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智能代理在网络教学平台设计中的应用与开发

2005-02-06 11:43 501 查看

徐州师范大学信息传播学院
毕业论文（设计）开题报告

论文（设计）题目智能代理在网络教学平台设计中的应用与开发

学生学号 01830417

学生姓名承晓霞

所学专业教育技术

年级 01级

指导教师杨成

2005 年 1 月 20 日填

1． [/b]课题来源及研究的目的和意义[/b]
随着计算机技术、网络通信技术和多媒体技术的不断发展，在教学模式和教学手段上产生了许多变革，网络教学（Web-Based Instruction）应运而生。网络教学是以教育心理学的建构主义学习理论和教学理论为指导，通过互联网，运用多媒体信息处理技术，提供虚拟课堂，进行情景式教学，促进和支持学生的在线学习。但就目前的技术而言，距离实现教育理论的要求还相差甚远；在网络教学的实施中，还存在许多问题。譬如，教学系统基本上是提供教学材料，材料丰富但归纳有限，或是注重归纳而细节欠缺；交互手段不够，学生课堂讨论（如BBS/QQ），因为没有现场控制机制，不能围绕重点进行；无法因材施教，对不同层次的学生采取一样的教学策略；学习的主动权由学生掌握，在学习的过程中容易出现网络迷航，偏离学习目的；评价手段单一，基本用于区别对或错，不能从根本上促进学习者的反思和自我表现这一主动发展过程。
上述问题的出现，除了主观的认识与对待不足外，主要是由于技术的原因。网络化教学系统必须能够根据学生的个体情况和知识结构来确定和调整教学策略，具有自动监控和激励功能，具备智能化。
人工智能（AI）领域的智能代理(Agent)能通过感知自身和环境中的信息自主学习，采取行动实现预定目标。因此，在现代教育技术中引入Agent机制，开发和应用基于代理的智能型网络教学平台，是实现网络教育智能化的关键步骤。
自90年代中期以来，智能代理（Agent）技术在基于Web的网络教学中的应用日益普遍。过去的智能辅助教学（ICAI）主要强调辅助老师“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）。90年代以来，随着多媒体和Internet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老师“教”，而且应体现在辅助学生“学”。智能代理技术正是在这样的背景下，逐渐取代ICAI（或ITS）而成为教学领域实现智能化的一种主流技术。这是因为智能代理不仅可以作教师代理，也可以作为学生代理，而且可以成为学生学习过程中多方面的代理，即Multiagents（多重代理）。
以下是智能代理的技术特点：
Agent定义由Wooldridge和Jennings在1995年提出，包括两个：弱定义——Agent是一个由代理软件支持的计算机系统，具有自治性（autonomy）、社会能力（socialability）、反应性（reactivity）和能动性（pre-activeness）的特性；强定义——除具备弱定义的所有特性外，代理还具备一些人类特有的知识（knowledge）、信念（belief）、愿望（desire）、意图（intention）、协调（coordinate）、合作（cooperate）等因素。
Agent主要具备如下特征：
自治性，Agent运行时能对行为和状态作出某种决定，具有某种控制能力。
反应性，Agent能够感知操作环境的变化，并予以实时地反应。
社会性，Agent具有沟通和写作的能力。
能动性，Agent能够接受启发信息，主动向目标靠近。
Agent体系结构分为单Agent结构和多Agent结构。

