一种基于多Agent的远程教学系统设计模型

2022-11-04

以多媒体、网络等先进技术为基础的现代远程教学体系, 不仅是对传统教学方式的根本性变革和挑战, 而且具有变革与发展的坚实基础。然而, 综观现有基于Internet的远程教学系统, 不难发现其普遍存在的一系列问题, 包括以下几点:

(1) 多以呈现教学材料为主, 在教学过程中学生被动学习, 缺乏必要的交互手段。

(2) 对不同认知水平的学生采用相同的教学策略, 缺乏智能性和适应性, 难以实现因材施教。

(3) 由于知识结构是松散无关的, 掌握学习主动权的学习者面对众多信息而无所适从, 在学习过程中容易出现迷航而偏离学习目标。

(4) 采用了不同的数据资源管理标准, 不利于教学资源共享以至于造成大量重复劳动。

Agent理论和技术的研究最早起源于分布式人工智能 (Distributed Artificial Intelligence, DAI) , 是能够自主学习并可适应环境的软件实体。其能够通过感知自身和环境中的信息, 自主采取行动实现一系列预先设定的目标或任务。多Agent系统是由多个自主的Agent组成, 每个Agent都有自己的职责, 并与其它Agent通信获取信息, 互相协作完成整个问题求解。与单个Agent相比, 多Agent系统能够完成更为复杂更广泛的功能。

1 传统网上教学系统

网上教学系统有很多不同的类型, 按照分布范围的广泛程度, 分为基于局域网的网上教学系统和基于Internet的网上教学系统;按照教学模式的不同, 分为授课式、协同式和个性化学习等教学系统。

1.1 按分布范围

(1) 基于局域网的网上教学系统。这种模式的教学系统要求各台计算机在地理位置上比较集中, 距离比较近, 这种模式在一定程度上实现了资源的共享。解决了教师资源的不足。但这种近距离也有其弊端, 它限制了教学系统的扩展, 只能在小的范围内实现资源的共享, 可以说是一种“扩展电子版”的课堂教学。现在基于局域网的网上教学系统已经被广泛应用, 而且已有比较成熟的产品, 如高校多媒体教室。

(2) 基于lnternet的网上教学系统。Internet因为其资源丰富、接入方便等优点而得到了迅速的普及。各种形式的服务也随之蓬勃发展起来:www服务、E—mail服务、新闻组、BBS等, 尤其是WWW服务得到了更为广泛的应用。基于lnternet的教学有许多优点:一是通过Internet传递各种多媒体教学资料, 如文字、图像、音频、视频等, 可以集成多种信息格式, 从而可以以丰富的形式呈现知识。二是支持通过超媒体的信息使用方式, 通过超链接, 非线性的使用教学资料。三是支持丰富的人机交互, 学生是学习的主体和中心, 可以自主的控制学习进程和学习状态。四是可以嵌入多种交互功能支持学习巾的协作。

1.2 按教学模式

(1) 授课式教学系统。授课式模式又可以分为同步和异步两种方式。同步授课:教师和学生可在不同地点, 但学生要在同一时间聆听教师的讲授, 师生之间可以有一些简单的交互。因为网络传输带宽的限制, 这种模式一般应用于局域网。异步授课:教师将教学材料、教学要求等做成Web页面, 放在Web服务器上, 学生可以在任何时间、任何地点通过浏览这些页面达到学习的目的。学生可以自己控制学习的进度和时间。

(2) 协同式教学系统。系统的实现是基于CSCW (Computer Supported Cooperative Work, 即计算机协同工作) 。在协同式系统中, 不仅存在人一机交互, 也存在着人—人交互。学习者在与他人相互作用的过程中进行学习, 在这个学习过程中, 学习者既有共享的学习空间, 也有自己的私有学习空间。

