易軍　凌堅(jiān)韌

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人 高興和悲傷 情感表達(dá) 特征模型 學(xué)習(xí)效果

中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1003-0069（2022）01-0106-04

引言

隨著人工智能技術(shù)不斷向各個(gè)領(lǐng)域延伸，教育機(jī)器人相關(guān)研究也不斷增加。雖然仍集中在歐美國家，中國、日本、韓國等亞洲國家也開始重視教育領(lǐng)域機(jī)器人的發(fā)展?jié)摿?。教育機(jī)器人市場發(fā)展迅猛，小度、小艾同學(xué)、阿爾法等低成本教育機(jī)器人也迅速普及。

教育機(jī)器人擁有教學(xué)功能、娛樂功能和交流功能，交互方式也將隨著技術(shù)的發(fā)展趨于多樣化。然而，提升學(xué)習(xí)效果仍是教育機(jī)器人的主要目標(biāo)。由于機(jī)器人無法通過技術(shù)應(yīng)用的簡單相加來保證學(xué)習(xí)收益，豐富的資源庫和多功能語音交互等現(xiàn)代科技的疊加對兒童學(xué)習(xí)效果的影響是有限的，人們開始嘗試將人類的情感表達(dá)能力賦予機(jī)器人，期望其能更好地輔助學(xué)習(xí)。

一、教育機(jī)器人的情感表達(dá)

（一）教育機(jī)器人

廣義而言，教育機(jī)器人是面向教育領(lǐng)域?qū)ｉT研發(fā)的、以培養(yǎng)學(xué)生分析創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力為目標(biāo)的機(jī)器人，部分教育機(jī)器人能夠識(shí)別用戶認(rèn)知水平，感知表情、動(dòng)作、語音和外界環(huán)境等因素實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，主要包含教學(xué)活動(dòng)類機(jī)器人與教育服務(wù)類機(jī)器人兩大類，其中教育服務(wù)機(jī)器人面向的用戶群體主要是14歲以下的兒童，是本文的主要研究對象。

（二）機(jī)器人的情感表達(dá)

情感是人對于客觀事物是否符合人的需要而產(chǎn)生的態(tài)度的體驗(yàn)，它可以通過詞匯、姿勢、音樂、行為等創(chuàng)造性的形式來表達(dá);事實(shí)上機(jī)器人并不真正具有情感，而是操作者具有的“同理心”使我們能夠?qū)⑶楦幸栏胶蛿U(kuò)展到機(jī)器人。人的情感表達(dá)通過感性認(rèn)知可以產(chǎn)生模糊的感性綜合表征，設(shè)計(jì)師可以將這種感性的綜合表征抽象后應(yīng)用于設(shè)計(jì)表達(dá)，用戶可以通過對情感的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)來辨識(shí)機(jī)器人所表達(dá)的情感，專家們盡力使機(jī)器人的情感更加真實(shí)，這可以避免機(jī)器人對人類同理心的操控與欺騙。影響情感表達(dá)效果的因素有情感的種類、機(jī)器人的模態(tài)和角色、面向的用戶群體、文化背景、使用情境、動(dòng)態(tài)和個(gè)性化表達(dá)以及空間距離等。胡榮在與英語教學(xué)相關(guān)的教育機(jī)器人研究中，針對教育機(jī)器人的喜怒哀樂四種典型情緒設(shè)計(jì)了語音情感表達(dá)和肢體動(dòng)作，教育機(jī)器人的情感表達(dá)將是交互設(shè)計(jì)未來的發(fā)展方向之一。

現(xiàn)有的研究中，機(jī)器人可以通過屏幕、眼睛、嘴唇、眉毛、肢體、聲音與聲調(diào)、肢體和頭部運(yùn)動(dòng)等表達(dá)一些基本的情緒，主要包括：憤怒、厭惡、恐懼、驚訝、悲傷、高興等。有些學(xué)者還研究了機(jī)器人情感的創(chuàng)造性表達(dá)方式，如舞蹈動(dòng)作、觸覺等。通過對小度、巴巴騰、阿爾法等11個(gè)中國品牌的二十多款教育機(jī)器人的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，教育機(jī)器人主要借助視覺表情和語音向用戶表達(dá)情感，本文將基于這兩種模態(tài)進(jìn)行研究。

