（教育技术学专业论文）远程教育中情感信息的建模与处理方法研究.pdf

天津师范太学硕士论文 b ym o d e n n g 缸f e 出v ee m o t i o ni nd i s t a n c ee d u c a d o ns y s t 锄，v i r t u a lt e a c h e rc a n e m o t i o n a l l yi m e r a c tw i t h o 叭s i d e t h ce 饪e c lh a sp m v e dm a tt l l em o d e lc a n p e r s o n a l i z ec o m p u t c rm u c l lm o r c 蛐dm o r ch 删0 n i o u sh u m a n c o m p u t e ri n t e r a d i o n c o m e st r u c i ta l s oh a sp r o b e di n t o ak i n do fe 丘色c i u a lm e 也o df o re x c h 卸鼯， t r 如s m i 蹒i o n 粕dc x p r 幅s i o no fe m o t i o nb e t w e e nh u m 粕锄dc o m m n e fj nm o d e m d i s t a 吡0 ec d u c a t i o n k c ，o r d s ：d j s 纽n c ce d u c a t i o n ，e n l o d o a b s e 眦e ，a f f e c t i v c n p u t e r ，m o d e l i g 4 天津师范大学硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得墨洼堙范盘鲎或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：皂翌： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期：皇趔墨。 天津师范大学硕士论文 引言 信息技术的飞速发展，使得计算机与人类的人机关系越来越紧密。其中很重 要的一个方面就是现代远程教育将计算机和网络融入到了远程教育系统中。远程 教育环境下，教师和学生在物理空间上分离，师生交往并非是在真实情境中进行 的，但所发生的情感交流却是实实在在的。在传统的课堂教学环境下，教师的一 个眼神、一句话、一个动作，都会对学生的学习产生影响。远程教育中师生不能 进行面对面的情感交流，面部表情、语音、语调所带来的情感信息在传输过程中 丢失了，所有这些情感信息的缺失都将对师生之间的情感交互产生一定的影响。 一方面，学生难以感受到教师对他们的关注。学习中容易产生迷茫、懒散的情绪； 另一方面，教师同样也很难体会到学生的感受，无法有效控制学生的学习进程。 因此如何对远程教育中的情感进行计算和分析，是影响到远程教育效果的决定性 因素，也是远程教育当前急需解决的问题。 本论文研究目标是实现一个具有产生情感能力的虚拟教师。第一章是绪论部 分，简要介绍了远程教育的概念及情感技术的相关问题。第二章的主要介绍远程 教育的各方面内容，包括远程教育的特点；产生的巨大的社会效应：阐明论文情 感对于认知的作用；探究在远程教学系统中情感缺失的问题及补偿策略。第三章 学习研究了隐马尔可夫模型( h i d d e nm o 如vm o d e l ，简称h m m ) 的基本概念和基 本问题的解决方法。把h m m 作为人工情感研究的手段，是一个很好的研究途径。 第四章详细学习了神经网络的b p 算法。b p 算法可以训练神经网络进行有“教 师”的学习，使虚拟教师具有个性，不同性格的虚拟人在相同的刺激下，会产生 不同的情感反应。第五章讨论了情感计算技术在远程教学中的应用，提出了一个 基于情感交互的远程教育系统模型。该系统可以根据学习者的表情、语音、姿态 或通过问卷调查，识别出学习者的情绪，并依此给出教学调整，同时进行教学的 虚拟教师可以感知外界的刺激并做出情感反应，进行教学的虚拟教师可以感知外 界的刺激并做出情感反应。在情感模型的建立过程中，用b a u m w e l c h 算法和 b p 实现了情感转移概率矩阵和某种心情状态下不同表情输出概率矢量的参数估 计。以情绪熵为约束条件之一，构造了情感模型的初始状态转移矩阵，为虚拟人 性格形成提供了一种定量的计算方法。并对情感模型测试结果的分析表明，由这 个模型模拟的情感反应是符合人类情感行为规律的。情感模型使呆板、冷冰冰的 机器变成了“声情并茂”的虚拟人，向和谐的人机交互又迈进了一步。 天津师范大学硕士论文 1 1 远程教育中的情感问题 第一章绪论 远程教育( 远距离教育) 指学生与教师、学生与教育组织之间主要采取多种媒 体方式进行系统教学和通信联系的教育形式，它的一个关键要素就是教师和学生 分离，学校和学生分离。课堂与校园文化氛围的分离对远程教育的影响远远大于 物理上的分离。远程教育环境下的师生交往并非是在真实情境中进行的，但所发 生的情感交流却是实实在在的，不能因为远程交往虚拟化就否认师生之间存在真 实情感。