孔藝權(quán)

(1.嶺南師范學院信息工程學院，廣東湛江524048；2.嶺南師范學院南海絲綢之路協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東湛江524048)

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出要利用人工智能助力教育發(fā)展，推動教學改革，構(gòu)建新型教育體系，這標志著人工智能技術(shù)助力教育已上升到國家戰(zhàn)略層面[1]。《提升海洋強國軟實力——全民海洋意識宣傳教育和文化建設(shè)“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年我國將初步建成全方位、多層次、寬領(lǐng)域的全民海洋意識宣傳教育[2]。在當前形勢下，通過海洋教育，充分認識中國海洋(如：南沙群島)的歷史、自然和人文等原始信息及其內(nèi)涵，加強海洋教育具有必要性和重要性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐漸滲透到教育教學的各個方面，虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真實驗實訓教學改革是一項有益的探索[3]。

1 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建框架

基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式虛擬環(huán)境、建模與模擬資源庫、人機交互空間、海洋教育知識庫、智能混合建模、情感計算、教育干預(yù)和實驗行為分析等系統(tǒng)功能模塊。海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)通過沉浸式虛擬環(huán)境下建模與模擬庫呈現(xiàn)，人機交互空間進行輸入和輸出，海洋教育知識庫支撐整個實驗系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)?；谌斯ぶ悄艿暮Ｑ蠼逃摂M實驗系統(tǒng)構(gòu)建框架如圖1所示。實驗系統(tǒng)利用人工智能理論下智能混合建模技術(shù)和情感計算，對實驗行為分析和教育干預(yù)，其診斷功能能夠幫助學生對實驗錯誤進行糾正[4]。

學習者情感計算為海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)引入情感識別因素，是實現(xiàn)智能化人機交互的重要組成部分。實驗系統(tǒng)通過建立多模情感交互模型，模型構(gòu)建過程中涉及知識獲取、知識表示、數(shù)據(jù)庫的建立、推理策略、控制策略、沖突消解等方面，制定多維度的情感極性量化規(guī)則，構(gòu)建海洋教育實驗語義知識資源庫，結(jié)合機器學習、深度學習以及海洋領(lǐng)域知識圖譜等人工智能方法，獲取學習者的情感信息，從而達到人機交互過程中對學習者更深層次的理解。

在分析學習者心理和行為特征的基礎(chǔ)上，海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)通過傳感器(如手腕監(jiān)視器)進行生理信號檢測、面部表情捕捉、語音情緒識別，結(jié)合內(nèi)外部的多模態(tài)設(shè)計，獲取與識別學習者在不同場景下的情感信息，實現(xiàn)更深的語義理解和多模態(tài)情感交互分析，根據(jù)情感狀態(tài)提供相應(yīng)的情感干預(yù)。在情感計算技術(shù)支撐下，海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)建立學習者感覺模型，持續(xù)跟蹤學習者記錄，對樣本數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估，用數(shù)學符號和計算機語言構(gòu)建教育干預(yù)要素的結(jié)構(gòu)方程，接受虛實混合實驗檢驗，進一步驗證和優(yōu)化情感干預(yù)動態(tài)發(fā)展過程，并檢驗其有效性，提高學習者實驗?zāi)芰Α?/p>

圖1 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建框架

2 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能混合建模技術(shù)

基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)采用智能混合建模方法與技術(shù)，先通過機理分析確定出海洋模型及其結(jié)構(gòu)，然后再利用系統(tǒng)辨識方法辨識出海洋教育實驗系統(tǒng)模型的維數(shù)、階次和參數(shù)。海洋實物實驗與系統(tǒng)辨識相互結(jié)合，相互補充、相互支持和相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生良好疊加效果，進一步提高海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)建模精度、質(zhì)量和效率。

基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，在海洋教育實驗環(huán)境基礎(chǔ)上，構(gòu)建了實驗感知模塊、系統(tǒng)信息處理模塊、自適應(yīng)模塊、實驗知識庫、通信模塊、實驗進程表、決策與智能控制模塊和執(zhí)行與輸出模塊等功能。

