“人工情感”教材建設(shè)與教學(xué)實踐

祝長生　王志良

摘要：人工情感(Artificial Emotion)是人工智能領(lǐng)域的擴展研究，是北京科技大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特色課程。本文介紹了“人工情感”課程教材的教學(xué)內(nèi)容、組織形式、輔助教材建設(shè)及與該教材配套的情感機器人實驗平臺等內(nèi)容，并對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的相關(guān)教材建設(shè)作了思考。

關(guān)鍵詞：智能科學(xué)；情感計算；感性工學(xué)；機器人；教材

中途分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

人工情感(Artificial Emotion)是利用信息科學(xué)的手段對人類情感過程進(jìn)行模擬、識別和理解，使機器能夠產(chǎn)生類人情感，并與人類進(jìn)行自然和諧人機交互的研究領(lǐng)域。1981年就有人開始研究人工情感問題，但是直到1990年以后它才開始逐漸引起人們的關(guān)注，特別是近幾年，對人工情感的研究越來越受到人們的重視。1995年，美國MIT媒體實驗室的R，Picard教授提出了“情感計算(Affective Computing)”的概念，并于1997年正式出版了專著《Affective Computing》。情感計算研究就是試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應(yīng)的計算機系統(tǒng)。日本學(xué)者Nagamachi提出了“感性工學(xué)(Kansei Engineering)”的新術(shù)語，并展開了以消費者為導(dǎo)向的新產(chǎn)品開發(fā)研究。2000年，北京科技大學(xué)的王志良教授提出了“人工心理(Artificial Psychology)”的理論，并于2007年出版了《人工心理》專著。

心理學(xué)家認(rèn)為，人工情感是在人工智能理論框架下的一個質(zhì)的進(jìn)步，這充分表明了新世紀(jì)人工科學(xué)的多學(xué)科交叉研究，彼此互為影響的特點。人工情感必將為計算機的未來應(yīng)用展現(xiàn)一種全新的方向。

2學(xué)術(shù)科研背景

人工情感作為人工智能的擴展研究，已經(jīng)在應(yīng)用方面取得了許多進(jìn)展(主要是在美國、日本和歐盟國家)。但是，由于情緒心理學(xué)理論方法的多樣性，導(dǎo)致人工情感理論與研究方法都不十分成熟，使得應(yīng)用技術(shù)受到了很大影響。

綜合國際上關(guān)于人工情感專題研討與論述，我們將人工情感研究領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)歸納如下：

(1)情緒心理學(xué)理論的多樣性，導(dǎo)致人工情感理論方法的不一致，以至于很難找到適用于信息科學(xué)的人工情感的統(tǒng)一理論方法。

(2)目前幾乎還沒有符合人類情感規(guī)律并適于機器實現(xiàn)的人工情感自動生成模型；

(3)在智能推理過程中，如何考慮情感影響的因素，實現(xiàn)真正意義上的擬人推理過程。

(4)目前還沒有為人工情感研究者提供完善服務(wù)的計算機仿真平臺及情感計算庫。

(5)語音情感信息處理技術(shù)和表情識別技術(shù)的不成熟，成為制約人工情感與和諧人機交互技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

(6)如何實現(xiàn)多模態(tài)情感信息融合、識別與理解，實現(xiàn)自然和諧的人機交互平臺環(huán)境。

(7)人工情感的研究成果如何與成熟的人機交互平臺相結(jié)合。

(8)如何驗證機器情感的正確性是人工情感研究面臨的圖靈測試問題。

(9)如何從人工情緒(Artificial Emotion)走向仿真情緒(simulating Emotion)、工程情緒(Engineering Emotion)，進(jìn)而找到重大應(yīng)用突破點，這將是一個亟待解決的問題。

針對這一學(xué)科前沿的源頭問題，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，解決普遍認(rèn)為是人工情感的幾個困難問題，是我們未來研究面臨的主要挑戰(zhàn)，也是我們的機遇。

3現(xiàn)實面臨的問題

2003年，北京大學(xué)智能科學(xué)系率先提出成立“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)，主要從事機器感知、智能機器人、智能信息處理等交叉學(xué)科的研究和教學(xué)。并于2004年在國內(nèi)開始招生。隨后的幾年里，全國多所重點院校都成立了自己的“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)，并擁有了相關(guān)的碩士點、博士點以及博士后流動站。

隨著本科生、碩士生和博士生以及從事智能科學(xué)研究人員隊伍的不斷壯大，使得教材建設(shè)的問題逐漸凸顯?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)”專業(yè)作為最年輕也最有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科，還沒有自己專業(yè)系列教材，許多高校的教材大都采用計算機類、通訊類的課程，而這些教材大都處在“知識結(jié)構(gòu)老化，更新緩慢”的狀態(tài)，已經(jīng)不能適應(yīng)該學(xué)科的發(fā)展，成為制約學(xué)科建設(shè)和教學(xué)水平提高的重要因素。教材是基本教學(xué)內(nèi)容的載體，好的教材可以在教學(xué)方法上提供相應(yīng)的參考，不僅為教學(xué)提供依據(jù)，還會助推本學(xué)科不斷完善，學(xué)生培養(yǎng)體系的逐漸規(guī)范。因此，建設(shè)新教材，使之盡快與國際接軌，已成為亟待解決的重大問題。

