陳靚影,等: 人機互動技術在孤獨症譜系障礙兒童教育幹預中的應用

2021-02-14 廣西師範大學學報哲社版

作者簡介:陳靚影(1973-),華中師範大學教授,博士生導師,楚天學者,教育學博士,研究方向:圖像處理與模式識別、人機互動、機器學習、特殊兒童教育等。

基金項目:2018年度國家自然科學基金面上項目「孤獨症兒童個性化智能干預與精細評估」(61977027)

本文載於《廣西師範大學學報(哲學社會科學版)》2020年第56卷第3期

【DOI】10.16088/j.issn.1001-6597.2020.03.009

【引用格式】陳靚影,王廣帥,劉俐俐,等.人機互動技術在孤獨症譜系障礙兒童教育幹預中的應用[J].廣西師範大學學報(哲學社會科學版),2020,56(3):111-119.

人機互動技術在孤獨症譜系障礙兒童教育幹預中的應用

陳靚影1,2,王廣帥1,劉俐俐1,2,劉樂元1,2

(1.華中師範大學 國家數位化工程技術研究中心,湖北 武漢 430079;2.華中師範大學 教育大數據應用技術國家工程實驗室,湖北 武漢 430079)

 

【摘 要】孤獨症譜系障礙發病率不斷攀升,成為亟待解決的社會問題,但缺乏有效的治療藥物和方法,教育幹預訓練是兒童孤獨症康復的最佳手段。研究表明,基於人機互動技術的教育幹預是實現孤獨症兒童康復的可行新途徑。虛擬實境、增強現實、多媒體、智慧機器人與自然人機互動等技術在孤獨症兒童教育幹預中的相關應用研究已取得重要進展,但也面臨一些問題,發展一種包含不同孤獨症兒童發展軌跡的、適應於不同兒童個體的交互技術幹預方法尤為迫切。

關鍵詞】人機互動技術;孤獨症譜系障礙;兒童教育;教育幹預

 

孤獨症譜系障礙(autismspectrumdisorder,ASD)也稱孤獨症或自閉症,是一種廣泛性神經發育障礙,核心症狀表現為社會交往和溝通障礙以及重複和刻板行為[1]。據2018年美國疾病控制與預防中心(CDC)報告,兒童孤獨症發病率約為1:59[2],成為亟待解決的社會公共衛生問題。我國尚未開展針對孤獨症的全國流行病學調查,但發病率和世界其他國家相似,約1%,以此推算,我國孤獨症個體可能超過1000萬,0~14歲少年兒童的數量可能超過200萬[3]。目前尚無有效藥物可以治癒孤獨症,只能依靠長期教育幹預輔助治療,患者如果得不到及時的幹預治療,將會導致終身殘障。研究發現,對孤獨症兒童進行及時有效的教育幹預,能幫助他們更好地融入社會生活。

隨著孤獨症發病率越來越高,對教育康復的需求也不斷增加。我國日益重視孤獨症兒童的教育,眾多服務於孤獨症兒童的教育機構陸續出現,但相對於發達國家我國對孤獨症的研究起步較晚,現有的教育機構遠遠不能滿足孤獨症兒童的需求,還有大量的孤獨症兒童沒有接受及時的教育幹預,錯過了康復的最佳時機。一些教育機構的訓練條件也存在不足,康復設施落後,監督管理不完善,專業康復訓練人員嚴重短缺。因此,很有必要運用先進的技術配合康復人員教育幹預孤獨症兒童。

孤獨症兒童對人與人之間的交流感到不適應,但他們更易於接受電子設備。人機互動是通過計算機的輸入、輸出設備,以有效的交互技術實現人與計算機的互動[4]。因此通過交互技術可以建立兒童與機器之間的互動,當兒童掌握了基本的互動技巧之後,可將能力泛化到現實生活中。人機互動幹預安全、可預測、可重複訓練、普及性強,便於監督管理,可以很好地輔助傳統幹預訓練,並解決孤獨症醫療費用高、醫護人員稀缺、醫療機構水平參差不齊等諸多問題。隨著智慧型手機、平板電腦等移動智能設備的普及,交互技術正逐步滲透到孤獨症兒童的各項康復活動中,如共同注意、心理推測能力等訓練[5-6],同時,該技術也為他們提供了更多豐富有趣的交互體驗。

