基于认知与情感计算的在线学习模式探讨.docx

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基于认知与情感计算的在线学习模式探讨

基于认知与情感计算的在线学习模式探讨

摘要:

本文首先引入认知与情感计算在人类学习中的作用。

通过对目前常见的在线学习系统的分析,发现即缺乏教师与学生的情感互动,又无法让教师针对学习者的学习情况实施因材施教,没有考虑到教学环节中教学双方的情绪状态对教学的影响。

在认知与情感的基础上,结合人类的学习活动及教学活动规律,遵循交互式多媒体课件设计原则与情感化的网络课程设计准则,符合人工心理及学习评价策略,提出具有情感交互能力、个性化教学功能、智能化情绪反应的在线学习模式。

关键词:

认知情感计算在线学习教学环节情绪状态学习活动教学活动多媒体课件网络课程人工心理学习评价情绪反应

DiscussionofE-LearningModeBasedonCognitionandAffectiveComputing

Abstract:

Thispaperintroducescognitionandaffectivecomputingthatmakeimportantcontributiontohumanlearning.ViathemostcommonE-Learningsystemanalysis,thecurrentsystemislakeoftheemotionalinteractionbetweenteachersandstudents,unabletomaketeachersforlearners´learningsituationimplementationinaccordancewiththeiraptitude,withoutconsideringemotionalstateofbothtotheeffectofteachingprocess.Onthebasisofcognitionandaffectivecomputing,combininghumanlearningactivitiesandteachingactivityrules,followingtheinteractivemultimediacoursewaredesignprinciplesandtheemotionalnetworkcoursedesigncriteria,accordingwithartificialpsychologyandlearningevaluationstrategies,puttingforwardsomeemotionalinteractionability,personalizedteachingfunction,intelligentemotionalresponsesofE-Learningmode.

Keywords:

cognition;affectivecomputing;E-Learning;teachinglink;emotionalstate;learningactivities;teachingactivities;multimediacourseware;networkcourse;artificiallypsychological;learningevaluation;emotionalreaction

认知心理学重视学习者的内在学习历程,亦即认为学习是主动撷取信息的过程,也是由既存的信息推论出新的信息的历程。

此理论认为心智改变或成长的基本单位是心理表征（MentalRepresentation）,每人学习时会将外在刺激转化为一种概念符号,继而利用心理表征的心智架构并将此符号操作处理,然后再将它表达出来。

瑞士心理学家让·皮亚杰（JeanPiaget,1896～1980）提出的认知阶段论[1]与信息处理理论（InformationProcessingTheory）的结合形成了心理学界著名的认知建构论。

他认为,儿童是在与周围环境相互作用的过程中,逐步建构起关于外部世界的知识,从而使自身认知结构得到发展。

皮亚杰的认知理论强调失衡与适应（Adaptation）作为孩子求知的动力,而适应则包括同化（Assimilation）与调适（Accommodati-on）。

认知的因素包括记忆力、理解能力、推理能力、创造力、后设认知。

情感计算（AffectiveComputing）的概念由美国MIT媒体实验室的R.Picard于1995年提出,并于1997年正式出版专著“情感计算（AffectiveComputing）”。

在书中她定义:

“情感计算是于情感相关、来源于情感或能对情感施加影响的计算[2]”。

试图赋予计算机象人一样的观察、理解和生成各种情感特征的能力,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、友好反应的计算系统。

即让机器发自内心地拥有情感驱动力、让机器表现得似乎拥有情感以及让机器能够识别理解人类的情感表现。

北京科技大学王志良教授首次提出了人工心理[3]的概念,对人的心理活动进行人工模拟,并确立了人工心理理论结构体系,并把这一理论应用于情感建模、人机情感交互系统的应用[4]。

人工心理目前着重于对混合智能系统中的适应性,情感交互能力以及认知方面的深层探索。

知识经济[5]时代的来临,使得知识的价值更甚于其它有形资产,在线学习系统由于结合了知识内容及知识管理,不但在正规教育中占有非常重要的地位,在许多大企业中都用来作为员工教育训练以提升其竞争力的手段。

