自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中基于情緒感知的學(xué)生模型設(shè)計(jì)

劉小丹，胡小紅

（遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116081）

一、引言

學(xué)生模型是現(xiàn)實(shí)世界中學(xué)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的抽象表示，記錄著學(xué)生的個(gè)體特征，而學(xué)習(xí)系統(tǒng)在一定程度上充當(dāng)著教師的角色。一個(gè)好的學(xué)生模型是一面“鏡子”，它能照出學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、行為路徑和思維過(guò)程。學(xué)生模型中特征的完整性、表征的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到學(xué)習(xí)系統(tǒng)能否為學(xué)生提供與之相適合的學(xué)習(xí)策略、學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)資源等，進(jìn)而關(guān)系到學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)與否。[1]但是從現(xiàn)有的學(xué)生模型來(lái)看，還很少考慮學(xué)生的情感因素在學(xué)習(xí)過(guò)程中的作用，這將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏情感支持。學(xué)生與系統(tǒng)之間沒(méi)有情感的雙向交流，這已經(jīng)成為制約自適應(yīng)學(xué)習(xí)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文在此背景下，提出一種基于情緒感知的學(xué)生模型。

二、傳統(tǒng)學(xué)生模型研究現(xiàn)狀

關(guān)于學(xué)生模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此都做了很多研究。國(guó)內(nèi)西南大學(xué)博士陳仕品和浙江大學(xué)張劍平教授提出了一種基于認(rèn)知狀態(tài)和學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生模型（CS-LS學(xué)生模型）。[2]有的研究者提出了認(rèn)知型學(xué)習(xí)者模型。[1]國(guó)外學(xué)者從知識(shí)水平的角度，認(rèn)為對(duì)學(xué)習(xí)者知識(shí)狀態(tài)的表示模型主要有鉛版模型、覆蓋模型、基于約束的模型等。[3]有的學(xué)者依據(jù)學(xué)生的個(gè)性特征來(lái)建立學(xué)生模型，例如學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)偏好等個(gè)性特征。[4]

傳統(tǒng)學(xué)生模型已經(jīng)為學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供了較準(zhǔn)確的學(xué)生狀態(tài)描述，但是還存在三方面問(wèn)題亟待解決。第一，學(xué)生模型只刻畫了學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)水平、認(rèn)知能力和學(xué)習(xí)風(fēng)格等，卻未涉及學(xué)生的情感。情感是人適應(yīng)生存的心理工具，是心理活動(dòng)的組織者，也是人際通訊交流的重要手段。心理學(xué)的研究表明：情緒情感能促進(jìn)或阻止工作記憶、推理操作和問(wèn)題解決。同時(shí)，表情和情緒是緊密相連的,前者是后者的外在表現(xiàn)，后者是前者的內(nèi)在體驗(yàn)，在大部分情況下，知道二者中的一方，可以反推另一方。[5]學(xué)習(xí)表情是學(xué)習(xí)情緒的外在表現(xiàn)，它可以從一定程度上反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，而學(xué)習(xí)情緒會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。比如，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)于自己喜歡的內(nèi)容會(huì)通過(guò)高興的表情體現(xiàn)出積極的情緒，否則會(huì)通過(guò)厭惡的表情體現(xiàn)出消極的情緒。因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中及時(shí)了解學(xué)生的情緒，并針對(duì)負(fù)面情緒進(jìn)行調(diào)控、干預(yù)，可以改善學(xué)習(xí)效果。根據(jù)教育心理學(xué)的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的人本主義學(xué)習(xí)理念，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體。在自適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境中缺乏學(xué)生與教師面對(duì)面的交流，建立一個(gè)精確的、個(gè)性化的，并能夠支持情緒教學(xué)功能的學(xué)生模型更顯得必要。第二，傳統(tǒng)學(xué)生模型中的學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測(cè)大多是采用量表和問(wèn)卷方式，這些方式所獲取的行為特征信息大量來(lái)自被測(cè)者的主觀判斷，不能準(zhǔn)確地表征學(xué)生學(xué)習(xí)偏好。學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格在學(xué)習(xí)過(guò)程中是會(huì)發(fā)生改變的，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的因素。通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)給學(xué)生推送合適的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)方式，讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中感覺到自然舒適，可以激發(fā)和維持學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高其學(xué)習(xí)效率。[6]第三，傳統(tǒng)學(xué)生模型中只把學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)劃分為非認(rèn)知屬性，是一個(gè)靜態(tài)信息，在具體操作中用關(guān)系型數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，而沒(méi)有對(duì)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。教育心理學(xué)認(rèn)為，情緒與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)之間有著密切的關(guān)系。情緒是人行為的一部分，對(duì)人類的理性思維和決策能力具有重大的影響，能夠激發(fā)心理活動(dòng)和行為的動(dòng)機(jī)，情緒影響學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生。[7]