相較於傳統的計算機輔助教學,交互技術的使用在特殊教育領域具有廣闊前景[7],國外已經開展了虛擬實境技術、智慧機器人等相關技術的理論與實踐研究,並取得了不錯的進展。但我國在此領域的相關研究和應用還處於起步階段。本文將聚焦國內外交互技術在孤獨症兒童教育幹預中的研究現狀,梳理和分析相關文獻,在總結現有研究的基礎上提出建議,為我國孤獨症兒童教育幹預的應用提供參考。

已有研究成果表明基於交互技術的教育幹預方法對孤獨症兒童康復具有可行性和有效性。主要人機互動技術包括:虛擬實境、增強現實、多媒體、智慧機器人、自然人機互動等,本文闡述分析這些交互技術在孤獨症兒童教育幹預中的應用,提出當前研究中存在的問題,並給出相應的建議。

(一)基於虛擬實境技術的幹預研究

虛擬實境技術(virtualreality,VR)是一種利用計算機生成模擬環境,通過多種傳感設備使用戶投入到該環境中,實現孤獨症兒童與環境直接交互的技術[8]。由於孤獨症兒童大多存在不同程度的心理和生理障礙,不能像正常發展兒童那樣有效地感知周圍世界[9],VR能為他們提供多來源的感知,為早期幹預手段提供新的技術支撐。各種真實重現的仿真場景和軟體平臺,在融入寓教於樂的動畫、語音等元素後,能讓孤獨症兒童直觀立體地了解知識,這對於提升他們的社會交往能力和日常生活技能具有重要作用[10-11]。此外,VR不僅能充分調動孤獨症兒童的視覺、聽覺、觸覺等多重感官,還突破了以往治療的單調枯燥,具有逼真的現場感和可控性,能達到良好的幹預和教育目的[12]。

社交和溝通是孤獨症兒童普遍缺乏的一項能力,在人際交往上存在障礙,難以有效地適應複雜的社會生活。藉助於VR創設的虛擬社交情境,孤獨症兒童可以理解他人的行為意圖,並做出合理的判斷與反應[13],VR現已成為孤獨症兒童社會幹預研究的重要領域[14]。帕森斯(Parsons)等採用虛擬實境技術實現基於現實生活的社會場景仿真,訓練兒童在不同擁擠程度下的咖啡館和公共汽車中就座,來提高其社會互動能力;反覆訓練後,實驗結果表明該方法具有明顯效果[15]。兒童在社會交往過程中主要從人的面部表情獲取社交線索[16],而從面部表情感知社會相關信息是促進有效社會互動的基本技能[17]。貝克萊(Bekele)等設計了在虛擬環境下的多模式適應社會互動系統(MASIVR),通過跟蹤兒童在不同虛擬社交環境中觀察人物面部表情的注意力,生成視線掃描圖案,運用於孤獨症兒童的社會互動幹預[18]。

日常生活技能是孤獨症兒童亟需提升的重要能力,為了更好地融入社會,他們不僅要學習簡單的生活技能,如穿衣、吃飯、洗漱等,稍大一些的孩子還需掌握上學、購物、過馬路等技能,而這些能力培養需要回合式、密集訓練才會有一定效果。基於VR技術可以創建特定的生活情景,為培養孤獨症兒童的日常生活技能提供一種安全、可重複、可控制的環境。查裡託斯(Charitos)等用VR技術營造出「回家」的仿真場景,孤獨症兒童可以跟隨虛擬人物學習一系列日常基本活動技能[19]。巴馬薩克(Bamasak)等將5-16歲孤獨症兒童放在虛擬的房間中,在每個不同的房間開展一系列學習活動,活動結束後測試孩子的理解力,發現這種方法有助於形成、提高孤獨症兒童的日常生活習慣、危險意識和周圍環境意識[20]。喬斯曼(Josman)等的研究表明,在虛擬實境環境中孤獨症兒童不僅能學習過馬路的相關知識,還能將習得技能遷移到真實環境中[21]。

