張燕樂 鄔家煒

華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣州 510631

普適環(huán)境下基于情感計(jì)算的遠(yuǎn)程教育研究

張燕樂 鄔家煒

華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣州 510631

普適計(jì)算作為一種新型計(jì)算模式，突破傳統(tǒng)的桌面計(jì)算，是一種適合情感交流和表達(dá)的計(jì)算模式。它彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程教育中由于時(shí)空分離導(dǎo)致師生之間情感交流困難的缺陷。首先分析遠(yuǎn)程教育中情感的缺失，然后以情感計(jì)算為技術(shù)基礎(chǔ)，具體分析智能教室里面師生之間的情感交互，最后提出簡(jiǎn)化的人機(jī)情感交互模型，從而促進(jìn)遠(yuǎn)程教育情感交互的發(fā)展。

情感計(jì)算；遠(yuǎn)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(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程教育、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、普適計(jì)算；鄔家煒，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用、遠(yuǎn)程教育。

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

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們需要一種與信息空間發(fā)展相容的計(jì)算模式來滿足對(duì)信息獲取及處理的需求。一種新的計(jì)算模式誕生了，它就是普適計(jì)算（Ubiquitous Computing）。它強(qiáng)調(diào)把計(jì)算嵌入到環(huán)境和日常工具中，讓計(jì)算機(jī)本身從人們的視線中消失[1]，實(shí)現(xiàn)信息空間與物理世界的融合。在這個(gè)融合的空間中人們可以隨時(shí)隨地透明地獲得數(shù)字化服務(wù)[2]?；谶@種理念的普適計(jì)算對(duì)遠(yuǎn)程教育有著巨大的促進(jìn)作用。本文結(jié)合智能教室對(duì)基于情感計(jì)算的遠(yuǎn)程教學(xué)做深入研究，以解決遠(yuǎn)程教學(xué)中情感交互匱乏的問題。

1 普適計(jì)算概述

1.1 普適計(jì)算的定義

普適計(jì)算的概念最早由施樂公司PALOATO研究中心的首席技術(shù)官M(fèi)ark Weiser提出。他在1991年提出：21世紀(jì)的計(jì)算將是一種無所不在的計(jì)算模式，它是一種能包含各種設(shè)備的計(jì)算模式，其重點(diǎn)在于提供面向客戶的統(tǒng)一的、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在普適計(jì)算環(huán)境下，人們可以“隨時(shí)隨地”并透明地獲得數(shù)字化服務(wù)[1]，而不用端坐在計(jì)算機(jī)面前，從某種意義上來講，計(jì)算機(jī)好像隱身了。

關(guān)于普適計(jì)算的定義，不同的人有不同的觀點(diǎn)。2002年清華大學(xué)徐光裕教授認(rèn)為：“普適計(jì)算是信息空間和物理空間的融合，在這個(gè)融合的空間中人們可以隨時(shí)隨地透明地獲得數(shù)字化服務(wù)?！卑宕褰ㄕJ(rèn)為，“普適計(jì)算技術(shù)是讓計(jì)算機(jī)通過認(rèn)識(shí)周圍的環(huán)境和狀況進(jìn)行判斷和反應(yīng)”[3]，其目標(biāo)都是“要建立一個(gè)充滿計(jì)算和通信能力的環(huán)境，同時(shí)使這個(gè)環(huán)境與人們逐漸融合在一起”[4]。

1.2 普適計(jì)算的特征

普適計(jì)算具有普適性、移動(dòng)性、消失、透明性和自適應(yīng)性。

1）透明性。普適計(jì)算無所不在，計(jì)算設(shè)備作為一種工具，人們?cè)谑褂脮r(shí)不用關(guān)心如何去使用它，把它視為不可見，獲得這種服務(wù)時(shí)不需要花費(fèi)很多注意力，即這種服務(wù)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(yīng)性。強(qiáng)調(diào)如何有效感知物理空間、信息空間及設(shè)備位置和人的行為變化，以便系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的行為。

3）消失（disappearing）。Mark Weiser有一個(gè)著名論述：“最深?yuàn)W的技術(shù)是那些消失了的技術(shù)，這些技術(shù)將它們自身交織于日常生活中，直至不可區(qū)分?！北热纾粘Ｉ钪械碾婋m然對(duì)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(jì)算也將是那樣一種消失的計(jì)算。

