普适环境下基于情感计算的远程教育研究

张燕乐 邬家炜

华南师范大学计算机学院 广州 510631

普适环境下基于情感计算的远程教育研究

张燕乐 邬家炜

华南师范大学计算机学院 广州 510631

普适计算作为一种新型计算模式，突破传统的桌面计算，是一种适合情感交流和表达的计算模式。它弥补了远程教育中由于时空分离导致师生之间情感交流困难的缺陷。首先分析远程教育中情感的缺失，然后以情感计算为技术基础，具体分析智能教室里面师生之间的情感交互，最后提出简化的人机情感交互模型，从而促进远程教育情感交互的发展。

情感计算；远程教育；智能空间

10.3969/j.issn.1671-489X.2010.24.007

作者：张燕乐，华南师范大学计算机学院硕士研究生，研究方向为远程教育、计算机网络技术、普适计算；邬家炜，教授，硕士生导师，研究方向为计算机网络与应用、远程教育。

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

随着科学技术的发展，人们需要一种与信息空间发展相容的计算模式来满足对信息获取及处理的需求。一种新的计算模式诞生了，它就是普适计算（Ubiquitous Computing）。它强调把计算嵌入到环境和日常工具中，让计算机本身从人们的视线中消失[1]，实现信息空间与物理世界的融合。在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务[2]。基于这种理念的普适计算对远程教育有着巨大的促进作用。本文结合智能教室对基于情感计算的远程教学做深入研究，以解决远程教学中情感交互匮乏的问题。

1 普适计算概述

1.1 普适计算的定义

普适计算的概念最早由施乐公司PALOATO研究中心的首席技术官Mark Weiser提出。他在1991年提出：21世纪的计算将是一种无所不在的计算模式，它是一种能包含各种设备的计算模式，其重点在于提供面向客户的统一的、自适应的网络服务。在普适计算环境下，人们可以“随时随地”并透明地获得数字化服务[1]，而不用端坐在计算机面前，从某种意义上来讲，计算机好像隐身了。

关于普适计算的定义，不同的人有不同的观点。2002年清华大学徐光裕教授认为：“普适计算是信息空间和物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务。”板村建认为，“普适计算技术是让计算机通过认识周围的环境和状况进行判断和反应”[3]，其目标都是“要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐融合在一起”[4]。

1.2 普适计算的特征

普适计算具有普适性、移动性、消失、透明性和自适应性。

1）透明性。普适计算无所不在，计算设备作为一种工具，人们在使用时不用关心如何去使用它，把它视为不可见，获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的，甚至是用户本身注意不到的。

2）自适应性。强调如何有效感知物理空间、信息空间及设备位置和人的行为变化，以便系统动态调整自身的行为。

3）消失（disappearing）。Mark Weiser有一个著名论述：“最深奥的技术是那些消失了的技术，这些技术将它们自身交织于日常生活中，直至不可区分。”比如，日常生活中的电虽然对生活有巨大的影响，但是犹如消失在人们的日常生活中。普适计算也将是那样一种消失的计算。

5个特征中，普适性、移动性也是普适计算的基本特征，这里不一一介绍。

2 情感计算和人机情感交互

情感，是人类心理活动的重要组成部分，是人对客观事物是否符合个人需要而产生的主观体验。一般认为，情感是琢磨不定、不可能计算的，因此，以往对情感的研究均局限于心理学范畴。事实上，对于人的情感，在某种程度上是可以进行定性和定量分析的。

2.1 情感计算

让计算机具有情感，实质上就是让计算机在与人类的交互过程中具有智能的和敏感的能力。这个观点并不新鲜，早在1985年，由Marvin Minsky教授首先提出来。他指出问题不在于机器能否有任何情感，而在于机器实现智能时怎么能够有情感[5]。然而，要赋予计算机或机器人以人类式的情感，使其能够感知和表达情感，达到人与自然、人与机器的和谐，在学术

界罕有人关注。这种情况直到1997年美国麻省理工学院媒体实验室Picard教授的专著Affective Computing（情感计算）[6]问世才宣告结束。Picard提出“情感计算”并将之界定为“关于情感、情感产生以及影响情感方面的计算”。

概括来讲，情感计算的目的就是通过赋予计算机识别、理解、表达和适应人的情感的能力来建立和谐的人机环境，并使计算机具有更高的、全面的智能。情感计算的过程可用图1表示[7]。