近年來(lái)表情識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)生模型情緒監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)提供了有效的技術(shù)支持。通過(guò)攝像頭動(dòng)態(tài)地捕捉學(xué)生的面部表情圖像，運(yùn)用表情識(shí)別技術(shù)對(duì)獲取的表情信息進(jìn)行分析，進(jìn)行表情計(jì)算，為學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生提供個(gè)性化服務(wù)給予支持。本文通過(guò)表情識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)情緒的感知，通過(guò)對(duì)監(jiān)控到的表情信息進(jìn)行分析，完成動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)風(fēng)格的預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)情緒的標(biāo)記，以及實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的判斷，動(dòng)態(tài)更新學(xué)生模型的數(shù)據(jù)。

三、學(xué)生模型的設(shè)計(jì)

1.學(xué)生模型構(gòu)建

為了解決學(xué)習(xí)系統(tǒng)與學(xué)生之間缺乏雙向情感交流的問(wèn)題，本文在CS-LS學(xué)生模型[2]基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)基于情緒感知的學(xué)生模型，如圖1所示。學(xué)生模型在傳統(tǒng)的學(xué)生模型基礎(chǔ)上加了兩個(gè)部分，即情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)生模型是表征學(xué)生的基本信息，根據(jù)自適應(yīng)教學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)，針對(duì)系統(tǒng)的需求對(duì)所需信息進(jìn)行分析與描述。系統(tǒng)可通過(guò)學(xué)生模型了解學(xué)生的個(gè)體屬性，從而提供適合學(xué)生個(gè)性化差異的教學(xué)。其中，該學(xué)生模型中的學(xué)習(xí)風(fēng)格又與傳統(tǒng)的學(xué)生模型中的學(xué)習(xí)風(fēng)格有區(qū)別，它以動(dòng)態(tài)形式出現(xiàn)在學(xué)生模型中。情緒狀態(tài)反映的是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的心理狀態(tài)。學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是指直接推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種內(nèi)部動(dòng)力。

圖1基于情緒感知的學(xué)生模型

基于情緒感知的學(xué)生模型所描述的學(xué)生個(gè)體特征分靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種信息。其中學(xué)生基本信息是靜態(tài)的，認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是動(dòng)態(tài)的?；谇榫w感知的學(xué)生模型的初始化主要針對(duì)靜態(tài)屬性進(jìn)行初始化，而動(dòng)態(tài)屬性采用系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行初始化，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。學(xué)生基本信息是通過(guò)學(xué)生注冊(cè)系統(tǒng)時(shí)獲取的，學(xué)生在第一次進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)必須提交基本信息，如姓名、年齡、專業(yè)、性別等。學(xué)習(xí)過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)程和判斷學(xué)習(xí)情緒來(lái)計(jì)算學(xué)生的認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，從而動(dòng)態(tài)地更新學(xué)生模型。該學(xué)生模型中認(rèn)知水平的動(dòng)態(tài)更新與傳統(tǒng)學(xué)生模型相同，故不再重復(fù)分析。本文主要針對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)因素的動(dòng)態(tài)更新進(jìn)行分析。

2.動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測(cè)

學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測(cè)采用量表和表情識(shí)別相結(jié)合的方式。以Felder-Silverman量表為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多媒體測(cè)試題對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行初始化，進(jìn)而在學(xué)習(xí)活動(dòng)中通過(guò)觀察學(xué)生對(duì)所呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)材料類型的表情，分析學(xué)生的心理狀態(tài)，推測(cè)其對(duì)當(dāng)前的學(xué)習(xí)方案滿意與否。[8]如果學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和呈現(xiàn)方式比較滿意，會(huì)表現(xiàn)出高興等積極情緒，說(shuō)明該學(xué)習(xí)方案符合其學(xué)習(xí)風(fēng)格；反之，如果學(xué)生表現(xiàn)出厭煩等消極情緒特征，說(shuō)明學(xué)習(xí)方案不符合其學(xué)習(xí)風(fēng)格，需對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)格模型進(jìn)行修改。在這樣反復(fù)學(xué)習(xí)與調(diào)整的過(guò)程中，最終獲得較為準(zhǔn)確的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格。