在传统的课堂教学环境下，教师的一个眼神。一句话、一个动作都会对 学生的学习产生影响。远程教育中师生不能进行面对面的情感交流，面部表情、 语音、姿态所带来的情感信息在传输过程中缺失了，所有这些情感信息的缺失都 将对师生之间的情感交互产生一定的影响。一方面，学生难以感受到教师对他们 的关注。连学习中容易产生迷茫、懒散的情绪；另一方面，教师同样也很难体会 到学生的感受，无法有效控制学生的学习进程。 为了弥补时空分离的缺陷，现代远程教育利用技术媒体特别是以计算机和网 络为代表的多媒体代替了常规媒体，然而目前大部分现代远程系统只不过是将先 进的现代信息技术当作简单的通讯工具，利用网络技术进行“课本搬家”或“电 子教案”教学，在网络上发布一些文本化的教学内容或练习题等。这种“电子课 本”没有借助多媒体交互技术的优势，也没有充分发挥网络的作用，更缺乏情感 的激励，单调乏味的文字资料信息传输代替了多姿多彩的课堂教学，学习者只看 到与文字教材差不多的流媒体教材，而看不到教师声情并茂的“情感化教学角色” 的表演。学习者与计算机之间的交互依靠的只有键盘和鼠标，计算机不仅“盲” 不具备视觉功能，“哑”不具备语言功能，并且“聋”不具备听觉功能，更谈不 上具备“善解人意”的能力，郎理解和适应人的情绪或心境的能力。当学习者长 时间面对这样一台没有情感的冷漠电脑屏幕而感受不到交互的乐趣和情感的激 励时，就会引起反感，从而影响其学习效果。 因此如何对远程教育中的情感进行计算和分析，是影响到远程教育效果的决 定性因素。它也是当前远程教育中急需解决的问题。 针对远程教育中情感缺失问题，已经尝试了一些解决方案，如融入科学人文 主义教育思想，强调“以人为本”的人文关怀 利用网络和多媒体技术的优势， 创设教学情境，借助于c s c w ( 计算机支持的协同工作) 技术和c s c l ( 计算机 支持的协同学习) 技术构建协作学习模式，使学生在虚拟学习环境中能与他人进 行充分的交流和协作；完善与发展网络技术，利用交互视频技术为远程教育增添 活力。另外，还可以利用情感计算相关理论和技术可以构造出具有情感交互功能 天津师范大学硕士论文 的远程教育系统。例如，可以根据提取学习者的视觉、表情、姿态等情感信息， 判断和理解其情绪状态，然后根据学习者特定的情绪状态给出相应的情感鼓励或 情感补偿策略，从而帮助学习者解决远程学习中情感上的缺失问题；可以利用情 感建模技术，构造出具有某种个性的虚拟教师作为远程教育系统中的教师，从而 使人机交互更加和谐。 目前，越来越多的学者开始关心远程教学环境中情感交流的问题“1 1 ，还有 一些文章，把情感交流作为远程教育存在问题的一个方面来探讨“1 ，但是对于 情感计算技术在远程教学的应用的相关文章0 1 “还很少。因此，构造出可以与学 生进行情感交互的虚拟教师正是本论文的重点。 1 2 情感及情感信息 情感被用来表示各种不同的内心体验( 例如，情绪、心境和偏好) ，其中情绪 被用来表示非常短暂但强烈的内心体验，而心境或偏好则被用来描述强度低但持 久的内心体验。情感具有三种成分：( 1 ) 主观体验，即个体对不同情感状态的自 我感受；( 2 ) 外部表现，即表情，在情感状态发生时身体各部分的动作量化形式， 包括面部表情( 面部肌肉变化所组成的模式) 、姿态表情( 身体其他部分的表情动 作) 和语调表情( 言语的声调、节奏和速度等方面的变化) ：( 3 ) 生理唤醒，即情感 产生的生理反应，它是一种生理的激活水平，具有不同的反应模式。 通常，我们用五种感觉器官( 眼、耳、鼻、舌、肤) 作为传感器与外界进行 交流，五种感觉器官所发出的信息即为情感信息。 ( 1 ) 视觉情感信息：视觉是人类获取信息的主要来源，我们也是透过眼睛来评 鉴和了解世界的。例如，我们从人的脸部所表现出的吃惊、恐怖、厌恶、愤怒、 幸福以及悲哀等表情中可以了解到人的心理状态，人的这些表情可以说是视觉的 一种情感信息。 ( 2 ) 听觉情感信息：音乐是听觉信息的精华，音乐如同感情一般，有汹涌澎湃 的时刻，也有平静的时刻，会狂暴，也会安静。音符虽无意义，但它能够唤起敬 畏、愤怒、惊奇、不安、沮丧、冷静和爱等情感信息。 ( 3 ) 嗅觉情感信息：嗅觉是沉默的知觉，无言的官能，人们随着每一次呼吸， 时时在嗅闻。薄荷、花香、幽香、檀香以及恶臭等是嗅觉中的情感信息。 ( 4 ) 味觉情感信息：甜、酸、苦、咸等是味觉中的情感信息。 ( 5 ) 触觉情感信息：触摸是最古老、也是最重要的感觉。光滑、粗糙、寒冷、 柔软以及坚硬等就是触觉中的情感信息。 由于人的情感是受外界信息( 客观环境以及他人) 刺激后引起的心的变化， 所以随着传感技术的不断进步，情感信息处理的研究也必然得到发展。表1 1 “4 天津师范大学硕士论文 果与演奏大师的演奏特征进行比较，如果人的听觉感觉不到两者之间存在区别的 话，即说明计算机系统的自动演奏模型是正确的。 图1 2 合成的方法 ( 5 ) 情感信息的非线性分析方法 情感从根本上来悦是一种心理现象，大多数情况下具有非线性特性。而多变 量分析是在数据为线性结构，误差为正规分布的条件下使用的。