游戲式學(xué)習(xí)系統(tǒng)中情感驅(qū)動的個性化建模研究.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，其核心是個性化學(xué)習(xí)。不同學(xué)習(xí)者有不同的個性特征、不同的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、不同的學(xué)習(xí)體驗和情感反應(yīng)特性，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)者的體驗、興趣，以及精神活動，包括情感活動，實際上是強調(diào)學(xué)習(xí)過程的個性化。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)者的個性特征和學(xué)習(xí)過程中

2、的情感反應(yīng)，為學(xué)習(xí)者提供個性化的挑戰(zhàn)和情感反饋。
　　 研究表明，具有游戲特征但以非娛樂為目的的“嚴肅游戲”(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，提供觀察和理解問題的多種途徑，提供“成為”不同種類的角色的機會，使學(xué)習(xí)者沉浸在復(fù)雜的解決問題的任務(wù)中，在娛樂的過程中學(xué)到理論知識，學(xué)會解決問題的方法，為e-Learning

3、的未來發(fā)展提供了新的范式。從游戲開發(fā)的角度看，盡管情感本身不能帶來智慧，但情感行為是個性特征的表現(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，是在游戲式學(xué)習(xí)中建立受訓(xùn)玩家(學(xué)習(xí)者)個性模型的驅(qū)動器，也是幫助受訓(xùn)玩家自我認知、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，我國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產(chǎn)損失、促進煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用，但一個突出問題是從業(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，涉及多個學(xué)科的理論知識，而救護隊員對理論知識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，如果救護隊員訓(xùn)練不足、心理素質(zhì)不過硬，在救援中可能因高度恐懼而無法做出合

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

6、態(tài)度、性格傾向、知識技能掌握程度，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)不同的場景、關(guān)卡、知識點，既讓受訓(xùn)玩家接受他最欠缺或最需要改善的知識、技能訓(xùn)練，又可以針對其性格傾向上的弱點，根據(jù)心理治療的系統(tǒng)脫敏原理，采用逐步加大場景刺激(如逐步加大恐怖程度)的方法對其進行心理脫敏訓(xùn)練，提高其心理素質(zhì)，塑造其堅韌、冷峻的性格品質(zhì)，在普及救援知識、強化救援專業(yè)技能的同時，強化其災(zāi)難情境體驗，提高其臨機應(yīng)變能力，達到因材施教的“育人”

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

8、受訓(xùn)玩家情感個性的“情緒－個性－刺激－調(diào)節(jié)”(Mood-Personality-Stimulus-Regulation)計算模型，簡稱為MPSR模型，其中加入了通過心理測驗獲得的個性屬性值作為參數(shù)，使模型可用于量化計算也可用于定性解釋，克服了傳統(tǒng)計算模型不易量化的不足；
　　 (4)提出了實現(xiàn)游戲場景個性化呈現(xiàn)的算法，可根據(jù)受訓(xùn)玩家的個性特征和心理承受力適應(yīng)性地調(diào)整場景的情感屬性，并主要針對本課題所關(guān)注的玩家恐懼感和場景恐怖屬性

9、進行了模擬；
　　 (5)提出了場景操作和知識點個性化呈現(xiàn)的算法，可根據(jù)受訓(xùn)玩家的知識技能掌握情況調(diào)整操作難度和知識測試點，實現(xiàn)了腳手架式的適應(yīng)和消退，既防止難度過大使受訓(xùn)玩家迷茫而失去信心，又避免枯燥重復(fù)的操作和測試使其厭煩而失去興趣。
　　 在游戲中預(yù)測并表現(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)玩家有意識地進行自我調(diào)節(jié)，增強受訓(xùn)玩家在實戰(zhàn)中的情感控制能力。
　　 2、研究建立了NPC個性化情感行

10、為模型，提出兩類情感建模方法：
　　 (1)把情感計算理論與已在游戲中得到成功應(yīng)用的有限狀態(tài)機技術(shù)結(jié)合，提出基于有限狀態(tài)機的NPC離散情感系統(tǒng)，通過狀態(tài)遷移實現(xiàn)情感狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；在此基礎(chǔ)上又把有限狀態(tài)機與游戲中常見的細節(jié)層次(LOD)技術(shù)結(jié)合，提出具有細節(jié)層次的情感有限狀態(tài)機，通過超級狀態(tài)實現(xiàn)情感狀態(tài)的細化和抽象，并在其狀態(tài)遷移條件中加入個性因素，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)機過于程序化的問題；<

11、br>　　 (2)提出基于情感維度理論的NPC維度情感模型，通過情感向量的遞歸計算可得到NPC在任意時刻的情感狀態(tài)；模型既可以對連續(xù)情感進行計算，也可以對離散的基本情感進行計算；通過利用PAD這樣的維度表示法來表達情感，使得情感易于計算、易于仿真。
　　 情感行為模型賦予了NPC個性化的情感行為機制，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游戲的智能性、娛樂性和沉浸感，也會通過移情作用感染玩家，有助

12、于塑造玩家個性。
　　 3、研究建立了NPC的機器學(xué)習(xí)機制，通過兩種學(xué)習(xí)方式為NPC提供機器學(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收斂慢的問題，提出兩種改進算法，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算傷害值。
　　 (2)用強化學(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)臏缁饎幼鳌?br>　　 機器學(xué)習(xí)機制是讓NPC真正具有智能的關(guān)鍵，使它們在游戲中不僅扮演了受訓(xùn)玩家隊友的角色，也扮演了學(xué)習(xí)伙伴的角色，可以帶動受訓(xùn)玩家一起進步。
　　 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)上開發(fā)，可以利用腳本技術(shù)實現(xiàn)場景、關(guān)卡、地圖等游戲內(nèi)容的個性化定制，非常便于擴展和移植。研究如何在