2007年開始，北京科技大學(xué)招收智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生，該專業(yè)的本科生將在2009年下半年進(jìn)入專業(yè)課階段學(xué)習(xí)，專業(yè)教材的建設(shè)問題已迫在眉睫。我們通過跟蹤調(diào)查北京科技大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生、研究生的教育基礎(chǔ)、教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)需求，結(jié)合兄弟院校的專業(yè)教學(xué)情況，深入分析我國現(xiàn)代化建設(shè)的人才需求和本學(xué)科的自身發(fā)展、結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外在“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)教學(xué)改革和實踐中取得的成果和共識，進(jìn)行了《人工情感》教材的編寫。

作為知識的載體，教材是按照一定的教育目標(biāo)和教學(xué)規(guī)律組織起來的科學(xué)知識系統(tǒng)。從教材的構(gòu)思到教材的最終出版，一般科學(xué)的方法總共需要經(jīng)歷如下幾個步驟，如圖1所示：

(1)教材構(gòu)思、大綱制定：這一階段主要是集思廣益，根據(jù)教材所面對的受眾群體，大概劃定教材所要包含的內(nèi)容，反復(fù)討論并修改大綱，根據(jù)教材內(nèi)容劃分章節(jié)，制定章節(jié)標(biāo)題。

(2)拓展思路、廣搜資料：這一階段主要是組織參編人員搜集第一手資料，整理素材，逐漸使材料規(guī)范化、書面化。

(3)分工明確、力求完善：這一階段要組織好參編人員，做到各司其職，各負(fù)其責(zé)，把各人負(fù)責(zé)的章節(jié)按照事先的規(guī)劃，將理論知識、應(yīng)用實例、習(xí)題及答案補充完整。

(4)精益求精、查漏補缺：把已經(jīng)初步完成的教材送給相關(guān)教師及同學(xué)，讓他們以初學(xué)者的身份，以局外人的眼光反復(fù)閱讀，提出意見。經(jīng)過反復(fù)修改，書稿基本成型，添加上必要的前沿、提要和縮略語。

(5)課堂實踐、反復(fù)審校：初步形成的教材講義，必須要經(jīng)過課堂教學(xué)的不斷實踐，并根據(jù)教學(xué)心得和課堂反饋意見反復(fù)修改。最后，拿給出版社審校，幾經(jīng)修改方可出版。

4教材規(guī)劃與內(nèi)容安排

依據(jù)上述思路，自2003年起，結(jié)合我校研究生課程“人工心理和情感計算”的教學(xué)實踐，在研究生講義的基礎(chǔ)上，我們著手“人工情感”研究生教材的資料收集、整理以及章節(jié)、內(nèi)容安排，目前，該教材的終稿已交付并將在機械工業(yè)出版社出版。通過多年的教學(xué)實踐，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)狀及教學(xué)效果，不斷調(diào)整教材內(nèi)容，以“適應(yīng)性、實用性”為宗旨，定位于普通高校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生學(xué)生，以素質(zhì)教育為需求，注重培養(yǎng)學(xué)生科研及創(chuàng)新能力，

提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

全書共分為9章：

第1章較詳細(xì)地介紹了情緒心理學(xué)、情緒生理學(xué)、情緒社會學(xué)的基本理論及相關(guān)研究歷程，總結(jié)了腦科學(xué)研究在情感計算中的作用及色彩與心理學(xué)之間的相互關(guān)系。

第2章介紹了情緒的空間描述及維度化理論，總結(jié)了幾種比較典型的情緒維度空間理論及國外科研工作者提出的人類情感數(shù)學(xué)模型。

第3章闡述了用數(shù)學(xué)方法描述情緒的重要性，給出了幾種典型的人工情感建模方法，展示了情感建模的發(fā)展?fàn)顩r及前沿研究。

第4章結(jié)合實際應(yīng)用，介紹了幾種情感建模方法，并給出了應(yīng)用實例，有助于學(xué)習(xí)者理論聯(lián)系實際，對人工情感的研究與發(fā)展樹立起明確的目標(biāo)。

第5章結(jié)合現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育發(fā)展?fàn)顩r，提出了把遠(yuǎn)程學(xué)員的情感數(shù)字化方法，建立起情感模型，并應(yīng)用到遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，取得了不錯的效果。

