TEZĂ DE DOCTORAT - ai.pub.roai.pub.ro/resources/files/teza-doctorat/teza-doctorat-valentin... · TEZĂ DE DOCTORAT Algoritmi pentru identificarea, evaluarea şi corectarea deficienţelor

  • Upload
    lebao

  • View
    264

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

  • 1

    UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI

    Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Ingineria Informaiei

    Departamentul de Electronic Aplicat

    Nr. Decizie Senat: 225 din 27.09.2013

    TEZ DE DOCTORAT

    Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    Algorithms for Identification, Evaluation, and Correction of

    Audio-Verbal Deficiencies

    Autor: Ing. Valentin VELICAN

    Conductor de doctorat: Prof.dr.ing. Rodica STRUNGARU

    COMISIA DE DOCTORAT Preedinte Prof. dr. ing. Gheorghe Brezeanu de la Universitatea "Politehnica" din Bucureti

    Conductor de doctorat Prof. dr. ing. Rodica Strungaru de la Universitatea "Politehnica" din Bucureti

    Referent Prof. dr. ing. Eugeniu Oancea de la Academia Tehnic Militar

    Referent Prof. dr. ing. Victor Valeriu Patriciu de la Academia Tehnic Militar

    Referent Prof. dr. ing. Ovidiu Grigore de la Universitatea "Politehnica" din Bucureti

    Bucureti

  • 2

  • 3

    ___________________________________________________________________________

    Cuprins

    ___________________________________________________________________________

    Pag.

    INTRODUCERE 7

    1. DOMENIUL CERCETRII I ACTIVITI DESFAURATE 7

    2. ASPECTE CARE AU MOTIVAT LUCRAREA 7

    CAPITOLUL 1

    AUZUL I EDUCAREA AUDIO-VERBAL 11

    1.1. AUZUL I AFECIUNILE SISTEMULUI AUDITIV 11

    1.2. PROTEZELE AUDITIVE 12

    1.3. EDUCAREA AUDIO-VERBAL. STATE OF THE ART 18

    I DIRECII DE CERCETARE

    CAPITOLUL 2

    SISTEME DE NVARE AUTOMATIZATE. 21

    MODEL DE ALGORITM DE NVARE PRIN NTRIRE

    2.1. SISTEME DE NVARE AUTOMATIZATE. SCURT INTRODUCERE 22

    2.2. NVAREA PRIN REPETIIE: IMPORTANA I UTILITATEA 26

    N CADRUL TERAPIEI AUDIO-VERBALE

    2.3. ALGORITM DE NVARE PRIN REPETIIE . 27

    DESCRIERE, DEZAVANTAJE I SUGESTII DE MBUNTIRE.

    2.4. MODIFICAREA ALGORITMULUI DE NVARE PRIN REPETIIE. 31

    DEZVOLTARE ALGORITM PENTRU ANTRENARE ADAPTIV

    2.5. ALGORITM PENTRU ANTRENARE ADAPTIV CU MODIFICAREA 36

    PROBABILITILOR DE EMISIE

    PROPORIONAL CU ERORILE DE RECUNOATERE

    2.6. ALGORITM DE ANTRENARE ADAPTIV PRIN REPETIIE: 47

    DEFINIREA CONDIIILOR DE OPRIRE

    2.6.1 Sisteme fuzzy-expert. Scurt prezentare 48

    2.6.2 Sistemul fuzzy-expert utilizat n cadrul algoritmilor 52

    CAPITOLUL 3

    TESTAREA ALGORITMILOR DE NVARE PRIN REPETIIE-ADAPTIV 55

    3.1. MODELAREA PROCESULUI DE NVARE A CUNOTINELOR 55

    FUNDAMENTALE N CAZUL COPIILOR CU DEFICIENE DE AUZ

    3.2. MODELAREA PROCESULUI DE MEMORARE FOLOSIND 56

    O REEA NEURONAL DE TIP PERCEPTRON MULTISTRAT

    3.2.1 Rezultate obinute 63

    3.3. MODELAREA PROCESULUI DE MEMORARE FOLOSIND 71

  • 4

    O REEA NEURONAL COMPETITIV

    DE TIP LVQ - LEARNING VECTOR QUANTIZATION

    3.3.1 Rezultate obinute 75

    3.4. APLICAIE DE ANTRENARE ADAPTIV PENTRU UTILIZAREA 78

    N TERAPIA AUDIO-VERBAL

    CAPITOLUL 4

    RECUNOATEREA DEFICIENELOR DE PRONUNIE 81

    4.1. NECESITATEA IDENTIFICRII I CORECTRII 83

    DEFICIENELOR DE PRONUNIE

    4.2. IDENTIFICAREA ROTACISMULUI / PARAROTACISMULUI 85

    PRIN ANALIZAREA SEMNALULUI VOCAL N DOMENIUL TIMP

    4.2.1 Rezultatele aplicrii metodei de extragere a trsturilor 90

    4.3. IDENTIFICAREA ROTACISMULUI / PARAROTACISMULUI PRIN 91

    ANALIZAREA VARIAIEI COMPONENTELOR MEL-CEPSTRULUI

    4.3.1 Rezultatele aplicrii metodei de extragere a trsturilor 96

    4.4. IDENTIFICAREA ROTACISMULUI / PARAROTACISMULUI 98

    PRIN SELECTAREA COMPONENTELOR CEPSTRALE RELEVANTE

    4.4.1 Rezultatele aplicrii metodei de extragere a trsturilor 101

    4.4.2 Optimizarea procesului de selecie a componentelor 102

    cepstrale folosind algoritmi genetici

    CAPITOLUL 5

    TESTAREA ALGORITMILOR DE IDENTIFICARE 104

    A DEFICIENELOR DE PRONUNIE PENTRU FONEMUL /R/

    5.1. FORMAREA LOTULUI DE NREGISTRRI 104

    5.2. TESTAREA ALGORITMULUI DE IDENTIFICARE 105

    PE BAZA MEL-CEPSTRULUI. CLASIFICAREA ROSTIRILOR

    5.3. TESTAREA ALGORITMULUI DE IDENTIFICARE 107

    PE BAZA VARIAIEI ANVELOPEI SEMNALULUI

    N DOMENIUL TIMP. CLASIFICAREA ROSTIRILOR

    5.4. TESTAREA ALGORITMULUI DE IDENTIFICARE A ROTACISMULUI 111

    PE BAZA METODEI DE SELECTARE A COMPONENTELOR

    CEPSTRALE RELEVANTE. CLASIFICAREA ROSTIRILOR

    CONCLUZII, CONTRIBUII I DIRECII VIITOARE DE CERCETARE 114

    C.1. CONTRIBUII PERSONALE 114

    C.2. CONCLUZII GENERALE 115

    C.3 PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE ULTERIOAR 117

    C.4 DISEMINARE REZULTATE 118

    ANEXE 121

    BIBLIOGRAFIE 132

  • 5

    Mulumiri

    Doresc s mulumesc tuturor celor care mi-au acordat sprijinul i suportul tiinific n

    dezvoltarea i redactarea tezei precum i tuturor celor care m-au susinut moral i fr de care

    uneori motivul de a merge mai departe este greu de gsit.

    mi exprim astfel recunotina fa de domnul profesor Ovidiu Grigore i fa de

    doamna profesor Rodica Strungaru pentru sfaturile, sugestiile i observaiile cu privire la

    activitile tiinifice efectuate i pentru susinerea lor la formarea mea ca cercettor.

    Sunt, de asemenea, recunosctor domnului profesor Eugeniu Oancea, referent al tezei

    mele de doctorat, pentru exemplul deosebit de etic, acesta acordndu-mi sprijinul su n

    vederea susinerii publice chiar i ntr-un moment dificil pentru domnia sa.

    Mulumesc i domnului profesor Victor Valeriu Patriciu, de asemenea referent al tezei

    mele de doctorat, pentru observaiile i suportul su n mbuntirea manuscrisului i a

    coninutului tiinific precum i pentru sprijinul su n vederea susinerii publice a acestei

    lucrri.

    Nu n ultimul rnd mi exprim recunotina fa de tatl meu, mama mea, Oana i

    Ruxandra, familia mea ce m-a susinut necontenit de-a lungul acestei perioade i fr de care,

    poate, aceste rezultate nu ar fi fost posibile.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    6

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    7

    INTRODUCERE

    1. DOMENIUL CERCETRII I ACTIVITI DESFURATE

    Dezvoltarea accentuat a cercetrii n domeniul inteligenei artificiale, recunoaterii

    formelor, dar i a sistemelor de calcul perfomante, a favorizat apariia unui numr mare de

    soluii cu caracter aplicativ. De pild, se pot aminti sisteme de diagnoz automatizat cu

    aplicabilitate n medicin precum [1], [2], [3] sau sisteme de procesare a semnalelor

    fiziologice care pot face o interpretare a strii individului [2], [4] cu aplicabilitate n domeniul

    psihologiei (i nu numai). Alte rezultate importante s-au obinut n domeniul procesrii

    semnalului vocal unde sisteme de codare, recunoatere, interpretare sau sintez a vocii sunt

    folosite de sine stttoare sau ca parte integrant din metasisteme necesare n aplicaii de

    transmisie, filtrare sau chiar de comunicare cu calculatorul [5], [6], [7], [8]. Nu n ultimul

    rnd, ntregul domeniu al procesrii imaginilor are o puternic legtur cu metode i algoritmi

    de recunoatere a formelor fiind n acelai timp asociat cu multe aplicaii n alte discipline. Un

    numr ridicat de astfel de exemple pot fi amintite, aceast tendine de integrare a cunotinelor

    dintr-unul sau mai multe domenii n rezolvarea unor neajunsuri din alte discipline fiind din ce

    n ce mai prezent. Teza de fa urmeaz acelai fga, fiind rezultatul mbinrii cunotinelor

    din mai multe discipline n scopul depirii unor impedimente identificate n domeniul

    patologiei limbajului i auzului, cu particularizare n cazul persoanelor nscute cu deficiene

    de auz i care nu au putut s-i dezvolte vorbirea. Studiul a folosit cunotine din cadrul

    procesrii de semnal vocal, recunoaterea formelor, sisteme automatizate de instruire, e-

    learning dar i psihologia persoanelor cu deficiene de auz.

    Prima parte a tezei a dezvoltat o mbuntire a strategiei de nvare prin repetiie prin

    adaptarea i ntrirea acelor stimulri informaionale care se observ c sunt mai greu reinute.

    mbuntirea acestei strategii i integrarea sa ntr-un sistem inteligent de instruire va aduce

    un beneficiu procesului terapeutic de recuperare a vorbirii prin faptul c permite o antrenare

    cu implicare minim din partea unui supervizor i acces (dac este necesar) de la distan. n

    acelai timp, un sistem inteligent la care supervizarea este minim permite eliberarea

    specialistului de anumite sarcini, astfel acesta va putea acorda mai mult atenie altora mai

    importante, activitatea sa fiind eficientizat. n regiuni unde numrul de centre de recuperare

    este minim, precum este i cazul rii noastre, orice metod de eficientizare a activitii este

    mai mult dect bine venit.

