Virtuelle Charaktere in Lehrsituationen: Ein Konzept zur Nachbildung von realem Unterricht
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Virtuelle Charaktere in Lehrsituationen: Ein Konzept zur Nachbildung von realem Unterricht
Virtuelle Charaktere in Lehrsituationen: Ein Konzept zur Nachbildung
von realem Unterricht
Saskia Groenewegen
Fachbereich Informatik
Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg
53754 Sankt Augustin
E-Mail: saskia.groenewegen@gmx.de
Johannes Strassner
Fraunhofer IMK
53754 Schloß Birlinghoven
Tel.: +49 (0)2241 14 2981
Fax: +49 (0) 2241 14 2040
E-Mail: johannes.strassner@imk.fhg.de
Abstract: Konfigurierbare, virtuelle Persönlichkeiten, die Emotionen zeigen und ihre Lehrstrategie an
die Bedürfnisse des Schülers anpassen, stellen einen wichtigen Schritt bei der Umsetzung von realem
Unterricht in einer virtuelle Umgebung dar. Nach der Analyse bestehender Lernprogramme,
pädagogischer Unterrichtsmodelle und Emotionsmodelle für virtuelle Charaktere wurde ein Pädagogik-
Framework entwickelt. Das Ergebnis ist ein System, das Eigenschaften bestehender Lernprogramme
mit pädagogischen Lehrstrategien und neuen Ansätzen vereinbart und es ermöglichen soll, virtuelle
Charaktere als Alternative zu menschlichen Lehren einzusetzen.
Stichworte: Virtuelle Charaktere, Interaktion, Emotionen, Pädagogik, Lernsoftware
1 Einleitung
Virtuelle Menschen sollen bei Schülern eine hohe Akzeptanz und soziale Interaktionsbereitschaft
hervorrufen. Die Entwicklung solcher Menschmodelle ist ein indisziplinärer Ansatz, der Resultate aus
mehreren Gebieten, wie z.B. Computergraphik, natürliche Sprachverarbeitung, verteilte Systeme und
Psychologie integriert [GrRi2002]. Synthetische Charaktere sind als multimodales Interface [Tha2000]
angelegt, das Sprache mit nichtverbalem Verhalten kombiniert. Synthetische Sprache und
Lippensynchronität können mit hoher Qualität automatisch aus Text erzeugt werden. Systeme wie
BEAT [CaVi2001] verwenden die vom Sprachsynthesesystem erzeugte Zeitleiste, um nichtverbales
von realem Unterricht
Saskia Groenewegen
Fachbereich Informatik
Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg
53754 Sankt Augustin
E-Mail: saskia.groenewegen@gmx.de
Johannes Strassner
Fraunhofer IMK
53754 Schloß Birlinghoven
Tel.: +49 (0)2241 14 2981
Fax: +49 (0) 2241 14 2040
E-Mail: johannes.strassner@imk.fhg.de
Abstract: Konfigurierbare, virtuelle Persönlichkeiten, die Emotionen zeigen und ihre Lehrstrategie an
die Bedürfnisse des Schülers anpassen, stellen einen wichtigen Schritt bei der Umsetzung von realem
Unterricht in einer virtuelle Umgebung dar. Nach der Analyse bestehender Lernprogramme,
pädagogischer Unterrichtsmodelle und Emotionsmodelle für virtuelle Charaktere wurde ein Pädagogik-
Framework entwickelt. Das Ergebnis ist ein System, das Eigenschaften bestehender Lernprogramme
mit pädagogischen Lehrstrategien und neuen Ansätzen vereinbart und es ermöglichen soll, virtuelle
Charaktere als Alternative zu menschlichen Lehren einzusetzen.
Stichworte: Virtuelle Charaktere, Interaktion, Emotionen, Pädagogik, Lernsoftware
1 Einleitung
Virtuelle Menschen sollen bei Schülern eine hohe Akzeptanz und soziale Interaktionsbereitschaft
hervorrufen. Die Entwicklung solcher Menschmodelle ist ein indisziplinärer Ansatz, der Resultate aus
mehreren Gebieten, wie z.B. Computergraphik, natürliche Sprachverarbeitung, verteilte Systeme und
Psychologie integriert [GrRi2002]. Synthetische Charaktere sind als multimodales Interface [Tha2000]
angelegt, das Sprache mit nichtverbalem Verhalten kombiniert. Synthetische Sprache und
Lippensynchronität können mit hoher Qualität automatisch aus Text erzeugt werden. Systeme wie
BEAT [CaVi2001] verwenden die vom Sprachsynthesesystem erzeugte Zeitleiste, um nichtverbales
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Verhalten, wie z.B. Gesten, mit der Sprachanimation zu synchronisieren. Hierbei wird in einer Pipeline
von Modulen ein Text mit XML-Markierungen versehen.