教育的实质是知识信息的传播过程,而在线学习系统所提供的知识信息是完全数字化,不受配送体系等外部客观因素的制约。

尤其在网络普及的时代,在线学习的方便、实时,且不受时间、空间所限制更是其它教学方法所无法比拟的。

将各类网络服务同教学服务结合起来,激励学习者的学习动机,开发学习者的学习智能,提供个性化辅导、使学习者学会学习并产生认同感和归属感。

可以极大地提高学习者的学习效率。

1人类学习过程与教学过程

人类的学习即求知的过程,西蒙（Simon）指出求知的意义已从能够记忆和获得（或重述）信息,转向能够发现和使用信息。

至于如何学习,卡谬（A.Camus）说:

“一个真正聪明的人,是它的心智会看管好自己心智的人”。

至于学习原则,美国教育学家克伯屈（Kilpatrick）提倡同时学习原则;至于终身学习,要实现从外显学习到内隐学习转变。

学习的基本形式有:

第一手直接的经验学习——从经验中学到教训;第二手间接的规则学习——从学习中学到知识。

影响学习因素:

发展（development）——指学习者身、心的成熟度（maturity）;智力（intelligence）——即所谓的聪明才智,若从多元观点来解释,后天的学习可以克服或互补先天智力的不足;动机（motivation）——人类学习的原始欲望或冲动,称为动机;环境（environment）——根据行为主义或社会学习理论,外在环境对学习具有重大的影响。

例如班度拉（A.Bandura）认为,B（行为）、E（环境）、P（个人人格或特质）两两之间都存在互相关联性。

勒温（Lewin）认为,人的行为是生活空间的函数,亦即。

学习的大致过程为学习如何学习,学习与迁移,记忆,推理决策,问题解决,由生手到专家的转变。

形式教育论代表亚里斯多德、卢梭、杜威以官能心理学为基础,主张教学的根本任务在于发展学生的心智;重视知识的训练价值;心智、能力的发展远比知识传授重要;只要能力发展了,知识的获得是自然的过程。

实质教育论代表人物斯宾塞等以观念心理学（联想心理学）为理论基础,主张教育就是学习实用的知识和技能。

传统教学派代表人物夸美纽斯、赫尔巴特主张“教师中心论”。

认为教师是教学过程的主宰者,是知识的拥有者,知识的传递者,他决定着教学过程;教师是社会的代言人,他代表着社会利益、价值观和主导的思想识;在教学过程中,教师是中心,学生在知识、思想、思维和能力等方面的未成熟特征决定了他处于接受地位。

这种观点肯定了教师在教学过程中的地位和作用,但否定了学生在教学过程中的独立人格和应有的主体地位。

杜威提出了“学生中心论”。

认为教学活动是师生交往、共同发展的互动过程;注重培养学生的独立性和自主性,引导学生质疑、调查、探究,在实践中学习,使学习成为在教师指导下主动的、富有个性的过程;教师应尊重学生的人格,关注个体差异,满足不同需要,创设能引导学生主动参与的教育环境,激发学生的学习积极性,培养学生掌握和运用知识的态度和能力,使每个学生都能得到充分的发展。

布卢姆等人提出的一种教学模式,主要是为了把教学过程与学生的个别需要和特征联系起来,让大多数学生都可以掌握所教学的内容，实现预定的教学目标。

它的基本程序是学生定向、常规授课、揭示差错、矫正差错、再次测评。

2目前常见在线学习系统

在线学习系统,简称E-Learning系统,是近年来出现的新生事物。

随着计算机技术的迅速发展、网络的普及与学习观念的改变,E-Learning作为极具潜力的一种学习方法,以传统的学习方法所无可比拟的优势迅速发展。

但是这种以系统为中心的教育模式要求人适应系统而非系统主动为学习者服务,没有充分体现出教师在组织课程上的主导地位,无法表达教师的经验、策略、特别是情感的描述,在指导学习者时更是缺乏智能,不能根据学习者心理（情绪和情感）和认知状态的变化来动态调整教学策略,缺乏“以人为本”的教学与学习氛围[6]。