    Teza a verificat utilitatea modelului mbuntit prin aplicarea sa la instruirea unor

    "studeni virtuali" reprezentai de sisteme neuronale de tip feed-forward i LVQ. Aceast

    decizie a fost luat din motivul c un sistem neuronal de tip feed-forward sau LVQ emuleaz

    bine procesul de memorare a informaiei atunci cnd aceasta este prezentat repetitiv. A fost

    observat o mbuntire a numrului de ere de antrenare comparativ cu modelele de antrenare

    clasice, cu emisie a vectorilor de instructaj n mod neadaptat, cu condiia ca adaptarea

    informaiei mai puin reinute s nu fie excesiv.

    n partea a doua, studiul prezint trei metode de extragere a trsturilor pentru

    identificarea deficienelor de pronunie pentru fonemul /r/ iniial. Motivele pentru care s-a

    intit i domeniul logopediei sunt similare precum cele din cazul iniial. Totodat, corecia

    pronuniilor este parte integrant din procedurile de recuperare a auzului. Pentru aceste soluii

    s-a realizat i verificarea pe un lot de rostiri preluate de la dou centre logopedice din

    Bucureti.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    8

    2. ASPECTE CARE AU MOTIVAT LUCRAREA

    Educarea audio-verbal este o metod educaional pentru copiii hipoacuzici menit

    s-i nvee s foloseasc resturile de auz pentru a percepe lumea exterioar. Astfel acetia

    nva s contientizeze auzul pentru ca n final s-l poat folosi n a dobndi limbajul vorbit.

    Educarea audio-verbal se adreseaz acelor copii care au fost diagnosticai cu pierderi

    profunde ale auzului dar care nc au "resturi" ale acestui sim. Se presupune c, n prealabil,

    ei au fost protezai cu un dispozitiv de amplificare auditiv. Educarea audio-verbal nu

    ncurajeaz utilizarea altor limbaje pentru comunicare - precum limbajul semnelor sau cititul

    pe buze - i este recomandat a se desfura ca un program continuu, cu participarea direct a

    prinilor sau a persoanelor dragi copilului pentru ca acesta s o perceap ca un mod de via.

    Ea este implementat n urma vizitelor periodice la cabinete specializate de pregtire pentru

    hipoacuzici unde li se recomand un plan terapeutic, pot desfura exerciii de recuperare i n

    anumite cazuri pot fi pregtii i prinii pentru a continua exerciiile de recuperare n mediul

    de acas [9].

    Dezavantajele care afecteaz aceast metod de terapie, cel puin pentru ara noastr,

    sunt observate cnd se ia n considerare numrul sczut de centre de recuperare respectiv de

    specialiti raportat la numrul de copii. Spre exemplu n Bucureti exist o singur grdini

    pentru hipoacuzici iar n ar mai sunt doar dou astfel de centre conform [10]. Cum numrul

    de copii care necesit terapie este ridicat, atunci fiecrui specialist i revine un numr mare pe

    care trebuie s-i ndrume. n aceste condiii ne putem imagina c activitatea pe care

    specialistul o desfoar nu este din cele mai eficiente, el fiind n permanen nevoit s-i

    distribuie eforturile i atenia spre mai muli copii, astfel scznd timpul petrecut cu fiecare n

    parte.

    O alt problem care a fost identificat la nivelul metodelor de tarapie audio-verbal

    este lipsa unor unelte moderne, interactive, care s atrag printr-un caracter captivant,

    amuzant precum multe din soluiile de tip e-learning de pe pia adresate elevilor de coal

    primar, gimnazial sau chiar de liceu. Astfel de unelte ar fi un beneficiu pentru cei implicai

    sau legai de lumea educrii audio-verbale din motivul simplu c ar reprezenta o metod de

    exersare mai uor de implementat, cu mult mai puin implicare din partea unui supervizor.

    Astfel acesta ar putea s-i organizeze mai bine timpul i astfel s creasc eficiena cu care ar

    pregti copiii. Din pcate, puine soluii exist pe pia iar majoritatea prezint lipsuri care nu

    le fac a fi cea mai bun alegere cnd vine vorba de pregtirea unor copii hipoacuzici. Dup

    cum vom vedea ele sunt mai degrab adresate celor care au deja experien n comunicarea

    verbal.

    Nu n ultimul rnd, strategia principal de nvare utilizat n educarea audio-verbale

    este strategia de nvare bazat pe repetiie. Informaiile de reinut sunt repetate pn cnd

    supervizorul se asigur c subiectul a dobndit cunotinele necesare. O astfel de strategie de

    educare, poate fi folosit cu succes i n alte domenii precum nvarea unei limbi strine,

    exersarea pronuniei, corectarea de greeli de pronunie, diferena dintre toate acestea fiind

    mai degrab legat de coninutul informaional ce trebuie nvat dect de abordarea unei

    strategii sensibil diferite. Totui nu sunt cunoscute soluii automatizate care s implementeze

    aceast strategie de nvare pentru cazul terapiei audio-verbale comparativ cu celelalte cazuri

    unde programele de tip e-learning sunt puternic rspndite. n plus nu exist o metod

    obiectiv de adaptare a modelului astfel nct repetiia s fie ntrit pentru acele noiuni care

    sunt mai puin clarificate.

    Lucrarea de fa pornete de la aceste neajunsuri i dezvolt o serie de algoritmi care

    s poat fi utilizai n implementarea unei metode automatizate de nvare prin repetiie-

    adaptiv cu exemplificare pentru exerciii regsite n terapia audio-verbal. Totodat se

    dezvolt i algoritmi de extragere a trsturilor din semnalul vocal pentru identificarea unuia

    dintre cele mai ntlnite defecte de pronunie pentru limba romn, rotacismul, o contribuie

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    9

    necesar att n cazul interveniei logopedice la subieci care nu au parcurs terapia audio-

    verbal dar i pentru cei care au trecut prin aceast metod de recuperare.

    Capitolul 1 face o prezentare a stadiului actual i a rolului terapiei audio-verbale cu

    avantajele i dezavantajele identificate la metodele terapeutice curente.

    Capitolul 2 prezint metoda de nvare prin repetiie adaptiv, cu ntrire, dezvoltat

    n dou variante principale i modul n care se poate aplica pentru implementarea unor

    exerciii de antrenare audio-verbal. Totodat capitolul 2 introduce sistemele de educare

    inteligente de tip expert prezentnd utilitatea i arhitectura general a acestora.

    Capitolul 3 prezint o serie de teste de performan fcute asupra algoritmilor adaptivi

    de antrenare prin repetiie prin modelarea entitii de nvat (subiectul) cu ajutorul unor reele

    neuronale de tip perceptron multistrat (MLP) respectiv LVQ - learning vector quantization.

    Tot aici vor fi prezentai paii de dezvoltare a unei aplicaii software care a cutat s

    implementeze aceast strategie de nvare pentru un exerciiu folosit des n cadrul terapiei

    audio-verbale: discriminarea stimulilor non-verbal. n final, se prezint i rezultatele a dou

    teste fcute cu aplicaia n stadii preliminare de dezvoltare pe loturi de copii de la Grdinia

    nr. 65 pentru hipoacuzici pentru a se evalua impactul acesteia asupra utilizatorilor.

    Capitolul 4 deschide a doua parte a tezei unde sunt dezvoltate trei metode originale de

    identificare a pronuniei greite pentru fonemul /r/. A fost necesar dezvoltarea acestora

    deoarece s-a dorit aplicarea strategiei de nvare adaptiv i pentru un exerciiu de natur

    logopedic. n lipsa unor soluii de identificare automat a greelilor de pronunie nu ar fi fost

    posibil aplicarea algoritmului de nvare. Totdat, se argumenteaz studiul n aceast

    direcie i prin faptul c o corectare a deficienelor de pronunie este puternic recomandat n

    cazul copiilor hipoacuzici, vorbirea pentru acetia fiind mult mai greu de perfecionat

    comparativ cu cei care nu au avut probleme de auz. Acest lucru este evident deoarece modul

    n care limbajul este dezvoltat difer fa de cazul normal, copilul hipoacuzic asimilnd mult

    mai greu rostirile i fiind mai predispus la apariia dislaliilor (defecte de pronunie) datorit

    percepiei auditive mult mai slabe i capacitii mai reduse de a discrimina i cataloga

    sunetele.

    Capitolul 5 prezint i dezbate rezultatele aplicrii metodelor de identificare a

    deficienelor de pronunie pe nregistrri de cuvinte preluate de la copii de la dou centre

    logopedice din Bucureti.

    Ultimul capitol concluzioneaz teza reamintind contribuiile originale i rezultatele

    obinute. Tot aici se discut i necesitatea continurii studiului pe anumite aspecte care nu au

    putut fi acoperite de tez precum i alte direcii de cercetare care ar aduce un beneficiu

    domeniului dac ar fi dezvoltate.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    10

    Acknowledgement

    Rezultatele prezentate n acest tez de doctorat au fost obinute cu sprijinul financiar al

    Ministerului Muncii, Familiei i Proteciei Sociale prin Fondul Social European, Programul

    Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, Contract nr.

    POSDRU/107/1.5/S/76909.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    11

    CAPITOLUL 1 - AUZUL I EDUCAREA AUDIO-VERBAL.

    1.1. AUZUL I AFECIUNILE SISTEMULUI AUDITIV.

    Auzul este unul din simurile fundamentale prin care individul interacioneaz cu

    mediul nconjurtor. Informaia primit prin auz, chiar dac uneori pare nesemnificativ sau

    nici nu este contientizat, ne ajut s recunoatem i s acionm la prezena unor ageni din

    mediul nconjurtor. De la o vrst fraged descoperim i adugm importan mediului prin

    corelarea imaginilor cu sunetele. Astfel nvm s ne ferim de pericole, s identificm

    apariia unor evenimente importante sau s alertm pe alii de aceste lucruri. Totodat,

    limbajul vorbit este dezvoltat prin ascultarea celor din jur i nsuirea expresiilor acestora.

    Vorbind i ascultnd putem interaciona cu cei din jurul nostru, ne crem o identitate,

    "participm la via mai mult" [11]. Se creeaz, deci, premizele acumulrii de informaii, a

    educaiei, cu impact puternic asupra dezvoltrii profesionale i a viitoarei integrri sociale.

    Auzul este descris ca fiind abilitatea de a percepe variaile de presiune ale aerului din

    mediul ambiant cauzate de deplasarea unei unde sonore. La nivel anatomic i fiziologic - Fig.

    1.1 - urechea uman este mprit n trei componente principale: urechea extern, urechea

    mijlocie i urechea intern, fiecare avnd un rol n procesul de "prelucrare" a informaiei

    primit prin intermediul undei sonore ca n final s fie transmis ctre creier sub form de

    impulsuri electrice. Astfel, urechea extern, format din partea vizibil a urechii, canalul

    auditiv i timpan, are rolul de a prelua din exterior i de a conduce unde sonor ctre timpan

    provocnd excitarea acestuia sub form de vibraii similare cu cea a undei sonore. Vibraiile

    timpanului sunt apoi propagate i amplificate prin urechea mijlocie ctre urechea intern de o

    grupare osoas compus din cele mai mici trei oase din organism - ciocanul, scria i

    nicovala - dispus n interiorul unei incinte umplute cu aer. Urechea intern este compus din

    labirintul osos, un set de ncperi spate n osul temporal i labirintul membranos construit n

    interiorul acestuia. Sunetul amplificat, primit de la urechea mijlocie este n final preluat de

    cohlee, o component a labirintului membranos. Cohleea sau melcul cohlear - Fig. 1.2 - este

    un tub spiralat umplut cu un lichid bogat n potasiu denumit endolimf ce permite propagarea

    vibrailor ce au acum o amplitudine de pn la de 22 de ori mai mare dect cea iniial. La

    baza melcului cohlear se gsete o regiune denumit Organul lui Corti ce conine 15000 -

    20000 de celulele senzoriale ciliate responsabile cu "traducerea" vibraiilor sonore n stimuli

    electrici. Astfel, se ajunge ca de la o und mecanic creierul s recepioneze prin intermediul

    nervului cohlear un semnal electric ce descrie sunetul din ambient [12], [13].