Youngblut [You1998] und Roussou [Rou2000] zeigen an Hand von 50 VR-basierten
Lernanwendungen und 35 Studien mit graphikbasierten Systemen die Bedeutung von VR für
Lernanwendungen. Audio-visuelle Szenarien wurden im Vergleich zu rein grafischen Anwendungen als
motivierender empfunden und waren dem Lernprozess förderlich. Zurzeit bestehen mehrere Ansätze zu
Lernanwendungen [Add2003][GrWi1999][WiGr1998][Phy2000]. ”Drill and Practise” Programme wie
Vokabeltrainer vermitteln Faktenwissen ohne größere Zusammenhänge. Lernprogramme mit virtuellen
Charakteren als Ansprechpartnern [Add2003] [WiGr1998] setzen auf das Interesse des Schülers an
einem ”menschlichen” Gegenüber, dessen Wesen dem Schüler vertraut und dessen Aussagen daher
besonders zugänglich sind. Lernspiele [Phy2000] stellen schulische Probleme in den Kontext eines
interaktiven Spiels, für dessen Bewältigung der Schüler sich innerhalb des Spiels Wissen aneignen muss.
Durch das Spielen ist der Lernprozeß zeitaufwändig. Intelligente Tutoringsysteme [WiGr1998]
vermitteln Wissen durch direkte Interaktion mit dem Schüler, wobei der Schüler durch seine Reaktionen
den Verlauf des Unterrichts beeinflussen kann. In einer Reihe von virtuellen Umgebungen werden
pädagogische Charaktere eingesetzt [ElRi1999][HiGr2003], doch kommt hier rein exploratives Lernen
zur Anwendung. Eine einzige Lernmethode entspricht jedoch nicht der Realität. Unseres Wissens
existiert bisher kein Programm, dass eine Unterrichtsstunde ersetzen kann.
Neben solchen den Ablauf des Unterrichts betreffenden Kriterien halten wir die Integration von
Emotionen für wesentlich. Ein Großteil der während eines Gesprächs gesendeten Informationen, wird
auf emotionaler Ebene übertragen [Meh1971], ein für Lehrsituationen essentieller Faktor. [Dam1994]
kam durch psychologische Experimente zu dem Schluss, dass es nicht möglich sei rationale
Entscheidungen ohne Emotionen zu fällen - ein Indikator für die Wichtigkeit von Emotionen für
menschliches Verhalten. Schließlich vereinfacht ein Emotionsmodell die Arbeit an virtuellen Charakteren
erheblich, da es dem Charakter Autonomie gewährt, wo andernfalls jede Bewegung einzeln modelliert
werden müsste - gerade bei der steigenden Zahl virtueller Charaktere ein wichtiger Gesichtspunkt
[TrPa2002].
Im Folgenden werden zunächst die Anforderungen an den Unterricht in einer Virtual Reality Umgebung
vorgestellt, die dem Schüler die Illusion einer realen Schulumgebung vermittelt. Danach wird das
entwickelte System präsentiert, das aus zwei Hauptkomponenten besteht. Modul 1 (”Unterrichtsablauf’)
regelt den zeitlichen und inhaltlichen Ablauf der Unterrichtseinheit und Modul 2 (”Emotionen”) steuert
die Emotionsentwicklung des Lehrers. Die Kommunikation zwischen den Modulen geschieht im XML
Format.
von Modulen ein Text mit XML-Markierungen versehen.
Youngblut [You1998] und Roussou [Rou2000] zeigen an Hand von 50 VR-basierten
Lernanwendungen und 35 Studien mit graphikbasierten Systemen die Bedeutung von VR für
Lernanwendungen. Audio-visuelle Szenarien wurden im Vergleich zu rein grafischen Anwendungen als
motivierender empfunden und waren dem Lernprozess förderlich. Zurzeit bestehen mehrere Ansätze zu
Lernanwendungen [Add2003][GrWi1999][WiGr1998][Phy2000]. ”Drill and Practise” Programme wie
Vokabeltrainer vermitteln Faktenwissen ohne größere Zusammenhänge. Lernprogramme mit virtuellen
Charakteren als Ansprechpartnern [Add2003] [WiGr1998] setzen auf das Interesse des Schülers an
einem ”menschlichen” Gegenüber, dessen Wesen dem Schüler vertraut und dessen Aussagen daher
besonders zugänglich sind. Lernspiele [Phy2000] stellen schulische Probleme in den Kontext eines
interaktiven Spiels, für dessen Bewältigung der Schüler sich innerhalb des Spiels Wissen aneignen muss.
Durch das Spielen ist der Lernprozeß zeitaufwändig. Intelligente Tutoringsysteme [WiGr1998]
vermitteln Wissen durch direkte Interaktion mit dem Schüler, wobei der Schüler durch seine Reaktionen
den Verlauf des Unterrichts beeinflussen kann. In einer Reihe von virtuellen Umgebungen werden
pädagogische Charaktere eingesetzt [ElRi1999][HiGr2003], doch kommt hier rein exploratives Lernen
zur Anwendung. Eine einzige Lernmethode entspricht jedoch nicht der Realität. Unseres Wissens
existiert bisher kein Programm, dass eine Unterrichtsstunde ersetzen kann.
Neben solchen den Ablauf des Unterrichts betreffenden Kriterien halten wir die Integration von
Emotionen für wesentlich. Ein Großteil der während eines Gesprächs gesendeten Informationen, wird
auf emotionaler Ebene übertragen [Meh1971], ein für Lehrsituationen essentieller Faktor. [Dam1994]
kam durch psychologische Experimente zu dem Schluss, dass es nicht möglich sei rationale
Entscheidungen ohne Emotionen zu fällen - ein Indikator für die Wichtigkeit von Emotionen für
menschliches Verhalten. Schließlich vereinfacht ein Emotionsmodell die Arbeit an virtuellen Charakteren
erheblich, da es dem Charakter Autonomie gewährt, wo andernfalls jede Bewegung einzeln modelliert
werden müsste - gerade bei der steigenden Zahl virtueller Charaktere ein wichtiger Gesichtspunkt
[TrPa2002].