2[/b]． [/b]国内外在该方向的研究现状及分析[/b]
国内外对智能代理的教学应用都已有所研究，在国内有人提出一种把学习任务细分化的思想，由各代理和相应的学习成员完成各子任务，各子任务成员通过KQML通信，共享彼此的研究成果。但在这种模式下，在解决问题的过程中学生并未随时得到一位人性化的老师的指导，而在这种协作完成任务的过程中也不能对学生放任不管，适当的监控和指导总是必要的。因此，有的学者提出把Agent应用在网络化教学的智能信息检索中，学习者Agent通过用户界面和知识库管理系统来初始化自己的兴趣指向，这些兴趣指向被存储的知识库中的用户模型部分：而信息搜索Agent通过内部的学习器，调度器，反应器，决策器，读取知识库中的用户模型，确定搜索任务，启动搜索引擎到某几个网站或整个Internet网上进行搜索，另外也有学者提出了一种在Internet这种大规模网络上学生Agent搜索老师Agent的优化算法，老师和学生都有自己的网上代理，并且两者间建立有一个Facilitator调度器，其中教师代理通过线性表和层次结构相结合的方式进行区分。当学生在学习过程中遇到某一方面的问题时，他会通过自己的学生代理向Internet网提出这个问题，由Facilitator接受学生代理提出的问题，然后找到最适合解决此类问题的教师代理。这项研究的一个前提是首先要为每个教师建立网上的代理人，而进行跨Internet的搜索代价显然是很大的。
国外在智能代理方面的研究要比国内成熟的多，并且已经有投入到实际应用的模型和系统。MicroSoft Agent 是大家最熟悉的一种，它最早出现在Office 95中，主要用于Office 的帮助，微软称之为“Office 助手”。1997年微软推出Agent 1.5版，从界面上彻底脱离了Office 95中代理显示的窗口限制，变得非常形象生动，语音合成，语音识别等技术也应用到Agent中来。这样Agent就转变为会说能听的智能界面。Microsoft Agent是一个非常有发展前途的技术，目前国内已有不少给予Microsoft Agent的软件，如金山毒霸中的杀毒助手，也有部分英语学习软件使用了Agent的技术。另外教学代理研究应用的一个典型是由USC（美国南加利福尼亚大学）开发的一种教学代理Adele（远距离教育代理简易版，Agent for Distance Education-light Edition）。Adele是智能代理的一项成功应用，目前，已应用于医学教育课件，教授外伤和肿瘤医疗课程。这是一个专为适应虚拟教育环境而设计的教育代理。它的体系结构贯彻了最基本的教育角色功能：表达知识、监控学生及提供反馈、探究问题，以及提示和解答，这些角色功能都是通过一个能够支持与学生进行连续和多模式交互的逼真代理人来完成的。Adele体系结构能够在网络浏览环境的客户端执行，也能与用其它幕后创作工具产生的虚拟环境互相作用。Adele结构中最主要的部分是代理人和推理引擎。代理人是一段Java程序，能够单独使用基于网络的JavaScript接口。但这个代理人因为是用Java语言编写的，可以保证平台的独立性和可扩展性。推理引擎完成所有的控制和决策，决策建立于选择案例后从服务器下载的学生模型、案例任务图示及初始状态，以及随学生完成案例过程而更新的当前代理的智力状态。实际运行过程中，Adele中的代理人和推理引擎都被下载到客户端运行。
国内研究主要集中在了基于智能代理的搜索及代理间的协作方面，而智能代理作为一个自主性的软件实体其能力与不止于此。国外的研究更注重智能代理地反应和监控能力，注重代理间的通信，并且始终把针对不同知识的学习过程建立模型作为研究的基础。更多发挥智能代理的监控能力，实现学生端的教学代理应该是我们研究的重点趋势

3．主要研究内容
采用智能代理的网络教学平台，学生可以通过专用的远程通道与老师进行联系，围绕教学重点进行交流，进而形成有效的控制机制。借助这个平台，学习者可以到有关资源站点去查找和搜集与当前学习内容相关联的资料，处理日常学习事务。它也可以方便教师教学和管理工作，并且保证数据的安全可靠，形成相对封闭的教学通道。总而言之，学生、教师只要能够上网，便可以方便的进行在线时时交流，学生可以方便的查询在线资源，学生与学生、教师与学生之间可以快速的传递信息，资料等等，从而形成两个 “主体”，即教师、学生，达到因材施教的效果。
网络教学平台中Multiagents的具体含义是，它既可作为教师代理，以实现对学习者有针对性的帮助、辅导，作到因材施教；又可作为学生代理充当学习者的学习伙伴，与学习者进行平等的讨论、交流，有时还会针对学习者对某些重要概念理解上的模糊或片面之处，故意提出诘难，挑起争论，以促进学习者更深入地去思考与分析；还可作为另一种学生代理充当学习者的知心朋友，以便在学习者遇到不顺心的事情或有心理障碍时与之促膝谈心，帮助减轻思想负担和消除心理压力；此外，还可作为秘书代理，帮助学习者到有关资源站点去查找和搜集与当前学习内容有关的资料，或是帮助学习者处理日常事务（如收、发电子邮件，安排约会，提示应交作业，帮助复习、备考……等等）。总之，Multiagents在教或学的过程中均大有用武之地，与ICAI（或ITS）相比，能在智能化方面发挥更灵活、更多样化的作用。
基于Multiagents，遵循JXTA规范，利用有限的网络资源，使得教师，在网络教学平台中，可以直接和学生交流，并且在必要时进行学习上的辅导，以及可以方便的在网络中传递文档等学习资料，使得师生充分的互动起来。
下面是阐述相关技术要点。
如今P2P技术仍处于初始发展阶段，P2P即点对点（或者伙伴对伙伴）技术，摒弃了以往的客户/服务的互联网形势，使得信息交流更加方便快捷。作为新一代互联网通讯方式，P2P在远程教育方面仍然处于一片空白，有待开发。
JXTA技术规范是为了弥补P2P技术上的缺陷而出现的。基于这种协议，用户可以方便的连接，而不用介意他们到底采用何种语言开发的P2P平台。
JXTA技术提供了基础性的机制解决当前分布计算应用中面临的问题，实现新一代统一、安全、互操作以及异构的应用。目前它支持基于Java技术的平台和系统。而将来JATX技术将不受到内存的限制而支持更多小型移动设备。JXTA通过Java技术和XML数据表达的结合，提供了强大的功能使得垂直应用得以交互，并且可以克服目前P2P软件中的限制。同时，通过小型、简单、便于开发的构造模块，JXTA将使开发者从建立各自框架的复杂工作得以解放，可以潜心关注于建设各类新颖、创造性的、分布式计算应用。Java和JXTA规范都是公开的方式提供给全世界软件开发者，为了摆脱国外软件（尤其是操作系统，如微软的视窗系列）的垄断和束缚，中国政府积极鼓励应用诸如Linux等的自由操作系统，而采用Java开发的程序既不用担心具有版权问题（因为它是开放的），还可以运行于多平台之上(包括Linux、Solaris和视窗系列），JXTA作为新一代P2P技术的解决方案，更适合作为本课题的开发规范。