5個(gè)特征中，普適性、移動(dòng)性也是普適計(jì)算的基本特征，這里不一一介紹。

2 情感計(jì)算和人機(jī)情感交互

情感，是人類心理活動(dòng)的重要組成部分，是人對(duì)客觀事物是否符合個(gè)人需要而產(chǎn)生的主觀體驗(yàn)。一般認(rèn)為，情感是琢磨不定、不可能計(jì)算的，因此，以往對(duì)情感的研究均局限于心理學(xué)范疇。事實(shí)上，對(duì)于人的情感，在某種程度上是可以進(jìn)行定性和定量分析的。

2.1 情感計(jì)算

讓計(jì)算機(jī)具有情感，實(shí)質(zhì)上就是讓計(jì)算機(jī)在與人類的交互過程中具有智能的和敏感的能力。這個(gè)觀點(diǎn)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(jī)器能否有任何情感，而在于機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能時(shí)怎么能夠有情感[5]。然而，要賦予計(jì)算機(jī)或機(jī)器人以人類式的情感，使其能夠感知和表達(dá)情感，達(dá)到人與自然、人與機(jī)器的和諧，在學(xué)術(shù)

界罕有人關(guān)注。這種情況直到1997年美國麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室Picard教授的專著Affective Computing（情感計(jì)算）[6]問世才宣告結(jié)束。Picard提出“情感計(jì)算”并將之界定為“關(guān)于情感、情感產(chǎn)生以及影響情感方面的計(jì)算”。

概括來講，情感計(jì)算的目的就是通過賦予計(jì)算機(jī)識(shí)別、理解、表達(dá)和適應(yīng)人的情感的能力來建立和諧的人機(jī)環(huán)境，并使計(jì)算機(jī)具有更高的、全面的智能。情感計(jì)算的過程可用圖1表示[7]。

在情感計(jì)算的過程中，所涉及關(guān)鍵技術(shù)包括人類生理、心理及行為特征的情感狀態(tài)分析，人類情感信息信號(hào)采集傳感器的研究，人類情感的識(shí)別技術(shù)等。其中，人類情感的識(shí)別又包括人面部表情、姿態(tài)表情、語調(diào)表情識(shí)別等技術(shù)。

2.2 人機(jī)情感交互

人的情感交流是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，不受時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境等的影響，每種情感都具有獨(dú)特的主觀體驗(yàn)，同時(shí)也會(huì)伴隨著某種外部表情。例如：愉快時(shí)額眉平展、面頰上提、嘴角上翹的面部表情；狂喜時(shí)捧腹大笑、悔恨時(shí)捶胸頓足的姿態(tài)表情；憤怒時(shí)聲調(diào)升高、語速加快，悲傷時(shí)語調(diào)低沉、語速緩慢的語調(diào)表情；等等。

要想準(zhǔn)確評(píng)價(jià)情感的這些主觀體驗(yàn)，必須首先確定情感的維度。ACCenter（情感計(jì)算中心）引入PAD三維情感模型[8]，該模型認(rèn)為情感具有愉悅度、激活度和優(yōu)勢(shì)度3個(gè)維度，其中P代表愉悅度（Pleasure-displeasure），表示個(gè)體情感狀態(tài)的正負(fù)特性；A代表激活度（Arousalnonarousal），表示個(gè)體的神經(jīng)生理激活水平；D代表優(yōu)勢(shì)度（Dominance-submissiveness），表示個(gè)體對(duì)情景和他人的控制狀態(tài)?？梢酝ㄟ^這3個(gè)維度的值來代表具體的情感。ACCenter基于PAD三維情感模型和對(duì)簡(jiǎn)化版PAD情感量表進(jìn)行中國化修訂，構(gòu)建出中國人的三維情感空間模型，搭建情感與計(jì)算之間的橋梁。

ACCenter設(shè)法利用PAD模型[9]，將計(jì)算機(jī)無法直接理解的文本語義轉(zhuǎn)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(jié)果與情感信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比建模，建立PAD三維情感數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)模型?；诖嗽?，人機(jī)情感交互的模型可用圖2來表示[10]。