Im Folgenden werden zunächst die Anforderungen an den Unterricht in einer Virtual Reality Umgebung
vorgestellt, die dem Schüler die Illusion einer realen Schulumgebung vermittelt. Danach wird das
entwickelte System präsentiert, das aus zwei Hauptkomponenten besteht. Modul 1 (”Unterrichtsablauf’)
regelt den zeitlichen und inhaltlichen Ablauf der Unterrichtseinheit und Modul 2 (”Emotionen”) steuert
die Emotionsentwicklung des Lehrers. Die Kommunikation zwischen den Modulen geschieht im XML
Format.
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2 Anforderungen
Um den Stoff bestmöglich zu vermitteln, sollen Gestaltung und Präsentation des Unterrichts auf
pädagogischen Lerntheorien beruhen. Es soll eine Interaktion mit dem Schüler stattfinden. Dazu zählen
vom Lehrer veranlasste Testsituationen, Fragen des Schülers und die Interaktion mit 3D-Modellen.
Verlauf, Inhalt und Gestaltung des Unterrichts sollen sich dem Schuler anpassen, um einen maximalen
Lernerfolg zu erzielen. Der Lehrer soll emotional auf die Handlungen des Schülers reagieren. Der
Charakter des Lehrers soll konfigurierbar sein. So kann ein realer Lehrer nachgebildet oder eine
besonders für einen bestimmten Schüler geeignete Lehrerpersönlichkeit erstellt werden. Der Lehrer soll
durch einen virtuellen, realistisch aussehenden Charakter dargestellt werden, um realen Unterricht zu
imitieren und dem Schüler eine vertraute Umgebung zu bieten. Für einen realistischen Charakter spricht
außerdem seine der Situation angemessene Seriösität, die ein comichafter Charakter nicht besitzt.
3 Unterrichtsablauf
Modul 1 steuert den Ablauf einer Unterrichtseinheit. Es bestimmt die Aussagen und Handlungen des
Lehrers, inhaltliche Nuancen des Unterrichts sowie die Reihenfolge der Unterrichtskomponenten.
Darüber hinaus passt es den Unterricht an den Schüler an
3.1 Didaktik
Der Ablauf einer virtuellen Unterrichtsstunde (Abb. 1) folgt Konzepten aus der Schuldidaktik
[Web2001]. Der Unterricht beginnt mit einer Einleitung des Lehrers zum Thema. Es wird überprüft, ob
der Schüler über das nötige Wissen verfügt, um den Stoff verstehen zu können. Weist der Schüler
Wissenslücken auf, so wird ihm das fehlende Wissen vermittelt. Anschließend motiviert der Lehrer die
Schüler für die Unterrichtsstunde, z.B. durch eine Problemstellung. Lehrer und Schüler können
gemeinsam eine Hypothese zur Lösung des Problems bilden. Die Lösung eines Problems stellt ein
sogenanntes ”Feinziel” dar. Nach der Erarbeitung eines Feinziels folgt eine kurze Zusammenfassung
durch den Lehrer um den Stoff zu festigen. Anschließend wird kontrolliert, wieviel der Schüler
verstanden und behalten hat (”Lernzielkontrolle”). Besteht der Schüler die Lernzielkontrolle nicht, wird
das Feinziel erneut bearbeitet. Hat der Schüler das Lernziel erreicht, so wird das nächste Feinziel
erarbeitet. Dies geschieht solange, bis alle Feinziele vom Schüler erreicht sind. Den Abschluss der
Unterrichtsstunde bilden ein Test bei dem der Schüler bewertet wird und ein Schlusswort des Lehrers.
3.2 Das Unterrichtsskript
Das Skript einer Unterrichtstunde enthält Aussagen und Aktionen, die eine Unterrichtsstunde realisieren.
Es ist entsprechend der Didaktik in Situationen eingeteilt. Jede Aussage setzt sich aus atomaren
Abschnitten zusammen. Ein Abschnitt besteht aus dem von einem virtuellen Lehrer zu sprechenden Text,
sowie XML-Markierungen. Diese Markierungen synchronisieren nonverbales Verhalten und
Um den Stoff bestmöglich zu vermitteln, sollen Gestaltung und Präsentation des Unterrichts auf
pädagogischen Lerntheorien beruhen. Es soll eine Interaktion mit dem Schüler stattfinden. Dazu zählen
vom Lehrer veranlasste Testsituationen, Fragen des Schülers und die Interaktion mit 3D-Modellen.
Verlauf, Inhalt und Gestaltung des Unterrichts sollen sich dem Schuler anpassen, um einen maximalen
Lernerfolg zu erzielen. Der Lehrer soll emotional auf die Handlungen des Schülers reagieren. Der
Charakter des Lehrers soll konfigurierbar sein. So kann ein realer Lehrer nachgebildet oder eine
besonders für einen bestimmten Schüler geeignete Lehrerpersönlichkeit erstellt werden. Der Lehrer soll
durch einen virtuellen, realistisch aussehenden Charakter dargestellt werden, um realen Unterricht zu
imitieren und dem Schüler eine vertraute Umgebung zu bieten. Für einen realistischen Charakter spricht
außerdem seine der Situation angemessene Seriösität, die ein comichafter Charakter nicht besitzt.