（三）機(jī)器人的情感表達(dá)特征研究方法

機(jī)器人關(guān)鍵要素和特征的設(shè)計(jì)會(huì)影響人們對機(jī)器人情感的認(rèn)知。評估人們對機(jī)器人情感表達(dá)的認(rèn)知程度的量表主要有：機(jī)器人面部表情評估量表，同理心量表、心理狀態(tài)三維度量表、機(jī)器人焦慮量表、積極—消極自我報(bào)告量表、測量個(gè)體對機(jī)器人感知的量表、語義差異量表和李克特量表等。本文將選取七點(diǎn)語義差異量表和聯(lián)合分析法研究哪些要素和特征影響人們對機(jī)器人情感表達(dá)的認(rèn)知，并探究群體認(rèn)知差異。

（四）教育機(jī)器人情感表達(dá)最優(yōu)特征模型的作用

機(jī)器人可以通過不同的要素和特征表達(dá)情感，當(dāng)某個(gè)特征發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)情感的識(shí)別度也會(huì)發(fā)生變化，特定情感的效用就會(huì)被削減。教育機(jī)器人情感表達(dá)的最優(yōu)特征模型是指為教育機(jī)器人表達(dá)某種特定情感而設(shè)計(jì)的，能夠被目標(biāo)用戶（兒童）準(zhǔn)確識(shí)別的一種最優(yōu)的特征組合。在教育機(jī)器人設(shè)計(jì)某種情感表達(dá)方式時(shí)可以依據(jù)相應(yīng)的最優(yōu)特征模型來進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，更加準(zhǔn)確地表達(dá)情感和達(dá)到預(yù)期的目的，如圖1。

二、教育機(jī)器人情感表達(dá)的最優(yōu)特征模型研究（研究一）

高興和悲傷是人類最基礎(chǔ)的情感，機(jī)器人在表達(dá)這兩種情感時(shí)均有較強(qiáng)的情緒傳遞能力，教育機(jī)器人表達(dá)高興和悲傷的情感后可能對兒童的學(xué)習(xí)效果起到促進(jìn)或抑制的作用，研究這兩種情感具有重要意義。研究一探索的教育機(jī)器人情感表達(dá)的最優(yōu)特征模型是基于臉部表情和聲音兩個(gè)模態(tài)來進(jìn)行，研究的基礎(chǔ)情感為高興和悲傷。

（一）臉部表情和語音的要素與特征選取

人類絕大多數(shù)情感都能夠通過面部表情來傳達(dá)，機(jī)器人的面部表情也是傳達(dá)情感的重要載體。Alisa等人將機(jī)器人的臉劃分為眼睛、嘴巴、鼻子、眉毛等13個(gè)臉部要素，調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，教育機(jī)器人中很少存在鼻子、臉頰/腮紅、頭發(fā)、耳朵、眼瞼等過于具體的要素，通過仔細(xì)的篩選比較，實(shí)驗(yàn)最終選取了嘴巴、眉毛、眼睛形狀、眼睛大小、瞳孔&虹膜、眼距、眼睛顏色和面部顏色這八個(gè)要素及相應(yīng)的特征開展研究（見表1）。

語言也是人類傳遞情感的一種重要方式，被廣泛用于機(jī)器人的情感表達(dá)。人類能夠用語言或非語言（不具有語義含義）建立情感交流的紐帶，語言可以較準(zhǔn)確地反映情感，但會(huì)受到文化背景和情境的制約;非語言也能很好地表達(dá)情感，如擬聲詞匯、音樂、自制語言、亂語、語氣詞等。不同的情感在語音強(qiáng)度、響度、語調(diào)和語速也存在差異。本實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)絡(luò)收集和總結(jié)，針對兩種情感分別選取了6種不同特征的語音音效，包括3種無語義含義的語音：提示音（S1/H1;S代表Sad，H代表Happy）、擬聲詞（S2/H2）和音樂（S3/H3），和3種是有具體語義含義的語音：面向結(jié)果（S4/H4）和面向過程（S5/H5）的評價(jià)，以及語氣詞（S6/H6）。

