整個課程的泛化階段，兒童通過與機器人的互動，同伴的互動實現能力的泛化。在溝通交流階段，游戲可以作為泛化的一種手段[15]，提高自閉癥兒童的社會交往能力，促進泛化水平。

4 教育康復課程的實施

個性化定制課程 在課程的實施過程中，采用個性化定制的方式。自閉癥兒童千人千面，根據個體特點進行評估和干預并提供相應的教育指導，這在自閉癥干預過程中是非常重要的[16]。在本課程的實施中，按照以下流程進行：

首先，采集數據，具體按照社交前基本能力、社交技能、社交禮儀三個方向進行評估分析；

其次，根據評估的發展年齡，進行階梯式定位，就低確定訓練月齡；

最后，按照發展年齡進行訓練方案的組合設計，將已經編制的課程組合成為訓練方案，進行以人機交互為基礎的社會交往能力訓練。

具體的個性化定制方案為：康復師使用評估表進行評估，評估出兒童社交前基本能力、社交技巧、社交禮儀的發展年齡，然后選擇最低年齡對應的課程開始學習，學習后進行評估，評估通過可進行下一階段的學習，否則重復上本階段的課程。個性化定制階梯圖如圖3所示。根據個性化定制階梯圖，康復師可以高效、準確地確定課程起點，選擇具體課程。

康復流程介紹 首先，由專業的康復師對自閉癥兒童進行評估，確定其所處社交能力發育階段，對照該階段兒童的社交前基本能力、社交技能、社交禮儀的各項指標進行分析。然后，對兒童進行評估效果分析，若評估結果異常，則制訂階段訓練方案；若達到正常指標，則課程結束。最后，若評估結果異常，則根據兒童能力個性化地定制訓練方案，開始實施干預。具體的康復流程如圖4所示。

5 討論

社交溝通障礙對自閉癥患者的康復十分重要，如何尋找出一種有效的干預方法，需要研究者不斷地探索。將人機交互應用于自閉癥社交溝通障礙的康復，并建立一整套康復課程體系，在國內來說是首次嘗試。雖然研究依舊有一些不足，如評估目前以主觀評估為主，缺少可量化的客觀評估手段，面向對象年齡范圍較窄等，但希望可以為同一領域的研究者提供一種新的思路，在此思路的啟發下嘗試探索出更有效的自閉癥干預方法和手段。endprint

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