事實(shí)上，除了這些主觀體驗(yàn)伴隨的外部表情之外，還有生理狀態(tài)的變化，比如水平、心率、血壓、呼吸等，這種生理狀態(tài)又會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)情感的主觀體驗(yàn)（如嚇出一身冷汗后體驗(yàn)到的后怕等）。這些成為測(cè)量情感的相對(duì)客觀的指標(biāo)。記錄這些生理指標(biāo)需要使用特定的設(shè)備和技術(shù)。

3 遠(yuǎn)程教育中的情感分析

遠(yuǎn)程教育的特點(diǎn)，即教學(xué)與學(xué)習(xí)行為在時(shí)空上分離，導(dǎo)致學(xué)生和教師，或?qū)W生和學(xué)習(xí)支柱組織之間的通信是非連續(xù)的。雖然說人們?cè)噲D通過各種現(xiàn)代通訊手段來實(shí)現(xiàn)師生之間的交互，彌補(bǔ)遠(yuǎn)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(duì)面地交流，那些在人類普通的情感領(lǐng)域的東西，如暗示、感染、觸摸、模仿等具體的行為方式在遠(yuǎn)程教育中遭遇失落。這種情感的缺失導(dǎo)致人的情感、自主性甚至尊嚴(yán)等慢慢地被異化。這在遠(yuǎn)程教育中，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，調(diào)動(dòng)并保持學(xué)生的積極性和主動(dòng)性非常不利。概括來講，造成遠(yuǎn)程教育中的情感缺失主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

1）在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，師生之間的交流主要通過語言、手勢(shì)、體態(tài)、眼神、面部表情、語氣、語調(diào)等來實(shí)現(xiàn)。這種情感傳遞是真實(shí)的、迅速且有效的。然而在遠(yuǎn)程教育中卻缺少傳統(tǒng)教育的這種情感影響力，缺少人文關(guān)懷精神，學(xué)生生活在一個(gè)虛擬的信息空間里，制約了其情感的發(fā)展。

2）遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)環(huán)境是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，由于這種空間上的隔離，造成教師授課和學(xué)生聽課時(shí)的面部表情、手勢(shì)、體態(tài)、眼神等情感信息在簡(jiǎn)單的文本傳遞中丟失。另外，個(gè)體面對(duì)的是沒有情感、表現(xiàn)敏捷而又機(jī)械的網(wǎng)絡(luò)，人與人之間的交流只局限于鼠標(biāo)、鍵盤或其他外設(shè)上，無法表達(dá)傳遞復(fù)雜的情感。雖然可以通過耳麥和攝像機(jī)來傳遞聲音和視頻來彌補(bǔ)，但這種聲音沒有距離變化，視頻也僅僅是大頭像，無法表現(xiàn)肢體的動(dòng)作狀態(tài)。

3）遠(yuǎn)程教育中，單一強(qiáng)調(diào)認(rèn)知的發(fā)展，教育的情感層面日漸衰弱。

4 普適計(jì)算環(huán)境下的遠(yuǎn)程教育情感交互

Weiser提出的普適計(jì)算是一種適合情感表達(dá)的計(jì)算模式，它突破傳統(tǒng)的桌面計(jì)算，為人類打造一個(gè)360度的計(jì)算模式。在普適計(jì)算環(huán)境中，人們?cè)诠ぷ?、生活的現(xiàn)場(chǎng)就可以獲得服務(wù)，而不需要離開這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)去端坐在一個(gè)專門的計(jì)算機(jī)面前。人機(jī)交互的接口不再局限于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器這些固定設(shè)備上，用戶可通過手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備和其他設(shè)備無障礙地享用計(jì)算能力和信息資源，同時(shí)這些設(shè)備還可以通過無線通信技術(shù)與Internet連接起來，使計(jì)算機(jī)接口與用戶的生活環(huán)境相融合。