3 Unterrichtsablauf
Modul 1 steuert den Ablauf einer Unterrichtseinheit. Es bestimmt die Aussagen und Handlungen des
Lehrers, inhaltliche Nuancen des Unterrichts sowie die Reihenfolge der Unterrichtskomponenten.
Darüber hinaus passt es den Unterricht an den Schüler an
3.1 Didaktik
Der Ablauf einer virtuellen Unterrichtsstunde (Abb. 1) folgt Konzepten aus der Schuldidaktik
[Web2001]. Der Unterricht beginnt mit einer Einleitung des Lehrers zum Thema. Es wird überprüft, ob
der Schüler über das nötige Wissen verfügt, um den Stoff verstehen zu können. Weist der Schüler
Wissenslücken auf, so wird ihm das fehlende Wissen vermittelt. Anschließend motiviert der Lehrer die
Schüler für die Unterrichtsstunde, z.B. durch eine Problemstellung. Lehrer und Schüler können
gemeinsam eine Hypothese zur Lösung des Problems bilden. Die Lösung eines Problems stellt ein
sogenanntes ”Feinziel” dar. Nach der Erarbeitung eines Feinziels folgt eine kurze Zusammenfassung
durch den Lehrer um den Stoff zu festigen. Anschließend wird kontrolliert, wieviel der Schüler
verstanden und behalten hat (”Lernzielkontrolle”). Besteht der Schüler die Lernzielkontrolle nicht, wird
das Feinziel erneut bearbeitet. Hat der Schüler das Lernziel erreicht, so wird das nächste Feinziel
erarbeitet. Dies geschieht solange, bis alle Feinziele vom Schüler erreicht sind. Den Abschluss der
Unterrichtsstunde bilden ein Test bei dem der Schüler bewertet wird und ein Schlusswort des Lehrers.
3.2 Das Unterrichtsskript
Das Skript einer Unterrichtstunde enthält Aussagen und Aktionen, die eine Unterrichtsstunde realisieren.
Es ist entsprechend der Didaktik in Situationen eingeteilt. Jede Aussage setzt sich aus atomaren
Abschnitten zusammen. Ein Abschnitt besteht aus dem von einem virtuellen Lehrer zu sprechenden Text,
sowie XML-Markierungen. Diese Markierungen synchronisieren nonverbales Verhalten und
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Positionswechsel des Charakters mit der Sprache oder starten Aktionen in der virtuellen
Lehrumgebung. So kann z.B. ein Video auf einer Projektionswand abgespielt werden.
Abbildung 1: Unterrichtsablauf
Lehrumgebung. So kann z.B. ein Video auf einer Projektionswand abgespielt werden.
Abbildung 1: Unterrichtsablauf
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Die Ausgabe eines Abschnittes kann nicht unterbrochen werden. Die Länge ergibt sich aus
Minimaldauern, die z.B. durch die Mimik vorgegeben sind oder aus Anforderungen des text-to-speech-
Systems. Eine Aussage kann Varianten von Abschnitten enthalten, wobei Unterschiede durch
Auswahlparameter beschrieben werden (siehe 3.3). Jedes Unterrichtsskript richtet sich nach einem
XML Schema, das als Template dient (siehe 7).
Emotionen bestimmen die Betonung einzelner Worte, sowie die begleitende Mimik. Die entsprechenden
Einflußpunkte im Text werden durch den Autor markiert und zur Laufzeit durch das Emotionsmodul
ersetzt.
3.3 Anpassung an den Schüler
Der Unterricht wird vom System nach der Ausgabe eines Abschnittes in Form und Inhalt entsprechend
der Vorlieben und Fähigkeiten von Lehrer und Schüler angepaßt. Jeder Abschnitt des Unterrichtsskripts
wird hierzu mit Auswahlparametern versehen, die seine Form und Schwierigkeit beschreiben.
Die Form des Unterrichts setzt sich zusammen aus der Interaktionsform zwischen Lehrer und Schüler
und der Darstellungsform des Inhalts. Die Interaktionsform beruht auf den Lerntheorien der
Pädagogik (Behaviorismus [Ski1976], Kognitivismus und Konstruktivismus [Schu1997]). Diese
Lerntheorien wurden entsprechend umgesetzt: Frontalunterricht, gemeinsames Erarbeiten des Stoffes
durch Schüler und Lehrer, sowie eigenständiges Erarbeiten durch den Schüler. Je nach
Unterrichtssituation und Veranlagung des Schülers, führen diese zu besseren oder schlechteren
Lernergebnissen. Der gleiche Inhalt kann mit unterschiedlichen Mitteln vermittelt werden. Eine
Darstellungsform tendiert zwischen zwei gegensätzlichen Alternativen wie z.B. Tafelbild oder Film,
Text oder Sprache, witzig oder ernsthaft, mit oder ohne Formeln.
In die Auswahl der Unterrichtsform gehen die Vorlieben des Schülers, des Lehrers, sowie die Eignung
einer Unterrichtsform in der Praxis ein. Die Eignung wird durch Lernzielkontrollen nach der Bearbeitung
eines Feinzieles neu bestimmt. Die Erfolgsquote des Schülers in Abhängigkeit von der Häufigkeit des
Auftretens bestimmter Lernmethoden, beeinflusst die Eignung. Trat eine Lernmethode (z.B.
