具有智能推理決策的三維虛擬教師的研究*

湯躍明 郭曉靜

河南師范大學教育技術系 河南新鄉 453007

作者：湯躍明，河南師范大學教育技術系教授，碩士導師；郭曉靜，河南師范大學教育技術系大三本科生。

1 引言

21世紀勢必是教育信息化全速發展的時期，伴隨著智能手機功能的不斷強大，平板電腦和筆記本電腦的普及，學習者的學習不再受空間和時間的限制，在線學習與移動學習發展得如火如荼。然而它對教育的影響猶如一柄雙刃劍，同時也會產生一些消極影響[1]：海量的學習資源使學習者在選擇時無從下手；缺乏科學的學習策略和學習方法可能會造成學習效率低下；學習者長期進行單方學習難以使學習者產生沉浸感；缺乏個性化的考核測評和反饋，使學習者很難獲取自己的學習情況，更加淡化了學習的目的性；缺乏學習協作者

Tang Yueming, Guo Xiaojing和指導者使學習者易產生孤獨感；缺乏實時的感情交流使學習者在網絡學習中不易堅持。

本文針對目前網絡學習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計。虛擬教師以其本身的智能性為基礎，以學習者為主體，充分發揮學習者學習的指導者和協作者的作用，在學習者要求的基礎上與學習者的先決知識相結合，為學習者制定學習計劃，同時與學習者進行情感交互，力求增加學習者學習的效率、降低學習者學習的孤獨感。在本文設計中，筆者認為虛擬教師在發揮其智能性與學習者進行交互的行為中，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的虛擬學習環境中，能夠模擬真實教師的形象、動作表情與模擬真實教師教學功能的技術實體[2]。虛擬教師是在虛擬學習環境中可以與學習者進行語言、動作、感情交互的三維虛擬人實體與智能教學代理的結合。

由于信息技術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生變化。在網絡教學系統中，虛擬教師將從傳統課堂教學的主講者轉變為在虛擬學習中的多角色[3]：學習的指導者、學習的協作者、學習內容的規劃師，學習情況的反饋者、學習的實時監控者、學習者個人的情感交流者。

虛擬教師會從學習者第一次開始學習起為學習者建立一份動態的學習檔案[4]，通過與學習者進行語言交互和情感交互詳細地了解學習者的學習目標，然后通過推理和決策為學習者制定出個性化的學習內容和學習策略。學習者只需要根據虛擬教師的指引進入學習即可，由虛擬教師指導協作學習者進行學習、實驗、作業的完成和批改、考試測評和反饋。

3 虛擬教師系統的設計

3.1 總體設計

如圖1所示，虛擬教師系統主要由感知模塊、認知模塊、智能推理決策模塊、情感模塊、規劃整合模塊等5個模塊組成。由感知模塊感知獲取學習環境中的信息，認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行決策，最后由規劃整合模塊將決策進行整合后在表示層表示。

圖1 虛擬教師系統總體設計框架

3.2 具體實現

1）感知模塊主要控制虛擬教師對學習環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。獲取的信息包括學習者學習情況信息，學習者行為和情感變化的信息，學習者測試信息；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，如學習者是否在線、實驗過程是否正常進行等。

2）認知模塊將感知模塊傳遞來的內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，就是需要經過推理才能夠解決的問題，主要是定性信息，比如回答學習者提問等復雜問題，這類信息將會被傳遞到推理決策模塊的推理決策器進行推理決策后解決；第二類是低級的信息，即不需要太復雜的推理可以直接解決的問題，如向學習者問候、習題的計算等可以預先存儲好應對策略立即執行就可以解決的問題，將被傳遞到推理決策模塊的數據庫中選擇相應的應對方法；第三類是情感信息，就是感知到的學習者情感變化的信息和虛擬教師應表現的情感變化信息，主要指外在的感情表現，這類信息被傳遞到情感模塊進行處理。

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知模塊傳來的低級信息后將自動調用數據庫中存儲的相應的策略執行；智能推理決策模塊接收到認知模塊傳來的高級智能信息，采用基于案例檢索的方式進行推理決策，輸出最終決策傳給規劃整合模塊。