(3) 个性化教学系统。在这种教学系统中强调根据学习者的真实水平提供教学资料。一般是根据学习者的情况, 决定下一步的决策:呈现新的教学内容, 继续学习;或是呈现原来的教学内容进行复习;或是呈现原来教学内容的不同表达加强巩固;降低学习要求, 呈现简单一些的内容。这些决策可以由计算机给出, 也可以由学生自己决定。若要由计算机给出, 要求计算机具有较高的智能性和分析判断能力。

2 Agent在远程教学系统上的应用和优势

远程教育是促进教育机会平等的重要手段。在网络环境下, 可以调动多种教学手段, 包括讲解、演示、练习、实验和考试等。其中, 练习和、实验环节是智能代理可以大有作为的地方。自20世纪90年代中期以来, 智能代理技术在基于Web的远程教学中的应用日益普遍。过去的智能辅助教学 (ICAI) 主要强调帮助老师“教”, 利用“学生模型”、“知识推理”和“教学决策”等模块, 帮助教师实现因材施教和进行有针对性的指导 (所以ICAI也常常称之为ITS——智能指导系统) 。20世纪90年代以来, 随着多媒体和Intemet的迅速普及, 一种全新的学习理论与教学理论——建构主义理论日益流行。这种理论强调教师指导下的以学生为中心的学习, 教学过程中不仅要发挥教师的指导作用, 更要充分体现学生的认知主体作用。因此教学中的智能不仅应体现在辅助教师“教”, 而且应体现在辅助学生“学”。智能Agent技术正是在这样的背景下, 逐渐取代lCAl而成为教学领域实现智能化的一种主流技术。这是因为代理不仅可以作教师Agent, 也可以作为学生Agent, 而且可以成为学生学习过程中多方面的Agent, 即多重代理 (Multiagents) 。

3 基于Agent技术的远程教学系统

这里分析一种基于Agent的网上教学系统模型, 系统的总体结构见图l。

系统采用B/A/S结构, 这是一种“瘦客户”模式, 占用客户端资源很少, 对客户端条件要求较低。而且在这种结构中用户不直接与数据库服务器交互, 保证了源代码不会外泄, 提高了数据库端的安全性, 同时也保证了客户端的资源不会被随便修改。

(1) 登录教学系统的用户有四种身份:系统管理员、教师、学生和客人, 不同身份的人对教学系统具有不同的权限。系统管理员的主要任务是负责系统的日常维护。系统管理员的权限最高, 他有权改动系统中的大部分资源, 同时负责授权。教师的主要任务是修改、添加教学资源库 (资源库里存放的主要是网页、试题等原始学习资料) 和对学生提供指导、答疑。教师修改、添加教学资源库需要系统管理员的授权。学生是教学系统的主要服务对象。学生有权以Web页面的形式利用学习资料, 但不能直接访问教学资源库;学生有权查看自己的个人资料, 个人资料库存放的是学生的个人信息, 如登录信息、近期的学习情况等等。客人在这里面的权限最少。因为每一个访问本系统的用户, 不一定都想成为系统的正式用户。

(2) 客户端使用的是通用的浏览器, 不需安装不同的用户程序, 这为复杂的分布式应用提供了统一的环境, 同时也便于系统的升级和改进。浏览器是用户与教学系统交互的界面, 现在的浏览器都是图形界面, 操作简单, 易学易用。

(3) Web服务器是应用的主体。介于浏览器和数据库服务器之间。负责接收用户输入的请求, 并将处理后的结果以Web页面的形式传回。在用户增多时, 为了加快处理速度, 可以多设几个Web服务器, 每个Web服务器负责一部分用户。同时, Web服务器还要与数据库服务器交互。