所以在进行情感 信息处理时，有时需要使用非线性分析方法，如模糊理论、神经网络、埘波动理 论、混沌理论、遗传算法等均为情感信息处理的有效非线性分析方法。 1 3 3 情感信息处理的研究课题“”1 ( 1 ) 情感计测 情感计测是以人的感觉作为计测对象的技术领域，这是物理计测力所不及 的。情感测量包括对情感维度、表情和生理指标三种成分的测量。例如，我们要 确定一个人的焦虑水平，可以使用问卷测量其主观感受，通过记录和分析面部肌 肉活动测量其面部表情，并用血压计测量血压，用f m r i 观察杏仁核活动的变化， 对血液样本进行化验检测血液中肾上腺素水平等。情感计测的目的是确立能够简 单、定量地对人的各种感觉进行测量、评价的感觉计测技术，以及把人的感觉反 映在各种日常用品的设计、制造上的感觉应用技术。从而设计制作出使人感到舒 服的诸如衣帽、家用电器之类的生活用品设计建造出能够解除疲劳的舒适住宅以 及和谐的工作环境。 与情感计测有关的主要课题有：( a 生理现象的计测技术；( b ) 模拟环境的提 示技术：( c ) 外界刺激环境、生理影响以及感觉量的相关调查方法的研究开发； ( d ) 评价模拟装置等的开发。 ( 2 ) 情感信息处理 情感信息处理是对人的视觉、听觉所感受的“美”，“愉快”等之类情感信 息进行的研究，其目标是确立情感科学的基础与方法。与情感信息处理有关的主 要课题有：( a ) 情感信息的结构分析、记述、计量法、建模；，( b ) 视觉、听觉等情 天津师范大学硕士论文 感信息的提取与表现；( c ) 传递情绪和感觉的通信手段；( d ) 情感图案库和情感数 据库的设计。 ( 3 ) 计算机软件技术研究开发的基本计划 对于人和自然( 生物、森林等) 构成的“环境”，通过情感特性的明确定义， 为人类营造一个舒适、安心的生活环境，提高整个社会的舒适感程度。与情感信 息有关的计算机软件技术课题有：( a ) 1 青感特性的明确定义；( b ) 有关舒适感以及 心情计测技术的开发；( c ) 有关舒适感评价技术的研究开发；( d ) 有关舒适感设计 技术的研究开发；r c ) 有关提高舒适感的基础研究。 由于所有事物均与人有关，而与人有关的一切事物又与情感有关，所以，所 有事物都可以成为情感信息处理的题材。 1 4 情感计算概述 1 4 1 情感计算相关概念 美国m i t 媒体实验室的p i c a r d 教授及其领导研究的小组是最早开始情感计 算研究工作的，他们给出了情感计算的定义，即：情感计算是指关于情感、情感 产生以及影响情感的计算。它试图创建一种能感知、识别和理解人的情感，并能 针对人的情感做出智能、灵敏、友好反应的计算机系统“。目前情感计算的研究 普遍受到学术界和企业界的关注，国际知名大学也纷纷建立情感计算研究小组， 情感计算将有巨大的发展潜力和应用价值。但总的说来，情感计算的研究目前还 处于起步阶段，主要侧重于情感信号的获取、情感信息的处理( 包括情感信息建 模与识别、表达及其应用) 和可穿戴计算机等方面。情感计算的最终目标是建立 具有情感的智能决策系统，使计算机更能像人那样思考问题，实现和谐的人机交 互。 1 4 2 情感计算研究现状 在国外，情感信息处理得到了各国政府的极大重视，日本，美国，韩国， 德国，英国，瑞典，荷兰和意大利等国家正在积极开展有关情感计算的研究，并 在家电、汽车、建筑、纺织、设计等行业取得了诸多成果“”。国内的一些科学家 也对情感计算产生了浓厚的兴趣，并开始致力于该领域的研究“”。例如在国家 自然科学基金1 9 9 9 年的项目指南中“和谐人机环境中的情感计算理论研究”被 列为重点项目。国内研究主要侧重于单元理论与技术的研究与实现。哈尔滨工业 大学以高文教授为主，研究多功能情感机，并与海尔公司合作研究服务机器人。 中国科学院计算技术研究所王兆其的研究组正在研究带有表情和动作的虚拟人。 天津师范大学硕士论文 的远程教育系统。例如，可以根据提取学习者的视觉、表情、姿态等情感信息， 判断和理解其情绪状态，然后根据学习者特定的情绪状态给出相应的情感鼓励或 情感补偿策略，从而帮助学习者解决远程学习中情感上的缺失问题；可以利用情 感建模技术，构造出具有某种个性的虚拟教师作为远程教育系统中的教师，从而 使人机交互更加和谐。 目前，越来越多的学者开始关心远程教学环境中情感交流的问题“1 1 ，还有 一些文章，把情感交流作为远程教育存在问题的一个方面来探讨“1 ，但是对于 情感计算技术在远程教学的应用的相关文章0 1 “还很少。因此，构造出可以与学 生进行情感交互的虚拟教师正是本论文的重点。 1 2 情感及情感信息 情感被用来表示各种不同的内心体验( 例如，情绪、心境和偏好) ，其中情绪 被用来表示非常短暂但强烈的内心体验，而心境或偏好则被用来描述强度低但持 久的内心体验。情感具有三种成分：( 1 ) 主观体验，即个体对不同情感状态的自 我感受；( 2 ) 外部表现，即表情，在情感状态发生时身体各部分的动作量化形式， 包括面部表情( 面部肌肉变化所组成的模式) 、姿态表情( 身体其他部分的表情动 作) 和语调表情( 言语的声调、节奏和速度等方面的变化) ：( 3 ) 生理唤醒，即情感 产生的生理反应，它是一种生理的激活水平，具有不同的反应模式。 