鑒于此，基于普適計(jì)算的遠(yuǎn)程教育在情感傳遞和表達(dá)上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，而形成這種優(yōu)勢(shì)的技術(shù)基礎(chǔ)就是情感計(jì)算。情感計(jì)算（affective computing）[10]作為一個(gè)高度綜合化的技術(shù)領(lǐng)域，通過計(jì)算機(jī)科學(xué)與心理科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)的結(jié)合，研究人與人交互、人與計(jì)算機(jī)交互過程中的情感特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有情感反饋的人機(jī)交互環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的情感交互。

目前在普適計(jì)算的影響下已經(jīng)形成許多相對(duì)自完備的研究領(lǐng)域，比如智能空間（smart space）、可穿戴計(jì)算（wearable computing）、覺察上下文計(jì)算（contextaware computing）、游牧計(jì)算（nomadic computing）等。智能空間［11］是從一個(gè)縱向剖面的角度來研究普適計(jì)算，將智能空間應(yīng)用于真正的教室中，就是一個(gè)智能教室[12]。圖3就是一個(gè)智能教室系統(tǒng)。在智能教室里面，教師可以自由地移動(dòng)，用方便、快捷的教學(xué)方法去指導(dǎo)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的學(xué)生。

真正的原型系統(tǒng)是在一個(gè)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(nèi)有2個(gè)主要設(shè)施分別稱為媒體板（Media Board）和學(xué)生板（Student Board）。Media Board是由一個(gè)投影機(jī)把影像投影在一個(gè)放在教室前部的Smart Board設(shè)備上形成的。Media Board充當(dāng)傳統(tǒng)教室中的黑板。Student Board則是投影在教室側(cè)墻上的另一個(gè)顯示屏幕，是遠(yuǎn)程學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)窗口。每個(gè)出席課程的遠(yuǎn)程學(xué)生都會(huì)有一幅靜態(tài)的頭像顯示在上面，同時(shí)如果一個(gè)遠(yuǎn)程學(xué)生獲得發(fā)言權(quán)后，他的運(yùn)動(dòng)圖像和聲音也可以在這兒播放。此外，教室里面還配備多個(gè)攝像頭，教師也佩戴有無線麥克風(fēng)和多功能交互筆（UPen）。

在這里，根據(jù)情感計(jì)算的人機(jī)交互模型（圖2），對(duì)智能教室里面的情感交互做一個(gè)剖析。在圖2所示的模型中，整個(gè)過程由6個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)完全閉合的回路，這6個(gè)階段分別是情感捕捉、情感識(shí)別、綜合分析、情感理解、情感建模和系統(tǒng)輸出。

情感捕捉階段，主要由面部、體態(tài)、聲音、文本情感捕捉4個(gè)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(jī)、麥克風(fēng)、虛擬鼠標(biāo)或多功能交互筆來實(shí)現(xiàn)對(duì)情感信息的捕捉。這些捕捉來的信息由相應(yīng)的情感識(shí)別單元來進(jìn)行處理，識(shí)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(jié)果送至情感信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比；然后由應(yīng)答單元決定相應(yīng)情感信息的回答，回答信息確定后再次傳送回情感信息數(shù)據(jù)庫，并從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)的情感信息，決定屬于哪類情感；接著生成相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行情感建模；最后通過交互界面?zhèn)鬟f給遠(yuǎn)程的學(xué)生，在智能教室里面可以通過Student Board交互。這能給學(xué)生面對(duì)面的、真實(shí)的課堂感覺。

智能教室采用SRI的多Agent系統(tǒng)[12]，通過Agent間相互通信、相互協(xié)作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，所以人機(jī)交互模型可以簡(jiǎn)化為圖5所示。

5 總結(jié)和展望

普適計(jì)算運(yùn)用于遠(yuǎn)程教育中，對(duì)情感的交互和情感表達(dá)具有很大的優(yōu)勢(shì)，使遠(yuǎn)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(shù)基礎(chǔ)的情感計(jì)算目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如情感信息的獲取與建模、情感識(shí)別與理解、情感表達(dá)以及自然和諧的人性化和智能化的人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)等問題。普適環(huán)境下的遠(yuǎn)程教育情感交互是一個(gè)值得長(zhǎng)期研究的課題，相信在未來社會(huì)，將會(huì)有大量的操作容易、運(yùn)作良好的具有情感特征的計(jì)算機(jī)面世。

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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