具有智能推理决策的三维虚拟教师的研究*

汤跃明 郭晓静

河南师范大学教育技术系 河南新乡 453007

作者：汤跃明，河南师范大学教育技术系教授，硕士导师；郭晓静，河南师范大学教育技术系大三本科生。

1 引言

21世纪势必是教育信息化全速发展的时期，伴随着智能手机功能的不断强大，平板电脑和笔记本电脑的普及，学习者的学习不再受空间和时间的限制，在线学习与移动学习发展得如火如荼。然而它对教育的影响犹如一柄双刃剑，同时也会产生一些消极影响[1]：海量的学习资源使学习者在选择时无从下手；缺乏科学的学习策略和学习方法可能会造成学习效率低下；学习者长期进行单方学习难以使学习者产生沉浸感；缺乏个性化的考核测评和反馈，使学习者很难获取自己的学习情况，更加淡化了学习的目的性；缺乏学习协作者

Tang Yueming, Guo Xiaojing和指导者使学习者易产生孤独感；缺乏实时的感情交流使学习者在网络学习中不易坚持。

本文针对目前网络学习中的缺陷提出了基于虚拟智能体的具有智能推理决策的三维虚拟教师的设计。虚拟教师以其本身的智能性为基础，以学习者为主体，充分发挥学习者学习的指导者和协作者的作用，在学习者要求的基础上与学习者的先决知识相结合，为学习者制定学习计划，同时与学习者进行情感交互，力求增加学习者学习的效率、降低学习者学习的孤独感。在本文设计中，笔者认为虚拟教师在发挥其智能性与学习者进行交互的行为中，智能推理决策是虚拟教师主要功能的重点。

2 虚拟教师的概念

三维虚拟教师是指在基于计算机的虚拟学习环境中，能够模拟真实教师的形象、动作表情与模拟真实教师教学功能的技术实体[2]。虚拟教师是在虚拟学习环境中可以与学习者进行语言、动作、感情交互的三维虚拟人实体与智能教学代理的结合。

由于信息技术的作用在很大程度上可以代替教师的角色，因而教师的角色都将发生变化。在网络教学系统中，虚拟教师将从传统课堂教学的主讲者转变为在虚拟学习中的多角色[3]：学习的指导者、学习的协作者、学习内容的规划师，学习情况的反馈者、学习的实时监控者、学习者个人的情感交流者。

虚拟教师会从学习者第一次开始学习起为学习者建立一份动态的学习档案[4]，通过与学习者进行语言交互和情感交互详细地了解学习者的学习目标，然后通过推理和决策为学习者制定出个性化的学习内容和学习策略。学习者只需要根据虚拟教师的指引进入学习即可，由虚拟教师指导协作学习者进行学习、实验、作业的完成和批改、考试测评和反馈。

3 虚拟教师系统的设计

3.1 总体设计

如图1所示，虚拟教师系统主要由感知模块、认知模块、智能推理决策模块、情感模块、规划整合模块等5个模块组成。由感知模块感知获取学习环境中的信息，认知模块处理分解这些信息，然后将不同的信息分别传给智能推理决策模块和情感模块进行决策，最后由规划整合模块将决策进行整合后在表示层表示。

图1 虚拟教师系统总体设计框架

3.2 具体实现

1）感知模块主要控制虚拟教师对学习环境中所有情况的感知，主要包括信息获取和周围情景的状况感知。获取的信息包括学习者学习情况信息，学习者行为和情感变化的信息，学习者测试信息；周围情景的感知则包括虚拟教师对周围所有非语言信息情况的感知，如学习者是否在线、实验过程是否正常进行等。

2）认知模块将感知模块传递来的内容整合为具体的信息并分为三类：第一类是高级的智能信息，就是需要经过推理才能够解决的问题，主要是定性信息，比如回答学习者提问等复杂问题，这类信息将会被传递到推理决策模块的推理决策器进行推理决策后解决；第二类是低级的信息，即不需要太复杂的推理可以直接解决的问题，如向学习者问候、习题的计算等可以预先存储好应对策略立即执行就可以解决的问题，将被传递到推理决策模块的数据库中选择相应的应对方法；第三类是情感信息，就是感知到的学习者情感变化的信息和虚拟教师应表现的情感变化信息，主要指外在的感情表现，这类信息被传递到情感模块进行处理。

3）智能推理决策模块是虚拟智能教师的核心，智能推理决策模块接收到认知模块传来的低级信息后将自动调用数据库中存储的相应的策略执行；智能推理决策模块接收到认知模块传来的高级智能信息，采用基于案例检索的方式进行推理决策，输出最终决策传给规划整合模块。

（三）第三人干扰婚姻关系的行为使无过错配偶的人格利益被侵害。台湾民法学者王泽鉴认为“婚姻者，系男女双方以终身共同生活为目的而组成特别结合关系，夫妻当事人一方对于婚姻关系之圆满，寓有人格利益。因此，干扰他人婚姻关系者，不但侵害了被害人之身份或亲属权、而且也侵害了被害人之人格利益、实无疑问。”