通常，我们用五种感觉器官( 眼、耳、鼻、舌、肤) 作为传感器与外界进行 交流，五种感觉器官所发出的信息即为情感信息。 ( 1 ) 视觉情感信息：视觉是人类获取信息的主要来源，我们也是透过眼睛来评 鉴和了解世界的。例如，我们从人的脸部所表现出的吃惊、恐怖、厌恶、愤怒、 幸福以及悲哀等表情中可以了解到人的心理状态，人的这些表情可以说是视觉的 一种情感信息。 ( 2 ) 听觉情感信息：音乐是听觉信息的精华，音乐如同感情一般，有汹涌澎湃 的时刻，也有平静的时刻，会狂暴，也会安静。音符虽无意义，但它能够唤起敬 畏、愤怒、惊奇、不安、沮丧、冷静和爱等情感信息。 ( 3 ) 嗅觉情感信息：嗅觉是沉默的知觉，无言的官能，人们随着每一次呼吸， 时时在嗅闻。薄荷、花香、幽香、檀香以及恶臭等是嗅觉中的情感信息。 ( 4 ) 味觉情感信息：甜、酸、苦、咸等是味觉中的情感信息。 ( 5 ) 触觉情感信息：触摸是最古老、也是最重要的感觉。光滑、粗糙、寒冷、 柔软以及坚硬等就是触觉中的情感信息。 由于人的情感是受外界信息( 客观环境以及他人) 刺激后引起的心的变化， 所以随着传感技术的不断进步，情感信息处理的研究也必然得到发展。表1 1 “4 天津师范大学硕士论文 各校根据学生考试成绩颁发毕业证书；随着网络远程教育的快速发展，学习化社 会也将随之日趋完善；因此我们可以说，现代远程教育为建立学习化社会提供了 切实的物质基础， 2 2 2 现代远程教育为教育平等提供条件 教育平等，一方面要为所有人提供均等的教育机会，同时还要让每个人都有 机会进行自主选择并接受尽可能好的教育。但是，当今的全球教育状况并不理想， 其发展也不平衡。据统计，在发展中国家有两亿儿童得不到基础教育。而要在这 些地方建立一所昂贵的校园，聘用一批优秀的教师，培养一种良好的学术环境， 是不切实际的。但是受教育是人的基本权利，在世界物质分配不均衡的条件下， 有些人具有获得知识的条件，有些人却出于地理或经济的原因不具备这样的条 件，这是不公平的，违背了教育的平等原则。 现代远程教育是以平等教育的形式出现的，它把信息技术特别是网络应用到 远程教育中，利用了信息技术的优势，与以往的教育相比更具有开放性，任何人 通过网络服务机构可以获取各种类型的资源。网络取消了性别、阶级、社会地位、 国籍等方面的差别，能够更好地、更平等地给学习者提供教育服务。网络的信息 交流具有共享性，凡是与网络相连的用户计算机均可以分享网络上的信息资源， 极大地拓展了学习者对于信息资料的选择利用的程度和范围。网络也是一个信息 资源库，它将声音、文字、图像等转化为数字化的形式，大大地扩充了网络信息 的存储容量，而且可以将不同媒体形式的信息资源分散地存储在与网络相连的各 个节点的客户服务器上，克服了社会中教育资源的有限性所造成的教育不平等现 象，同时也克服了学校教育在物理空间分布上的不均衡所造成的教育不平等现 象。 对于我国来说，发展现代远程教育则更有必要，因为我国地域宽广，人口 众多，经济和文化发展不平衡，教育分布和学校分布不合理，教育资源远不能满 足教育需求。而且，我国每年都有大批的高考、中考落榜生以及很多贫困地区的 学生。他们入学无门，但又渴望上学。对那些边远或是贫困地区来说，教育的这 种天然的社会职能却与现实构成悖论。经济发展的不平衡导致了这些地区教育资 源布局不平衡的缺陷，而教育资源的稀缺和教育投入的不足，又进一步放大了这 些地区与经济发达地区经济发展的差距；要改善这些状况，光靠现有的教育规模 很难胜任，而大量新建学校，国家的经济实力又有限。因此开发利用普通大学已 有的师资、教材、设备等教育资源，建立网上学校，开展各种学历教育和非学历 教育；实现全国大范围大规模的资源共享；成为发展教育事业的一项战略抉择。 将网络远程教育作为学校教育的补充和拓展，可有效地缓解我国教育资源不足和 天律师范大学硕士论文 巨大的社会需求之间的矛盾。 正是现代远程教育，使世界上的每一个公民，不管其家庭出身、地位、财富 如何，都可以享受到高质量的教育，可以自由选择学习机会，这才是真正意义上 的教育平等。 2 2 3 远程教育为社会培养新型人才 现在的社会是信息化社会；这个社会对学生有新的要求。用人单位既要求学 生掌握单方面的专业知识，又要求学生掌握信息技术的专业技能，还要求学生有 善于思考和不断仓i 新的能力，而这些都不是传统模式能够很好地解决的。学生面 临着众多的竞争和择业的压力，他们要求能够在校园中学到技能，以发展自己的 种种潜力。 信息技术本身是信息时代得以产生和发展的基石，基于网络的远程教育培养 出来的人才应该是符合信息社会的要求的。北京师范大学谢维和教授认为，现代 远程教育所培养的人才至少有三个方面的强项”“： 1 具有比较强的信息获取和选择的能力。而这恰恰是现代社会或信息社会中非 常重要的知识和技能。现代远程教育的特点正是培养了学生的这样一种能力。 2 具有比较强的网络能力。在现代的生活中，网络已经成为人们获取信息、交 流、工作的一个重要途径，在现代社会中就应该包括学会在网络空间中生存，学 习、做事、合作等。因此，比较强的网络能力也就意味着具有比较强的现实生活 的能力。 