第6章主要講述了人臉識別系統(tǒng)的構(gòu)成、實現(xiàn)方法，是一個應(yīng)用性很強的人臉識別設(shè)計范例。

第7章詳細(xì)介紹了表情識別系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，詳細(xì)講解了特征點定位、提取方法以及基于SVM的表情分類器的設(shè)計。

第8章主要講述了網(wǎng)絡(luò)游戲中的情感數(shù)字化，闡述了人工情感在游戲設(shè)計中的應(yīng)用。

第9章詳細(xì)介紹了情感機器人的發(fā)展?fàn)顩r、設(shè)計及實現(xiàn)方法，并對人工情感在智能機器人的應(yīng)用作了相應(yīng)的闡述。

本教材在寫法上盡量做到深入淺出、通俗易懂、簡潔明了，編寫過程中遵守了以下三點原則：

(1)全面性與計劃性相結(jié)合

人工情感理論和應(yīng)用研究，還是一個嶄新領(lǐng)域，還有很多疑難問題沒有解決，發(fā)展得不夠成熟，所以在編寫教材的過程中，我們盡量做到知識的全面性，從基礎(chǔ)理論到熱門方向的研究，都作了較為詳細(xì)的介紹。同時，也考慮到系列教材的出版，在內(nèi)容安排上，兼顧其他教材，做到統(tǒng)籌安排。

(2)基礎(chǔ)知識與專業(yè)技術(shù)相結(jié)合

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生執(zhí)行的是工科學(xué)生的培養(yǎng)計劃，在心理學(xué)基礎(chǔ)理論方面比較欠缺，因此本教材前四章以拋磚引玉的方式介紹了有關(guān)心理學(xué)、腦科學(xué)、計算數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識，并在后面幾章中結(jié)合工科學(xué)生的專業(yè)技術(shù)，結(jié)合應(yīng)用實例展開內(nèi)容。

(3)理論知識與實踐相結(jié)合

本教材在內(nèi)容安排上注重理論與實際應(yīng)用并重的原則，在理論闡述的基礎(chǔ)上，對相關(guān)研究進(jìn)行了應(yīng)用舉例，對初學(xué)者或者初涉此領(lǐng)域的研究者，都能起到很好的引導(dǎo)和啟發(fā)作用，增強了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動力，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣。

5教學(xué)并舉與科研相濟

教材講義已于2008年12月交付機械工業(yè)出版社，雖然目前還未出版，但教材的初稿已多次作為我校研究生“人工心理與情感計算”課程的講稿，學(xué)生使用后普遍反映良好，認(rèn)為教材充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉的特點，融合了心理學(xué)、信息科學(xué)和智能科學(xué)的相關(guān)理論、算法思想和應(yīng)用實例，并進(jìn)行了相應(yīng)的概括歸納，以簡潔實用的方式呈現(xiàn)給讀者，具有易讀、易懂性，而且實例豐富，非常實用，并且就講義中存在的問題，提出了寶貴的意見。

在完成了本版教材的編寫工作的基礎(chǔ)上，為達(dá)到教學(xué)并舉，科研相濟，經(jīng)過多年的努力，我們已經(jīng)建立了系列情感機器人系統(tǒng)實驗平臺(前文詳細(xì)介紹)，如圖2情感機器人系統(tǒng)實驗平臺外形。這是一個多模態(tài)信息融合的實驗平臺，具有視頻獲取、聲源定位、多路觸摸傳感、熱釋電感應(yīng)及觸摸屏選擇等多通道輸入，可以通過語音、動作、光電、圖片等形式表達(dá)感情。該情感機器人采用開放式平臺，能夠為學(xué)生提供多種人工情感理論和模型的驗證實驗。圖3為該情感機器人的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

6展望未來

“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)在國內(nèi)才剛剛起步，是一個全新的學(xué)科，各個學(xué)校都有自己的特色。目前來看，在學(xué)科建設(shè)方面制定一個普適的方案是不現(xiàn)實的。而特色課程恰恰是新學(xué)科區(qū)別與相關(guān)學(xué)科的重要標(biāo)志，也是各個大學(xué)百花齊放的陣地。

因此，對于我們每一位從事教學(xué)一線工作的教育工作者應(yīng)該能夠瞄準(zhǔn)社會發(fā)展和人才需求的新趨勢，溝通交流，互通有無，充分利用現(xiàn)有的教學(xué)資源，并堅持一定得超前性，為新學(xué)科的發(fā)展和完善添磚加瓦，建言獻(xiàn)策。

我們基本是以專著的形式來編寫《人工情感》這本教材，主要是面向我校研究生，沒有考慮本科生基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的要求。今后，我們愿與兄弟院校合作，編寫《智能科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)本科教材，并在此基礎(chǔ)上推出電子教案、應(yīng)用案例實驗指導(dǎo)書等配套教參，為發(fā)揮教材的效用，增強教學(xué)效果提供更好的輔助措施和環(huán)境。