    Afeciunile sistemului auditiv duc cel mai adesea la pierderea auzului cu importante

    efecte asupra psihicului individului. Pierderea auzului creeaz o stare de izolare, depresie, ca

    o barier de netrecut ntre individ i cei din jur. Cu att mai mult, cnd un copil se nate cu

    deficiene de auz dezvoltarea sa este puternic afectat. Copilul este supus unui proces

    nsemnat de reconfigurare a strategiilor de aciune la mediul nconjurtor conduse de o

    compensare puternic a modului de percepie a lumii prin celelalte simuri. El se va simi mai

    dezorientat, mai nelinitit, limbajul verbal nu va putea fi dezvoltat fiind necesar nsuirea

    unui limbaj alternativ pentru a comunica, capacitatea sa de a identifica pericole este diminuat

    iar ansele sale de integrare n societate i de a tri o via normal sunt reduse la minim.

    Nivelurile de pierdere auditiv sunt mprite n mai multe categorii dup sunetele

    perceptibile de ctre individ. Astfel descoperim:

    - pierderi uoare cnd subiectul nu aude sunete sub nivelul de 20 - 40dB SPL. ntr-o

    astfel de situaie individul se descurc greu n a percepe conversaii n medii zgomotoase.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    12

    - pierderi moderate situaie n care subiectul nu aude sunete sub nivelul de 40 - 70dB

    SPL

    - pierderi severe cnd subiectul nu aude sunete sub nivelul de 70 - 95dB SPL.

    - pierderi profunde caz n care subiectul nu aude sunete sub nivelul de 95dB SPL. [14]

    Figura 1.1 - Anatomia urechii umane.

    Figura 1.2 - Anatomia cohlear

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    13

    Pentru identificarea precoce a pierderilor de auz, cnd un copil reacioneaz mult mai

    bine la stimuli sau mesaje vizuale ignornd stimulrile auditive, se recomand un examen

    medical, audiologic, pentru stabilirea (dac se dovedete a fi cazul) rmielor de auz. n

    urma unui rezultat pozitiv n ceea ce privete pierderea auzului, se vor lua decizii cu privire la

    posibilitatea i modurile de protezare astfel nct copilului s-i fie oferit ansa s-i recapete

    acest sim. Tipul de protez ales este strns legat de categoria i nivelul de pierdere ce a fost

    identificat. n raport cu seciunea din sistemul auditiv - Fig. 1.1 - care este afectat, se cunosc

    urmtoarele categorii de pierderi:

    - Pierderile conductive - cauzate de o afeciune la nivelul urechii exterioare i/sau

    mijlocii. Volumul auzului ulterior unei astfel de afeciuni este asemntor cu acela cnd o

    persoan sntoas i acoper urechile cu minile iar zgomotele exterioare devin "nfundate"

    n raport cu sunetul produs de vocea proprie. mbucurtor este c pierderile din aceast

    categorie sunt considerate a fi uoare i sunt de cele mai multe ori tratabile prin medicaie sau

    intervenii chirurgicale. Cauzele cele mai frecvente pentru pierderile conductive sunt

    infeciile, rnirea, perforarea timpanului, apariia de lichid n urechea median ce blocheaz

    propagarea undelor sonore spre urechea intern sau obstrucionarea canalului auditiv cu

    cerumen.

    - Pierderile senzoriale - sunt cauzate de afeciuni la nivelul urechii interne, mai exact

    prin afeciuni la nivelul cohleii sau a celulelor senzoriale prezente n aceasta (organul lui

    Corti). Pierderile senzoriale sunt considerate a fi grave, permanente, i de cele mai multe ori

    nu sunt tratabile prin intervenii chirurgicale. Cauzele apariiei lor pot fi vrsta, infeciile sau

    efectele altor boli, expunerea la zgomote puternice sau chiar afeciuni de natur ereditar.

    - Pierderile neurale - sunt un caz aparte de pierdere a auzului care de foarte multe ori

    se grupeaz cu cele din categoria precedent sub denumirea de pierderi senzorineurale. Sunt

    rezultatul afectrii reelei nervoase ce leag sistemul senzorial din ureche cu creierul. Astfel,

    individul poate s aud normal i doar anumite sunete s nu fie percepute corect. Cauzele

    principale ale apariiei acestui tip de pierderi sunt considerate a fi cele ereditare dar pot aprea

    i din cauza unor tumori, rni sau lovituri primite la nivelul urechii.

    - Pierderile mixte - grupeaz o serie de afeciuni din cele din categoriile de mai sus

    care pot aprea simultan. Astfel, individul poate avea auzul afectat de la un nivel sczut sau

    moderat pn la un nivel profund i doar o parte din problemele identificate putnd fi

    corectate, ansele finale de recuperare fiind sczute.

    - Pierderile auzului la o singur ureche - aa cum le spune i numele, se refer la

    pierderea auzului doar la o singur ureche cel mai adesea din cauze senzorineurale. Pentru

    acest caz auzul, per global, i pierde din sensibilitate, percepia suneteleor de interes n medii

    zgomotoase fiind mult mai dificil. n acelai timp capacitatea omului de a localiza sursa

    sunetului este i ea afectat deoarece creierul uman poate percepe direcia sunetului analiznd

    diferena de faz ntre semnalele sonore percepute de fiecare ureche.

    1.2 PROTEZELE AUDITIVE.

    Odat ce s-a stabilit un diagnostic cu privire la nivelul i cauza pierderii auzului, unui

    individ i se poate recomanda protezarea cu un sistem de amplificare a auzului. Acesta se

    dovedete util n special n cazurile de pierdere auditiv pn la un nivel moderat peste acest

    prag fiind recomandat utilizarea unui implant cohlear.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    14

    Dispozitivele auditive se pot mpri n mai multe categorii dup tipul de poziionare a

    aparatului raportat la componentele sistemului auditiv. Cteva din categoriile principale

    cunoscute la acest moment sunt:

    - BTE (behind the ear) sau protez extrauricular / retroauricular - este o protez cu

    o rspndire larg adresat unui interval mare de categorii de pierderi auditive. Electronica

    rspunztoare cu recepionarea i amplificarea semnalului este dispus n interiorul unei

    carcase de mici dimensiuni ce se ataeaz, cel mai adesea, n spatele lobului urechii i deci n

    exterirorul canalului auditiv. De la carcasa coninnd componenta electronic, sunetul

    amplificat este transmis printr-un ghid acustic ctre canalul auditiv - Fig.1.3. Dei are

    avantajul unui acces mai uor pentru ntreinere i totodat este protejat de depuneri de

    sebum sau cerumen, proteza are dimensiuni mai mari comparativ cu celelalte tipuri exitente

    fiind incomod n multe situaii.

    - ITE (in the ear) sau protez intraauricular - sunt proteze de mici dimensiuni - Fig.

    1.4. - cu un grad ridicat de miniaturizare a componentelor electronice i care se implanteaz la

    captul extern al canalului auditiv. Protezele sunt adresate unei game mari de niveluri de

    pierderi ale auzului, dar totui mai sczute dect cazul BTE. Acest lucru vine ca un

    compromis ntre dimensiunile mai mici ale protezei i electronica necesar amplificrii

    sunetului.

    - ITC (in the canal) - sunt unele din cele mai mici proteze auditive, fiind introduse mai

    adnc n canalul auditiv dect cele de tip ITE dar sufer de acelai tip de neajuns precum

    cazul ITE. Avnd dimensiuni mici - Fig.1.4, componenta de amplificare a sunetului are

    performane mai slabe i prin urmare nu se adreseaz unor cazuri de pierderi ridicate ale

    auzului.

    - CIC (completely in the canal) - sunt protezele cu gradul cel mai ridicat de

    miniaturizare - Fig. 1.4 - fiind poziionate foarte aproape de timpan. Dezavantajul principal al

    acestora este reflectat de costurile ridicate respectiv accesul mai dificil pentru a realiza reglaje

    asupra nivelului de volum sau schimbul de baterii. Deoarece se afl implantate adnc n

    canalul auditiv sunt supuse i unor perioade de ntreinere mai dese.

    Figura 1.3. - a) Exemplu de protez auditiv de tip BTE b) Exemplu de poziionare a protezei astfel

    nct doar ghidul acustic este vizibil.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    15

    Figura 1.4. - Exemplu de proteze auditive. De la stnga la dreapta, de tip ITE, ITC i CIC

    n cazurile mai grave, cnd din sistemul auditiv este afectat reeaua de celule

    receptoare din cohlee, se poate recurge la un implant cohlear cunoscut i sub denumirea de

    ureche bionic. Dei ideea de a implanta un dispozitiv ajuttor n cohlee este veche iar proteze

    rudimentare s-au folosit nc din perioada 1960 - 1970 [15], [16] doar odat cu dezvoltarea

    puternic a procesoarelor de semnal s-a putut realiza un produs care s fie suficient de robust

    i performant astfel nct s permit redarea auzului n parametrii de calitate apropiai de cei

    normali. Cert este c implantul cohlear la ora actual este unul dintre cele mai performante

    dispozitive de protezare care ofer posibilitatea de recuperare prin stimulare la nivelul

    sistemului nervos.

    Primele cercetri cu privire la stimularea auditiv a persoanelor cu deficiene de auz

    profunde au fost realizate n anul 1957 de ctre Djourno i Eyries [17]. Acetia au implantat

    unui pacient, n apropierea nervului cohlear, un electrod ce transmitea pulsuri electrice primite

    din exterior. Curentul electric recepionat de subiect era perceput ca un zgomot asemntor

    sunetului produs de un greiere. Discriminarea ntre diferite nlimi ale sunetului a fost

    cercetat mai trziu dup ce s-au realizat primele implanturi cu electrozi bipolari. Simmons et

    al [18] au remarcat c sunetele de peste 1000 de pulsuri pe secund nu mai sunt discriminate

    iar cele de sub aceast valoare erau discriminate la un pas mai mare de 5 pulsuri pe secund.

    Totui mecanismul de furnizare a curentului electric care s ofere sens sunetului perceput a

    fost dezvoltat mai trziu odat cu avansul tehnologic n domeniul procesoarelor de semnal,

    cnd s-au putut realizat i primele implanturi multi-electrod - Fig. 1.5. n cea mai simpl

    configuraie de acest fel, proteza primete sunetul de la un microfon dispus n exteriorul

    sistemului auditiv, mparte spectrul semnalului sonor n pn la opt benzi de frecven pentru

    ca fiecare electrod implanatat n membrana bazilar a cohleii s fie excitat de cte o astfel de

    band. n acest fel, n semnalul de excitare a nervului cohlear se vor gsi codate informaii

    spectrale. Faptul c semnalul auditiv este separat n benzi spectrale simuleaz modul de

    funcionare al sistemului auditiv uman [19]. Totui, dezavantajul acestei configuraii,

    cunoscute sub numele de "compressed analog" sau CA, este faptul c semnalul electric aplicat

    electrozilor se face simultan i astfel poate aprea fenomenul de crosstalk ntre electrozi,

    semnalul de la fiecare din acetia crend efecte nedorite n electrozii vecini. Rezultatul este

    acela c sunetul peceput de pacient este afectat de zgomot.