VR技術在我國的應用處於起步時期,設備價格昂貴、使用範圍非常有限,未能廣泛應用於孤獨症兒童的教育幹預中。國內相關學者主要介紹了國外虛擬實境技術在孤獨症幹預中的應用[22-23]及幹預模型理論分析與設計[24],2016年開始有學者設計與實現基於虛擬實境技術的感覺統合遊戲[25],但未展開循證層面的研究。

VR技術的仿真環境為孤獨症兒童提供了輕鬆、舒適、安全的學習環境,讓訓練效果得到大幅提升,相對於傳統教學方法具有明顯的優勢。但是,目前主要研究是基於實驗室環境,家庭幹預研究較少;研究主要針對具體能力的缺陷,缺乏系統性的學習活動設計;幹預效果評估和學習者的操作規範都缺乏客觀、明確的標準。

(二)基於增強現實技術的幹預研究

增強現實技術(augmentedreality,AR)是一種將真實世界信息和虛擬世界信息「無縫」集成的新技術,藉助計算機圖形技術和可視化技術產生現實環境中不存在的虛擬對象,並通過傳感技術將虛擬對象準確「放置」在真實環境中,藉助顯示設備將虛擬對象與真實環境融為一體,並呈現給使用者一個感官效果真實的新環境[26]。AR技術依託於虛擬實境技術發展起來,與虛擬實境相比,增強現實更具現實感,更簡化場景模式。對於教學應用而言,AR技術能夠營造出虛擬元素和真實場景相融合的教學環境,生動形象地表現多種教學內容,使學生充分體驗並掌握知識,提高技能。

孤獨症兒童通常難以識別面部表情和理解相關的情緒,控制和表達情緒能力欠缺,學習遷移能力不足。AR技術將真實的環境與虛擬對象相結合,能夠吸引孤獨症兒童的注意力,提升想像力,更加有利於孤獨症兒童將訓練環境中學習的技能遷移到真實生活情境中,有利於回歸現實社會。同時基於AR技術可以創建更加有吸引力和交互性的用戶界面,只需手勢操作,不需要外圍設備(如鍵盤、滑鼠),非常適用於可視化教學和深度交互學習,能夠促進孤獨症兒童與對象之間的交互,提高他們在完成學習活動時的興趣和好奇心[27]。佩德羅·庫納特(PedroCunhat)通過遊戲手冊提供的Tobias冒險遊戲,驗證了AR技術在提高孤獨症兒童認知和社交技能方面的積極作用,並且遊戲手冊提供了一些在線遊戲,方便家庭實施教育幹預[28]。在國內,央數文化公司與華東師範大學,就AR技術在學前教育領域的使用合作開發相關課程,並且應用在上海部分特殊學校,對孤獨症兒童產生了較強的吸引力[29]。程鵬潤等完成了基於Android平臺的AR實現及其在孤獨症教育幹預中的應用,通過對比是否使用該軟體孤獨症兒童注意力和情緒上的差異,表明AR技術能更好地幫助孤獨症兒童融入社會,認知新事物[30]。華中師範大學陳靚影教授團隊將AR技術用於孤獨症兒童詞彙認知學習,發現學習效果顯著優於傳統方式[31]。

AR技術具有三個突出的特點:1)真實世界和虛擬世界的信息集成;2)實時交互性;3)三維空間中增添定位虛擬物體。在孤獨症兒童的教育領域有很好的應用前景。但目前基於AR技術的孤獨症兒童教育幹預應用還非常有限,缺乏技術與學習內容的深度融合,系統的學習活動和個性化的幹預方法有待進一步研究。

(三)基於多媒體技術的幹預研究

多媒體技術是指把文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多種形式的信息結合在一起,並通過計算機進行綜合處理和控制,能支持完成一系列交互式操作的信息技術[32]。由於孤獨症兒童在抽象思維和認知理解方面能力較弱,多媒體技術所呈現的直觀、形象、具體的知識,正好適合孤獨症兒童的學習特徵。因此,在日常幹預訓練中可充分利用這一特點,通過多媒體技術提供具有豐富視覺效果的教學內容,能激發孤獨症兒童的學習興趣,從而達到提高溝通、社交等能力的目的[33]。