Frontalunterricht kombiniert mit Tafelbildern) häufig auf und lagen die Vorlieben des Schülers bei dieser
Lernmethode, so wird der Wert für diesen Eignungsparameter sinken, falls der Schüler wenig
erfolgereich war und steigen falls er erfolgreich war [Gro2004].
Weiterhin passt sich der Schwierigkeitsgrad des Unterrichts an die Fähigkeiten des Schülers an. Jede
Texteinheit (ungefähr ein bis drei Sätze) kann mit einem Niveau-Flag als leicht, mittel oder schwer
markiert werden. Mittelschwere Texteinheiten sind für alle Schüler, leichte für schwache Schüler denen
Zusatzinformationen zu einem Thema das Verständnis erleichtern und schwere Texteinheiten für gute
Schüler die Interesse an tiefergehenden Informationen haben. So werden schwache Schüler gefördert
Minimaldauern, die z.B. durch die Mimik vorgegeben sind oder aus Anforderungen des text-to-speech-
Systems. Eine Aussage kann Varianten von Abschnitten enthalten, wobei Unterschiede durch
Auswahlparameter beschrieben werden (siehe 3.3). Jedes Unterrichtsskript richtet sich nach einem
XML Schema, das als Template dient (siehe 7).
Emotionen bestimmen die Betonung einzelner Worte, sowie die begleitende Mimik. Die entsprechenden
Einflußpunkte im Text werden durch den Autor markiert und zur Laufzeit durch das Emotionsmodul
ersetzt.
3.3 Anpassung an den Schüler
Der Unterricht wird vom System nach der Ausgabe eines Abschnittes in Form und Inhalt entsprechend
der Vorlieben und Fähigkeiten von Lehrer und Schüler angepaßt. Jeder Abschnitt des Unterrichtsskripts
wird hierzu mit Auswahlparametern versehen, die seine Form und Schwierigkeit beschreiben.
Die Form des Unterrichts setzt sich zusammen aus der Interaktionsform zwischen Lehrer und Schüler
und der Darstellungsform des Inhalts. Die Interaktionsform beruht auf den Lerntheorien der
Pädagogik (Behaviorismus [Ski1976], Kognitivismus und Konstruktivismus [Schu1997]). Diese
Lerntheorien wurden entsprechend umgesetzt: Frontalunterricht, gemeinsames Erarbeiten des Stoffes
durch Schüler und Lehrer, sowie eigenständiges Erarbeiten durch den Schüler. Je nach
Unterrichtssituation und Veranlagung des Schülers, führen diese zu besseren oder schlechteren
Lernergebnissen. Der gleiche Inhalt kann mit unterschiedlichen Mitteln vermittelt werden. Eine
Darstellungsform tendiert zwischen zwei gegensätzlichen Alternativen wie z.B. Tafelbild oder Film,
Text oder Sprache, witzig oder ernsthaft, mit oder ohne Formeln.
In die Auswahl der Unterrichtsform gehen die Vorlieben des Schülers, des Lehrers, sowie die Eignung
einer Unterrichtsform in der Praxis ein. Die Eignung wird durch Lernzielkontrollen nach der Bearbeitung
eines Feinzieles neu bestimmt. Die Erfolgsquote des Schülers in Abhängigkeit von der Häufigkeit des
Auftretens bestimmter Lernmethoden, beeinflusst die Eignung. Trat eine Lernmethode (z.B.
Frontalunterricht kombiniert mit Tafelbildern) häufig auf und lagen die Vorlieben des Schülers bei dieser
Lernmethode, so wird der Wert für diesen Eignungsparameter sinken, falls der Schüler wenig
erfolgereich war und steigen falls er erfolgreich war [Gro2004].
Weiterhin passt sich der Schwierigkeitsgrad des Unterrichts an die Fähigkeiten des Schülers an. Jede
Texteinheit (ungefähr ein bis drei Sätze) kann mit einem Niveau-Flag als leicht, mittel oder schwer
markiert werden. Mittelschwere Texteinheiten sind für alle Schüler, leichte für schwache Schüler denen
Zusatzinformationen zu einem Thema das Verständnis erleichtern und schwere Texteinheiten für gute
Schüler die Interesse an tiefergehenden Informationen haben. So werden schwache Schüler gefördert
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und gute nicht unterfordert. Das Niveau des Schülers wird am Ende einer Unterrichtseinheit durch einen
Test bestimmt, dessen Resultat bei der nächsten Einheit übernommen wird. Liegt keinWert vor, kann
auch manuell ein Niveau angegeben werden, z.B. von einem betreuenden Lehrer.
4 Emotionen
Dieses Modul beinhaltet ein Modell für die Emotionsentwicklung des virtuellen Lehrers. Der Lehrer
entwickelt Emotionen auf Basis des verbreiteten ([PrSa2004][ZhCo2003]) OCC Modells [OrCl1988].
Das Modell wurde der Domäne des Schulunterrichts angepasst, weshalb nur fünf der Emotionen des
OCC Modells benötigt werden. Der Lehrer kann die Emotionen Freude, Ärger, Hoffnung,
Zufriedenheit und Enttäuschung in jeweils drei Intensitätsstufen entwickeln.