    O mbuntire la aceast configuratie a fost dat de utilizarea semnalelor digitale n

    loc de semnale continue ceea ce a permis o activare ntreesut a electrozilor cu intervale de

    timp de activare foarte mici, fiecare electrod la un moment dat fiind unic excitat de blocul de

    comand. Sistemele care folosesc aceast modalitate de proiectare sunt cunoscute sub

    denumirea de "continuous interleaved sampling" sau CIS. Modul de activare al electrozilor

    este cel mai adesea ales ca fiind neordonat pentru a maximiza separarea spectral ntre sunete

    i a se asigura c pacientul percepe corect fiecare regiune spectral n parte. O modalitate

    ordonat precum prezentarea componentelor de frecven joas nti urmat de cele cu

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    16

    frecven nalt poate duce la nediscriminarea sunetelor [20]. Totui, dac proteza permite

    mai multe modaliti de activare a electrozilor atunci pacientul este cel care decide n final

    modul preferat de funcionare n funcie de modul n care percepe cel mai bine sunetele.

    Figura 1.5 - Schem bloc de principiu pentru o protez cohlear

    de tip compressed analogue (CA)

    Protezele cohleare moderne utilizeaz multe alte strategii de codare a sunetului ns

    majoritatea conceptelor se bazeaz pe ideea de construire a unei structuri de filtre nlnuite

    pentru separarea benzilor spectrale sau de extragere a formanilor din semnalul recepionat n

    ideea de a modela ct mai bine fiziologia sistemului auditiv sntos. Spre exemplu implantul

    prezentat n schema bloc din Fig. 1.6., cunoscut sub denumirea de SMSP - Spectral Maxima

    Sound Processor, mparte semnalul auditiv n 16 benzi de frecven n gama 250Hz - 5400Hz

    prin intermediul unei serii de filtre trece band recomandate a fi centrate pe 274, 457, 640,

    823, 1005, 1188, 1371, 1554, 1828, 2194, 2559, 2925, 3382, 3747, 4296, 5118 Hz [21].

    Ulterior, ieirea din fiecare filtru este redresat i trecut printr-un filtru trece jos cu frecvena

    de tiere la 200Hz. Din cele 16 rezultate se aleg doar ase, semnalele cu cele mai mari

    amplitudini, pentru a fi codate i trimise spre blocul de comand a electrozilor, gama lor

    dinamic fiind transformat pentru a se adapta percepiei logaritmice a urechii umane.

    Pulsurile electrice sunt aplicate la intervale de 4ms i cu o frecven maxim de pn la

    250Hz.

    Procesorul de sunet din Fig. 1.7. este conceput dup strategia de stimulare F0/ F1/ F2

    unde se vor estima frecvena fundamental, F0, i frecvenele corespunztoare primilor doi

    formani, F1 i F2. Semnalul recepionat de la microfon este trecut prin trei filtre, unul trece

    jos cu frecvena de tiere de 270Hz i dou trece band cu banda de frecvem de 0.3 - 1 kHz

    pentru F1 respectiv 1 - 3kHz pentru F2, dup care utiliznd circuite detectoare de trecere prin

    zero se estimeaz frecvenele cutate. Se mai estimeaz i anvelopa semnalelor filtrare iar

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    17

    setul de parametrii astfel extrai este utilizat pentru a comanda generatoarele de puls a celor

    22 de electrozi plasai n cohlee. Pentru sunetele vocalizate frecvena pulsurilor este cea dat

    de frecvena fundamental iar n cazul sunetelor nevocalizate sau ambientale utilizndu-se o

    frecven cvasi-aleatoare de pn la 100 pulsuri pe secund [16].

    Figura 1.6. - Schema bloc pentru procesorul de semnal audio

    SMSP - Spectral Maxima Sound Processor

    Figura 1.7. - Schema bloc pentru un procesor de sunet

    cu strategia de stimulare de tip F0 / F1 / F2

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    18

    Tot pe baza estimrii formanilor se bazeaz i strategia de stimulare MPEAK

    (multipeak). Dei aceasta nu a avut un succes deosebit datorit problemelor de funcionare n

    medii zgomotoase [22] trebuie reamintit deoarece a ncercat s mbunteasc i mai mult

    conceptul de stimulare introdus de strategia F0 / F1 / F2. MPEAK se aseamn la nivel de

    schema bloc cu strategia de stimulare precedent diferena constnd n faptul c MPEAK

    pune un accent mai mare pe redarea sunetelor ne-vocalizate sau ambientale implementnd

    filtre trece band i detectoare de anvelop suplimentare pentru extragerea de informaie din

    benzile de frecven 2000 - 2800Hz, 2800 - 4000Hz i 4000 - 6000Hz. Aceast informaie

    este folosit strict pentru stimularea doar a unor electrozi, din reeaua implantat, pentru a

    aduce acel plus de calitate n perceperea sunetelor nevocalizate dar aa cum s-a menionat

    devine un impediment atunci cnd subiectul se afl n regiuni unde zgomotul ambiental este

    pronunat.

    1.3. EDUCAREA AUDIO-VERBAL. STATE OF THE ART I DIRECII DE

    CERCETARE.

    Educarea, terapia, filozofia sau abordarea audio-verbal "este o metod de intervenie

    asupra copiilor cu deficiene de auz care pune accent pe dezvoltarea limbajului verbal prin

    identificarea timpurie a pierderilor de auz, amplificare optimal i parcurgerea de sesiuni

    intensive de dezvoltare a limbajului." [23]. Educarea audio-verbal a devenit o modalitate

    uzual de reintegrare n societate a copiilor nscui cu probleme de auz nc din perioada de

    sfrit a anilor 1940 iar pe msur ce tehnologia de amplificare auditiv a evoluat, rolul ei a

    devenit cu att mai important cu ct calitatea superioar a dispozitivelor a nlesnit parcurgerea

    sesiunilor de recuperare.

    Educarea audio-verbal trebuie nceput imediat dup ce copilul a fost diagnosticat cu

    pierderi de auz i i s-a recomandat (i implantat) o protez auditiv corespunztoare. Ea

    trebuie implementat ca o activitate continu i fr ntreruperi, necesitnd implicare din

    partea prinilor, pentru a face copilul s contientizeze lumea sonor, s o accepte i s

    deprind un grad ridicat de ncredere n a explora acest nou univers. Aadar pe lng sesiunile

    de la centrele terapeutice, activitatea de recuperare trebuie continuat i n mediul familial

    astfel nentrerupnd actul terapeutic i n acelai timp asigurnd suportul pe care copilul

    trebuie s-l simt din partea celor dragi.

    Dei exist prerea c simpla montare a unui dispozitiv de protezare este suficient

    pentru ca un copil cu deficiene de auz s poat fi expus la lumea auditiv i astfel s i

    continue dezvoltarea precum un copil normal, totui specialitii sunt de prere c asimilarea

    noului sim i dezvoltarea proceselor necesare utilizrii acestuia nu pot fi realizate dect prin

    educare audio-verbal [24], [25]. n acelai timp, cu ct identificarea i implantarea se face

    mai timpuriu, cu att procesul de recuperare va fi mai eficient. Astfel, dac unui copil i se

    implanteaz proteza la vrsta de 2 ani atunci el are echivalentul a o zi de experien auditiv

    Cnd acesta va mai crete, s presupunem la 4 ani, atunci are 2 ani de experien auditiv dar

    comparativ cu un copil care s-a nscut fr deficiene el este n deficit cu 2 ani de activitate

    auditiv i aadar are un antrenament audio-verbal comparativ cu un copil de doi ani. n plus,

    trebuie luat n considerare faptul c exist o vrst la care dezvoltarea biologic a individului

    este optim pentru a deprinde anumite cunotiine i aadar ntrzierea diagnosticrii,

    protezrii i demarrii educrii audio-verbale este n detrimentul recuperrii copilului.

    Principiile dup care terapia audio-verbal se ghideaz n a obine reintegrarea

    deficitului de auz n planul social sunt cele prezentate mai jos: [26]

    1. Recomandarea i susinerea programelor de identificare timpurie a copiilor cu

    deficiene de auz.

    2. Recomandarea i facilitarea accesului la cele mai noi metode medicale de protezare

    i amplificare auditiv pentru a crete la maxim sensibilitatea auditiv a copilului la sunete.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    19

    3. Integrarea i instruirea prinilor sau a tutorilor n a implementa corect planul de

    recuperare auditiv.

    4. Integrarea activitilor auditive n personalitatea copilului i asigurarea faptului c

    acestea devin un factor important de interaciune cu mediul nconjurtor.

    5. Susinerea ideii c actul comunicrii este un act social i dezvoltarea i susinerea

    interaciunii ntre tutore i copil prin intermediul comunicrii verbale.

    6. Implementarea aciunii de nvare de tip "unu la unu", unde printele sau tutorele

    trebuie s devin modelul de comunicare verbal pentru copil.

    7. Asigurarea faptului c sistemul auditiv devine principala surs de achiziie i auto-

    evaluare a limbajului verbal.

    8. Utilizarea unor metode de stimulare auditiv, perceptual, lingvistic i cognitiv

    pentru a ncuraja deprinderea ascultatului, vorbirii i a abilitilor verbale.

    9. Evaluarea abilitilor dobndite i reconfigurarea periodic (dac este cazul) a

    planului terapeutic.

    10. Susinerea ideii de educare a copiilor care au parcurs planul terapeutic audio-

    verbal n centre de colare normale.