（二）研究方法

1.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是指研究多因素多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法?？筛鶕?jù)試驗(yàn)的因素?cái)?shù)、因素的水平數(shù)等需求查找相應(yīng)的正交表進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。本研究對臉部表情的八個(gè)要素及特征進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（L8（43）），得出18個(gè)表情組合（見圖2），表情展示屏幕的大小參考一般教育機(jī)器人的尺寸確定。

2.七點(diǎn)語義差異量表：采用“高興的—悲傷的”這對具有兩極性的形容詞對，將其劃分7個(gè)等值的評定等級來記錄被試者對該表情的整體評價(jià)（表2）。在設(shè)計(jì)問卷時(shí)，每個(gè)分?jǐn)?shù)下增加了相應(yīng)的程度描述，以便能夠更加直觀地理解題目的含義。被試將通過七點(diǎn)語義差異量表對每個(gè)臉部表情表達(dá)的情感評分。

3.聯(lián)合分析法和均值分析：對評分結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析，得出臉部要素的重要性值（表4）和效用值（表5），并確定表達(dá)兩種情感的臉部特征最優(yōu)組合;同時(shí)對每個(gè)語音評分，通過均值分析得出兩種情感最優(yōu)的語音表達(dá)方式具有的特征。最后得出高興和悲傷情感表達(dá)的最優(yōu)特征組合。

（三）實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

被試包含12名兒童（A組）和12名成年人（B組），兒童年齡為9-13歲，均無教育機(jī)器人使用經(jīng)歷。問卷（表2）包含18道臉部表情測試題和12道語音表達(dá)測試題，題量適中，被試均能準(zhǔn)確理解題目的含義，其中語音均經(jīng)過處理后在響度上基本保持一致，測試過程中，每個(gè)語音播放三遍。實(shí)驗(yàn)在咖啡廳等較為安靜的場所進(jìn)行。

24份問卷均為有效問卷，統(tǒng)計(jì)后得出被試對正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的18組表情的評分均值如表3，對12個(gè)音效的評分均值如圖3。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.臉部要素的重要性值分析：總體來說臉部各要素重要性值（表4）最高的是嘴巴，其次是眼睛形狀、是否有瞳孔或虹膜，再次是眼睛顏色和是否有眉毛，眼睛大小、眼距和面部顏色的影響較小。

2.臉部特征識(shí)別的群體差異和效用值分析（表5）：群體差異：在高興的情感表達(dá)識(shí)別中具有群體差異，眼睛形狀特征識(shí)別的群體差異最明顯，兒童認(rèn)為圓形的眼睛更能表達(dá)高興，而成年人認(rèn)為橢圓形的眼睛看起來更高興。

效用值分析：由于本研究得出的最優(yōu)特征模型的目標(biāo)用戶是兒童，因此，根據(jù)A組（兒童組）得出具有最高效用值的表達(dá)高興情感的特征為向上的嘴巴、有眉毛、圓形的眼睛、眼睛較大、有虹膜、近眼距、黃色眼睛和黑色面部。具有最高效用值的表達(dá)悲傷情感特征為向下的嘴巴、無眉毛、有缺口的眼睛、眼睛小、無虹膜與瞳孔、中眼距、藍(lán)色眼睛和白色面部。

3.語音特征分析（均值分析）：語音音效評估問卷的評分均值如圖3。具有音樂特征的語音（S3/H3）被認(rèn)為最能表達(dá)高興和悲傷情感，且沒有明顯群體差異。

（五）最優(yōu)特征模型

綜合以上結(jié)果，表達(dá)高興情感的最優(yōu)特征模型為：高興的臉部表情組合（向上的嘴巴、有眉毛、圓形的眼睛、眼睛較大、有虹膜、近眼距、黃色眼睛和黑色面部）和具有歡快音樂特征的語音。表達(dá)悲傷情感的最優(yōu)特征模型為：悲傷的臉部表情組合（向下的嘴巴、無眉毛、有缺口的眼睛、眼睛較小、無虹膜與瞳孔、中眼距、藍(lán)色眼睛和白色面部）和具有悲傷音樂特征的語音。經(jīng)過再次驗(yàn)證，兩種情感的最優(yōu)特征組合具有很強(qiáng)的識(shí)別性。