目前一些研究者通過多媒體技術,例如視頻、音頻、圖片等方式,訓練孤獨症兒童的理解、表達及社交能力等。研究表明,孤獨症兒童具有視覺學習的優勢[34],依託於視覺的幹預方法得到了廣泛使用。在視頻方面,麥克弗森(Macpherson)等在競技遊戲課中用iPad給五個孤獨症兒童播放視頻,結果顯示觀看視頻後的兒童表現出更多的讚美手勢和語言[35]。美國研究者拉奧(Rao)和森格(Skouge)基於多媒體軟體採用對被試兒童前後測的方法,分析數據發現,靜態的圖片有助於提高孤獨症兒童交流的頻次[36]。不僅如此,音頻對孤獨症兒童的幹預也有良好的效果,如洛拉(Lorah)等將平板電腦和可攜式媒體播放器作為語音發生裝置,系統訓練孤獨症兒童,研究證明使用這些設備的兒童很快習得一定的口頭表達能力[37]。多媒體技術最大的優勢在於能集多種媒體特徵於一身,李亞華利用感官訓練軟體,結合文字、聲音、圖像、圖形和視頻等多種媒介手段,證明該方法能促進孤獨症兒童的傾聽技能[38]。

除了以上方式外,有更多研究者開始關注各類應用程式(APP)。隨著行動裝置的普及,眾多為孤獨症兒童量身打造的應用程式陸續出現,為教育幹預提供了全新的學習方式。對於孤獨症兒童而言,觸摸是一個非常重要的社會信號,在手機、平板電腦等行動裝置上安裝應用程式,使孤獨症兒童通過觸控屏幕的簡單操作完成學習活動,為其學習提供了便利。張春花採用基於iPad的圖片交換溝通(PECS)教學方案對孤獨症兒童溝通行為進行幹預研究,為PECS教學的信息化提供了參考[39]。目前,已有超過350款應用程式服務於孤獨症學生和家庭,這些應用程式價格便宜、操作簡單、交互性強,學習活動不受時間地點的限制,幹預人員和家長可以即時幹預孤獨症個體,從而大大提升了幹預的績效[40]。

綜上所述,基於多媒體系統的交互活動對提高孤獨症兒童的語言、社交、行為等能力有明顯的效果,可歸功於兩方面:一是多媒體系統的新穎、人性化交互方式深受孤獨症兒童的歡迎,可增強他們參與學習活動的積極性;二是多媒體提供豐富多樣的學習情景,集娛樂學習於一體,有利於提升幹預的有效性。但由於孤獨症兒童個體差異大,基於多媒體系統的學習活動並不一定適用於每個孤獨症兒童個體,如何設計更有針對性、個性化的學習計劃,建立自適應的幹預機制值得進一步研究。

(四)基於智慧機器人的幹預研究

智慧機器人常指具有人工智慧的機器人,它們在孤獨症兒童的教育幹預領域具有重要作用,被視為非常有潛力的康復工具。對於大多數孤獨症兒童來說,他們缺乏正常的社交、溝通能力,與人類在表情、肢體和行為上的互動會讓他們畏懼[41]。而通過機器人幹預治療孤獨症兒童,可以模擬出與普通人溝通、生活的真實情景,並為孤獨症兒童提供各式各樣的訓練活動,以提高社交、語言、溝通等能力。越來越多的學者開始關注機器人對孤獨症兒童的幹預治療,機器人在實踐訓練和能力鞏固方面發揮了重要作用[42-44]。目前專業康復人員嚴重不足,孤獨症兒童個體差異大,康復人員的技巧和耐心十分重要,智慧機器人可成為康復人員的有力支持。