(4) 数据库服务器是网上教学系统的核心, 它管理着全部的教学资源, 负责对数据库中的数据维护、读写等, 并负责协调不同的Web服务器发出的请求。数据库服务器上的教学资源分为教学资源库和用户个人资料库两部分。教学资源库是整个教学系统的基础, 存放的是网页、试题、作业等教学资源, 这些内容是静态的, 一般很少变动, 并且这些资料是只读共享的, 登录教学系统的用户都可以以Web页面的形式浏览这些资源, 在某些情况下, 系统管理员和教师可以修改。教学资源库包含的内容基本上可以分为图形和文本两大类, 而影响系统速度的主要原因就是图形。为了加快访问速度将图形资料打包, 在用户每次登录时下载到本地计算机 (用户可以根据设备的状况和安全性因素决定是否下载) , 这样若用户访问的信息是文本资料, 则从服务器方获得, 若是图形资料, 则从本地站点获得, 这可以大大地加快访问速度。

4 Agent功能描述

(1) 管理Agent。管理Agent的根本作用是从全局的角度协调其他各Agent。它定期收集各个Agent的状态信息, 以确保各Agent正在正常运作。为了减少Agent间的通信量, 状态信息的获得采用主动汇报法和垂询法相结合的方法:即每个Agent生成后都立即向管理Agent汇报其状态信息, 以后则在状态有变化时向管理Agent汇报;管理Agent则定期询问各Agent的状态信息。采用这种获取信息的方法可以减少了管理Agent和其他Agent之间的通信量。同时也增加了健壮性。管理Agent在系统初始化时由系统创建, 在系统的整个运行期间都存在。管理Agent被创建后, 它随之创建登录连接Agent, 且在有合法身份的用户登录时为之创建个性分析Agent、智能导航Agent和学生Agent (或客人Agent) , 对于教师身份的用户则只创建教师Agent。当登录访问的用户增多时, 为了加快处理速度, 管理Agent可以设几个子管理Agent, 每一个子管理Agent负责一部分用户, 功能与管理Agent一样。子管理agent再定期把Agent的状态信息向管理Agent汇报, 同样下面的登录连接Agent也可以根据需要多设几个。

(2) 登录连接Agent。登录连接Agent由管理Agent创建, 创建后在系统的整个运行期间都存在, 登录连接Agent在生存期内监听用户的连接请求。若有用户登录则根据用户的注册信息验证用户的合法性 (以客人身份登录的用户不需验证) 。对于已注册用户, 将其登录消息传递给管理Agent, 以便于管理Agent为之创建相关Agent和记录各Agent的状态, 而对于要注册的用户。同时还要将信息传到注册库, 帮助用户注册。

(3) 个性分析Agent。管理Agent在接到用户 (学生身份或客人身份) 登录的消息后, 创建个性分析Agent。个性分析Agent被创建后, 调用登录用户的用户个人资料库。查看用户以往的学习记录, 根据这些记录为学生本次学习呈现最新的学习资料。因为每个用户的个人资料库不同, 所以不同的用户登录得到的最新学习资料是不同的。个性分析Agent在用户的整个学习期间要不断地分析用户的学习状态, 为用户的下一步学习做相应的准备。个性分析Agent还负责将本次学习的最终分析结果返还给用户个人资料库, 以便为用户的下次学习提供原始学习材料。

5 结语

以多媒体、网络等先进技术为基础的远程教学以其开放性、多样性、个性化、先进性等特征, 已经成为现代教育的重要组成部分。而基于多Agent的远程教学系统, 则在智能性、适应性、主动性等方面有更突出的表现, 能够解决目前远程教学系统中所普遍存在的问题, 更好地满足远程教学的需要, 对远程教学的发展有着十分重要的意义。当然, 将多Agent技术融入远程教学系统这个问题, 在实现方面还有待进一步深化和完善, 这也是远程教学重要的发展方向。

摘要：随着社会的广泛需求、信息技术的飞速发展及Internet的迅速延伸, 现代远程教学得到了越来越广泛的应用。但目前的远程教学系统普遍存在智能性差、交互手段匮乏、知识结构松散、资源共享度不高等系列弊端。本文以多Agent技术为基础, 提出了一种新的基于多Agent的现代远程教学系统设计模型, 并讨论了其主要功能及实现该系统的部分关键技术。

关键词：远程教学,多Agent,模型框架