    Activitile de recuperare audio-verbal sunt desfurate dup recomandrile i sub

    supravegherea iniial a unui specialist. Acesta, aa cum reiese i de mai sus, are rolul de a

    dezvolta un plan de recuperare i de a se asigura c este implementat n mod optim att n

    mediul de acas ct i la centrul de pregtire. Principiile dup care se construiete planul sunt

    acelea c trebuie extras esena din toate experienele pe care deficientul le triete i s-l

    ghideze prin intermediul acestora ctre utilizarea sunetelor. Totodat, toate aciunile

    terapeutice i educaionale trebuie s faciliteze implicarea maxim a deficientului de auz n

    lumea auzului i vorbirii. Exerciiile ce sunt cel mai adesea parcurse n planul terapeutic

    audio-verbal pornesc de la premiza c un copil trebuie s aud sunetul, s-l contientizeze i

    apoi s-l accepte. Se consider c o expunere repetat la mediul sonor dar n mod distractiv i

    va atrage atenia spre utilizarea acestui sim. Aadar exerciiile sunt concentrate pe jocuri sau

    activiti distractive care au la esen ideea de stimulare (antrenare / nvare) prin repetiie. n

    acelai timp, exerciiile cresc n dificultate pe msur ce copilul evolueaz i este capabil s

    identifice i s asimileze stimuli auditivi din ce n ce mai complicai. Cteva exemple de

    activiti recuperatorii ce "exploateaz resturile de auz" ar fi urmtoarele [25]:

    1. Perceperea i diferenierea zgomotelor i a sunetelor neverbale:

    - exerciii-joc de ascultare a unor zgomote din mediul ambiant

    - exerciii de depistare a sursei sonore

    - exerciii de depistare a direciei de unde vine sunetul

    - exerciii de identificare i discriminare ntre dou sau mai multe surse sonore

    2. Perceperea i diferenierea sunetelor preverbale i verbale:

    - exerciii de ascultare i identificare a unor sunete emise de animale

    - exercii de ascultare i identificare a unor interjecii cu valoare comunicaional

    - exerciii de ascultare, identificare i discriminare a vocalelor i consoanelor:

    izolat, n silabe directe, inverse i intercalate

    - exerciii de ascultare, identificare i raportare la obiecte i imagini a unor cuvinte

    - exerciii de ascultare, identificare i raportare la imaginile corespunztoar unor

    structuri verbale mai simple sau mai complexe

    3. Identificare discriminare a vocalelor, consoanelor, cuvintelor i propoziiilor dar i:

    - activiti de explorare a mediului sonor natural; magazine, piaa, strad, parc,

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    20

    - audiii muzicale

    - jocuri ritmice

    - dansuri

    n ceea ce privete eficiena metodelor de educare audio-verbal, n [26] se discut

    rezultatele programelor de acest fel implementate n SUA i Canada. Autorii acestui articol au

    contactat toate centrele cunoscute i toi specialitii existeni la data studiului, n SUA i

    Canada, cerndu-le s formeze un grup de "absolveni" ai programelor de educare audio-

    verbal care s ndeplineasc criteriile: 1) s fie mai n vrst de 18 ani 2) s fi participat ntr-

    un program de terapie audio-verbal pentru mai mult de trei ani. Dintr-o serie de 319 posibili

    candidai, 114 au fost de acord s participe la studiu. Dintre acetia, 94% au avut deficiene de

    auz din natere iar 66% din acetia au fost protezai n mai puin de trei luni de la identificare.

    Rezultatele au artat c 91% din participani au fost integrai n programul educaional normal

    de liceu iar 78% au continuat programul educaional normal nscriindu-se la colegii sau

    faculti. Vrsta medie a participanilor a fost de 28.9 ani.

    Aadar se poate concluziona c terapia audio-verbal, atunci cnd este parcurs corect,

    are rezultate foarte bune. Totui, unul din neajunsurile pe care aceast tez le-a identificat cu

    privire la activitile prezentate mai sus, chiar dac poate prea uor ieit din comun sau

    contrazicnd seria de principii ale terapiei audio-verbale, este faptul c sunt realizate, n

    proporie foarte mare, n prezena supervizorului specialist sau a printelui ce se consider c

    a fost pregtit n a le desfura. Nu este luat n considerare aspectul nlocuirii complete a

    specialistului sau a printelui, dup cum se vede rolul acestuia este deosebit de important, ci

    doar substituirea sa n anumite momente. Motivm acest lucru pornind de la un exemplu ct

    se poate de concret: n ara noastr sunt puine centre de cercetare care pot realiza recuperarea

    copiilor cu deficiene de auz raportat la numrul de astfel de copii [10]. Acest lucru nseamn

    c accesul la un specialist este ngreunat att din cauza unei distane potenial prea mari de la

    domiciliul copilului la centru ct i din cauza faptului c centrele sunt foarte aglomerate iar

    pentru fiecare specialist se repartizeaz un numr foarte mare de copii. n acelai timp, prinii

    au acces mai greu la informaiile necesare pentru continuarea terapiei n mediul familial.

    Totodat, i numrul de specialiti n acest domeniu este sczut iar pregtirea unora noi este

    un proces ndelungat, dovad fiind faptul c specialitii n terapie audio-verbal trebuie s fie

    competeni ntr-una sau mai multe din disciplinele: patologia verbal, audiologie, educarea

    copiilor cu deficiene de auz. De asemenea le este cerut i o bogat experien n lucrul cu

    copii. Se poate deci trage concluzia c pentru fiecare copil n parte actul de recuperare este

    mai puin eficient prin simplu fapt c mai puin timp este petrecut de ctre specialist cu acesta.

    Dac n acele momente n care rolul specialistului nu este important, precum n cazul

    supravegherii unor exerciii simple de identificare a unor sunete, copilul ar fi supervizat de o

    alt entitate atunci specialistul poate acorda atenie altor copii a cror etap de terapie necesit

    prezena acestuia i astfel eficiena actului terapeutic la nivelul ntregului grup de copii este

    mai bun.

    O soluie imediat care s amelioreze acest neajuns ar fi utilizarea unor unelte de

    exersare care s permit eliberarea specialistului de actul de supervizare. Un exemplu n acest

    sens ar fi utilizarea unor programe de calculator care s implementeze o parte din exerciiile

    amintite mai sus i astfel s elibereze specialistul de efortul de a cuta, spre exemplu, sunetele

    necesare stimulrii, a imaginilor asociate cu sunetele i de a decide cum este cel mai bine s le

    prezinte copilului astfel nct acesta s le rein ct mai rapid posibil. Mai mult dect att

    specialistul mai trebuie s ia n considerare c modul de prezentare a stimulilor trebuie s fie

    de aa natur ales astfel nct s rein atenia copilului. Fr un mediu de lucru captivant este

    dificil de implicat copilul n exerciiile de recuperare. Toate aceste caracteristici sunt uor

    ndeplinite de programele de calculator cu un bogat coninut multimedia. Aplicaiile cu rol

    educativ i-au demonstrat eficiena n numeroase rnduri i n multe domenii att din punctul

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    21

    de vedere al rezultatelor ct i al mbuntirii percepiei copiilor despre actul de a nva [27],

    [28], [29]. n lumina acestor argumente merit deci s ndreptm atenia spre acest aspect.

    Din pcate numrul de aplicaii dedicate antrenrii audio-verbale, fie c discutm

    despre programe inteligente sau nu, standalone sau online, este destul de sczut, n parte

    deoarce cererea pentru astfel de soluii este mic n comparaie cu cererea de aplicaii e-

    learning pentru copiii fr deficiene, o dezvoltare n aceast direcie nefiind justificat din

    perspectiva profiturilor. Dar chiar i aplicaiile dezvoltate pentru a ajuta persoanele cu

    deficiene de auz n cele mai multe cazuri nu sunt pregtite pentru a fi utilizate n cadrul

    terapiei audio-verbale. O simpl cutare pe internet poate releva existena unei oferte de astfel

    de aplicaii precum: Ling Six Sound Test, Siemens eArena, LACE dezvoltat de Neurotone,

    LISN & Learn dezvoltat de National Acoustic Laboratories, totui, aa cum s-a menionat mai

    devreme, fiecare din acestea are neajunsuri care le descalific n a fi utilizate cu ncredere n

    terapia audio-verbal. Spre exemplu Ling Six Sound Test a fost dezvoltat de ctre Eric Seneca

    pornind de la varianta clasic a testului cu acelai nume. Testul Ling a fost conceput n

    perioada anilor 1960 pentru a verifica dac un copil nscut cu deficiene de auz percepe corect

    ntreg gam de (ase) sunete fundamentale necesar dezvoltrii limbajului verbal. Acestea

    acoper ntregul spectru de frecvene de la 250 la 8000 Hz fiind n general alese ca fiind /m/,

    /ah/, /oo/, /ee/, /sh/ i /s/. Aplicaia Ling Six Sound Test este de tip standalone i a fost

    dezvoltat pentru platforme precum smartphone-uri i tablete. Totui, dup cum este uor de

    realizat, ea nu este un exerciiu de recuperare ci o unealt de verificare a strii auzului. Pe de

    alt parte, Siemens eArena este o aplicaie dedicat antrenrii auditive dar orientat pentru

    subieci de vrste mai naintate. Dezavantajul acesteia vine din faptul c utilizeaz unii stimuli

    auditivi mult prea complicai pentru copii precum sunete asociate cu unele obiecte / fenomene

    despre care vor nva mai trziu n via. i pentru celelalte cazuri se pot aminti neajunsuri:

    LACE este dedicat mbuntirii auzului n medii cu zgomote ambientale ridicate deci

    automat se presupune c subiectul are un nivel mare de experien auditiv iar LISN & Learn

    se adreseaz copiilor care au sindromul SPD (spatial processing disorder) i nu pot localiza

    sursa sunetelor n medii cu zgomot ambiental.

    Evident, se poate argumenta c toate aceste programe pot fi integrate ntr-un plan

    terapeutic de recuperare audio-verbal dar nu reprezint n sine exerciiile de substan,

    fundamentul pe care se desfoar ntreaga antrenare. Un astfel de program trebuie s

    suplineasc o mare poriune a planului terapeutic pentru a elibera supervizorul de la o parte

    din activitile sale. Totodat un astfel de program trebuie s prezinte i avantajul unei

    accesibiliti crescute pentru a permite i copiilor care au domiciliul la distan s vin n

    contact cu metode de antrenare, aadar o implementare online ar fi de dorit.

    Astfel, pentru a ndeplini aceste cerine i a depi dezavantajele identificate, se

    consider c un program pentru recuperare audio-verbal trebuie s fie disponibil online, s

    fie uor de personalizat pentru fiecare copil care ncepe terapia cu ajutorul su i s

    implementeze o metod de nvare prin repetiie adaptat performanelor curente obinute de

    copil. n acest fel programul va fi capabil s deruleze exerciiile uzuale pentru terapia audio-

    verbal dar i s sugereze noi exerciii sau stimulri auditive pe care copilul trebuie s le

    parcurg astfel nct s ofere un mod rapid i eficient de educare.

    n concluzie, direciile de cercetare abordate de aceast tez sunt favorizate de faptul

    c stadiul tiinific actual n domeniul educrii audio-verbale permite dezvoltarea de soluii i

    algoritmi ICT care s automatizeze o parte din planul terapeutic i s ofere un grad mai ridicat

    de accesibilitate. Chiar dac domeniul ncepe s primeasc din ce n ce mai mult ajutor din

    partea soluiilor tehnologice moderne exist nc mult loc pentru cercetri de factur

    interdisciplinar noi iar un rezultat favorabil precum dezvoltarea unui algortim capabil s

    implementeze n mod corect nvarea prin repetiie poate fi utilizat cu succes nu numai n

    acest domeniu dar i n alte domenii unde actul educaional se bazeaz pe acelai principiu.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    22

    CAPITOLUL 2 - SISTEME DE NVARE AUTOMATIZATE.

    MODEL DE ALGORITM DE NVARE PRIN NTRIRE.