多数E-Learning的多媒体设计只是文字教材到超文本页面的简单转换,缺乏以认知为支撑的理论依据;E-Learning设计者并不了解所提供的内容是否真正适合学习者,不能实时地把握学习者的学习状况而做出调整并提出建议;缺乏提高E-Learning学习效果的学习评价方法。

脑科学、认知心理学的最新研究成果表明情感在人类学习中起着不可低估的作用,所以在认知和情感计算的基础上,结合多媒体设计原则、人工心理理论和学习评价策略,提出了基于认知与情感计算的E-learning学习模式,并对其进行探讨。

针对学习者的学习兴趣、学习情绪、学习状态、学习能力的不同,可以进行智能化调整,以提高E-Learning学习的效果。

E-Learning的学习方式应该是具有丰富的多媒体资源、便捷的协同交流、友好的互动等独特的优势,但还是不能完全替代教师的课堂教学,缺乏了教师的深度参与,学习效果并不像预期的那么理想。

如何充分体现E-Learning的主动参与性,以及如何充分发挥教师或专家的引导作用、人格影响、学习和研究方法的渗透优势,已经成为共同关注的问题。

网络教育的诞生带来了E-Learning行业革命性的创新和发展,中国教育行业从此进入了高质量、低成本的网络学习时代。

数亿中国人民可以通过网络教育平台,享受到最具有性价比的、最优质的网络教育资源。

如上海久隆信息技术有限公司的E-Learning在线平台及其子系统[7]分别如图1和图2所示。

3课件与网络课程设计

有关课件与网络课程设计的著述颇丰,多数以设计技术为中心,而不是以学生为中心,不注重探讨课件设计与学习对象的内在的逻辑关系,从而使课件及网络课程在实际运用中不能充分发挥其功效[8]。

教学资源整合[9]意味着对教学目标、教学计划、教学大纲、实施方案、实施细则进行系统分析,需要对文字教材、音像教材、课件、点播等教学媒体进行深入研究。

教学资源的整合分为狭义和广义两种,狭义整合是考虑各种资源之间的有机联系,通过阅读、分析、提炼、整理使其综合化、整体化。

广义整合是用现代教育思想,以学生为轴心,分析学生学习的全过程与教学资源的动态关系,从优化教学过程、教学目标、教学效果出发,精心选择教学资源,融入现代教育技术,使其整体化、系统化。

整合后的教学资源与学生有一种亲和力,使教学目标、教学内容、学习过程、学习目标变成有机的整体。

在线学习强调以学生为中心、学习为中心,学生在学习过程中,以往的知识成为新知识的增长点,帮助学生“内化”知识,促使旧知识转移,新知识形成[10]。

学生是认知主体,课件与网络课程设计应以学生学习需求为依托,重视学生学习动机,以学生以往的经验和知识为支撑,充分考虑学生认知能力的情况下,系统设计课件的知识结构,使之与学生的认知结构相适宜;重视学生的学习过程,使其与学生的认知过程相协调;设计网络学习环境,当学生进入在线学习时,学生对学习内容可以自主的选择、自由的交流。

这种设计理念不仅使学生“学会”、“会学”,而且使学生“好学”、“乐学”。

在线学习面临的不仅是课程知识,更重要的是学生,充满人性化的设计,充分发挥课件的外因作用,启发和引导学生,使其产生高层次的学习动机和持久的学习兴趣,才能“抓住”学生。

设计要摒弃那种不注意知识的整体性和结构性,人为地把知识划分成零碎、孤立的知识点,一个一个地灌输给学生的想法和做法。

纠正以教学目标为课件与网络课程设计的起始点和终止点的设计思想。

课件与网络课程设计要遵循如下设计原则:

科学性原则;导航清晰原则;交互性原则;创新能力培养原则;简约性原则;艺术性原则。

心理学研究表明:

人类的视觉和听觉是吸收知识、捕获信息的重要门户,其中视觉占83%,听觉占11%。

可见视觉在人类获取知识中显得极为重要[10]。

设计时,要综合处理文字、图形、图像、动画、视频、音频,使其满足在线学习学生的审美需求。

根据和谐、均衡和重点突出的原则,将不同色彩的网页元素进行组合、搭配才能构成优美的页面。

设计者运用对比与调和,通过时间、空间、文字、图形、声音、图像之间的相互关系建立整体的均衡状态,使页面产生和谐的美感。

为了便于方便地开发网络课程,可以采用源代码开放的ClarolineOpenSourceE-Learning环境来开发,目前已经在浙江师范大学电工电子实验中心的实验教学中心搭建的在线学习平台,及课程架构和我承担或参与的部分已经按照本文思想搭建好的网络课程如图3所示。

4人工心理及学习评价策略

人工心理（artificialpsychology）就是利用信息科学的手段,对人的心理活动（包括情感、意志、性格、创造等）进行全面而正确的人工机器（计算机、模型算法等）模拟,其目的在于从心理学广义层次上研究情感、情绪与认知、动机与情绪的人工机器实现问题[11]。

研究人的情感网络输出将影响认知网络的学习率和精度,影响其性能。

所以E-Learning在线学习的核心功能是对学习者情绪、心理状态的检测,对学习者知识水平的定位评价,从而调整学习内容并提出建议以提高学习效率。

将关注区域、知识评价、学习状态三者进行信息融合,将学习者的各个特征综合起来构成一个比较完整和正确的情况描述,以增强系统正确决策的能力,动态调整教学策略,达到个性学习的目的。

认知过程并非单纯的记忆那么简单,教育过程所包含的两个最基本目标分别是促进保持和迁移（即体现为有效学习→主动学习）。

前者体现为一种记忆能力,就是重现和再认学习过程中呈现材料的能力,通过保持测验结果,我们可以用来判定学习效果;后者就是将记忆获得的知识运用于新环境、解决新问题,主要有理解、应用、分析、评价和创造五个维度。

通过迁移测验结果我们可以判断学生对教学内容的理解程度,这也是主要的教学效果测量指标。

（Mayer,Wittrock,1996）。

学习者前期的认知水平直接影响后续知识的学习:

因此在E-Learning设计中我们必须实现动态在线测试的实现,依据各种已知信息动态组织两组测试内容,即分别设计保持测验和迁移测验的题目,然后进行在线测试结果情况详细分析,由此获得学习者知识水平分析评价,做出相应的客户端学习计划和学习内容调整。

著名教育学家布鲁纳（Bruner,J.S）曾说过:

“不论我们教的内容是什么,首先都应该使学习者理解（掌握）该学习内容的基本结构”[12]。

并指出结构是知识构成的基本架构,具有结构性的教学内容更易于学生理解,并且学后不容易遗忘,而学生从结构中所学到的原理、原则,有助于在以后类似情境中,产生正向学习迁移。

Mandler说过:

“Meaningdoesnotexistuntilsomestructure,ororganizationisachieved”,即知识的学习必须使学习者在学习认知过程中形成结构性,否则有意义的学习便无从产生[13]。

在参照国外研究成果的基础上,我国教育工作者结合实际情况,提出了自己的教育目标分类体系。

这里简单介绍其中的认知领域教学目标体系。

我国使用的认知类教学目标分为五级。

（1）记忆。

记忆是指能够记住所学的材料。

（2）理解。

理解是指能把握知识材料意义,包括三种:

一是能够领会学习材料;二是能够解释将学习材料从一种形式转换成为另一种形式;三是能对学习材料作简单的判断。

（3）简单应用。

简单应用是指能把学过的材料用于新的具体情境去解决一些简单的问题。

（4）综合应用。

综合应用包括三种情况:

一是能对问题的各组成部分进行辨认;二是进行部分之间的关系分析;三是能识别组成这些部分的原理、法则,综合运用并解决问题。

（5）创见。

创见包括三种情况:

一是突破常规的思维格式,提出独到的见解或解题方法;二是按自己的观点对学习过程的材料进行整理分类;三是自己设计方案,解决一些实际问题。

这五级分类与布卢姆的认知领域分类有着一定的对应关系:

记忆相当于知识,理解相当于领会,简单应用相当于运用,综合应用相当于分析,创见相当于综合与评价。

5在线学习必须考虑的因素

维纳,美国数学家,控制论的主要创始人。

之所以将控制论引入教育技术领域,是因为它的很多观点与方法对于我们如何更好地利用教育技术,建构优化的在线学习系统有着重要的理论价值和现实指导意义。

香农,美国数学家、工程师,信息论的主要创始人之一。

信息论是研究各种系统中信息的计量、传递、变换、存储和使用规律的理论。

信息论提倡我们要运用信息方法来分析在线学习系统,因为在线学习的过程,实际上也是教学信息的传递过程。

教育技术也突出强调如何对教学信息进行分析、处理和传递等问题,而信息论恰恰为解决这些问题提供了很好的思路与方法。

塔贝·郎菲,美籍奥地利生物学家,系统论主要创始人。

这一理论认为系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体。

系统论教会我们,要用整体的、综合的、动态的观点考察在线学习系统,用系统方法来解决在线学习的各种问题。

根据心理学理论,情绪表现一般称为表情（EmotionalExpression）,对于表情,心理学界有多种不同的表述。

彭聃龄认为,情绪与情感的外部表现,通常称为表情,它是在情绪和情感状态发生变化时身体各部分的动作量化形式,包括面部表情、姿态表情和语调表情。

张春兴是这样表述的:

情绪表达是指个体将其情绪经验,经由行为活动表露于外,从而显现其心理感受,并藉以达到与外在沟通的目的。

孟昭兰在其著作中认为,情绪具有独特的外部表现形式,即表情;表情是表达情感状态的身体各部分的动作变化模式[14]。

以此看来,心理学界基本赞同情绪表现是情绪的外化这一观点,包含三个方面:

面部表情、身体动作表情和言语表情。

正因为表情是情绪的外在体现,所以如果能对人的表情进行识别,那么就可以通过人的表情来判断人的情绪,而且能通过人的表情来表现人的情绪。

在这三种表情形式中,面部表情模式能最精细地区分出不同性质的情绪,并且只有面部表情具有标定特定情绪的特异模式,因而面部表情是鉴别情绪的主要标志。

因此,作为在线学习的情感交互与智能情绪反应以面部表情为主。

对于精细的面部表情的检测来说,需要在图像处理方面作很多工作。

根据学习支持的相关理论,可以采用动画人物作为人机交互中的表现形式,以起到监督学习、加强学习支持的作用。

给出动画助教的情绪反应（即对学习者不同学习行为的具体情绪表现）,制定个性化助教以及教学过程中助教的行为规则。

在线学习中必须考虑的方面如下。

（1）交互自然性,以符合人类学习的方式进行信息交互,使学生尽可能多地利用已有的日常技能与系统交互,降低认识负荷。

（2）高效和便利性,使信息交换吞吐量更大、形式更丰富,发挥不同的认知潜力,并与网络、通信技术相结合克服时间和空间上的限制,进行“人→计算机→网络→人”交互[15]。

（3）使在线学习系统能理解学习者的感情和意图,主动地进行交流和服务。

通过表情分析,事件检测,行为分析等方面来综合理解用户的意图,并主动采取对策或提供服务。

（4）允许非精确的交互。

人类在日常生活中习惯于并大量使用非精确的信息交流,人类语言本身就具有高度模糊性。

允许使用模糊的表达手法可以避免不必要的认识负荷,有利于提高交互活动的自然性和高效性[16]。

（5）双向交互性。

双向交互性是在线学习系统的基本要求。

良好的交互性使学习者避免生硬的、不自然的、频繁的、耗时的通道切换从而提高学习的兴趣和效率。

6结语

基于认知和人工心理的理论,重视E-learning学习者的学习心理状态、学习兴趣导向、知识掌握程度,强调学习者和在线学习系统之间的情感互动,有助于提高在线学习的兴趣和效率,有利于实现真正意义上的个性化、人性化的在线学习。

本文在认知与情感的基础上,结合人类的学习活动及教学活动规律,遵循交互式多媒体课件设计原则与情感化的网络课程设计准则,符合人工心理及学习评价策略,提出具有情感交互能力、个性化教学功能、智能化情绪反应的在线学习模式并进行了初步探讨。

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