Felder-Silverman將學(xué)習(xí)風(fēng)格分為四個(gè)維度：感覺型-直覺型、活躍型-沉思型、視覺型-言語(yǔ)型、序列型-綜合型。[9]其中，感覺型學(xué)生喜歡學(xué)習(xí)具體事物；直覺型學(xué)生喜歡抽象的學(xué)習(xí)資料，喜歡具有挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性的知識(shí)；活躍型學(xué)生喜歡積極做事、合作學(xué)習(xí)；沉思型學(xué)生喜歡思考問(wèn)題，自主學(xué)習(xí)；視覺型學(xué)生喜歡從圖片、視頻等獲取知識(shí)；言語(yǔ)型學(xué)生喜歡從書本、交談中獲取信息；序列型學(xué)生喜歡小步子學(xué)習(xí)；綜合型學(xué)生喜歡大步子學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)系統(tǒng)在獲取到學(xué)生的初始學(xué)習(xí)風(fēng)格后，對(duì)應(yīng)地為學(xué)生呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方案。例如偏好感覺型學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生，學(xué)習(xí)系統(tǒng)為其提供具體和實(shí)際的材料內(nèi)容，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)高興等積極表情，適當(dāng)增加學(xué)生所對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)風(fēng)格分類的權(quán)值，即暫時(shí)不需要修改；反之，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)了厭惡等消極情緒，系統(tǒng)就需要調(diào)整教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方案，直到學(xué)生對(duì)呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容材料滿意為止。此時(shí)，適當(dāng)減少所對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)風(fēng)格分類的權(quán)值，當(dāng)該權(quán)值低于一定閾值時(shí)修改學(xué)習(xí)風(fēng)格。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的推進(jìn)，其所屬學(xué)習(xí)風(fēng)格分類趨于穩(wěn)定。

3.實(shí)時(shí)的情緒狀態(tài)計(jì)算

學(xué)習(xí)模型中的情緒狀態(tài)，反映了學(xué)生在某一時(shí)間的心情、情緒，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程具有重要的影響。當(dāng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解或者感興趣時(shí)，他會(huì)通過(guò)高興的表情體現(xiàn)出積極的情緒；反之，則會(huì)通過(guò)厭惡表情體現(xiàn)出消極的情緒。

學(xué)習(xí)系統(tǒng)監(jiān)控學(xué)生在完成學(xué)習(xí)內(nèi)容過(guò)程中的表情，獲取學(xué)生的情緒狀態(tài)。如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)了高興的表情，說(shuō)明學(xué)生的情緒狀態(tài)是積極的，他在學(xué)習(xí)過(guò)程中沒(méi)有遇到困難，學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)給予學(xué)生適當(dāng)?shù)谋頁(yè)P(yáng)；如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)了驚奇、悲傷、憤怒、恐懼、厭惡的表情，說(shuō)明他在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到了困難，學(xué)生的情緒處于一種消極狀態(tài)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)該給予學(xué)生鼓勵(lì)并適當(dāng)降低內(nèi)容難度。

情緒指數(shù)是情緒的一種數(shù)值化描述，情緒指數(shù)=期望實(shí)現(xiàn)值/內(nèi)心期望值。在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，可表示為：

情緒指數(shù)=學(xué)習(xí)效果值/期望學(xué)習(xí)效果值 （1）

其中，學(xué)習(xí)效果值是動(dòng)態(tài)的，可以對(duì)應(yīng)為學(xué)習(xí)過(guò)程中的測(cè)試或練習(xí)成績(jī)和閱讀速度等；期望學(xué)習(xí)效果值是常量，可以對(duì)應(yīng)為學(xué)生的認(rèn)知水平和歷史成績(jī)。公式（1）存在局限性，因?yàn)樗鼰o(wú)法預(yù)測(cè)學(xué)生的內(nèi)心期望值，所以期望學(xué)習(xí)效果值只能由客觀數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)，難免偏頗。采用表情分析的方法可以從另一個(gè)角度獲取對(duì)學(xué)生情緒的把握，本文用表情來(lái)計(jì)算情緒指數(shù)。復(fù)雜的人臉表情通常被分為六種最基本的類型，即高興、驚奇、悲傷、憤怒、恐懼和厭惡。[10]在表情獲取時(shí)分別賦值0~1，六種表情的積極情緒權(quán)重系數(shù)分別為10，-1，-5，-5，-5，-5。歸一化情緒指數(shù)用E表示，通過(guò)公式（2）計(jì)算：