圖2 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

2.2 學習者情感計算及建模方法

情感計算是指人類通過為機器設(shè)定程序使之能識別、理解、處理并模擬人的情感[5]，海洋教育沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)學習者情感多維數(shù)據(jù)集如圖3所示，界定3個實驗情感維度，分別包括實驗情感驅(qū)動因素(由實驗回報或懲罰所產(chǎn)生)、期待差別(由實驗預(yù)期回報和收到的回報比較而產(chǎn)生)和驚訝(實驗預(yù)期值相對于實際值的評估)等，每一個實驗情感數(shù)據(jù)規(guī)格化到一個間隔[0,1]，然后得出一個實驗情感多維數(shù)據(jù)集，將每個數(shù)據(jù)通過量化標注在相應(yīng)情感軸上。

實驗學習者情感模型映射設(shè)計如表1所示，給出實驗相關(guān)情感映像和情感組合界定，每個情感增長強度通過表中單元格映射到實驗學習者情感多維數(shù)據(jù)集上，而實驗情感狀態(tài)的最終強度，由實驗學習者情感數(shù)據(jù)軸所量化的3個數(shù)據(jù)部件強度疊加而成。

圖3 實驗系統(tǒng)學習者情感多維數(shù)據(jù)集

更多回報的情感如期效果的情感更多懲罰的情感實驗預(yù)期性效果 高興+驚訝(驕傲)高興 難過+驚訝(痛苦)實驗中性效果 高興+驚訝(幸福)中性 難過+驚訝(失望)實驗懲罰性效果 高興+驚訝(寬慰)難過難過+驚訝

實驗系統(tǒng)中學習者情感計算使用Martinho的情感控制器和預(yù)測器，設(shè)定實驗預(yù)測值Xt-1和實驗感知的值Yt，權(quán)值Wi在計算中目的性占據(jù)系統(tǒng)的確定性比重，并設(shè)置實驗感情計算組件。當情感控制器中有一個所需值時，將實驗學習速率設(shè)置為與實驗感情計算組件當前感知強度，所描寫的實驗情感干預(yù)要素的結(jié)構(gòu)方程如公式(1)。

(1)

其中，α為實際收到的實驗情感驅(qū)動因素，β為期待的實驗情感驅(qū)動因素，實際收到的實驗情感驅(qū)動因素與期待的實驗情感驅(qū)動因素之間差別為Δr，驚訝要素為Δs。

2.3 沉浸式混合現(xiàn)實實驗環(huán)境構(gòu)建

混合現(xiàn)實(mixed reality，MR)作為一種介于虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)與增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)之間的技術(shù)，繼承了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的優(yōu)點，又摒除兩者的主要缺點。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域關(guān)注該項技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[6]。近年來，相繼出現(xiàn)了很多虛擬現(xiàn)實教學產(chǎn)品[7-10]。

海洋教育沉浸式虛擬實驗場景包括海洋原型、實體、模型、環(huán)境、地形等。在沉浸式混合現(xiàn)實實驗環(huán)境中，仿真環(huán)境和真實環(huán)境保持虛實結(jié)合，自由切換或調(diào)整。同時與眼前的虛擬信息進行互動，無論“虛擬物體+真實環(huán)境”還是“真實物體+虛擬環(huán)境”，兩者之間都可以有效融為一體，提供良好互動性的海洋教育沉浸式虛擬實驗場景。

3 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用場景

基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用場景如圖4和圖5所示，以計算機虛擬化技術(shù)顯示海洋教育實驗系統(tǒng)及各要素和虛擬空間形態(tài)結(jié)構(gòu)。在海洋歷史事件和地理信息圖譜的虛擬實驗中，用戶可根據(jù)感興趣的實驗內(nèi)容瀏覽、漫游和查詢相關(guān)海洋教學信息，實現(xiàn)智能化、虛擬化和互動性強的海洋教育。

圖4 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用場景一

圖5 基于人工智能的海洋教育虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用場景二

4 結(jié)語

教育領(lǐng)域研究者應(yīng)密切關(guān)注人工智能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并以此為基礎(chǔ)，切實推進人工智能在教育領(lǐng)域的研究與發(fā)展[11]。隨著人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，海洋教育工程領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)問題也越來越突出，這給復(fù)雜系統(tǒng)建模提出了更高的挑戰(zhàn)[12]?；谌斯ぶ悄艿暮Ｑ蠼逃摂M實驗系統(tǒng)通過對我國海洋歷史、自然、經(jīng)濟、人文、社會等原始信息按照多維空間進行集成整合，建成數(shù)字虛擬實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化、虛擬化和互動性海洋教育。