具有智能推理決策的三維虛擬教師的研究*

湯躍明 郭曉靜

河南師范大學(xué)教育技術(shù)系 河南新鄉(xiāng) 453007

作者：湯躍明，河南師范大學(xué)教育技術(shù)系教授，碩士導(dǎo)師；郭曉靜，河南師范大學(xué)教育技術(shù)系大三本科生。

1 引言

21世紀(jì)勢必是教育信息化全速發(fā)展的時期，伴隨著智能手機(jī)功能的不斷強(qiáng)大，平板電腦和筆記本電腦的普及，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)不再受空間和時間的限制，在線學(xué)習(xí)與移動學(xué)習(xí)發(fā)展得如火如荼。然而它對教育的影響?yīng)q如一柄雙刃劍，同時也會產(chǎn)生一些消極影響[1]：海量的學(xué)習(xí)資源使學(xué)習(xí)者在選擇時無從下手；缺乏科學(xué)的學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)方法可能會造成學(xué)習(xí)效率低下；學(xué)習(xí)者長期進(jìn)行單方學(xué)習(xí)難以使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸感；缺乏個性化的考核測評和反饋，使學(xué)習(xí)者很難獲取自己的學(xué)習(xí)情況，更加淡化了學(xué)習(xí)的目的性；缺乏學(xué)習(xí)協(xié)作者

Tang Yueming, Guo Xiaojing和指導(dǎo)者使學(xué)習(xí)者易產(chǎn)生孤獨感；缺乏實時的感情交流使學(xué)習(xí)者在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中不易堅持。

本文針對目前網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的缺陷提出了基于虛擬智能體的具有智能推理決策的三維虛擬教師的設(shè)計。虛擬教師以其本身的智能性為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)者為主體，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和協(xié)作者的作用，在學(xué)習(xí)者要求的基礎(chǔ)上與學(xué)習(xí)者的先決知識相結(jié)合，為學(xué)習(xí)者制定學(xué)習(xí)計劃，同時與學(xué)習(xí)者進(jìn)行情感交互，力求增加學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的效率、降低學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的孤獨感。在本文設(shè)計中，筆者認(rèn)為虛擬教師在發(fā)揮其智能性與學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互的行為中，智能推理決策是虛擬教師主要功能的重點。

2 虛擬教師的概念

三維虛擬教師是指在基于計算機(jī)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，能夠模擬真實教師的形象、動作表情與模擬真實教師教學(xué)功能的技術(shù)實體[2]。虛擬教師是在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中可以與學(xué)習(xí)者進(jìn)行語言、動作、感情交互的三維虛擬人實體與智能教學(xué)代理的結(jié)合。

由于信息技術(shù)的作用在很大程度上可以代替教師的角色，因而教師的角色都將發(fā)生變化。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，虛擬教師將從傳統(tǒng)課堂教學(xué)的主講者轉(zhuǎn)變?yōu)樵谔摂M學(xué)習(xí)中的多角色[3]：學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、學(xué)習(xí)的協(xié)作者、學(xué)習(xí)內(nèi)容的規(guī)劃師，學(xué)習(xí)情況的反饋者、學(xué)習(xí)的實時監(jiān)控者、學(xué)習(xí)者個人的情感交流者。

虛擬教師會從學(xué)習(xí)者第一次開始學(xué)習(xí)起為學(xué)習(xí)者建立一份動態(tài)的學(xué)習(xí)檔案[4]，通過與學(xué)習(xí)者進(jìn)行語言交互和情感交互詳細(xì)地了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)目標(biāo)，然后通過推理和決策為學(xué)習(xí)者制定出個性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)策略。學(xué)習(xí)者只需要根據(jù)虛擬教師的指引進(jìn)入學(xué)習(xí)即可，由虛擬教師指導(dǎo)協(xié)作學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)、實驗、作業(yè)的完成和批改、考試測評和反饋。

3 虛擬教師系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

如圖1所示，虛擬教師系統(tǒng)主要由感知模塊、認(rèn)知模塊、智能推理決策模塊、情感模塊、規(guī)劃整合模塊等5個模塊組成。由感知模塊感知獲取學(xué)習(xí)環(huán)境中的信息，認(rèn)知模塊處理分解這些信息，然后將不同的信息分別傳給智能推理決策模塊和情感模塊進(jìn)行決策，最后由規(guī)劃整合模塊將決策進(jìn)行整合后在表示層表示。

圖1 虛擬教師系統(tǒng)總體設(shè)計框架

3.2 具體實現(xiàn)