4．研究方案及进度安排，预期达到的目标
拟采取的研究方法和技术路线（包括研究工作的总体安排、步骤和进度等）：

本课题以Java语言为基础，JXTA和P2P为技术规范，开发网络教学平台。
拟采取以下方式：

阶段一：分析阶段，调研，听取师生需求。
2005年1月～2005年2月

阶段二：设计阶段，通过调研报告，设计出流程图。
2005年2月～2005年3月

阶段三：开发程序，按照设计阶段流程，编码。
2005年3月～2005年4月

阶段四：测试维护程序，按照实际情况，进行实用测试。
2005年4月～2005年5月

阶段五：配置服务器。实现产品投入，完成毕业设计任务。

其中１到３阶段并不是明确界定的，进行螺旋式开发

研究的阶段成果及最终成果：

阶段性成果：

至2005年1月，提交可行性调研报告；

至2005年3月，完成OOD流程图的设计；

至2005年4月，编码完成；

至2005年5月，软件测试完成，提交最终的科研成果。

5．为完成课题已具备和所需的条件和经费
已具备条件：开发语言Java、工具和规范JXTA
所需条件：测试环境，最终将需要在院服务器上进行公开测试

6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施
1) 理论问题
智能代理技术在网络教学平台中的应用，国内外已经有比较深入地研究，但利用较新技术研究智能代理，并应用于网络教学平台中，尚少。
解决措施：在已有理论的基础上，参考在师生中的调研结果，做出恰当的理论分析。
2) 技术问题
由于J2EE、JXTA都是近几年来兴起的技术，比较新。本人也是初次接触
解决措施：钻研学习J2EE、JXTA技术原理，与其他技术人员，在本人理论的研究基础上，共同开发相应的平台。

7．主要参考文献
[1]Robert Flenner Michael Abbott Toufic Boubez Frank Cohen Navaneeth Krishnan Alan Moffet Rajam Ramamuriti Bilal Siddiqui Frank Sommers著高岭刘红周兆确译 Java P2P技术内幕 Java P2P UNLEASHED 人民邮电出版社，2003（10）
[2] 刘大有等.Agent研究现状与发展趋势[J].软件学报，2000（10）
[3] Microsoft Agent系列 Microsoft网站Http://www.microsoft.com
[4] 陈凯泉硕士论文基于智能代理的网络教学支持系统研究 2003.5.1
[5] 吴强硕士论文 Web教学平台中的交互技术 2002.5.1
[6] 李杰硕士论文第五媒体AGENT设计研究 2003.3.1
[7] 朱素媛硕士论文网络教育中的智能搜索引擎的研究 2004.6.1
[8] 董勤硕士论文基于MAS的同济大学e-Learning平台的研究与设计 2004.2.19

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