游戲式學(xué)習(xí)系統(tǒng)中情感驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化建模研究.pdf

1、當(dāng)代教育理念正在從以學(xué)習(xí)內(nèi)容為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)習(xí)者為中心，其核心是個(gè)性化學(xué)習(xí)。不同學(xué)習(xí)者有不同的個(gè)性特征、不同的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和情感反應(yīng)特性，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)、興趣，以及精神活動(dòng)，包括情感活動(dòng)，實(shí)際上是強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的個(gè)性化。有效學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)該具備的重要特征之一，是為學(xué)習(xí)者提供連續(xù)的情感挑戰(zhàn)，既要避免因太難而讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生挫折感，也要避免因太容易而讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生厭煩感，這就意味著學(xué)習(xí)環(huán)境必須跟蹤學(xué)習(xí)者的個(gè)性特征和學(xué)習(xí)過(guò)程中

2、的情感反應(yīng)，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的挑戰(zhàn)和情感反饋。
　　 研究表明，具有游戲特征但以非娛樂(lè)為目的的“嚴(yán)肅游戲”(Serious Games)，以及由此衍生的游戲式學(xué)習(xí)(Game-Based Learning)，具備有效學(xué)習(xí)環(huán)境的關(guān)鍵特征，能為學(xué)習(xí)者提供情境體驗(yàn)，提供觀察和理解問(wèn)題的多種途徑，提供“成為”不同種類(lèi)的角色的機(jī)會(huì)，使學(xué)習(xí)者沉浸在復(fù)雜的解決問(wèn)題的任務(wù)中，在娛樂(lè)的過(guò)程中學(xué)到理論知識(shí)，學(xué)會(huì)解決問(wèn)題的方法，為e-Learning

3、的未來(lái)發(fā)展提供了新的范式。從游戲開(kāi)發(fā)的角度看，盡管情感本身不能帶來(lái)智慧，但情感行為是個(gè)性特征的表現(xiàn)形式，情感的存在使人的概念得到充分定義，情感使角色更豐滿(mǎn)更可信，使游戲中的NPC(Non-Player Charater，非玩家角色)和玩家替身更有趣更真實(shí)，是在游戲式學(xué)習(xí)中建立受訓(xùn)玩家(學(xué)習(xí)者)個(gè)性模型的驅(qū)動(dòng)器，也是幫助受訓(xùn)玩家自我認(rèn)知、自我調(diào)整的助推器。
　　 本課題的應(yīng)用背景是煤礦事故救援訓(xùn)練。近年來(lái)，我國(guó)煤礦事故救援工作得到

4、了較快發(fā)展，在減少煤礦事故人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用，但一個(gè)突出問(wèn)題是從業(yè)人員文化程度普遍不高、心理素質(zhì)參差不齊、訓(xùn)練手段比較落后。一方面，由于煤礦事故情況復(fù)雜、案例繁多，涉及多個(gè)學(xué)科的理論知識(shí)，而救護(hù)隊(duì)員對(duì)理論知識(shí)的理解和接受能力較差，因此用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)合模擬巷道演習(xí)的訓(xùn)練手段難于取得理想的訓(xùn)練效果。另一方面，由于救援環(huán)境高度危險(xiǎn)，如果救護(hù)隊(duì)員訓(xùn)練不足、心理素質(zhì)不過(guò)硬，在救援中可能因高度恐懼而無(wú)法做出合

5、適的救援決策和救援行動(dòng)，直接導(dǎo)致救援失敗，甚至危及自身安全。對(duì)救護(hù)隊(duì)員的訓(xùn)練，必須采用一些新的、能較好地模擬救援場(chǎng)景的技術(shù)手段，必須把技能訓(xùn)練和心理素質(zhì)訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合，才能取得理想的效果。對(duì)其他領(lǐng)域中需要較好心理素質(zhì)的從業(yè)者，如士兵、消防隊(duì)員、特警隊(duì)員、運(yùn)動(dòng)員、飛行員等，也存在類(lèi)似的情況。
　　 本文把游戲引擎與情感計(jì)算技術(shù)、用戶(hù)個(gè)性化建模技術(shù)結(jié)合，建立帶有認(rèn)知狀態(tài)反饋的游戲式學(xué)習(xí)和訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)用戶(hù)個(gè)性化建模描述受訓(xùn)玩家的情感、

6、態(tài)度、性格傾向、知識(shí)技能掌握程度，從而根據(jù)受訓(xùn)玩家的能力、情感狀態(tài)、性格傾向，為其呈現(xiàn)不同的場(chǎng)景、關(guān)卡、知識(shí)點(diǎn)，既讓受訓(xùn)玩家接受他最欠缺或最需要改善的知識(shí)、技能訓(xùn)練，又可以針對(duì)其性格傾向上的弱點(diǎn)，根據(jù)心理治療的系統(tǒng)脫敏原理，采用逐步加大場(chǎng)景刺激(如逐步加大恐怖程度)的方法對(duì)其進(jìn)行心理脫敏訓(xùn)練，提高其心理素質(zhì)，塑造其堅(jiān)韌、冷峻的性格品質(zhì)，在普及救援知識(shí)、強(qiáng)化救援專(zhuān)業(yè)技能的同時(shí)，強(qiáng)化其災(zāi)難情境體驗(yàn)，提高其臨機(jī)應(yīng)變能力，達(dá)到因材施教的“育人”