3 具有比较强的自我建构能力。包括意义的建构、新思想的建构，新知识的建 构等等。在网络中，来自各个方面的不同的知识和信息往往非常集中和高频率地 结合在一起。学生需要通过这些知识和信息的整合，发现和获得其中的价值和意 义，并建立新的意义。 因此，新型人才的培养单靠传统教育是不行的，至少要和现代远程教育结合 起来，扬长避短，培养出信息社会需要的人才。 现代远程教育对于社会而言，其意义远不止这几点。由于网络使得远程教育 的资源得到了共享和优化，促进了社会资源的节约和优化，同时也促进了国内外 信息和文化的交流，增大了学习者接触各国信息与文化的机会，丰富了人们的精 神生活。 2 3 情感因素对认知行为的影响 情感是指人对客观事物的态度体验，是对客观事物和与人的需要之间关系的 反应。情感是人类一种重要的本能，它同理性思维和逻辑推理能力一样，在我们 1 2 天津师范大学硕士论文 的日常生活、工作、交流、处理事务和决策中扮演着重要的角色。神经生理学家 d a m 觞i o 研究发现o “，由于控制逻辑推理的大脑皮层和控制情感的边缘系统之间 通道的缺损，病人尽管具有正常甚至超常的理性思维和逻辑推理能力，但严重阻 碍了决策能力的运用。心理学家汤姆金斯认为，情绪情感是人类选择行为的动力。 当人类感到愉快时，会促进他与周围同事建立良好的人际关系，会使他增强自信， 获得和谐感、尊严感、成功感、满足感、归宿感。同样，他也会在生活中因为冲 突、挫折和失败而产生羞惭感、内省感、焦虑感、挫折感、孤独感等情感。 在教学活动中，情感是一种非常重要的非智力因素，它对激发学习者的学习 动机、创设优良的教学情境、促进学习者的认知和人格的健康发展都起到积极的 推进作用。人的情感发展离不开教育，在教育过程中情感与认知是紧密相连的。 单就情绪对个体的学习行为的影响来看，主要表现在两个方面：方面，情绪可 以直接地对个体的认知行为产生重要影响；另一方面，情绪也可以通过影响学习 动机而问接地影响个体的认知行为。 1 情绪对认知行为的直接影响 情绪对学习行为的直接影响是通过情感的动力功能实现的。情绪的动力功 能，主要表现在情绪对一个人的行为活动具有增力或减力的效能上。汤姆金斯 ( s s t o m l 【i n s ) 认为，情绪在活动中起着一种“放大”内驱力( 需要) 的作用，具 体表现为对需要所产生的行为在强度上的影响。我们在日常生活中也能经常看到 和体验到这种情况：情绪高涨时，一个人会全力以赴、努力奋进，克服重重困难， 去实现预定目标；而情绪低落时，则会缺乏冲劲和拼劲，稍遇阻力便畏缩不前， 半途而废。情绪对于学生的认知活动来说，也是如此，直接影响其学习行为。 2 情绪对认知为的间接影响 隋绪对认知行为的间接影响是通过情绪的强化功能实现的o ”。情绪的强化功 能，指的是情绪具有巩固或改变一个人行为的效能。其基本的心理机制是，个体 先天具有趋向积极情绪体验而回避消极情绪体验的本能倾向，若个体在活动中获 得愉快的情绪体验，这种活动就成为一种富有吸引力的 x 天津师范大学硕士论文 2 4 远程教育中存在的情感信息缺失问题 远程教育最基本特征就是学生与教师分离，学生与学生分离。“，也是区别于 常规教育的基本特征。正是因为这种准永久性分离状态的存在，使得远程教育中 的教师和学生、学生和学生不能像常规教育那样及时地、面对面地进行知识、经 验的交流。课堂与校园文化氛围的分离对远程教育的影响远远大于物理上的分 离。远程教育环境下的师生交往并非是在真实情境中进行的，但所发生的情感交 流却是实实在在的，不能因为远程交往虚拟化就否认师生之间存在真实情感。在 传统的课堂教学环境下，教师的一个眼神。一句话、一个动作。都会对学生的学 习产生影响。远程教育中师生不能进行面对面的情感交流，面部表情、语音、语 调所带来的情感信息在传输过程中丢失了，所有这些情感信息的缺失都将对师生 之间的情感交互产生一定的影响。一方面，学生难以感受到教师对他们的关注。 在学习中容易产生迷茫、懒散的情绪：另一方面，教师同样也很难体会到学生的 感受，无法有效控制学生的学习进程。 为了弥补时空分离的缺陷，现代远程教育利用技术媒体特别是以计算机和网 络为代表的多媒体代替了常规媒体，这使得远程教育具有了时空自由、资源共享、 系统开放、便于协作等优点。然而这些优势仍旧无法满足师生间情感交流的需求， 因为目前大部分现代远程系统只不过是将先进的现代信息技术当作简单的通讯 工具，利用网络技术进行“课本搬家”或“电子教案”教学，在网络上发布一些 文本化的教学内容或练习题等。这种“电子课本”没有借助多媒体交互技术的优 势，也没有充分发挥网络的作用，更缺乏情感的激励，单调乏味的文字资料信息 传输代替了多姿多彩的课堂教学，学习者只看到与文字教材差不多的流媒体教 材，而看不到教师声情并茂的“情感化教学角色”的表演。学习者面对的是隐匿 在显示器后的“教师形象”，而无法真正聆听到教师富有表现力的讲课语言，更 看不到具有个性风格特点和强烈知识暗示色彩的教师表情语言、体态语言和行为 语言，使得传统课堂上那种能够引导教师知识点拨欲望的活生生的学习者文化群 体形象，和能触发学习者群体进行知识感悟的教师文化个体形象，己不复存在。 