在情感计算的过程中，所涉及关键技术包括人类生理、心理及行为特征的情感状态分析，人类情感信息信号采集传感器的研究，人类情感的识别技术等。其中，人类情感的识别又包括人面部表情、姿态表情、语调表情识别等技术。

2.2 人机情感交互

人的情感交流是一个十分复杂的过程，不受时间、地点、环境等的影响，每种情感都具有独特的主观体验，同时也会伴随着某种外部表情。例如：愉快时额眉平展、面颊上提、嘴角上翘的面部表情；狂喜时捧腹大笑、悔恨时捶胸顿足的姿态表情；愤怒时声调升高、语速加快，悲伤时语调低沉、语速缓慢的语调表情；等等。

要想准确评价情感的这些主观体验，必须首先确定情感的维度。ACCenter（情感计算中心）引入PAD三维情感模型[8]，该模型认为情感具有愉悦度、激活度和优势度3个维度，其中P代表愉悦度（Pleasure-displeasure），表示个体情感状态的正负特性；A代表激活度（Arousalnonarousal），表示个体的神经生理激活水平；D代表优势度（Dominance-submissiveness），表示个体对情景和他人的控制状态。可以通过这3个维度的值来代表具体的情感。ACCenter基于PAD三维情感模型和对简化版PAD情感量表进行中国化修订，构建出中国人的三维情感空间模型，搭建情感与计算之间的桥梁。

ACCenter设法利用PAD模型[9]，将计算机无法直接理解的文本语义转化为可以刻画度量的情感三维空间，再将文本情感的PAD量化结果与情感信息数据库进行对比建模，建立PAD三维情感数据和相关参数之间的关联模型。基于此原理，人机情感交互的模型可用图2来表示[10]。

事实上，除了这些主观体验伴随的外部表情之外，还有生理状态的变化，比如水平、心率、血压、呼吸等，这种生理状态又会进一步增强情感的主观体验（如吓出一身冷汗后体验到的后怕等）。这些成为测量情感的相对客观的指标。记录这些生理指标需要使用特定的设备和技术。

3 远程教育中的情感分析

远程教育的特点，即教学与学习行为在时空上分离，导致学生和教师，或学生和学习支柱组织之间的通信是非连续的。虽然说人们试图通过各种现代通讯手段来实现师生之间的交互，弥补远程教育中师生分离所带来的交流困难。但是由于不能直接面对面地交流，那些在人类普通的情感领域的东西，如暗示、感染、触摸、模仿等具体的行为方式在远程教育中遭遇失落。这种情感的缺失导致人的情感、自主性甚至尊严等慢慢地被异化。这在远程教育中，对学生的学习动机，调动并保持学生的积极性和主动性非常不利。概括来讲，造成远程教育中的情感缺失主要表现在3个方面。

1）在传统课堂教学中，师生之间的交流主要通过语言、手势、体态、眼神、面部表情、语气、语调等来实现。这种情感传递是真实的、迅速且有效的。然而在远程教育中却缺少传统教育的这种情感影响力，缺少人文关怀精神，学生生活在一个虚拟的信息空间里，制约了其情感的发展。

2）远程教育的学习环境是一个相对封闭的环境，由于这种空间上的隔离，造成教师授课和学生听课时的面部表情、手势、体态、眼神等情感信息在简单的文本传递中丢失。另外，个体面对的是没有情感、表现敏捷而又机械的网络，人与人之间的交流只局限于鼠标、键盘或其他外设上，无法表达传递复杂的情感。虽然可以通过耳麦和摄像机来传递声音和视频来弥补，但这种声音没有距离变化，视频也仅仅是大头像，无法表现肢体的动作状态。

3）远程教育中，单一强调认知的发展，教育的情感层面日渐衰弱。

4 普适计算环境下的远程教育情感交互

Weiser提出的普适计算是一种适合情感表达的计算模式，它突破传统的桌面计算，为人类打造一个360度的计算模式。在普适计算环境中，人们在工作、生活的现场就可以获得服务，而不需要离开这个现场去端坐在一个专门的计算机面前。人机交互的接口不再局限于传统的鼠标、键盘和显示器这些固定设备上，用户可通过手持设备、可穿戴设备和其他设备无障碍地享用计算能力和信息资源，同时这些设备还可以通过无线通信技术与Internet连接起来，使计算机接口与用户的生活环境相融合。

鉴于此，基于普适计算的远程教育在情感传递和表达上有着明显的优势，而形成这种优势的技术基础就是情感计算。情感计算（affective computing）[10]作为一个高度综合化的技术领域，通过计算机科学与心理科学、认知科学的结合，研究人与人交互、人与计算机交互过程中的情感特点，设计具有情感反馈的人机交互环境，从而实现人与计算机的情感交互。