1）感知模塊主要控制虛擬教師對學(xué)習(xí)環(huán)境中所有情況的感知，主要包括信息獲取和周圍情景的狀況感知。獲取的信息包括學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況信息，學(xué)習(xí)者行為和情感變化的信息，學(xué)習(xí)者測試信息；周圍情景的感知則包括虛擬教師對周圍所有非語言信息情況的感知，如學(xué)習(xí)者是否在線、實驗過程是否正常進(jìn)行等。

2）認(rèn)知模塊將感知模塊傳遞來的內(nèi)容整合為具體的信息并分為三類：第一類是高級的智能信息，就是需要經(jīng)過推理才能夠解決的問題，主要是定性信息，比如回答學(xué)習(xí)者提問等復(fù)雜問題，這類信息將會被傳遞到推理決策模塊的推理決策器進(jìn)行推理決策后解決；第二類是低級的信息，即不需要太復(fù)雜的推理可以直接解決的問題，如向?qū)W習(xí)者問候、習(xí)題的計算等可以預(yù)先存儲好應(yīng)對策略立即執(zhí)行就可以解決的問題，將被傳遞到推理決策模塊的數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的應(yīng)對方法；第三類是情感信息，就是感知到的學(xué)習(xí)者情感變化的信息和虛擬教師應(yīng)表現(xiàn)的情感變化信息，主要指外在的感情表現(xiàn)，這類信息被傳遞到情感模塊進(jìn)行處理。

3）智能推理決策模塊是虛擬智能教師的核心，智能推理決策模塊接收到認(rèn)知模塊傳來的低級信息后將自動調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的相應(yīng)的策略執(zhí)行；智能推理決策模塊接收到認(rèn)知模塊傳來的高級智能信息，采用基于案例檢索的方式進(jìn)行推理決策，輸出最終決策傳給規(guī)劃整合模塊。

（三）第三人干擾婚姻關(guān)系的行為使無過錯配偶的人格利益被侵害。臺灣民法學(xué)者王澤鑒認(rèn)為“婚姻者，系男女雙方以終身共同生活為目的而組成特別結(jié)合關(guān)系，夫妻當(dāng)事人一方對于婚姻關(guān)系之圓滿，寓有人格利益。因此，干擾他人婚姻關(guān)系者，不但侵害了被害人之身份或親屬權(quán)、而且也侵害了被害人之人格利益、實無疑問。”

4）情感模塊主要由兩部分組成：情感接收器和情感決策器。情感接收器負(fù)責(zé)接收認(rèn)知模塊傳遞來的情感信息并將這些情感信息進(jìn)行具體的量化，然后傳遞給情感決策器；情感決策器接收到情感接收器量化過的情感信息后進(jìn)行情感表現(xiàn)的決策，主要是外在的情感表現(xiàn)：表情和動作。情感決策器將從表情規(guī)則庫和行為規(guī)則庫中選擇出虛擬教師應(yīng)表現(xiàn)出的表情和情感動作，然后傳遞給規(guī)劃整合模塊。

5）規(guī)劃整合模塊在接收到由存儲器傳遞來的語言和執(zhí)行動作信息以及情感模塊傳遞來的表情和情感動作信息后有兩方面的工作：一是將所有接收的信息進(jìn)行整合，虛擬教師同步表現(xiàn)的語言表情和動作應(yīng)該符合正常的邏輯，比如說表情興奮地拍著學(xué)習(xí)者肩膀說加油，這樣才可以流露出更真實的情感；二是規(guī)劃出虛擬教師語言動作和表情表現(xiàn)的順序，經(jīng)過智能的推理規(guī)劃組織得當(dāng)，然后在表示層進(jìn)行表示。

6）表示層是虛擬教師與學(xué)習(xí)者交互的主要外在表現(xiàn)，表示層接收到規(guī)劃整合模塊提供的命令，只需進(jìn)行相應(yīng)的語言動作表情表示即可。

4 虛擬教師系統(tǒng)的智能推理決策機(jī)制的研究

根據(jù)虛擬教師系統(tǒng)的特點，虛擬教師的行為主要包括兩類：第一類是簡單的交互行為，如與學(xué)習(xí)者問好、呈現(xiàn)教學(xué)材料、講課等行為。這些行為不需要經(jīng)過高級的推理決策，教師可以直接執(zhí)行，它們都已經(jīng)被存儲到存儲器中，只需要認(rèn)知模塊將低級信息識別并觸發(fā)即可；第二類是高級的交互行為，主要是答疑需要虛擬教師進(jìn)行智能的推理決策[5]。