在整个学习过程中，学习者唯一可以“交流”的对象是机器教师，然而学习者与计 算机之间的交互依靠的只有键盘和鼠标，计算机不仅“盲”不具备视觉功能，“哑” 不具备语言功能，并且“聋”不具备听觉功能，更谈不上具备“善解人意”的能 力，即理解和适应人的情绪或心境的能力。当学习者长时间面这样一台没有情感 的冷漠电脑屏幕而感受不到交互的乐趣和情感的激励时，就会引起反感，从而影 响其学习效果。 马斯洛的人类需要层次理论认为人的需要按重要性和层次性排成一定的次 序”，这些需要分为基本的生理需要、安全需要、社交需要、尊重需要和自我实 1 4 天津师范大学硕士论文 现的需要。当人的某一级的需要得到最低限度满足后，才会追求高一级的需要， 如此逐级上升，成为推动继续努力的内在动力。由于需要是人类内在的、天生的、 下意识存在的，因此，远程教育中的学习者也同样具有与老师和同学交流的需要、 由于完成任务而渴望得到老师赞许和同学尊重的需要以及自我实现的需要。但是 准永久性的时空分离却使得这些需要根本无法满足，远程教育学习者只能通过网 络利用课件、虚拟实验室或者专家系统来帮助自己学习，在那个虚拟世界里，理 性的工具淡化了非理性的情感，数字的脉冲代替了交流的乐趣，学习者个体的学 习行为充满了孤独单调的气氛，难以产生轻松愉快的心情，学习者没有了竞争和 评价的意识，因此学习动机和兴趣大大下降、学习效率也大大下降。 2 5 远程教育中情感缺失问题的解决方案 2 5 1 融入科学人文主义教育思想 在大力提倡素质教育的今天，人文教育和人文关怀理应成为各类教育的中心 内容，远程教育也不例外。并且由于远程教育中师生之间复杂的精神交往简化为 “机”和“机”的无情冷漠交往，师生之间、生生之间的人文关怀被淡忘。因此 它更加强调及时、完善、全方位的服务，更加强调“以人为本”的人文关怀，更 加重视人的发展和生命质量的提高。因此在网络教育中树立全面发展的人文理 念，从而使网络学习者进入一种智慧化、人性化、人文化的学习文化境界。 2 5 2 利用网络和多媒体技术的优势，创设教学情境 情境是情感教育的基石。情境教学最早由保加利亚心理学家洛扎诺夫 ( g l d z 锄o v ) 所创立，其基本过程是，远程教育中可以利用网络和多媒体的交互功 能创设丰富的教学情境，教学过程中采用角色扮演、巧妙提问、设置表达情感的 环节、动机驱动等形式来丰富学习者的情感体验：另外借助于c s c w ( 计算机支 持的协司工作) 技术和c s c l ( 计算机支持的协同学习) 技术构建协作学习模式， 使学生在虚拟学习环境中能与他人进行充分的交流和协作，以消除由于时空分离 而引起在学习上和思想上的交流障碍。 2 5 3 实施探究、发现、合作式学习 时代要求学生具备为促进社会发展所需要的多种多样的能力和见识，学生必 须有机会参与到与他们兴趣相关的、值得投入时间和精力的、以问题为导向的活 动中，他们的学习不能局限于学习运用、概括性的学习、纯粹个体的认知，应该 是在促进合作的学习环境中，通过真实性的活动获得能力。网络为教师和设计人 员提供了很多机会，使他们能够开发融入了情境学习因素的学习环境，如基于问 天津师范大学硕士论文 p ( x 。+ i = q 。+ i 伍。= q 。，x 。一1 = q 。- 1 ，x 1 ；9 1 ) 2 p ( z 。+ t 一目。+ t i x 。一q ，) ( 3 1 ) 其中，q 1 ，q 2 ，g ( b ，以，) ，则称石。为m a r k o v 链，并且称 弓( m ，m + 七) ；p ( “一日| - 岛) ( 3 2 ) 1 s f ，s ，m ，七为正整数，为七步转移概率，当异咖，肌+ 七) 与m 无关时，称这个 弓何，m + ) 一p # 0 ) ( 3 3 ) 以后若无特别申明，m a r k o v 链就是指齐次m a r k o v 链。当七，1 时，m ( 1 ) 称为一步 转移概率，简称为转移概率，记为4 # ，所有转移概率，1 s f ，j 主可以构成一 爿仨奠 v 弘旬 ( 3 6 ) 由于七步转移概率弓 ) 可由转移概率得到，因此描述m a r k o v 链的最重要 参数就是转移概率矩阵4 。但4 矩阵还决定不了初始分布，即由爿求不出q 。；b 的概率，于是为了完全描述m a r k o v 链，除4 矩阵之外，还必须引进初始概率矢 量 t p ( q 。一只) ，1 宣f ( 3 7 ) 显然有： o s 玎：s 1 了嘎一1 留 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 实际中，m a 血o v 链的每一状态可以对应于一个可观测到的物理事件。比如 天气预测中的雨、晴、雪等，那么，这时它可称之为天气预报的m a r k o v 链模型。 根据这个模型，可以算出各种天气( 状态) 在某一时刻出现的概率。 2 1h m m 的基本概念 天津师范大学硕士论文 h m m 是在m a r k o v 链的基础之上发展起来的。由于实际问题比m a r k o v 链模型 所描述的更为复杂，观察到的事件并不是与状态一一对应，而是通过一组概率分 布相联系，这样的模型就称为h m m 。