“人工情感”教材建设与教学实践

摘要：人工情感(Artificial Emotion)是人工智能领域的扩展研究，是北京科技大学智能科学与技术专业的特色课程。本文介绍了“人工情感”课程教材的教学内容、组织形式、辅助教材建设及与该教材配套的情感机器人实验平台等内容，并对智能科学与技术专业的相关教材建设作了思考。

关键词：智能科学；情感计算；感性工学；机器人；教材

中途分类号：G642　文献标识码：B

1　引言

人工情感(Artificial Emotion)是利用信息科学的手段对人类情感过程进行模拟、识别和理解，使机器能够产生类人情感，并与人类进行自然和谐人机交互的研究领域。1981年就有人开始研究人工情感问题，但是直到1990年以后它才开始逐渐引起人们的关注，特别是近几年，对人工情感的研究越来越受到人们的重视。1995年，美国MIT媒体实验室的R，Picard教授提出了“情感计算(Affective Computing)”的概念，并于1997年正式出版了专著《Affective Computing》。情感计算研究就是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。日本学者Nagamachi提出了“感性工学(Kansei Engineering)”的新术语，并展开了以消费者为导向的新产品开发研究。2000年，北京科技大学的王志良教授提出了“人工心理(Artificial Psychology)”的理论，并于2007年出版了《人工心理》专著。

心理学家认为，人工情感是在人工智能理论框架下的一个质的进步，这充分表明了新世纪人工科学的多学科交叉研究，彼此互为影响的特点。人工情感必将为计算机的未来应用展现一种全新的方向。

2　学术科研背景

人工情感作为人工智能的扩展研究，已经在应用方面取得了许多进展(主要是在美国、日本和欧盟国家)。但是，由于情绪心理学理论方法的多样性，导致人工情感理论与研究方法都不十分成熟，使得应用技术受到了很大影响。

综合国际上关于人工情感专题研讨与论述，我们将人工情感研究领域面临的主要挑战归纳如下：

(1)情绪心理学理论的多样性，导致人工情感理论方法的不一致，以至于很难找到适用于信息科学的人工情感的统一理论方法。

(2)目前几乎还没有符合人类情感规律并适于机器实现的人工情感自动生成模型；

(3)在智能推理过程中，如何考虑情感影响的因素，实现真正意义上的拟人推理过程。

(4)目前还没有为人工情感研究者提供完善服务的计算机仿真平台及情感计算库。

(5)语音情感信息处理技术和表情识别技术的不成熟，成为制约人工情感与和谐人机交互技术发展的瓶颈。

(6)如何实现多模态情感信息融合、识别与理解，实现自然和谐的人机交互平台环境。

(7)人工情感的研究成果如何与成熟的人机交互平台相结合。

(8)如何验证机器情感的正确性是人工情感研究面临的图灵测试问题。

(9)如何从人工情绪(Artificial Emotion)走向仿真情绪(simulating Emotion)、工程情绪(Engineering Emotion)，进而找到重大应用突破点，这将是一个亟待解决的问题。

针对这一学科前沿的源头问题，进行创新性研究，解决普遍认为是人工情感的几个困难问题，是我们未来研究面临的主要挑战，也是我们的机遇。

3　现实面临的问题

2003年，北京大学智能科学系率先提出成立“智能科学与技术”本科专业，主要从事机器感知、智能机器人、智能信息处理等交叉学科的研究和教学。并于2004年在国内开始招生。随后的几年里，全国多所重点院校都成立了自己的“智能科学与技术”专业，并拥有了相关的硕士点、博士点以及博士后流动站。

随着本科生、硕士生和博士生以及从事智能科学研究人员队伍的不断壮大，使得教材建设的问题逐渐凸显。“智能科学与技术”专业作为最年轻也最有发展潜力的学科，还没有自己专业系列教材，许多高校的教材大都采用计算机类、通讯类的课程，而这些教材大都处在“知识结构老化，更新缓慢”的状态，已经不能适应该学科的发展，成为制约学科建设和教学水平提高的重要因素。教材是基本教学内容的载体，好的教材可以在教学方法上提供相应的参考，不仅为教学提供依据，还会助推本学科不断完善，学生培养体系的逐渐规范。因此，建设新教材，使之尽快与国际接轨，已成为亟待解决的重大问题。

2007年开始，北京科技大学招收智能科学与技术专业本科生，该专业的本科生将在2009年下半年进入专业课阶段学习，专业教材的建设问题已迫在眉睫。我们通过跟踪调查北京科技大学智能科学与技术专业本科生、研究生的教育基础、教学现状和教学需求，结合兄弟院校的专业教学情况，深入分析我国现代化建设的人才需求和本学科的自身发展、结构特点，系统总结国内外在“智能科学与技术”专业教学改革和实践中取得的成果和共识，进行了《人工情感》教材的编写。

作为知识的载体，教材是按照一定的教育目标和教学规律组织起来的科学知识系统。从教材的构思到教材的最终出版，一般科学的方法总共需要经历如下几个步骤，如图1所示：

(1)教材构思、大纲制定：这一阶段主要是集思广益，根据教材所面对的受众群体，大概划定教材所要包含的内容，反复讨论并修改大纲，根据教材内容划分章节，制定章节标题。

(2)拓展思路、广搜资料：这一阶段主要是组织参编人员搜集第一手资料，整理素材，逐渐使材料规范化、书面化。

(3)分工明确、力求完善：这一阶段要组织好参编人员，做到各司其职，各负其责，把各人负责的章节按照事先的规划，将理论知识、应用实例、习题及答案补充完整。

(4)精益求精、查漏补缺：把已经初步完成的教材送给相关教师及同学，让他们以初学者的身份，以局外人的眼光反复阅读，提出意见。经过反复修改，书稿基本成型，添加上必要的前沿、提要和缩略语。