7、目的。
　　 為達(dá)到課題的目的，本文進(jìn)行了以下方面的研究工作：
　　 1、研究建立了情感驅(qū)動(dòng)的受訓(xùn)玩家個(gè)性化建模方法，具體工作包括：
　　 (1)研究建立受訓(xùn)玩家的個(gè)性描述模型，包括個(gè)性屬性結(jié)構(gòu)、表示方法等；
　　 (2)突出了個(gè)性化的心理學(xué)內(nèi)涵，從心理學(xué)的角度對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)進(jìn)行了較深入的研究，根據(jù)卡特爾16項(xiàng)個(gè)性因素測(cè)驗(yàn)法，提出通過(guò)心理測(cè)驗(yàn)獲得量化的受訓(xùn)玩家關(guān)鍵個(gè)性屬性值的算法；
　　 (3)提出

8、受訓(xùn)玩家情感個(gè)性的“情緒－個(gè)性－刺激－調(diào)節(jié)”(Mood-Personality-Stimulus-Regulation)計(jì)算模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為MPSR模型，其中加入了通過(guò)心理測(cè)驗(yàn)獲得的個(gè)性屬性值作為參數(shù)，使模型可用于量化計(jì)算也可用于定性解釋?zhuān)朔藗鹘y(tǒng)計(jì)算模型不易量化的不足；
　　 (4)提出了實(shí)現(xiàn)游戲場(chǎng)景個(gè)性化呈現(xiàn)的算法，可根據(jù)受訓(xùn)玩家的個(gè)性特征和心理承受力適應(yīng)性地調(diào)整場(chǎng)景的情感屬性，并主要針對(duì)本課題所關(guān)注的玩家恐懼感和場(chǎng)景恐怖屬性

9、進(jìn)行了模擬；
　　 (5)提出了場(chǎng)景操作和知識(shí)點(diǎn)個(gè)性化呈現(xiàn)的算法，可根據(jù)受訓(xùn)玩家的知識(shí)技能掌握情況調(diào)整操作難度和知識(shí)測(cè)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了腳手架式的適應(yīng)和消退，既防止難度過(guò)大使受訓(xùn)玩家迷茫而失去信心，又避免枯燥重復(fù)的操作和測(cè)試使其厭煩而失去興趣。
　　 在游戲中預(yù)測(cè)并表現(xiàn)受訓(xùn)玩家的情感狀態(tài)，可起到情感鏡子的作用，幫助受訓(xùn)玩家有意識(shí)地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，增強(qiáng)受訓(xùn)玩家在實(shí)戰(zhàn)中的情感控制能力。
　　 2、研究建立了NPC個(gè)性化情感行

10、為模型，提出兩類(lèi)情感建模方法：
　　 (1)把情感計(jì)算理論與已在游戲中得到成功應(yīng)用的有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)結(jié)合，提出基于有限狀態(tài)機(jī)的NPC離散情感系統(tǒng)，通過(guò)狀態(tài)遷移實(shí)現(xiàn)情感狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；在此基礎(chǔ)上又把有限狀態(tài)機(jī)與游戲中常見(jiàn)的細(xì)節(jié)層次(LOD)技術(shù)結(jié)合，提出具有細(xì)節(jié)層次的情感有限狀態(tài)機(jī)，通過(guò)超級(jí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)情感狀態(tài)的細(xì)化和抽象，并在其狀態(tài)遷移條件中加入個(gè)性因素，使得不同NPC的情感表現(xiàn)各不相同，不再千人一面，解決了有限狀態(tài)機(jī)過(guò)于程序化的問(wèn)題；<

11、br>　　 (2)提出基于情感維度理論的NPC維度情感模型，通過(guò)情感向量的遞歸計(jì)算可得到NPC在任意時(shí)刻的情感狀態(tài)；模型既可以對(duì)連續(xù)情感進(jìn)行計(jì)算，也可以對(duì)離散的基本情感進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)利用PAD這樣的維度表示法來(lái)表達(dá)情感，使得情感易于計(jì)算、易于仿真。
　　 情感行為模型賦予了NPC個(gè)性化的情感行為機(jī)制，使得游戲中可以逼真地表現(xiàn)NPC的情感狀態(tài)，NPC的情感行為不僅可加強(qiáng)游戲的智能性、娛樂(lè)性和沉浸感，也會(huì)通過(guò)移情作用感染玩家，有助

12、于塑造玩家個(gè)性。
　　 3、研究建立了NPC的機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，通過(guò)兩種學(xué)習(xí)方式為NPC提供機(jī)器學(xué)習(xí)能力：
　　 (1)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)幫助NPC改善環(huán)境感知能力，為解決傳統(tǒng)BP算法BP收斂慢的問(wèn)題，提出兩種改進(jìn)算法，即基于梯度變化方向的FBP算法(BP快速傳遞算法)和基于梯度變化率的RBP算法(BP彈性傳遞算法)，并用其中較快的RBP算法，讓NPC根據(jù)井下有害氣體成分計(jì)算傷害值。
　　 (2)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法改善NPC

13、的行為選擇，并挑選應(yīng)用較廣、速度較快的Q-Learning算法，幫助NPC在滅火場(chǎng)景中根據(jù)火情選擇適當(dāng)?shù)臏缁鹌鞑?、做出適當(dāng)?shù)臏缁饎?dòng)作。
　　 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制是讓NPC真正具有智能的關(guān)鍵，使它們?cè)谟螒蛑胁粌H扮演了受訓(xùn)玩家隊(duì)友的角色，也扮演了學(xué)習(xí)伙伴的角色，可以帶動(dòng)受訓(xùn)玩家一起進(jìn)步。
　　 游戲式學(xué)習(xí)和訓(xùn)練系統(tǒng)在通用游戲引擎的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，可以利用腳本技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景、關(guān)卡、地圖等游戲內(nèi)容的個(gè)性化定制，非常便于擴(kuò)展和移植。研究如何在