目前在普适计算的影响下已经形成许多相对自完备的研究领域，比如智能空间（smart space）、可穿戴计算（wearable computing）、觉察上下文计算（contextaware computing）、游牧计算（nomadic computing）等。智能空间［11］是从一个纵向剖面的角度来研究普适计算，将智能空间应用于真正的教室中，就是一个智能教室[12]。图3就是一个智能教室系统。在智能教室里面，教师可以自由地移动，用方便、快捷的教学方法去指导远程学习的学生。

真正的原型系统是在一个3.1 m×7.6 m用窗帘隔开的房间里面，如图4所示。从外观上看，智能教室内有2个主要设施分别称为媒体板（Media Board）和学生板（Student Board）。Media Board是由一个投影机把影像投影在一个放在教室前部的Smart Board设备上形成的。Media Board充当传统教室中的黑板。Student Board则是投影在教室侧墙上的另一个显示屏幕，是远程学生现场的一个窗口。每个出席课程的远程学生都会有一幅静态的头像显示在上面，同时如果一个远程学生获得发言权后，他的运动图像和声音也可以在这儿播放。此外，教室里面还配备多个摄像头，教师也佩戴有无线麦克风和多功能交互笔（UPen）。

在这里，根据情感计算的人机交互模型（图2），对智能教室里面的情感交互做一个剖析。在图2所示的模型中，整个过程由6个阶段构成一个完全闭合的回路，这6个阶段分别是情感捕捉、情感识别、综合分析、情感理解、情感建模和系统输出。

情感捕捉阶段，主要由面部、体态、声音、文本情感捕捉4个子模块来完成情感信息的捕捉。在智能教室里面，可以通过摄像机、麦克风、虚拟鼠标或多功能交互笔来实现对情感信息的捕捉。这些捕捉来的信息由相应的情感识别单元来进行处理，识别出来的信息送至综合分析单元，分析属于哪类情感，将得到的结果送至情感信息数据库进行对比；然后由应答单元决定相应情感信息的回答，回答信息确定后再次传送回情感信息数据库，并从数据库中提取相关的情感信息，决定属于哪类情感；接着生成相关参数并进行情感建模；最后通过交互界面传递给远程的学生，在智能教室里面可以通过Student Board交互。这能给学生面对面的、真实的课堂感觉。

智能教室采用SRI的多Agent系统[12]，通过Agent间相互通信、相互协作来实现系统所需的功能，所以人机交互模型可以简化为图5所示。

5 总结和展望

普适计算运用于远程教育中，对情感的交互和情感表达具有很大的优势，使远程教育模式和手段更具有人的情感色彩。然而，作为情感交互技术基础的情感计算目前仍面临诸多挑战，例如情感信息的获取与建模、情感识别与理解、情感表达以及自然和谐的人性化和智能化的人机交互的实现等问题。普适环境下的远程教育情感交互是一个值得长期研究的课题，相信在未来社会，将会有大量的操作容易、运作良好的具有情感特征的计算机面世。

[1]Weiser M.The computer for the twenty-first century[J].Scientific American,1991,265(3):94-104

[2]徐光裕,史元春,谢伟凯.普适计算[J].计算机学报,2003(9):19-27

[3]饶云波,张应辉,周明天.基于普适计算研究及其应用[J].微型计算机应用,2006(5)

[4]赵海.普适计算：计算混沌形式[M].沈阳:东北大学出版社,2005

[5]Minsky M.the Society of Mind[M].New York:Simon & Schuster,1985:210-212

[6]Picard R W.Affective Computing[M].London:MIT Press,1997

[7]马希荣,王志良.远程教育中和谐人机情感交互模型的研究[J].计算机科学,2005(9):182-194

[8]李晓明.PAD三维情感模型[N].计算机世界,2007-1-29(14)

[9]傅小兰.情感计算与人机交互的情感特征[EB/OL].http://www.cass.net.cn/file/20090602235170.html

[10]刘景福,陈松生.普适计算环境下远程教育情感交互的设计模型[J].现代教育技术,2009,19(4):90-93

[11]史元春.智能空间:和谐的人机交互环境[EB/OL].http://www.CCF.Org.cn

[12]谢伟凯,蒋长浩,史元春,徐光祐.智能教室:一种用于远程教育的交互空间[EB/OL].http://pi.cs.tsinghua.edu.cn/projects/classroom/200107-1.pdf

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