目前聚焦於智慧機器人輔助幹預孤獨症兒童的研究結果表明,機器人在行為改善、情緒理解和注意力提升等方面均能取得較好的幹預效果。南洋理工大學的基爾(Kee)通過3D虛擬粉紅海豚機器人,為孤獨症兒童創建良好的學習環境和治療的平臺[45]。懷納(Wainer)等設計了專門的以模仿為基礎的合作遊戲,通過仿生機器人「Kaspar」訓練了23名孤獨症兒童,實驗結果表明機器人有助於孤獨症兒童社會行為的改善,並通過他們試圖證明機器人能用來提升孤獨症兒童合作能力創造可能[46]。沙姆斯丁(Shamsuddin)等研究發現,NAO機器人作為孤獨症兒童理解人類表情的媒介,能幫助他們學習、理解和猜測情緒,並能成功地將這種能力遷移到人與人之間實際的交往中,為提升孤獨症兒童認知能力提供了新途徑[47]。卡喬普洛斯(Kajopoulos)等通過寵物機器人「CuDDler」,讓孤獨症兒童學會根據機器人頭部方向的指引來完成遊戲,幾周訓練後發現被試兒童的注意力有明顯改善[48]。貝維爾(Bevill)等採用了具有面部表情識別功能以及通過語言、手勢表達情緒功能的機器人對孤獨症兒童進行幹預,兒童通過學習模仿,有效提升了自然情感表達和互動交流能力[49]。

國內也開展了機器人幹預的相關研究。劉小峰等通過NAO訓練平臺,對孤獨症兒童動作模仿技能進行幹預訓練,實驗表明:機器人能夠吸引自閉症兒童的注意力,通過模仿訓練可以發展自閉症兒童的社交技能[50]。李睿強等開展了基於NAO機器人的孤獨症兒童教育幹預研究,設計了基於NAO機器人的孤獨症兒童教育課程,研究表明:NAO機器人能引起孤獨症兒童的興趣,改善自閉症兒童的專注力與行為能力,增強自閉症兒童的交往能力[51]。

總體來看,智慧機器人提供的智能、先進的治療方式確實能為孤獨症兒童的康復帶來曙光。然而,目前機器人的功能比較簡單,主要以單個的學習活動為主,尚未形成一種包含孤獨症兒童發展軌跡的學習體系。適用於不同年齡、不同特徵的孤獨症兒童的機器人非常少,很難滿足實際的學習需求,但這些先進研究成果將為未來孤獨症兒童的幹預治療提供堅實的基礎。

(五)基於自然人機互動的幹預研究

自然人機互動指人們通過語言、姿勢和情感等自然的方式去實現溝通,通過視覺和操作實物去探索環境,從而使人與計算機的互動方式跟人與人日常生活間的互動一樣[52]。隨著動作捕捉技術的日益成熟,人們藉助體感設備就能體驗自然人機互動,身臨其境地感受遊戲。目前市場上體感設備以日本任天堂的「Wii」、索尼的「PlayStation」和美國微軟的「Kinect」為代表,其中「Kinect」無需任何操控設備,是名副其實的自然人機互動。孤獨症兒童在精細動作方面存在缺陷,很難操控滑鼠、鍵盤、遙控等設備[53],而體感設備憑藉其獨特優勢彌補了這一缺陷,減輕了孤獨症兒童對傳統非自然的操控方式的依賴[54]。

體感遊戲正逐步成為一種有效的教學工具,能減輕孤獨症兒童面對真實世界中人際交往的恐懼感,提高兒童參與學習活動的積極性,從而達到良好的幹預效果[55]。為了使孤獨症兒童在社交行為上獲得進步,烏祖班納(Uzuegbunam)等通過「Kinect」將孤獨症兒童的動作賦予到遊戲人物身上,在虛擬的故事性場景中學習正確的問候行為,初步證實該方法能幫助孤獨症兒童建立良好的社會行為[56]。基於自然人機互動技術,孤獨症兒童運動能力也能得到提升,加爾佐託(Garzotto)等通過研究非接觸式的「圖像平衡」(PixelBalance)遊戲發現,遊戲不僅能提高孤獨症兒童的模仿能力和圖形理解能力,在加強眼手協調和運動能力方面也有積極的效果[57]。為了提高孤獨症兒童的合作能力,克裡斯蒂納基(Christinaki)等研究的體感遊戲既有單人模式又有多人模式,有時需要多人合作才能做出指定的動作,這有助於提高孤獨症兒童的團結協作能力[58]。布奇卡(Boutsika)提出「大冒險」體感遊戲,有助於改善孤獨症兒童的行為,讓他們學會彼此合作[59]。