三、教育機(jī)器人情感表達(dá)對學(xué)習(xí)效果的影響（實(shí)驗(yàn)二）

（一）研究背景

教育機(jī)器人的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是對學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響，如學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)情緒與專注度、學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)等。教育機(jī)器人高興和悲傷的情感表達(dá)被兒童識(shí)別接受后，能對學(xué)習(xí)有促進(jìn)和抑制作用。由于機(jī)器人的情感和真實(shí)的情感有差異，對學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生的影響也會(huì)有區(qū)別。相關(guān)的研究中，定量研究比較缺乏，然而兒童認(rèn)知和語言發(fā)展水平有限，行為測量法和績效測量法等定量研究方法具有較高的可信度。

（二）研究假設(shè)

實(shí)驗(yàn)二將基于研究一成果，探究教育機(jī)器人高興和悲傷的情感表達(dá)對學(xué)習(xí)效果的影響。實(shí)驗(yàn)假設(shè)：教育機(jī)器人高興的情感表達(dá)對學(xué)習(xí)效果有正面影響，悲傷的情感表達(dá)則產(chǎn)生負(fù)面影響;這種影響會(huì)因性別和任務(wù)難度的不同而有差異。

（三）研究方法

本文將通過行為測量（測量用戶的答題時(shí)長和注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)）、答題錯(cuò)誤率和來衡量對學(xué)習(xí)效果的影響，并通過配對樣本T檢驗(yàn)分析這種影響在不同的性別和任務(wù)難度下是否有顯著差異。

設(shè)計(jì)簡單的教育機(jī)器人原型來呈現(xiàn)情感表達(dá)方式（圖5），用Visual Studio Code設(shè)計(jì)符合兒童認(rèn)知的答題界面，并用電腦呈現(xiàn)，測試題為兩位數(shù)乘除法。

（四）實(shí)驗(yàn)設(shè)置與被試

設(shè)置一個(gè)對照組（Ⅰ組：無反饋）和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組（Ⅱ組：接受悲傷的情感反饋;Ⅲ組：接受教育機(jī)器人高興的情感反饋），每個(gè)被試同時(shí)接受三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序隨機(jī)。

實(shí)驗(yàn)被試是來自湖南某一鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)五年級的學(xué)生（10-11歲），16名被試均沒有教育機(jī)器人的使用經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共采集了14份有效數(shù)據(jù)，男女生均為7人，其中4男4女測試了較容易的題目，3男3女測試了較難的題目，如表6。

（五）實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：提前布置錄像設(shè)備，實(shí)驗(yàn)場景如圖6、7。實(shí)驗(yàn)前，被試先體驗(yàn)3-5分鐘的積木拼接游戲來平緩兒童的情緒，同時(shí)向被試詳細(xì)解釋實(shí)驗(yàn)的目的和操作流程，避免兒童因好奇心而中斷作答流程。

實(shí)驗(yàn)中：在被試答題前，先體驗(yàn)三次教育機(jī)器人相應(yīng)的情感反饋，每次答題后也會(huì)收到一次反饋。被試每完成一組實(shí)驗(yàn)，都會(huì)休息3-5分鐘再進(jìn)行另一組測試。

（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別統(tǒng)計(jì)出總體、男性、女性、任務(wù)難度較低和任務(wù)難度較高這五組數(shù)據(jù)。將這五組數(shù)據(jù)的對照組（Ⅰ組）和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組（Ⅱ組，Ⅲ組）分別進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)（表7）;答題時(shí)長、錯(cuò)誤率、注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)的均值結(jié)果如圖8，將作為輔助參考數(shù)據(jù)。分析結(jié)果如下：

1.總體分析：Ⅰ組（無處理）和Ⅲ組（接受高興情感）總體注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)和錯(cuò)誤率對比后p值〈0.05，機(jī)器人高興情感表達(dá)對降低錯(cuò)誤率和集中注意力有顯著的作用;

2.悲傷情感表達(dá)效果的性別差異：Ⅰ組（無處理）和Ⅱ組（接受悲傷情感）答題時(shí)長p值〈0.05，悲傷的情感使女性的答題時(shí)長顯著增加;且圖8中Ⅱ組女性的注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)、答題錯(cuò)誤率和時(shí)長均有提高，而男性的各項(xiàng)數(shù)值呈降低趨勢，可以看出悲傷的情感對女性的負(fù)面影響更加明顯，對男性反而存在正向影響，這可能是因?yàn)槟泻⒅灰魂P(guān)注到，就會(huì)注意力更加集中。