它是一个双重随机过程，其中之一是m a r k o v 链，这是基本随机过程，它描述状态的转移。另一个随机过程描述状态和观察值， 不像m a r k o v 链模型中的观察值和状态一一对应，因此，不能直接看到状态，而 是通过一个随机过程去感知状态的存在及其特性。因而称之为“隐”m a r k o v 模 型，即h m m 。 有了前面讨论的m a r k o v 链，就可以给出h m m 的定义，或者说，一个h m m 可 以由下列参数描述： ( 1 ) ：模型中m a r l r o v 链状态数目。记个状态为岛，艮，记f 时刻m a r l r o v 链 所处状态为吼，显然吼属于 ，氏) 。 ( 2 ) m ：每个状态对应的可能的观察值数目。记m 个观察值为k ，记f 时 刻观察到的观察值为q ，其中q 属于似，) 。 ( 3 ) 玎：初始状态概率矢量，玎一( 巩，) ，其中 厢f 一户( g l ；b ) ，1 f 墨( 3 1 0 ) ( 4 ) 爿：状态转移概率矩阵，4 0 。) 。，其中 口“一p ( 岛+ 1 一日，k ；q ) ，1 5 f s ( 3 1 1 ) ( 5 ) 口：观察值概率矩阵，b = p 。) ，。，其中 6 m p ( o 。t k l q ，一日，) ，l 墨f 薯( 3 1 2 ) 这样，一个h m m 可以记为： a 一( ，朋，石，一，曰)( 3 1 3 ) 或简写为 a p ，月，曰)( 3 1 4 ) 现在来看一个著名的说明h m m 概念的例子球和缸( b a l la n d u m ) 实验。设 有个缸，每个缸中装有很多颜色的球，球的颜色由一组概率分布描述。实验 是这样进行的，根据某个初始概率分布，随机地选择个缸中的一个，例如第f 个缸，再根据这个缸中彩色球颜色的概率分布，随机地选择一个球，记下球的颜 色，记为d 1 ，再把球放回缸中，又根据描述缸的转移的概率分布，随机选择下 一个缸，例如，第f 个缸，再从缸中随机选一个球，记下球的颜色，记为0 ， 一直进行下去。可以得到一个描述球的颜色的序列d 1 ，0 ：，由于这是观察到 的事件，因而称之为观察值序列。但缸之间的转移以及每次选取球的缸被隐藏起 来了，并不能直接观察到而且，从每个缸中选取球的颜色并不是与缸一一对应， 而是由该缸中彩球颜色概率分布随机决定的。此外，每次选取哪个缸则由一组转 天津师范大学硕士论文 移概率所决定。球与缸试验如图3 1 所示 r 1r 1 uu 缸l p ( 红卜b “ p ( 蓝 互b 1 2 p ( 绿卜b h 黄 = b m 缸2 p ( 红) = b i p ( 蓝h 尬 p ( 绿净b p ( 黄卜b | i 图3 1 球和缸实验 缸n p ( 红户b n l p ( 蓝户b n 2 p ( 绿) = b p ( 黄 南n m 可以更形象地说，m m 可分为两部分，一个是m a r k o v 链，由石，爿描述，产 生的输出为状态序列，另一个是一个随机过程，由b 描述，产生的输出为观察值 序列，如图3 2 所示。f 为观察值时间长度。 3 2h m m 基本算法 图3 2 h m m 示意图 隐马尔可夫模型在实际应用中要解决3 个基本问题： 令a 一协，爿，口) 为给定h m m 的参数， 令d - d | ，0 2 ，诉为观察值序列， 隐马尔可夫模型( h m m ) 通过三种算法懈决一下三个基本问题： 1 评估问题：对于给定模型，怎样有效地计算p ( d 协) ，即给定模型的观察序列 的概率? 该问题可通过前向一后向算法解题。 2 解码问题：对于给定模型和观察值序列，怎样选择另外一个状态序列 q 一吼，孽：+ ，劬，使它在某种意义下是最佳的( 即最好地解释观察情况) ? e r b i 算法用来解决这个问题； 3 学习问题：对于给定的一个观察值序列，怎样调整参数 ，使得观察值出现 的概率p ( d | a ) 最大? 这个问题可以用b 卸m w e l c h 算法求解； 这三大问题地解决过程取方法，即是h m m 实际应用地过程与方法。下面三 2 0 天津师范大学硕士论文 p ( d 抄荟坼( ) 其中 ( 3 2 2 ) 6 j ( q + 1 ) 一6 肚l o l + t k( 3 2 3 ) 这种算法计算量大为减少，变为( + 1 ) 口一1 ) + 次乘法和( 一1 ) 仃一1 ) 次加法。同样，一5 ，r 一1 0 0 时，只需要大约3 0 0 0 次计算( 乘法) 。 2 ) 后向算法 与前向算法类似，定义后向变量为： 鼠o ) 一p ( q - l ，q _ 2 ，o j k b ，a ) ，1 墨f r 一1( 3 2 4 ) 其中 岛o ) ；1 类似前向算法，有： ( 1 ) 初始化： 岛( f ) t 1 ，1 s f ( 3 2 5 ) ( 2 ) 递归： 卢f ( f ) 2 荟舻，( 0 r + 1 ) 儿o ) ，扣卜耵- 2 ，1 h 括 ( 3 2 6 ) ( 3 ) 终结： p ( o 陪再属( f ) ( 3 2 7 ) 后向算法的计算量大约在2 r 数量级。 