    2.1. SISTEME DE NVARE AUTOMATIZATE. SCURT INTRODUCERE.

    Sistemele de nvare inteligente, capabile s substituie un tutore uman, au fost

    subiectul proiectelor de cercetare de ndat ce tehnica a permis dezvoltarea mainilor de calcul

    performante. Chiar dac primele variante de astfel de "maini profesor", precum cele

    dezvoltate de Sidney Pressey n 1924 sau B.F. Skinner n anii 1950 - 1960 [30], se bazau pe

    sisteme mecanice i foloseau strategii simple cu privire la modul de a pregti studentul,

    fascinaia cercettorilor f de domeniu a continuat s existe, iar dezvoltarea "mainilor

    profesor" a devenit tot mai accentuat. De pild, la mijlocul anilor 1960 s-a prezis c jumtate

    din elevii din Statele Unite vor utiliza astfel de maini "pentru cel puin unul sau dou cursuri"

    (N.Crowder). Punctul culminant a fost atins n momentul dezvoltrii tot mai accentuate a

    sistemelor de calcul electronice capabile s implementeze strategii de nvare de un nivel de

    sofisticare tot mai ridicat precum i cu un coninut didactic tot mai bogat. Astfel n anii 1960 -

    1970 au aprut primele sisteme educaionale bazate pe utilizarea calculatorului [30] precum

    IBM 1500 Instructional System sau PLATO (Programmed Logic for Automatic Teaching

    Operations), un terminal capabil s furnizeze studentului un coninut informaional bazat pe

    imagini sau animaii. Dei cercettorii au fost, n prim faz, sceptici c mainile mecanice

    vor fi nlocuite de cele "electronice" invocnd costul foarte ridicat al calculatoarelor, nsui

    B.F. Skinner declar n 1968 pentru revista Forbes c nu vede un viitor al calculatorului n

    acest domeniu, gradul de miniaturizarea, costurile tot mai mici i performanele din ce n ce

    mai ridicate prezentate de calculatoare au dus la dezvoltarea soluiilor bazate pe sisteme

    electronice n detrimentul celor mecanice. Deja, spre sfritul anilor 1970 i nceputul anilor

    1980 apare conceptul de sistem ITS (Intelligent Tutoring System) desemnnd un sistem

    inteligent bazat pe calculator capabil s implementeze o strategie de nvare bazat pe teorii

    din psihologia congniiei comparativ cu sistemele precedente care abordau o perspectiv mai

    degrab comportamental asupra procesului de nvare.

    Un sistem inteligent / automat pentru nvare (ITS) tie pe cine nva (conine un

    model ce caracterizeaz utilizatorul), este capabil s specifice subiectului ce s nvee i mai

    ales cum s nvee n mod adaptat coninutului i performanelor atinse de acesta [31]. Un

    sistem ITS, cel mai probabil, va verifica periodic nivelul atins de student n stpnirea

    subiectului prezentat i va adapta coninutul viitor n concordan. Astfel un sistem ITS este

    capabil s furnizeze o experien a actului de a nva ntr-un mod realist, apropiat de stilul

    prezentat de un tutore uman, scopul final urmrit fiind chiar acela de a suplini complet

    prezena tutorelui.

    Dei arhitectura actual a sistemele de tip ITS nu poate fi descris n doar cteva

    rnduri - complexitatea lor fiind din ce n ce mai ridicat - trebuie spus c principiile ce au

    fost urmrite n dezvoltarea acestora sunt rezultate ale adaptrii modelelor de cogniie ce

    explic procesul prin care omul asimileaz informaia [32], [33]. Spre exemplu pornind de la

    teoria ACT / ACT-R (Adaptive Control of Thought - Rational) dezvoltat de John Anderson,

    se consider c un sistem de instructaj automat trebuie s se conformeze la ct mai multe din

    urmtoarele [32]:

    1. Sistemul trebuie s conin un model de reprezentare a studentului ideal.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    23

    2. Sistemul trebuie s organizeze noiunile de nvat ntr-o secven de obiective

    pariale pe care studentul trebuie s le ating n drumul su spre asimilarea conceptelor privite

    ca un ntreg.

    3. Sistemul trebuie s furnizeze indicaii pentru rezolvarea problemei / asimilarea

    conceptelor n timpul pregtirii studentului pentru a nu permite abaterea acestuia de la drumul

    optim de asimilare a obiectivelor pariale.

    4. Sistemul trebuie s abstractizeze noiunile de nvat la un nivel suficient n raport

    cu dificultatea acestora. Dac nivelul de abstractizare este prea ridicat atunci acestea nu pot fi

    nvate; dac nivelul de abstractizare este prea sczut, sistemul fcnd uz prea mult de

    exemple pentru demonstrarea noiunilor, atunci acestea pot fi uor uitate sau se pot confunda

    cu exemplele, gradul de generalizare de care studentul va fi capabil fiind mai sczut.

    5. Sistemul trebuie s se asigure c studentul nu face erori din cauza solicitrii

    nejustificat de mult a memoriei sale de lucru. Prin memorie de lucru, teoria ACT nelege acea

    colecie de informaii deja reinute ce este utilizat n procesul de asimilare a noilor concepte.

    Se consider c o utilizare ct mai sczut a memoriei de lucru este benefic n special la

    primele faze ale nvrii de noi informaii, cnd multe din conceptele ce trebuie s fie

    regsite n memoria de lucru (din pcate) nu sunt nc asimilate.

    6. Sistemul trebuie s furnizeze un rspuns imediat n ceea ce privete greelile fcute

    de student pentru a-l ghida n mod corect spre atingerea obiectivelor pariale.

    7. Sistemul trebuie s adapteze instruciunile de nvat la nivelul curent al studentului.

    8. Sistemul trebuie s evalueze corect nivelul curent atins de student pentru a furniza

    corect instruciunile necesare asimilrii conceptelor.

    Exist o multitudine de categorii de sisteme de tip ITS difereniate nu numai dup

    tipul sau domeniul pentru care au fost dezvoltate sau dup grupul de utilizatori int, dar i

    dup acele elemente caracteristice care devin independente de acestea din urm. Spre

    exemplu, n [31] se prezint apte categorii de sisteme ITS:

    i. sisteme inteligente capabile de secvenierea i planificarea ariei curiculare

    ii. sisteme inteligente bazate pe strategii de educare

    iii. sisteme inteligente bazate pe simulare

    iv. sisteme inteligente de tip expert

    v. sisteme inteligente cu domenii de cunotiine multiple

    vi. sisteme inteligente cu aplicabilitate special

    vii. sisteme inteligente

    Acestea pot fi i ele reunite n dou meta-categorii n funcie de modul n care procesul

    de nvare se desfoar. Spre exemplu sistemele de tip iii, iv, i vi din enumerarea de mai

    sus fac parte din categoria sistemelor orientate pe maximizarea performanei de nvare, ele

    ncercnd s ofere o experien atractiv i bogat n coninut, studentul nvnd prin

    exerserarea unor sarcini i primind n permanen un rspuns din partea sistemului. Totodat,

    celelalte au n comun faptul c pun un accent mai mare pe modul n care procesul de educare

    este reprezentat, strategia de nvare primind o atenie deosebit la dezvoltarea sistemului dar

    totul n detrimentul unui stil dinamic cu o puternic implicare din partea sistemului la fiecare

    pas.

    Poate cele mai rspndite sisteme n acest moment sunt cele din categoria sistemelor

    inteligente de tip expert. Arhitectura general a unui sistem de tip ITS expert este mprit n

    patru blocuri funcionale - Fig.2.1: modulul domeniu, modulul student, modulul profesor,

    modulul interfa cu utilizatorul. Dei nu este un tipar de proiectare ce este urmrit de toate

    sistemele existente, cercettorii au convenit c aceste patru module sunt cel mai des ntlnite

    n sistemele de instructaj de tip expert ITS [31], [34].

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    24

    Figura 2.1 - Schema bloc pentru arhitectura general de sistem expert inteligent pentru nvare

    automat - ITS (intelligent tutoring system).

    a) Modulul domeniu cunoscut i sub denumirea de modulul cognitiv sau modulul

    expert este cel responsabil cu stocarea informaiei de nvat. Aici vor fi coninute regulile i

    faptele care descriu conceptele de nvat, felul n care acestea sunt reprezentate precum i o

    ntreag serie de metode de evaluare a studentului. Modulul expert este cel mai greu de

    dezvoltat n cadrul unui sistem de tip ITS deoarece acesta trebuie s simuleze capacitile de

    dascl a unui tutore uman cu muli ani de experien n domeniul de lucru. Astfel, dezvoltarea

    felului n care noiunile sunt reprezentate este poate problema central ntlnit de proiectani

    i cercettori la dezvoltarea unui sistem ITS-expert. Unele din soluiile actuale includ

    studierea n prealabil a unor modele de cogniie precum ACT-R dezvoltat de Anderson ce

    descriu felul n care fiina uman raioneaz n vederea acumulrii de informaii noi. Pornind

    de la ipotezele acestora atunci se poate stabili o metod de reprezentare a informaiei astfel

    nct aceasta s respecte condiiile impuse de model. n mod evident, sinergia ntregului

    sistem ITS o s fie nevoit s respecte ct mai fidel posibil modelul de cogniie de la care s-a

    pornit proiectarea.

    b) Modulul student este un modul suplimentar care acioneaz ca o interfa ntre

    modulele expert / domeniu i profesor / tutore. Acesta conine o reprezentare a calitilor

    curente dovedite de student n raport cu subiectul pe care trebuie s-l nvee. Faptul c un

    astfel de bloc funcional trebuie inclus ntr-un sistem de tip ITS este susinut de ideea c o

    pregtire inteligent nu se poate desfura fr a cunoate informaii despre cine este pregtit.

    Modulul student este cel mai adesea greu de realizat astfel nct s aproximeze performanele

    pe care un tutore uman le-ar avea n evaluarea i interpretarea rezultatelor. Totui un nivel

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    25

    acceptabil de reprezentare a calitilor studentului este necesar pentru a ghida pregtirea spre

    rezultatul dorit i a respecta premizele modelului de cogniie utilizat.

    c) Modulul profesor / tutore este cel responsabil cu alegerea strategiei pedagogice de

    pergtire a utilizatorului. Acesta se bazeaz pe o relaie strns cu modulul student i n

    funcie de calitile pe care studentul le are va decide cum se vor prezenta urmtoarele

    instruciuni necesare procesului de nvare. Cteva din deciziile pe care le poate lua un astfel

    de modul se refer, spre exemplu, la furnizarea de indicii pentru nelegerea obiectivelor

    pariale, sfaturi, explicaii, prezentarea n mod diferit sau la un nivel de abstractizare diferit a

    informaiilor curente dar i teste pentru confirmarea "notelor" stocate n modulul student sau

    teste pentru actualizarea acestora.

    d) Modulul interfa cu utilizatorul, aa cum i spune i numele, este o component

    responsabil cu comunicarea dintre student i sistem. El faciliteaz prezentarea coninuului

    generat de modulul tutore i preluarea de rspunsuri de la student atunci cnd acestea i sunt

    cerute. Este o componente foarte important a sistemului deoarece aspectul unui astfel de

    program poate fi un factor motivaional care s atrag studentul spre procesul de nvare. n

    contrast, un sistem ITS cu un modul interfa cu utilizatorul neadaptat sau care conine un

    mod prea complicat de prezentare a informaiei, poate fi considerat plictisitor, greu de neles

    i aduce cu sine pierderea motivrii de a lucra.

    Aa cum se poate remarca pn n acest moment, nivelul cercetrii n dezvoltarea

    sistemelor inteligente de educare tip ITS-expert este ct se poate de aprofundat necesitnd

    cunotine din domeniile inteligenei artificiale, psihologiei i psihologiei ediucaiei /

    pedagogie - Fig. 2.2 -, ns, n acelai timp, o important caracteristic a acestora care nu a

    fost adus n discuie pn n acest moment este domeniul de cunotine pentru care au fost

    proiectate respectiv modul n care acestea pot reutiliza strategiile de nvare i n alte domenii

    dect cel pentru care au fost proiectate.

    Figura 2.2 - Domeniile care au dus la dezvoltarea cercetrii n direcia sistemelor inteligente de

    pregtire, ITS - Intelligent Tutoring Systems.