Abbildung 2: Emotionsentwicklung
Test bestimmt, dessen Resultat bei der nächsten Einheit übernommen wird. Liegt keinWert vor, kann
auch manuell ein Niveau angegeben werden, z.B. von einem betreuenden Lehrer.
4 Emotionen
Dieses Modul beinhaltet ein Modell für die Emotionsentwicklung des virtuellen Lehrers. Der Lehrer
entwickelt Emotionen auf Basis des verbreiteten ([PrSa2004][ZhCo2003]) OCC Modells [OrCl1988].
Das Modell wurde der Domäne des Schulunterrichts angepasst, weshalb nur fünf der Emotionen des
OCC Modells benötigt werden. Der Lehrer kann die Emotionen Freude, Ärger, Hoffnung,
Zufriedenheit und Enttäuschung in jeweils drei Intensitätsstufen entwickeln.
Abbildung 2: Emotionsentwicklung
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4.1 Die Ereignistabelle
Der Unterricht bildet eine abgeschlossene Umgebung, in der nur eine begrenzte Zahl von Ereignissen
auftreten können. Die Bewertung von Situationen aufgrund von charakterspezifischen Parametern, durch
die das OCC Modell Emotionen in einer unendlich großen Umgebung entstehen lässt, wurde deshalb
ersetzt. Emotionen entstehen in unserem Modell durch eine direkte, charakterabhängige Zuordnung von
Ereignissen zu Emotionen. Jeder Charakter besitzt demnach eine eigene emotionale Reaktionen auf ein
bestimmtes Ereignis.
4.2 Veränderungen der Emotionen
Die Intensität einer entstandenen Emotion nimmt linear ab je mehr Zeit vergeht, ist also über längere Zeit
aktiv. Der Lehrer kann somit mehrere Emotionen gleichzeitig empfinden. Entstehende Emotionen
werden von bereits aktiven Emotionen beeinflusst: Positive Emotionen (Freude, Zufriedenheit)
schwächen negative (Ärger, Enttäuschung) bei der Entstehung ab und umgekehrt, wogegen Emotionen
gleicher Art sich verstärken [Gro2004]. Ein virtueller Charakter kann nur eine Emotion gleichzeitig
ausdrücken. Deshalb wird in Intervallen die Emotion mit der höchsten Intensität bestimmt und an den
virtuellen Lehrer weitergegeben.
Anders als z.B. Autotutor, dessen emotionales Verhalten auf der Interpretation des vom virtuellen
Charakter ausgegebenen Textes beruht [PeCr2000][Neu2002], verfügt unser System über die
Fähigkeit mehrere, sich gegenseitig beeinflussende Emotionen gleichzeitig zu empfinden, die als Reaktion
auf die Handlungen des Schülers entstehen.
4.3 Anpassung des Lehrers
Der Charakter eines Lehrers wird durch seine Emotionen bestimmt. Durch die Ereignistabelle kann eine
beliebige emotionale Reaktion zu einem beliebigen Ereignis zugewiesen werden. Dadurch können
fröhliche oder niedergeschlagene, strenge oder nachsichtige Lehrer entstehen. Des weiteren verfügt ein
Lehrer über eine introvertierte oder extrovertierte Persönlichkeit, die bestimmt wie stark die
empfundenen Emotionen ausgedrückt werden. Die Emotionen eines Lehrers beeinflussen seine Mimik
und die Betonung seiner Sprache. Dadurch wird dem Schüler auf emotionaler Ebene ein Feedback auf
seine Handlungen gegeben. Es besteht die Möglichkeit mehr als einen Lehrercharakter zu verwenden.
Jeder weitere Lehrer verfügt über eine eigene Ereignistabelle und eigene Persönlichkeit. So können zwei
völlig unterschiedliche Lehrercharaktere kreiert werden, z.B. ein Lehrer und ein Assistent oder ein
fröhlicher und strenger Lehrer. Außerdem kann jeder Texteinheit ein Lehrer-Flag zugewiesen werden,
das bestimmt von welchen Lehrer der Text gesprochen wird. Dadurch können die Lehrer z.B.
miteinander diskutieren oder ein Lehrer kann Dinge wissenschaftlich-formell und der andere
umgangssprachlich formulieren.
Der Unterricht bildet eine abgeschlossene Umgebung, in der nur eine begrenzte Zahl von Ereignissen
auftreten können. Die Bewertung von Situationen aufgrund von charakterspezifischen Parametern, durch
die das OCC Modell Emotionen in einer unendlich großen Umgebung entstehen lässt, wurde deshalb
ersetzt. Emotionen entstehen in unserem Modell durch eine direkte, charakterabhängige Zuordnung von
Ereignissen zu Emotionen. Jeder Charakter besitzt demnach eine eigene emotionale Reaktionen auf ein
bestimmtes Ereignis.
4.2 Veränderungen der Emotionen
Die Intensität einer entstandenen Emotion nimmt linear ab je mehr Zeit vergeht, ist also über längere Zeit
aktiv. Der Lehrer kann somit mehrere Emotionen gleichzeitig empfinden. Entstehende Emotionen
werden von bereits aktiven Emotionen beeinflusst: Positive Emotionen (Freude, Zufriedenheit)
schwächen negative (Ärger, Enttäuschung) bei der Entstehung ab und umgekehrt, wogegen Emotionen
gleicher Art sich verstärken [Gro2004]. Ein virtueller Charakter kann nur eine Emotion gleichzeitig
ausdrücken. Deshalb wird in Intervallen die Emotion mit der höchsten Intensität bestimmt und an den
virtuellen Lehrer weitergegeben.