(5)课堂实践、反复审校：初步形成的教材讲义，必须要经过课堂教学的不断实践，并根据教学心得和课堂反馈意见反复修改。最后，拿给出版社审校，几经修改方可出版。

4　教材规划与内容安排

依据上述思路，自2003年起，结合我校研究生课程“人工心理和情感计算”的教学实践，在研究生讲义的基础上，我们着手“人工情感”研究生教材的资料收集、整理以及章节、内容安排，目前，该教材的终稿已交付并将在机械工业出版社出版。通过多年的教学实践，根据学生现状及教学效果，不断调整教材内容，以“适应性、实用性”为宗旨，定位于普通高校智能科学与技术专业研究生学生，以素质教育为需求，注重培养学生科研及创新能力， 提高学生的科学素养。

全书共分为9章：

第1章较详细地介绍了情绪心理学、情绪生理学、情绪社会学的基本理论及相关研究历程，总结了脑科学研究在情感计算中的作用及色彩与心理学之间的相互关系。

第2章介绍了情绪的空间描述及维度化理论，总结了几种比较典型的情绪维度空间理论及国外科研工作者提出的人类情感数学模型。

第3章阐述了用数学方法描述情绪的重要性，给出了几种典型的人工情感建模方法，展示了情感建模的发展状况及前沿研究。

第4章结合实际应用，介绍了几种情感建模方法，并给出了应用实例，有助于学习者理论联系实际，对人工情感的研究与发展树立起明确的目标。

第5章结合现代远程教育发展状况，提出了把远程学员的情感数字化方法，建立起情感模型，并应用到远程教育系统，取得了不错的效果。

第6章主要讲述了人脸识别系统的构成、实现方法，是一个应用性很强的人脸识别设计范例。

第7章详细介绍了表情识别系统的设计实现，详细讲解了特征点定位、提取方法以及基于SVM的表情分类器的设计。

第8章主要讲述了网络游戏中的情感数字化，阐述了人工情感在游戏设计中的应用。

第9章详细介绍了情感机器人的发展状况、设计及实现方法，并对人工情感在智能机器人的应用作了相应的阐述。

本教材在写法上尽量做到深入浅出、通俗易懂、简洁明了，编写过程中遵守了以下三点原则：

(1)全面性与计划性相结合

人工情感理论和应用研究，还是一个崭新领域，还有很多疑难问题没有解决，发展得不够成熟，所以在编写教材的过程中，我们尽量做到知识的全面性，从基础理论到热门方向的研究，都作了较为详细的介绍。同时，也考虑到系列教材的出版，在内容安排上，兼顾其他教材，做到统筹安排。

(2)基础知识与专业技术相结合

智能科学与技术专业的学生执行的是工科学生的培养计划，在心理学基础理论方面比较欠缺，因此本教材前四章以抛砖引玉的方式介绍了有关心理学、脑科学、计算数学的基础知识，并在后面几章中结合工科学生的专业技术，结合应用实例展开内容。

(3)理论知识与实践相结合

本教材在内容安排上注重理论与实际应用并重的原则，在理论阐述的基础上，对相关研究进行了应用举例，对初学者或者初涉此领域的研究者，都能起到很好的引导和启发作用，增强了学习者的学习动力，提高了他们的学习兴趣。

5　教学并举与科研相济

教材讲义已于2008年12月交付机械工业出版社，虽然目前还未出版，但教材的初稿已多次作为我校研究生“人工心理与情感计算”课程的讲稿，学生使用后普遍反映良好，认为教材充分体现了学科交叉的特点，融合了心理学、信息科学和智能科学的相关理论、算法思想和应用实例，并进行了相应的概括归纳，以简洁实用的方式呈现给读者，具有易读、易懂性，而且实例丰富，非常实用，并且就讲义中存在的问题，提出了宝贵的意见。

在完成了本版教材的编写工作的基础上，为达到教学并举，科研相济，经过多年的努力，我们已经建立了系列情感机器人系统实验平台(前文详细介绍)，如图2情感机器人系统实验平台外形。这是一个多模态信息融合的实验平台，具有视频获取、声源定位、多路触摸传感、热释电感应及触摸屏选择等多通道输入，可以通过语音、动作、光电、图片等形式表达感情。该情感机器人采用开放式平台，能够为学生提供多种人工情感理论和模型的验证实验。图3为该情感机器人的系统体系结构。

6　展望未来

“智能科学与技术”专业在国内才刚刚起步，是一个全新的学科，各个学校都有自己的特色。目前来看，在学科建设方面制定一个普适的方案是不现实的。而特色课程恰恰是新学科区别与相关学科的重要标志，也是各个大学百花齐放的阵地。

因此，对于我们每一位从事教学一线工作的教育工作者应该能够瞄准社会发展和人才需求的新趋势，沟通交流，互通有无，充分利用现有的教学资源，并坚持一定得超前性，为新学科的发展和完善添砖加瓦，建言献策。

我们基本是以专著的形式来编写《人工情感》这本教材，主要是面向我校研究生，没有考虑本科生基础学习的要求。今后，我们愿与兄弟院校合作，编写《智能科学与技术》专业本科教材，并在此基础上推出电子教案、应用案例实验指导书等配套教参，为发挥教材的效用，增强教学效果提供更好的辅助措施和环境。