圖2 虛擬教師系統(tǒng)智能推理決策模塊的工作流程

圖3 基于案例推理的虛擬教師系統(tǒng)智能推理流程

4.1 虛擬教師系統(tǒng)智能推理決策模塊框架

按照虛擬教師系統(tǒng)的特點和需求，基于虛擬智能體的虛擬教師推理決策系統(tǒng)主要由4個模塊組成：決策管理模塊、定性推理決策模塊、定量推理決策模塊、多決策融合模塊。

決策管理模塊主要負(fù)責(zé)對認(rèn)知模塊傳來的高級智能信息、知識庫的知識、模型庫的模型進(jìn)行分析，分解需要進(jìn)行推理決策的信息，然后傳給定性推理決策模塊和定量推理決策模塊進(jìn)行推理決策得出策略，最后由多決策融合模塊對多個策略進(jìn)行整合。定性決策分析模塊主要負(fù)責(zé)對不確定的信息進(jìn)行分析，輸出定性信息策略。定量決策分析模塊實現(xiàn)對模型庫中定量信息計算模型的調(diào)用，根據(jù)定量信息計算模型進(jìn)行定量計算，輸出定量信息策略。多決策融合模塊主要負(fù)責(zé)計算策略之間是否有沖突，如果各個策略之間沒有沖突，則按照之前定義好的方案輸出；有沖突的話，進(jìn)行多決策信息的沖突融合后輸出最終決策，如圖2所示。

4.2 虛擬教師系統(tǒng)智能定性信息推理決策實現(xiàn)

案例推理方法同人腦推理相似，是案例和規(guī)律性知識的結(jié)構(gòu)化。

1）案例表示。基于學(xué)生學(xué)習(xí)知識點的結(jié)構(gòu)性和層次性，采用框架理論[6]進(jìn)行案例表示，框架的一般結(jié)構(gòu)如下：

<框架名>

<槽名1><槽值1>|<側(cè)面名11><側(cè)面值111，側(cè)面值112，…>

<側(cè)面名12><側(cè)面值121，側(cè)面值122，…>

<槽名2><槽值2>|<側(cè)面名11><側(cè)面值111，側(cè)面值112，…>

<側(cè)面名12><側(cè)面值121，側(cè)面值122，…>

例如勾股定理如下所示：

<勾股定理>

<定義><在任何一個直角三角形中，兩條直角邊的長的平方和等于斜邊長的平方。>

<公式>

<證明><勾股定理證明>

基于案例推理的虛擬教師推理決策過程槽值和側(cè)面值可以是另一個框架的名字，例如，<勾股定理>框架中的證明內(nèi)容則是另一個框架<勾股定理證明>，由此可以實現(xiàn)案例相互之間的層次架構(gòu)。

2）案例推理的虛擬教師系統(tǒng)智能推理流程。認(rèn)知層的定性信息傳來后在案例庫進(jìn)行檢索，檢索出多條相似案例后，計算每個相似案例的權(quán)重，然后取出權(quán)重值最大的案例，運用知識庫中的知識和規(guī)則將案例改寫為匹配當(dāng)前信息的案例，然后將最終決策結(jié)果輸出，并將該案例重新存儲到案例庫中，如圖3所示。

5 結(jié)束語

本文以提高學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)效率為目的，借鑒虛擬現(xiàn)實技術(shù)、虛擬人技術(shù)、智能推理決策技術(shù)、心理學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)知識和最新研究成果，基于虛擬智能體技術(shù)構(gòu)建出虛擬教師作為學(xué)習(xí)者的指導(dǎo)者和協(xié)作者。虛擬教師具有人類的思考、決策能力，可以以動作、表情和語言的形式與學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互，旨在降低學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)的孤獨感，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的參與感。本文重點探討了虛擬教師的核心模塊，即智能推理決策模塊，在基于人工智能專家系統(tǒng)的智能決策系統(tǒng)嘗試做出適合虛擬教師推理決策的改進(jìn)，采用案例推理的方法進(jìn)行推理決策。

[1]黃健.數(shù)字化時代和成人教育[J].外國教育資料,1998(2):65-69.

[2]孫波,趙慧勤,李麗,等. 三維虛擬教師的設(shè)計與應(yīng)用研究[J].電化教育研究,2009(12):37-40.

[3]王陸,馮紅.遠(yuǎn)程教學(xué)/學(xué)習(xí)系統(tǒng)中影響學(xué)習(xí)質(zhì)量的五種因素[J].電化教育研究,2000(7):22-25.

[4]馬莉,程國忠,張勇強(qiáng).智能教師代理在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育,2006(2):62-64.

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[6]王愷.基于案例推理的物資調(diào)運決策支持系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),2005:20-36.