4）情感模块主要由两部分组成：情感接收器和情感决策器。情感接收器负责接收认知模块传递来的情感信息并将这些情感信息进行具体的量化，然后传递给情感决策器；情感决策器接收到情感接收器量化过的情感信息后进行情感表现的决策，主要是外在的情感表现：表情和动作。情感决策器将从表情规则库和行为规则库中选择出虚拟教师应表现出的表情和情感动作，然后传递给规划整合模块。

5）规划整合模块在接收到由存储器传递来的语言和执行动作信息以及情感模块传递来的表情和情感动作信息后有两方面的工作：一是将所有接收的信息进行整合，虚拟教师同步表现的语言表情和动作应该符合正常的逻辑，比如说表情兴奋地拍着学习者肩膀说加油，这样才可以流露出更真实的情感；二是规划出虚拟教师语言动作和表情表现的顺序，经过智能的推理规划组织得当，然后在表示层进行表示。

6）表示层是虚拟教师与学习者交互的主要外在表现，表示层接收到规划整合模块提供的命令，只需进行相应的语言动作表情表示即可。

4 虚拟教师系统的智能推理决策机制的研究

根据虚拟教师系统的特点，虚拟教师的行为主要包括两类：第一类是简单的交互行为，如与学习者问好、呈现教学材料、讲课等行为。这些行为不需要经过高级的推理决策，教师可以直接执行，它们都已经被存储到存储器中，只需要认知模块将低级信息识别并触发即可；第二类是高级的交互行为，主要是答疑需要虚拟教师进行智能的推理决策[5]。

图2 虚拟教师系统智能推理决策模块的工作流程

图3 基于案例推理的虚拟教师系统智能推理流程

4.1 虚拟教师系统智能推理决策模块框架

按照虚拟教师系统的特点和需求，基于虚拟智能体的虚拟教师推理决策系统主要由4个模块组成：决策管理模块、定性推理决策模块、定量推理决策模块、多决策融合模块。

决策管理模块主要负责对认知模块传来的高级智能信息、知识库的知识、模型库的模型进行分析，分解需要进行推理决策的信息，然后传给定性推理决策模块和定量推理决策模块进行推理决策得出策略，最后由多决策融合模块对多个策略进行整合。定性决策分析模块主要负责对不确定的信息进行分析，输出定性信息策略。定量决策分析模块实现对模型库中定量信息计算模型的调用，根据定量信息计算模型进行定量计算，输出定量信息策略。多决策融合模块主要负责计算策略之间是否有冲突，如果各个策略之间没有冲突，则按照之前定义好的方案输出；有冲突的话，进行多决策信息的冲突融合后输出最终决策，如图2所示。

4.2 虚拟教师系统智能定性信息推理决策实现

案例推理方法同人脑推理相似，是案例和规律性知识的结构化。

1）案例表示。基于学生学习知识点的结构性和层次性，采用框架理论[6]进行案例表示，框架的一般结构如下：

<框架名>

<槽名1><槽值1>|<侧面名11><侧面值111，侧面值112，…>

<侧面名12><侧面值121，侧面值122，…>

<槽名2><槽值2>|<侧面名11><侧面值111，侧面值112，…>

<侧面名12><侧面值121，侧面值122，…>

例如勾股定理如下所示：

<勾股定理>

<定义><在任何一个直角三角形中，两条直角边的长的平方和等于斜边长的平方。>

<公式>

<证明><勾股定理证明>

基于案例推理的虚拟教师推理决策过程槽值和侧面值可以是另一个框架的名字，例如，<勾股定理>框架中的证明内容则是另一个框架<勾股定理证明>，由此可以实现案例相互之间的层次架构。

2）案例推理的虚拟教师系统智能推理流程。认知层的定性信息传来后在案例库进行检索，检索出多条相似案例后，计算每个相似案例的权重，然后取出权重值最大的案例，运用知识库中的知识和规则将案例改写为匹配当前信息的案例，然后将最终决策结果输出，并将该案例重新存储到案例库中，如图3所示。

5 结束语

本文以提高学习者在线学习效率为目的，借鉴虚拟现实技术、虚拟人技术、智能推理决策技术、心理学等领域的相关知识和最新研究成果，基于虚拟智能体技术构建出虚拟教师作为学习者的指导者和协作者。虚拟教师具有人类的思考、决策能力，可以以动作、表情和语言的形式与学习者进行交互，旨在降低学习者在线学习的孤独感，促进学习者的参与感。本文重点探讨了虚拟教师的核心模块，即智能推理决策模块，在基于人工智能专家系统的智能决策系统尝试做出适合虚拟教师推理决策的改进，采用案例推理的方法进行推理决策。

[1]黄健.数字化时代和成人教育[J].外国教育资料,1998(2):65-69.

[2]孙波,赵慧勤,李丽,等. 三维虚拟教师的设计与应用研究[J].电化教育研究,2009(12):37-40.

[3]王陆,冯红.远程教学/学习系统中影响学习质量的五种因素[J].电化教育研究,2000(7):22-25.

[4]马莉,程国忠,张勇强.智能教师代理在网络学习中的应用[J].现代远距离教育,2006(2):62-64.

[5]赵慧勤,孙波.基于虚拟智能体技术的具有情感支持的三维虚拟教师的研究[J].中国电化教育,2010(11):117-123.

[6]王恺.基于案例推理的物资调运决策支持系统设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2005:20-36.