基於自然人機互動技術的體感遊戲,為孤獨症兒童提供不同的訓練情景和人性化的交互體驗,打破了以往學習方式的局限性。訓練內容的遊戲化,能大大提高孤獨症兒童的學習興趣,融入身體運動和肢體動作有助於學習效果的提升。整體而言,自然人機互動技術在孤獨症兒童的教育幹預方面仍處於探索階段,還有一些問題需要解決。如體感遊戲設備較為昂貴,往往需要提供大量的人力和資金支持,實現廣泛普及較難;目前優秀的教育遊戲少,必須依靠豐富的遊戲內容才能形成完善的教育幹預體系。

國內外研究成果表明現代交互技術已逐漸應用於自閉症兒童不同方面的教育幹預訓練,並且大都驗證了其可行性及有效性。現代交互技術在矯正自閉症兒童語言技能缺陷,增強自閉症兒童面孔處理、表情識別與情緒理解能力,提高自閉症兒童社會技能和生活技能等方面,有著傳統幹預方法無法比擬的優勢。在自閉症教育幹預中應用現代交互技術已成為必然趨勢。

然而,目前基於交互技術的方法沒有考慮到自閉症兒童在幹預訓練過程中的學習狀態,不能根據其狀態來調整學習內容以滿足不同兒童個體的需求。自閉症兒童個體差異性顯著,研究表明學習狀態是直接影響自閉症兒童幹預效果的重要因素。因此,分析基於交互技術幹預中自閉症兒童的學習狀態,並發展一種包含不同自閉症兒童發展軌跡的、適應於不同兒童個體的交互技術幹預方法很有必要。此領域有以下問題需要深入研究。

(1)如何創建提高孤獨症兒童各項能力的學習活動;如何基於正常兒童與孤獨症兒童發展領域的心理機能理論設計學習目標,創建基於人機互動的學習活動。孤獨症兒童個體差異性大,發展軌跡不同,創建滿足不同孤獨症兒童在不同階段各自社會認知需求的學習活動非常關鍵。探討學習經驗與學習活動、學習目標的關係,有助於認識和預測孤獨症兒童個體發展軌跡。

(2)如何建立適應於不同孤獨症兒童個體的幹預機制及個體信息的準確採集、反饋和控制;如何通過模式識別技術實時跟蹤與識別孤獨症兒童在教育幹預過程中的注意力、表情和動作,融合多通道信息分析兒童的各種心理狀態和學習行為,綜合理解兒童學習狀態,並根據其狀態來調整學習內容以滿足不同兒童個體的需求。

(3)如何驗證方法的有效性;如何根據兒童的發展軌跡,學習目標和學習狀態評估幹預方法有效性。基於設定的學習目標,通過教育技術學與心理學相結合的方法建立幹預機制並展開實證研究,有助於揭示幹預機制的有效性和科學性。幹預效果的評估可分為微觀與宏觀兩個方面,基於微觀的幹預效果由面向任務的方法來評定,它與每個獨立的學習目標和相應的學習活動相關。例如評估與共同注意和對他人的信念及願望推理這一學習目標相關的幹預效果時,可利用注意力跟蹤技術來檢測兒童視線是否成功跟隨他人的社會線索和根據兒童響應的快慢來評定。基於宏觀的幹預效果評定兒童各項技能的發展變化和把這些技能推廣運用到新場景的能力,可通過社會交流問卷與心理教育量表等方法來測評。

孤獨症兒童的教育問題是特殊教育面臨的重大挑戰。基於交互技術的教育幹預方法,安全、可預測、可重複訓練、普及性強,便於監督管理,可以很好地輔助傳統教育,為孤獨症兒童的教育幹預提供有效新途徑。本文分析了虛擬實境、增強現實、多媒體、智慧機器人與自然人機互動等技術在孤獨症兒童教育幹預中的相關應用研究,在此基礎上總結了該領域面臨的問題並提出發展一種包含不同孤獨症兒童發展軌跡、適應於不同兒童個體的交互技術幹預方法的建議,包括學習活動的創建、學習狀態的理解以及幹預機制的建立與驗證。

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廣西師範大學學報(哲學社會科學版)

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