    Este evident c un sistem ITS poate fi considerat ideal dac strategia sa pedagogic,

    privit ca un ntreg construit din fiecare component a arhitecturii sale - Fig.2.1, este perfect

    utilizabil n orice domeniu. Pe de alt parte, este ct se poate de clar c o astfel de afirmaie

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    26

    este utopic, diferite domenii necesitnd diferite abordri: cineva nu poate nelege impactul

    principiilor de compoziie artistic a picturilor utiliznd aceleai reguli i metode pe care un

    profesor de matematic le folosete n a nva elevii cazurile de congruen a triunghiurilor,

    cum nici nelesul unei metafore nu poate fi explicat n acelai fel cum se poate demonstra c

    operaia de derivare n domeniul frecven este echivalent cu un filtru trece jos.

    Aadar, se poate afirma cu ncredere c un sistem automatizat de nvare este puternic

    dependent de tipul de informaie pe care trebuie s o predea utilizatorilor. Acest lucru este ct

    se poate de important pentru teza de fa deoarece beneficiarii sistemului inteligent de

    nvare bazat pe algoritmii studiai sunt copii cu deficiene de auz ce se afl n procesul de

    educare audio-verbal. Justificm acest lucru prin faptul c att coninutul informaional pe

    care aceti copii trebuie s-l nvee precum i modelul dup care trebuie s nvee difer n

    mod semnificativ de ceea ce este utilizat n orice alt domeniu. Cu alte cuvinte un sistem de tip

    ITS dedicat educrii audio-verbale cu siguran are o arhitectur ce difer n multe privine

    fa de modelul clasic prezentat mai sus aa cum se va vedea mai trziu.

    2.2. NVAREA PRIN REPETIIE: IMPORTANA I UTILITATEA N CADRUL

    TERAPIEI AUDIO-VERBALE.

    Copiii nscui cu pierderi semnificative ale auzului sunt supui unei dezvoltri diferite

    fa de un copil care nu sufer de aceste probleme. Compensarea pierderii auzului se face prin

    utilizarea accentuat a altor receptori de care dispune fiina uman: vederea, simul tactil

    pentru identificarea vibraiilor, etc. Neavnd la dispoziie simul auzului, pentru a realiza o

    interaciune cu mediul nconjurtor respectiv cu ali indivizi deficientul de auz maximizeaz

    utilizarea celorlali receptori. Chiar i atunci cnd copilul este protezat - simul auditiv fiind

    reactivat ntr-o anumit msur - auzul poate fi ignorat n totalitate dac obinuina i dicteaz

    c acesta nu este cel pe care trebuie s-l utilizeze n a percepe sau chiar a comunica anumite

    stri, aciuni, etc. Acest lucru este perfect normal pentru un copil care pn la momentul

    protezrii a utilizat celelalte simuri pentru a interaciona cu mediul.

    Se reamintete aadar importana educrii audio-verbale i mai ales importana

    nceperii acestei tehnici terapeutice de la o vrst ct mai fraged. Educarea audio-verbal

    urmrete reintroducerea n obinuina individului reflexul de a utiliza auzul la identificarea

    mediului nconjurtor i a semnalelor primite de la acesta, la ascultarea i nvarea unor

    stimuli din exterior, totul cu scopul final de a readuce copilul pe fgaul normal i a-i permite

    s nvee s comunice prin limbajul vorbit. ntrzierea protezrii i a nceperii terapiei atunci

    cnd un copil a fost identificat cu pierderi ale auzului (dar recuperabile) duce cu sine la o

    nesincronizare cu timpul biologic de dezvoltare a individului i implicit pierderea momentelor

    cele mai bune de a acumula anumite deprinderi. Un copil care a fost protezat i ncepe terapia

    la vrsta de (spre exemplu) doi ani are experien nul n utilizarea auzului. La vrsta real de

    patru ani are o experien de doar doi ani n utilizarea auzului comparativ cu un copil care nu

    a avut probleme auditive i care are patru ani de experien n utilizarea auzului i implicit de

    utilizare a acestuia n deprinderea altor elemente fundamentale fiinei umane precum vorbirea,

    identificarea pericolelor sau a situaiilor periculoase. Totodat, se poate presupune c la vrsta

    de patru ani poate asimila mai greu anumite particulariti, de pild, lingvistice comparativ cu

    vrsta de doi ani din considerente precum modificarea gradului de atenie, curiozitate sau de

    aciuni rspuns pe care le-ar face la apariia unui stimul. Aadar demararea imediat a terapiei

    / educrii audio-verbale este obligatorie pentru asigurarea unei recuperri eficiente i rapide.

    Totodat utilizarea unor unelte moderne precum sistemele ITS, care s nlesneasc actul

    terapeutic, aa cum s-a motivat n capitolul precedent, este considerat a fi un plus att prin

    faptul c permit specialistului s lucreze mai eficient respectiv permit copilului s exerseze i

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    27

    n mediul familial. Nu n ultimul rnd, acestea, prin coninutul multimedia bogat, aduc un

    grad de atracie suplimentar, copilul ndrgind s reutilizeze aceste sisteme [25].

    Majoritatea exerciiilor parcurse n cadrul terapiei audio-verbale sunt organizate pe

    principiul de nvare prin repetiie. Aa cum o persoan normal nva la un moment dat o

    limb strin sau o serie de termeni care implic un grad ridicat de abstractizare precum

    elementele de sintax ale unui limbaj de programare, tot aa i copiilor cu deficiene de auz le

    este cerut s parcurg exerciii unde se repet de foarte multe ori anumite entiti auditive sau

    contexte unde se pot ntlni acestea. Spre exemplu unele din cele mai simple exerciii dar de o

    importan fundamental pentru dezvoltarea experienei auditive ulterioare sunt cele unde le

    este cerut s se fac o asociere ntre sunete i obiecte emitor ale sunetelor. Copiilor le sunt

    prezentate imagini cu diferite obiecte sau fiine, n timp ce sunete ale acestora sunt difuzate

    prin intermediul unui sistem audio. Ulterior copiii privesc o serie de imagini cu diferite

    obiecte n timp ce un singur sunet este difuzat, copilul fiind nevoit s identifice obiectul corect

    asociat cu sunetul. Alte variante de exerciii sunt cele n care copiii se joac cu diferite obiecte

    sau iau parte la audiii muzicale. Ca o parantez trebuie spus c rolul acestor exerciii nu este

    numai acela de a nva diferite asocieri ntre obiecte i sunete, dar i acela de a induce

    copilului obinuina de a-i utiliza auzul n perceperea mediului. Odat ce acesta ncepe s

    utilizeze n egal msur sau, mai corect spus, n msura corespunztoare acest nou sim

    atunci el poate s parcurg i exerciiile mai complicate unde nva sunetele verbale, cuvinte

    sau propoziii simple.

    nvarea prin repetiie este aadar fundamental i nu poate fi nlocuit n prim faz

    cu alte strategii de nvare din simplul motiv c discutm despre pregtirea unei persoane cu

    experien anterioar minim n utilizarea unor informaii auditive. Prin comparaie i

    revenind la exemplul cu nvarea unei limbi strine de ctre o persoan fr astfel de

    probleme, la primele lecii un minim de vocabular trebuie nvat prin repetiie urmnd ca

    ulterior, cnd exist o oarecare baz a lexicului, persoana s fie capabil s deduc alte

    cuvinte sau s poat nelege noi concepte precum expresii specifice unei anumite limbi prin

    explicaii i asocieri cu lexicul de baz. Aadar, la etape ulterioare, nvarea prin repetiie i

    pierde din importan i poate fi nlocuit cu noi strategii mai eficiente i care implic mai

    mult studentul din punct de vedere al ateniei sau motivrii de a acumula i mai ales nelege

    concepte noi dar n primii pai ai explorrii unei limbi strine, repetiia este necesar pentru a

    memora acele uniti lexicale fundamentale. Aceeai abordare este necesar i n cazul

    educrii audio-verbale. nainte de a realiza semnificaia propoziiei "numele meu este

    Andrei", copilul trebuie s realizeze c mediul nconjurtor se caracterizeaz ntr-o mare

    proporie i prin sunete i trebuie s fie capabil s identifice sursa sunetelor respectiv ce

    obiecte emit ce sunete. Totodat copilul, care se presupune c la acest punct a asimilat

    importana auzului, trebuie s fie capabil s neleag i s rosteasc n mod corect vocalele,

    consoanele precum i cuvinte simple, iar toate acestea se obin prin memorarea cu ajutorul

    repetiiei. Trebuie deci neles c atta vreme ct este necesar memorarea unui set de

    cunotiine "de fundaie", nvarea prin repetiie este soluia cea mai eficient. Odat ce s-a

    trecut acest prag al acumulrii cunotiinelor fundamentale se poate aborda un mod mai

    avansat de instructaj - perfect adaptat noilor noiuni cu un grad mai ridicat de dificultate - ce

    pune accent pe nelegerea semanticii din spatele fiecreia, precum i a dezvoltrii creativitii

    i extrapolrii informaiilor pentru a nelege alte noiuni.

    2.3. ALGORITMUL DE NVARE PRIN REPETIIE. DESCRIERE, DEZAVANTAJE I

    SUGESTII DE MBUNTIRE.

    Contribuiile tezei de fa ncep printr-un studiu al posibilitilor de automatizare a

    procedeelor de nvare prin repetiie utilizate n cadrul terapiei audio-verbale. Cum

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    28

    majoritatea exerciiilor din cadrul acestei tehnici terapeutice sunt orientate pe metoda

    menionat s-a considerat c un punct bun de nceput pentru studiu este dezvoltarea unor

    algoritmi ce pot fi utilizai ntr-un sistem de tip ITS ce apoi s fie folosit n pregtirea copiilor

    s fac asocierea dintre sunete i obiectele emitor.

    nvarea prin repetiie, conceptual, poate fi uor de implementat. Considernd c

    avem la dispoziie o mulime M cu cardinal S de entiti informaionale ce trebuie nvate - n

    cazul de fa acestea fiind perechi de stimuli sunet-imagine - acestea pot fi prezentate n

    bucl, trecnd n mod incremental prin fiecare n parte, la fiecare afiare ateptnd un timp

    predefinit pentru a se asigura faptul c studentul a luat la cunotiin de prezena stimulului. n

    cazul n care se dovedete necesar i prezena unui supervizor acesta poate decide trecerea la

    un nou stimul. Pe scurt algoritmul de natur trivial ar putea arta ca n pseudocodul de mai

    jos:

    for s = 1 ... S

    display_pair(s);

    wait (t);

    end

    Trebuie menionat n acest punct c modul n care informaia de nvat este

    reprezentat nu constituie o barier pentru studiu. Dac n cadrul sistemelor ITS dedicate altor

    domenii - aa cum s-a menionat n paragrafele precedente - o real problem era modul n

    care se rerprezint informaia astfel nct aceasta s respecte anumite constrngeri impuse de

    modelul de cogniie, aici nu este necesar utilizarea unor modele de cogniie deoarece

    informaia ce trebuie nvat reprezint o unitate fundamental n pachetul de cunotiine pe

    care deficientul de auz trebuie s le acumuleze i aadar ea va fi reprezentat ca atare.