其中，wi表示第i種表情的積極情緒權(quán)重系數(shù)，ei表示第i種表情的取值，Expressionmin和Expressionmax分別表示的最小值和最大值。

公式（2）完全采用表情信息來(lái)計(jì)算情緒指數(shù)，較好地體現(xiàn)了學(xué)生的內(nèi)心期望，但缺少客觀的學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。公式（1）和公式（2）是互補(bǔ)的，將公式（1）做歸一化處理，再與公式（2）取平均值，作為最終的學(xué)習(xí)情緒指數(shù)計(jì)算公式。

學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)情緒指數(shù)來(lái)判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有針對(duì)性地調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法，為學(xué)生提供指導(dǎo)和幫助，實(shí)時(shí)保證學(xué)生的情緒處于一個(gè)適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)范圍內(nèi)。

4.實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)計(jì)算

學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是激發(fā)個(gè)體進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)，維持已引起的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并驅(qū)使行為朝向一定學(xué)習(xí)目標(biāo)的內(nèi)在過(guò)程或內(nèi)部心理狀態(tài)。教育實(shí)踐和教育心理學(xué)實(shí)驗(yàn)都表明，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)推動(dòng)著學(xué)習(xí)活動(dòng)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)指數(shù)是學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的一種數(shù)值化描述。

情緒穩(wěn)定性與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)之間呈顯著正相關(guān)。[11]兩者之間的顯著正相關(guān)表明，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)太強(qiáng)或者太弱，都會(huì)導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)情緒的不穩(wěn)定。情緒不穩(wěn)定可以用情緒變化率來(lái)表達(dá)，因此，可以說(shuō)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與情緒變化率呈負(fù)相關(guān)。積極的情緒能鼓舞人的斗志，在理智的調(diào)節(jié)下，會(huì)引發(fā)超乎尋常的動(dòng)力；[12]相反，消極的情緒則會(huì)消磨人的意志，使人變得頹廢。前述的情緒指數(shù)是積極情緒指數(shù)，與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)呈正相關(guān)。學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)指數(shù)用M表示，通過(guò)公式（3）計(jì)算：

其中，Et是當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的情緒指數(shù)，Et-1是前一時(shí)間點(diǎn)的情緒指數(shù)。

耶克斯—多德森定律(The Yerks_Dodson Law)[13]表明解決問(wèn)題的效率與動(dòng)機(jī)強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，效率隨動(dòng)機(jī)強(qiáng)度發(fā)生倒U型曲線變化。動(dòng)機(jī)的最佳水平隨任務(wù)性質(zhì)的不同而不同；任務(wù)較易，最佳動(dòng)機(jī)強(qiáng)度較高；任務(wù)難度中等，最佳動(dòng)機(jī)強(qiáng)度也適中；任務(wù)越困難，最佳動(dòng)機(jī)強(qiáng)度越低。如圖2所示。

圖2 耶克斯—多德森定律

根據(jù)耶克斯—多德森定律，結(jié)合當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容，系統(tǒng)可以判斷任務(wù)與動(dòng)機(jī)指數(shù)的適應(yīng)程度，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的調(diào)整。系統(tǒng)既可以根據(jù)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度調(diào)整任務(wù)的難度，也可以根據(jù)任務(wù)的難度調(diào)節(jié)學(xué)生的情緒，從而調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度。

四、結(jié)束語(yǔ)

能否實(shí)時(shí)感知學(xué)生的情緒，對(duì)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，關(guān)系到學(xué)生狀態(tài)的描述是否準(zhǔn)確。通過(guò)情緒計(jì)算改善學(xué)生模型的描述能力，可以解決自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)與學(xué)生之間存在的雙向情感缺失問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)學(xué)生模型來(lái)說(shuō)，本文建立的學(xué)生模型優(yōu)點(diǎn)在于，學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)因素都是基于表情識(shí)別技術(shù)計(jì)算的，學(xué)習(xí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地獲取這些信息。學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生模型中對(duì)學(xué)生的狀態(tài)描述，及時(shí)地進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)，有效地彌補(bǔ)學(xué)習(xí)系統(tǒng)和學(xué)生之間缺少情感交流的問(wèn)題。在真實(shí)的世界中，人的表情是多種多樣的，且有些表情很難分辨，本文學(xué)生模型里對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的計(jì)算還是粗略的，在表情分類、權(quán)重分配等方面存在不足。未來(lái)可以將更多的表情加入到學(xué)習(xí)風(fēng)格、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的計(jì)算中，使系統(tǒng)更準(zhǔn)確地感知學(xué)生的狀態(tài)。

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