3.高興情感表達(dá)效果的性別差異：Ⅰ組和Ⅲ組男性的注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)、答題錯(cuò)誤率和時(shí)長對比后p值〈0.05圖8中Ⅲ組男性的注意力轉(zhuǎn)移次數(shù)、答題錯(cuò)誤率和時(shí)長均有所降低，可以看出高興的情感表達(dá)對男性有顯著的正向影響;Ⅲ組女性的變化不大，因此，高興情感對女性影響不大;

4.情感表達(dá)與任務(wù)難度的關(guān)系：高興和悲傷的情感表達(dá)效果與題目難易程度沒有明顯關(guān)聯(lián)。

（六）對學(xué)習(xí)效果的影響與性別和任務(wù)難度的關(guān)聯(lián)

綜上所述，研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)假設(shè)有差異。悲傷的情感表達(dá)對女性具有消極影響，對男性反而存在正向影響;高興的情感表達(dá)對男性的有顯著的積極影響，對女性的影響則不明顯;機(jī)器人的情感表達(dá)對學(xué)習(xí)效果的影響與任務(wù)難度關(guān)系不大。

四、教育機(jī)器人最優(yōu)特征模型的應(yīng)用

（一）保持設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性

教育機(jī)器人高興和悲傷情感的最優(yōu)特征模型可以作為教育機(jī)器人情感表達(dá)設(shè)計(jì)的依據(jù)，使用戶有更真實(shí)的情感體驗(yàn)，并更好地輔助完成教學(xué)目標(biāo)。建議設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)相應(yīng)的情感表達(dá)方式時(shí)參考最優(yōu)特征模型，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，例如：由于面部顏色的重要性值較低，對情感表達(dá)的準(zhǔn)確性影響較小，為了保證設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性，可以將顏色統(tǒng)一設(shè)置為黑色或白色。

（二）不同情感的差異性表達(dá)

1. 情感種類的差異性表達(dá)：總體來講，高興的情感表達(dá)對兒童學(xué)習(xí)效果的效果更顯著，因此，要盡量多給予高興的情感反饋。但目標(biāo)用戶的性別不同時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用不同的情感表達(dá)模式：針對女性的情感表達(dá)模式應(yīng)當(dāng)盡量避免使用悲傷情感，而適當(dāng)提高高興情感的表達(dá)頻率;針對男性的情感表達(dá)模式中則應(yīng)當(dāng)均衡使用這兩種情感，并從一定程度上減少了學(xué)習(xí)過程中的沉默。

2.設(shè)計(jì)差異：為了提高高興情感表達(dá)的正面影響，可以在音樂中增加有具體語義的語音內(nèi)容，比如說“你真棒”或者“你真聰明”，還可以增加其他的通道來增強(qiáng)表達(dá)，如，使用點(diǎn)頭的動(dòng)作或與音樂頻率相匹配的燈光效果，增加悲傷情感的感染力時(shí)也可以使用相應(yīng)的方法。如果想要降低悲傷情感的影響，除了降低使用頻率之外，也可以減少悲傷的特征要素，例如，不使用有缺口的眼睛或改變眼睛的顏色，用悲傷的語氣詞代替悲傷的音樂等。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)得出教育機(jī)器人高興和悲傷情感表達(dá)的最優(yōu)特征模型對設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義，且通過探究服務(wù)類教育機(jī)器人的情感表達(dá)及其影響發(fā)現(xiàn)：不同的年齡群體對教育機(jī)器人高興和悲傷的情感表達(dá)有認(rèn)知差異，教育機(jī)器人臉部不同的要素和特征對其情感表達(dá)的重要性值和效用值均有區(qū)別，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮兒童的需求，根據(jù)具體要求進(jìn)行取舍。就對學(xué)習(xí)效果的影響而言，教育機(jī)器人高興的情感表達(dá)對男性兒童的學(xué)習(xí)效果提升更顯著，而悲傷的情感表達(dá)對女性具有較大的負(fù)面影響，對男性則可能具有正面影響，可以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮其性別差異。本研究主要是從學(xué)生的行為方面探究教育機(jī)器人情感表達(dá)的影響，如何分析兒童情緒的變化也將作為下一步的研究方向。

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