    Un algoritm precum cel de mai sus, are conceptual o sumedenie de lipsuri care nu-l

    recomanda n a fi utilizat ntr-o aplicaie real. n primul rnd, trebuie luat n calcul modul n

    care subiectul progreseaz i nva stimulii. Ar fi un non-sens ca subiectul s fie supus la

    acelai exerciiu chiar dac el a nvat deja toate stimulrile din mulimea M. Aadar fiecare

    astfel de sesiune de pregtire trebuie s fie ntrerupt n momentul n care se constat c

    studentul a nvat informaia. n consecin, algoritmul de mai sus trebuie deci intercalat cu

    un bloc de testare a cunotiinelor.

    O soluie des utilizat n cadrul terapiei audio-verbale pentru a evalua un copil este

    aceea de a prezenta un numr mai mare de imagini i a se difuza un sunet asociat cu una

    singur, copilul fiind nevoit s aleag pe cea corect. Se vor contoriza rspunsurile pentru mai

    multe astfel de "ntrebri cu opiuni multiple de rspuns" i astfel se poate calcula dac

    eroarea de recunoatere este suficient de mic pentru a se considera c studentul a nvat

    stimulrile prezentate. n cazul n care stimulrile nu au fost reinute corect, se va relua

    procesul de vizualizare a perechilor sunet-imagine altfel algoritmul se oprete dup cum se

    poate observa i n schema bloc din Fig.2.3.

    Pe de alt parte, un copil n cadrul unor astfel de exerciii trebuie s nvee s asocieze

    perechi imagine-sunet din multe categorii de entiti din mediul nconjurtor. Spre exemplu

    sunete emise de animale, sunete emise de fenomene ale naturii, zgomote din ora, zgomote

    din cas, etc. Se remarc deja c numrul de stimulri pe care trebuie s le rein devine

    foarte mare i, aadar, se pune evidenta problem cte astfel de stimulri s-i fie prezentate la

    fiecare sesiune de antrenare fr a-l obosi sau a-i pierde concentrarea. n general specialitii

    aleg s parcurg sesiuni scurte deoarece specificul acestor copii este caracterizat i de o putere

    mic de concentrare, dup cum este menionat n [35]. Deci i numrul de stimulri este n

    general sczut per sesiune. Cu alte cuvinte, pentru fiecare antrenare cardinalul mulimii M de

    stimuli ce vor fi prezentai trebuie s fie suficient de mic dar n acelai timp s conin

    eantioane stimul din toate (sau ct mai multe din) categoriile ce trebuie nvate. Devine deja

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    29

    evident c o parcurgere incremental a tuturor stimulilor ce trebuie nvai poate fi puternic

    obositoare i n acelai timp potenial plictisitoare. Susinem ultima observaie prin faptul c

    anumii stimuli sunt considerai mai atractivi (amuzani) comparativ cu alii, cum n general se

    ntmpl cu cei din categoria sunete emise de animale, iar dac acetia sunt prezentai undeva

    spre sfritul etapei curente de antrenare atunci atenia i motivaia copilului este din ce n ce

    mai diminuat.

    Figura 2.3 - Schema bloc general pentru un algoritm simplu de antrenare audio-verbal cu stimuli

    auditivi non-verbali bazat pe modelul de nvare prin repetiie.

    Soluia la acest impediment ar fi o generare aleatoare a elementelor mulimii M unde

    fiecare categorie din cele ce trebuie s fie nvate ar fi reprezentat, ca i numr de

    eantioane, n mod egal n mulimea M.

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    30

    Cu alte cuvinte:

    =

    1

    =0

    (2.1)

    unde Ck sunt mulimile de stimuli alei din fiecare categorie, iar K este numrul de categorii.

    Fiecare mulime Ck este definit dup expresia:

    = () (2.2)

    unde sk(i) sunt realizrile particulare ale variabilelor aleatoare Sk : k R asociate experimentelor "s-a generat un stimul din categoria k". Presupunem c acordm aceeai ans

    de extragere a fiecrui stimul din categoria k, aadar variabilele aleatoare Sk vor fi presupuse

    ca avnd o distribuie uniform. n mod evident, i = 0, ... , Nk iar

    =

    1

    =0

    (2.3)

    este numrul total de stimulri din mulimea M. Parametrul Nk este numrul de elemente din

    fiecare categorie k. Nu trebuie uitat c am convenit ca:

    Nm = Nn, () m n, m < K, n < K pozitive (2.4)

    O alt variant ar fi aceea a generrii n dou etape succesive a elementelor din

    mulimea M. n prim faz se vor genera aleator categoriile pentru fiecare element din

    mulime urmnd ca pentru fiecare astfel de categorie s fie generat aleator un element din

    mulimea de categorii asociat. Astfel, considerm c:

    = | 0, 1 , (2.5)

    este o mulime format din realizrile k pentru variabila aleatoare X : R asociat experimentului "s-a generat o categorie de stimuli". Astfel k reprezint indicele unei categorii

    din cele K avute la dispoziie. Atunci mulimea M va fi format din:

    = ()|() [0,] cu m = 0 ... S - 1 (2.6)

    reprezentnd realizri ale variabilelor aleatoare Sk : k R asociate experimentelor "s-a generat un element din categoria k". Se mai face n plus presupunerea c toate variabilele

    aleatoare utilizate la aceast modalitate de generare sunt uniforme pentru a asigura faptul c

    avem un numr echilibrat de elemente din fiecare categorie precum i o acceai ans de

    generare pentru fiecare element din categoriile k, n raport cu elementele categoriei.

    O prim observaie la acest punct se poate scoate n eviden: Distribuia elementelor

    din mulimea M, din perspectiva etichetei de categorie (clas), va aproxima distribuia

    uniform a variabilei aleatoare X doar dac se consider c M are un cardinal foarte mare -

    legea numerelor mari din statistic. Acest lucru este puin probabil s fie valabil ntr-o situaie

    real din considerentele discutate mai devreme: un proces de antrenare ndelungat aduce cu

    sine pierderea de concentrare a copilului i pierderea motivrii de a lucra, de aceea nu se

    folosete un numr ridicat de stimuli de antrenare. Aadar, pstrnd acest mod de generare,

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    31

    ntr-o aplicaie real unde numrul de stimulri per sesiune este mic, exist ansa ca numrul

    de stimuli alei din fiecare clas s nu fie egal ntre ei.

    Pe de alt parte, necesitatea de a pstra un numr de stimuli (strict) egal din fiecare

    categorie este discutabil. Aa cum se precizeaz i n arhitecturile generale de sisteme de

    educare inteligente, trebuie luat n considerare c sistemul trebuie s fie capabil s-i adapteze

    instruciunile de antrenare la capacitile curente ale studentului. Se consider c acest lucru

    este valabil i pentru situaia de fa bazat pe nvarea prin repetiie: stimulii deja nvai

    trebuie s fie prezentai, n sesiunile de antrenare viitoare, ntr-o proporie mai mic dect cei

    care nu au fost la fel de bine reinui ntrind astfel i grbind memorarea acelor stimuli care

    nu sunt nc reinui. Devine clar c varianta de aplicat pentru situaia noastr este cea bazat

    pe expresiile (2.5), (2.6) unde nivelul de control asupra numrului de elemente din fiecare

    categorie respectiv a elementelor din acestea este mai ridicat dect n cazul primei variante.

    2.4. MODIFICAREA ALGORITMULUI DE NVARE PRIN REPETIIE.

    DEZVOLTARE ALGORITM PENTRU ANTRENARE ADAPTIV.

    La acest moment schemele bloc ale algoritmilor de nvare prin repetiie cu sugestiile

    de mbuntire sunt prezentai n Fig. 2.4 a respectiv Fig. 2.4 b. Cum varianta de interes este

    cea din Fig. 2.4.b unde se consider c se modific distribuiile de generare a stimulilor, teza

    se va axa de acum ncolo pe acest algoritm i va propune diferite metode de modificare a

    distribuiilor, analizndu-le ulterior din perspectiva avantajelor, dezavantajelor i

    performanei. Totodat, trebuie neles faptul c ambele variante de algoritm au n

    componen dou etape principale: o etap de pregtire (nvare) unde sunt prezentai

    stimulii i o etap de testare unde se verific memorarea stimulilor. Acestea sunt reluate n

    bucl pn cnd se ndeplinete o condiie de oprire. La acest punct se va pune problema

    modului n care se poate face modificarea distribuiilor de emisie a stimulilor astfel nct s

    respecte condiia de adaptare la performanele de recunoatere prezentate de copil precum i

    definirea unor condiii de oprire convenabil alese astfel nct s reflecte faptul c studentul a

    nvat informaia predat de sistem.

    S presupunem pentru nceput simplificarea c intereseaz nvarea categoriilor de

    stimuli privite ca un ntreg i nu fiecare stimul n parte vzut n mod particular. Cu alte

    cuvinte algoritmul va urmri modificarea elementelor din mulimea I definit n expresia (2.5)

    prin ajustarea modului n care variabila aleatoare asociat, X, genereaz realizrile particulare

    k. O prim soluie este dat de contorizarea erorilor de recunoatere i modificarea funciei de

    mas de probabilitate a variabilei aleatoare X prin incrementarea valorilor luate de funcie cu

    ponderi proporionale cu erorile de recunoatere. Trebuie n plus menionat c discutm

    despre o funcie mas de probabilitate, echivalentul discret al funciei densitate de

    probabilitate, aceasta fiind definit cunoscnd valoarea luat pentru fiecare argument al

    acesteia. Fie aceasta funcie pX(x, t). Alegem i un al doilea parametru t care se incrementeaz

    cu fiecare etap de antrenare. Pentru t = 0 distribuia este una uniform:

    , = 0 =1

    (2.7)

    pentru x = 0 ... K - 1

    i fiecare indice k din mulimea I va fi generat cu aceeai probabilitate. Dup ncheierea

    sesiunii de testare (ulterioare antrenrii t curente) se vor calcula erorile de recunoatere a

    stimulilor n test, definite ca fiind:

  • Algoritmi pentru identificarea, evaluarea i corectarea deficienelor audio-verbale

    32

    (, ) =(, )

    (, ) (2.8)

    unde E(x,t) i T(x,t) reprezint numrul total de stimuli nerecunoscui din categoria asociat

    argumentului x respectiv numrul total de stimuli generai din categoria respectiv.

    Figura 2.4 - Schema bloc general pentru un algoritm simplu de antrenare audio-verbal cu stimuli

    auditivi non-verbali bazat pe modelul de nvare prin repetiie. Modelele de fa presupun generarea

    aleatoar a stimulrilor ce trebuie prezentate. n cazul a) categoriile din care fac parte stimulii sunt

    constrnse a fi n numr egal n vectorul de eantioane n timp ce n b) categoriile sunt i ele generate

    aleator nainte de a se genera stimuli din acestea.

    Funcia mas de probabilitate pX, la pasul t + 1 va fi ajustat conform:

    (, + 1) =(, ) + (, )

    (, ) + (, ) 1=0

    (2.9)

    Factorul de la numitor are rolul de normare a valorilor nscrise n componentele funciei pX astfel nct aceasta s ndeplineasc condiia:

    (, ) = 1

    1

    =0

    (2.10)

    Se observ c de fiecare dat cnd se va ajusta funcia de probabilitate atunci componentele ei

    vor fi proporionale cu eroarea de recunoatere. Spre exemplu considernd o funcie care

    descrie un eveniment cu doar trei rezultate posibile, atunci forma sa la t = 0 este precum n

    Fig. 2.5 - stnga. Dac vom considera c n cadrul etapei de testare ulterioare s-au obinut