3 2 2v i t e r b j 算法 这个算法解决了给定个观察值序列d 一0 】，0 ，q 和一个模型 a - 协，_ ，口) ，在最佳的意义上确定一个状态序列q 一口厶以，西的问题。 “最佳”的意义有很多种，由不同的定义可得至不同的结论。这里讨论的最 佳意义上的状态序列q ，是指使p ( q ，d 协) 最大时确定的状态序列q 。v i t e r b j 算法可以叙述如下： 定义6 ( f ) 为f 时刻，时沿一条路径口，q ：，吼，且吼一b 产生出d i ，d ：，q 的 最大概率，即有： 天津师范大学硕士论文 由口的出来易知 绷= 苏 因此，重估( 多个训练序列) 时，公式( 3 4 4 ) 、( 3 4 5 ) 和( 3 4 6 ) 变为 杀扣( j ) ( 耐。m 1 m 而薹娑掣竺竺壁，k u 善蓦口? o ) o ) 鞯竺竺小肌 三艺口，( ，) 卿( j ) j 以h d 3 34h m m 的苴官形吉 ( 3 5 9 ) ( 3 6 0 ) ( 3 6 1 ) ( 3 6 2 ) 我们在上面几节中所讨论的h m m ，由于其观察值是m 个离散可数的观察值 中的一个，因而称之为离散的h m m ，某个状态f 所对应的观察值的统计特性是 由一组概率6 。，| 。1 ，2 ，m 来描述的。除了这种经典离散h m m 以外，h m m 还 有其它各具特色的形式，由于经典离散h m m 主要由图3 2 所示的两部分组成，而 其它形式的h m m 都是从这两部分出发，对这两部分进行不同的修正而产生的。 例如，如果修正图3 2 所描述的第二部分由b 描述的随机过程，可以得到连续的和 半连续的h m m ，所谓连续h m m 指观察值为一个连续随机变量z ，因此，某一 个甚呙? ? 塑期随可强涕嗟曦粥谤蘑一冀零惫嘉囊和期望獭鼬刍i 囊j 鬟冀；霎薹稚裙 姥朝封臣峨西巳玩肾纛吵氛帮。到蓉辞口i 撤磐鏊型喜萋 9 ) 6 当求出了各层各个权系数之后，可按给定品质指标判别是否满足要求。如果 满足要求，则算法结束；如果未满足要求，则返回3 执行。 这个学习过程，对于任给定的样本x ，一。，：，1 ) 和期望输出 y ，一( ) ，y 归，y ，1 ) 都要执行，直到满足所有输入输出要求为止。图4 7 为b p 4 果我们对图3 2 所示的第一部分，也就是由玎、4 描述的m a r k o v 链 加以修正，就可以得到另外三种主要的h m m 即利用g i b b s 分布取代m a 扯o v 链的 天津师范大学硕士论文 第四章情感模型的训练工具一b p 算法 人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e 锕o r l 【s ，简称n 是一门发展十分迅速的 交叉学科，涉及生物、电子、计算机、数学、无力等学科。它是由大量处理单元 组成的非线性处理非线性大规模自适应动力系统，有着广泛的应用前景。它的显 著特点是： 1 以分布式方式存储知识，知识不是存在特定的存储单元中，而是分布在整个系 统中。 2 以并行方式进行处理，即神经网络的计算功能分布在多个处理单元中，这就会 大大提高信息处理和运算的速度。 3 有很强的容错能力，即使网络中部分处理单元损坏，也不影响网络的整体功能， 它可以从不完善的数据和图形通过学习做出判断。 4 可以用来逼近任意复杂的非线性系统。 5 有良好的自学习、自适应、联想等智能，能适应系统复杂多变的动态特性。 人类的心理是一个非线性的复杂系统，用人工神经网络研究人类的心理模型 不失为一条值得探索的研究途径。在本章中我们应用一种技术较为成熟，应用最 为广泛的人工神经网络一b p 网络来建立并改进人工心理模型。 自从2 0 世纪4 0 年代h 曲b 提出的学习规则以来，人们相继提出了各种各样的 学习算法。其中以在1 9 8 6 年r u m e l a n 等提出的误差反向传播法，即b p 忙d r b a c k p r o p a g a t i o j l ) 算法影响最为广泛。直到今天b p 算法仍然是自动控制上最重要、 应用最多的有效算法。 4 1 神经网络处理单元 4 1 1 人脑神经细胞结构 人工神经网络采用物理可实现的系统来模仿人脑神经细胞的结构和功能。从 人脑的结构来看，它由大量的神经细胞组成( 约1 0 1 0 个) 组合而成。这些细胞相 互联结，每个细胞完成某种基本功能，如兴奋和抑制。他们并行工作，整体上完 成复杂的信息处理和思维活动。 一个神经细胞或神经元的结构如图4 1 所示。主要包括：细胞体、树突、轴 突和突触。 ( 1 ) 细胞体：由细胞核、细胞质和细胞膜等组成。 ( 2 ) 轴突：由细胞体向外延伸的晟长的一条分支，即神经纤维。轴突的功能是 传出从细胞体送来的信息，相当于细胞的“输出”。 ( 3 ) 树突：维细胞体向外伸出的许多较短的分支，它们的作用是来自四面八方 天津师范大学硕士论文 其中表示从结点f ( 或输入f ) 到结点，的权值或f 和j 结点间的连接强度。 可以是正，也可以是负，分别表示为输入型突触或压抑型突触。处理单元的 内部门限为p j ，用一1 表示固定偏薰输入，其连接强度为w o ，一日，于是，输入 的加权和( 激励电平s j )