Anders als z.B. Autotutor, dessen emotionales Verhalten auf der Interpretation des vom virtuellen
Charakter ausgegebenen Textes beruht [PeCr2000][Neu2002], verfügt unser System über die
Fähigkeit mehrere, sich gegenseitig beeinflussende Emotionen gleichzeitig zu empfinden, die als Reaktion
auf die Handlungen des Schülers entstehen.
4.3 Anpassung des Lehrers
Der Charakter eines Lehrers wird durch seine Emotionen bestimmt. Durch die Ereignistabelle kann eine
beliebige emotionale Reaktion zu einem beliebigen Ereignis zugewiesen werden. Dadurch können
fröhliche oder niedergeschlagene, strenge oder nachsichtige Lehrer entstehen. Des weiteren verfügt ein
Lehrer über eine introvertierte oder extrovertierte Persönlichkeit, die bestimmt wie stark die
empfundenen Emotionen ausgedrückt werden. Die Emotionen eines Lehrers beeinflussen seine Mimik
und die Betonung seiner Sprache. Dadurch wird dem Schüler auf emotionaler Ebene ein Feedback auf
seine Handlungen gegeben. Es besteht die Möglichkeit mehr als einen Lehrercharakter zu verwenden.
Jeder weitere Lehrer verfügt über eine eigene Ereignistabelle und eigene Persönlichkeit. So können zwei
völlig unterschiedliche Lehrercharaktere kreiert werden, z.B. ein Lehrer und ein Assistent oder ein
fröhlicher und strenger Lehrer. Außerdem kann jeder Texteinheit ein Lehrer-Flag zugewiesen werden,
das bestimmt von welchen Lehrer der Text gesprochen wird. Dadurch können die Lehrer z.B.
miteinander diskutieren oder ein Lehrer kann Dinge wissenschaftlich-formell und der andere
umgangssprachlich formulieren.
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5 Datenbeschreibung
Das Skript einer Unterrichtsstunde liegt im XML Format vor. Der folgende Beispielcode zeigt einen
”Absatz”, der Teil eines größeren Textabschnitts ist. Der Absatz wurde bereits mit der aktuellen
Emotion des Lehrers versehen, der ihn aussprechen soll.
Man erkennt, dass die Gesichtsmimik während des Absatzes gleich bleibt. Außerdem werden
ausgewählte Worte mit einer emotionalen Betonung versehen. Diese geschieht, damit nicht ein ganzer
Satz mit gleicher Tonhöhe, Schnelligkeit und Lautstärke ausgesprochen wird, aber eine Emotion in der
Sprache erkennbar ist.
6 Synthetische Charaktere
Das IMK Charakter-System „Josh“ erzeugt aus den vom System ausgewählten Absätzen eine von
Menschmodellen dargestellte multimodale Ausgabe. Hierzu hat ein Autor bei der Erstellung einer
Unterrichtstunde aus einer Bibliothek Gestikanimationen den einzelnen Absätzen zugeordnet.
Gesichtsmimik generiert das Charaktersystem dynamisch in Echtzeit. Ein morphbares Gesichtsmodell
stellt Sprachviseme und Emotionen zur Verfügung, die durch paralleles Setzen von Kanälen gewichtet
gesetzt werden können. Text wird durch ein Sprach-Synthesesystem in Sprache gewandelt. Hierbei
werden auch die zugehörigen Viseme, sowie deren zeitliche Integration in die Sprachausgabe bestimmt.
Das verwendete System von AT&T verfügt zwar über natürlichsprachliche Qualität, aber die Stimmen
sind emotional nicht variierbar. Deshalb wurden mit einem diphonbasierten System emotional betonte
Sprachfragmente erzeugt. Alternativ können auch Sprachaufnahmen verwendet werden. Die
Lippenbewegungen werden durch Analysesysteme in Echtzeit oder offline aus der Sprache generiert.
Emotionen des Menschmodells werden in Echtzeit entsprechend der vom Emotionsmodell adaptierten
Beschreibung eines Absatzes mit den Visemen der Sprache gemischt. Die Intensität der Mimik wird
hierbei unter Berücksichtigung der Bewegungsgrenzen angepaßt.
<Absatz ID="absatz2.1" level="mittel">
<Mimik name="Freude3">Wie
<Betonung emotion="Freude" intensitaet="3">
kommt</Betonung>es eigentlich,
dass der Mond immer
<Betonung emotion="Freude" intensitaet="3">
anders</Betonung>aussieht?
</Mimik>
</Absatz>
Das Skript einer Unterrichtsstunde liegt im XML Format vor. Der folgende Beispielcode zeigt einen
”Absatz”, der Teil eines größeren Textabschnitts ist. Der Absatz wurde bereits mit der aktuellen
Emotion des Lehrers versehen, der ihn aussprechen soll.
Man erkennt, dass die Gesichtsmimik während des Absatzes gleich bleibt. Außerdem werden
ausgewählte Worte mit einer emotionalen Betonung versehen. Diese geschieht, damit nicht ein ganzer
Satz mit gleicher Tonhöhe, Schnelligkeit und Lautstärke ausgesprochen wird, aber eine Emotion in der
Sprache erkennbar ist.