（三）第三人干擾婚姻關系的行為使無過錯配偶的人格利益被侵害。臺灣民法學者王澤鑒認為“婚姻者，系男女雙方以終身共同生活為目的而組成特別結合關系，夫妻當事人一方對于婚姻關系之圓滿，寓有人格利益。因此，干擾他人婚姻關系者，不但侵害了被害人之身份或親屬權、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。情感接收器負責接收認知模塊傳遞來的情感信息并將這些情感信息進行具體的量化，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行情感表現的決策，主要是外在的情感表現：表情和動作。情感決策器將從表情規則庫和行為規則庫中選擇出虛擬教師應表現出的表情和情感動作，然后傳遞給規劃整合模塊。

5）規劃整合模塊在接收到由存儲器傳遞來的語言和執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行整合，虛擬教師同步表現的語言表情和動作應該符合正常的邏輯，比如說表情興奮地拍著學習者肩膀說加油，這樣才可以流露出更真實的情感；二是規劃出虛擬教師語言動作和表情表現的順序，經過智能的推理規劃組織得當，然后在表示層進行表示。

6）表示層是虛擬教師與學習者交互的主要外在表現，表示層接收到規劃整合模塊提供的命令，只需進行相應的語言動作表情表示即可。

4 虛擬教師系統的智能推理決策機制的研究

根據虛擬教師系統的特點，虛擬教師的行為主要包括兩類：第一類是簡單的交互行為，如與學習者問好、呈現教學材料、講課等行為。這些行為不需要經過高級的推理決策，教師可以直接執行，它們都已經被存儲到存儲器中，只需要認知模塊將低級信息識別并觸發即可；第二類是高級的交互行為，主要是答疑需要虛擬教師進行智能的推理決策[5]。

圖2 虛擬教師系統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智能推理流程

4.1 虛擬教師系統智能推理決策模塊框架

按照虛擬教師系統的特點和需求，基于虛擬智能體的虛擬教師推理決策系統主要由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責對認知模塊傳來的高級智能信息、知識庫的知識、模型庫的模型進行分析，分解需要進行推理決策的信息，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行整合。定性決策分析模塊主要負責對不確定的信息進行分析，輸出定性信息策略。定量決策分析模塊實現對模型庫中定量信息計算模型的調用，根據定量信息計算模型進行定量計算，輸出定量信息策略。多決策融合模塊主要負責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 虛擬教師系統智能定性信息推理決策實現

案例推理方法同人腦推理相似，是案例和規律性知識的結構化。

1）案例表示。基于學生學習知識點的結構性和層次性，采用框架理論[6]進行案例表示，框架的一般結構如下：

<框架名>

<槽名1><槽值1>|<側面名11><側面值111，側面值112，…>

<側面名12><側面值121，側面值122，…>

<槽名2><槽值2>|<側面名11><側面值111，側面值112，…>

<側面名12><側面值121，側面值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>框架中的證明內容則是另一個框架<勾股定理證明>，由此可以實現案例相互之間的層次架構。

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

5 結束語

本文以提高學習者在線學習效率為目的，借鑒虛擬現實技術、虛擬人技術、智能推理決策技術、心理學等領域的相關知識和最新研究成果，基于虛擬智能體技術構建出虛擬教師作為學習者的指導者和協作者。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習者進行交互，旨在降低學習者在線學習的孤獨感，促進學習者的參與感。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的智能決策系統嘗試做出適合虛擬教師推理決策的改進，采用案例推理的方法進行推理決策。

[1]黃健.數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. 三維虛擬教師的設計與應用研究[J].電化教育研究,2009(12):37-40.

[3]王陸,馮紅.遠程教學/學習系統中影響學習質量的五種因素[J].電化教育研究,2000(7):22-25.

[4]馬莉,程國忠,張勇強.智能教師代理在網絡學習中的應用[J].現代遠距離教育,2006(2):62-64.

[5]趙慧勤,孫波.基于虛擬智能體技術的具有情感支持的三維虛擬教師的研究[J].中國電化教育,2010(11):117-123.

[6]王愷.基于案例推理的物資調運決策支持系統設計與實現[D].武漢:華中科技大學,2005:20-36.