6 Synthetische Charaktere
Das IMK Charakter-System „Josh“ erzeugt aus den vom System ausgewählten Absätzen eine von
Menschmodellen dargestellte multimodale Ausgabe. Hierzu hat ein Autor bei der Erstellung einer
Unterrichtstunde aus einer Bibliothek Gestikanimationen den einzelnen Absätzen zugeordnet.
Gesichtsmimik generiert das Charaktersystem dynamisch in Echtzeit. Ein morphbares Gesichtsmodell
stellt Sprachviseme und Emotionen zur Verfügung, die durch paralleles Setzen von Kanälen gewichtet
gesetzt werden können. Text wird durch ein Sprach-Synthesesystem in Sprache gewandelt. Hierbei
werden auch die zugehörigen Viseme, sowie deren zeitliche Integration in die Sprachausgabe bestimmt.
Das verwendete System von AT&T verfügt zwar über natürlichsprachliche Qualität, aber die Stimmen
sind emotional nicht variierbar. Deshalb wurden mit einem diphonbasierten System emotional betonte
Sprachfragmente erzeugt. Alternativ können auch Sprachaufnahmen verwendet werden. Die
Lippenbewegungen werden durch Analysesysteme in Echtzeit oder offline aus der Sprache generiert.
Emotionen des Menschmodells werden in Echtzeit entsprechend der vom Emotionsmodell adaptierten
Beschreibung eines Absatzes mit den Visemen der Sprache gemischt. Die Intensität der Mimik wird
hierbei unter Berücksichtigung der Bewegungsgrenzen angepaßt.
<Absatz ID="absatz2.1" level="mittel">
<Mimik name="Freude3">Wie
<Betonung emotion="Freude" intensitaet="3">
kommt</Betonung>es eigentlich,
dass der Mond immer
<Betonung emotion="Freude" intensitaet="3">
anders</Betonung>aussieht?
</Mimik>
</Absatz>
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7 VR-Umgebung
Die beiden Module („Unterrichtsablauf“ und „Emotionen“) sorgen für die Auswahl und Parametrisierung
von Absätzen, die dann vom virtuellen Charakter ausgegeben werden.
Der Lehrer bewegt sich während des Unterrichts situationsabhängig zwischen drei Positionen
(Abbildung 3). Position 4 zeigt die Stelle an auf der ein dreidimensionales Modell erscheinen kann,
welches der Schüler betrachten oder manipulieren kann um eine Aufgabe zu erfüllen.
Abbildung 3: Mögliche Positionen des Lehrers und eines 3D Modells
Abbildung 4 zeigt das Beispiel eines Modells von Sonne, Erde und Mond an dem der Schüler eine
Sonnenfinsternis nachstellen soll. Der Lehrer kommuniziert mit dem Schüler neben der
emotionsabhängigen Mimik durch kontexabhängige Zeigegesten, Kopfgesten und Blicke.
Abbildung 4: Der Schüler bearbeitet ein dreidimensionales Modell
Die beiden Module („Unterrichtsablauf“ und „Emotionen“) sorgen für die Auswahl und Parametrisierung
von Absätzen, die dann vom virtuellen Charakter ausgegeben werden.
Der Lehrer bewegt sich während des Unterrichts situationsabhängig zwischen drei Positionen
(Abbildung 3). Position 4 zeigt die Stelle an auf der ein dreidimensionales Modell erscheinen kann,
welches der Schüler betrachten oder manipulieren kann um eine Aufgabe zu erfüllen.
Abbildung 3: Mögliche Positionen des Lehrers und eines 3D Modells
Abbildung 4 zeigt das Beispiel eines Modells von Sonne, Erde und Mond an dem der Schüler eine
Sonnenfinsternis nachstellen soll. Der Lehrer kommuniziert mit dem Schüler neben der
emotionsabhängigen Mimik durch kontexabhängige Zeigegesten, Kopfgesten und Blicke.
Abbildung 4: Der Schüler bearbeitet ein dreidimensionales Modell
Page 10
Abbildung 5 zeigt zwei Lehrer, einer blickt zur Tafel während der andere das Tafelbild erklärt und
darauf deutet.
Abbildung 5: Unterricht mit zwei Lehrern
8 Resultate
Die vorgestellten Konzepte zeigen einen Ansatz für ein Lernprogramm, dass realen Unterricht so
realistisch wie möglich nachzubilden versucht. Erstellt wurde ein System für den Unterricht mit virtuellen
Charakteren als Lehrern, das die Bedürfnisse des Schülers ohne dessen Zutun erkennt und auf sie
reagiert. Es gestattet, dem Lehrer eine beliebige Persönlichkeit zu geben und gestaltet den Unterricht
nach pädagogischen Gesichtspunkten.
9 Literatur
[Add2003] ADDY, 2003. Addy. URL: http://www.addy.de.
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darauf deutet.
Abbildung 5: Unterricht mit zwei Lehrern
8 Resultate
Die vorgestellten Konzepte zeigen einen Ansatz für ein Lernprogramm, dass realen Unterricht so
realistisch wie möglich nachzubilden versucht. Erstellt wurde ein System für den Unterricht mit virtuellen
Charakteren als Lehrern, das die Bedürfnisse des Schülers ohne dessen Zutun erkennt und auf sie
reagiert. Es gestattet, dem Lehrer eine beliebige Persönlichkeit zu geben und gestaltet den Unterricht
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