本科毕业论文-—智能网络教学系统

智能网络教学系统毕业论文摘 要目前，随着网络教学不断深入和发展，开发功能强大、智能化程度较高的网络教学平台成为网络教学研究的核心课题之一。目前现有的网络教学平台由于缺乏智能性、自适应性以及交互性等，这些都给教学应用带来了很大的障碍。而Agent技术的研究在理论上相对成熟，它借鉴了教育心理学和人类行为学的理念，使得Agent具有很强的智能性和个性化的特点，将Agent技术有效应用于网络教学平台的开发过程中，可以提高网络教学的个性化、适应性、交互性、可维护性等，从而可以为学生的学习提供良好的交互界面，达到吸引学生兴趣，改善教学效果、实现终身学习和个性化教学的理念。本研究主要对现有的网络教学系统、智能教学系统进行分析，分析其存在的主要缺陷和核心问题，提出将Agent技术应用于网络智能教学平台的必要性和可行性。指出基于Agent的网络教学平台实现的理论基础，并在此基础上，对 Agent及其相关技术进行研究和分析，提出了一个基于Agent的个性化网络教学模型，并对该模型中的管理Agent、学习者Agent、教师Agent、个性分析Agent、作业测试Agent和答疑Agent的结构和功能进行了详细的设计，对系统实现个性化的策略进行了分析与研究，最后在JADE平台上，结合ACL通讯语言，利用SQL server数据库系统和JSP语言实现了系统的部分功能。 关键词 Agent 个性化 网络教学系统 JADE 数据库技术ABSTRACTAt present, with the continuous deepening and development of network teaching, network teaching platform for the development of powerful function, high intelligent degree has become one of the core subjects of network teaching. At present, the existing network teaching platform due to lack of intelligence, adaptive and interactive, which gave the teaching application has brought a lot of obstacles. The research of Agent technology in theory is relatively mature, it learns from the education psychology and human behavior concept, the characteristic of Agent is highly intelligent and personalized, the development process of Agent technology applied in the network teaching platform, can improve the network teaching individuation, adaptive, interactive, maintenance and so on, which can provide a good interface for students to learn, to attract the interest of students, improve the teaching effect, the realization of lifelong learning and the concept of individualized teaching.This research mainly carries on the analysis to the intelligent teaching system of network teaching system, the existing, analysis of the main defects and the core problems, put forward the necessity and feasibility of the application of Agent technology in network teaching platform. Points out that the theoretical foundation for realizing the network teaching platform based on Agent, and on this basis, research and Analysis on Agent and relevant technology, puts forward a personalized network teaching based on Agent model, and the model of the user login Agent, learners, teachers as well as the Agent Agent Agent group structure and personality analysis the function of the detailed design, analysis and Research on personalized strategy to realize the system on the ASP.NET platform, finally, combined with the ACL communication language, realized some functions of the system using SQL server database system and Java language tools.Keywords Agent personalized network teaching system with.NET database technology目 录第一章 绪论1.1研究背景和意义随着网络技术的飞速发展和广泛应用，互联网作为一种快捷、高效的信息获取手段和通讯交流平台，已经逐步深入到了人们的工作、生活和学习中。网络教育也已成为人们接受继续教育和进行终身学习的重要形式，成为构建终身教育体系和学习型社会的基础和平台。网络教育不受教学时空的限制，学习者可以通过网络，根据自身条件和需要选择学习内容和学习方式，自主安排学习进程，获得所需要的各种多媒体教学资源和学习指导，还可以与其他学习者或教师进行交流，实现教学互动和协作化学习。传统的网络教学方式已经不能无法满足用户的需要，因此，研究具有智能性的网络教学系统是目前发展的主要趋势。把智能技术和网络教学技术相结合，从某种意义上能改变传统的教学方式，并对教育理念的发展也起了推动作用。具有智能性的网络智能教学系统能自动适应学习者的学习需要，为其提供个性化的教学方式，有效地提高学习效率，必将成为今后网络教学发展的必然方向。现在现有的一些智能教学系统1-7对于学习者的基本教学要求都可以实现，但是仍然存在着一些问题，其主要体现在：（1）系统缺乏个性化，教学过程主要通过呈现教学材料为主；（2）系统采用超文本的方法组织教学材料，提供的知识点之间关联性少，容易使学习者在学习过程中出现迷航现象，从而导致偏离学习目标。（3）系统的智能性较低，不能针对学习者的个体差异性而提供个性化的学习方式和学习内容。（4）系统的测试评测能力不强，不能对学习者的学习情况做出评价和反馈。（5）系统中学习者与教师、学习者与学习者之间的交流和互动不足。鉴于以上大部分教学系统所存在的问题，以个性化相关学习理论为指导，本文结合Agent技术，构造了一个基于Agent的个性化网络教学系统模型。该模型利用Agent技术对学习者的学习形为进行动态跟踪，并对学习者的学习能力进行分析，有针对性的采用一定的策略对学习者实施个性化教学或引导，实现学生的个性化学习和教师的智能化教学。将Agent的智能化思想和网络教学系统相结合，极大地促进了网络教学系统的个性化与智能化，充分调动学习者主体的自主学习兴趣，有效地提高学习者的创新能力，将大大推动网络教育的发展。 1.2国内外研究现状目前，把Agent技术应用于网络化的教学系统国内外己经进行了多方面的研究，而国外对这方面内容的研究8-11较早，其中，美国是研究最为活跃的国家12，此外，欧洲13、日本、加拿大等国家14-19也进行了智能教学系统相关的研究。他们的研究工作主要在大学和军方进行，像美国的一些知名大学，比如Stanford，MIT，Memphis， John-Hopkins，California等都在进行这方面的研究工作，并开发出了一些智能性比较高的教学应用软件，同时创建了内容丰富的智能教学网站。在国外影响比较大的智能教学系统是Autotutor，它是由教学研究集团开发，该系统在交互界面、教学内容和过程这些方面设计得很全面；其次还有Memphis大学研究开发的Tutor系统，该系统的研究时间长达15年，能够实现对不同学科的教学，它能够由计算机进行提示或暗示，对学生的问题适当做出反应，还不需要进行多种选择，就能够自动对问题的键入和口头反应进行判断，解释有可能产生的语法或不正确的语言等。国外对Agent智能代理方面的研究已有多年，但是Agent技术在教育领域方面的应用还处于初级阶段，几个典型的智能代理应用模型有:（1）w.LewisJohnson等人的研究美国的w.LewisJohnson等人20提出了一个叫做Adele的教学代理，其目的是通过智能代理去监视计算机与学生的交互，适时提供指导和建议，实现了教师与学生之间的交互。当学生进行网络学习时，在每个学生的电脑上都运行Adele的备份，记录学生的行为，随时掌握学习者的学习情况，并根据需要适当调整教学内容。目前，Adete的智能代理技术已成功应用到了医学相关的教育课程中。但w.LewisJohnson等只对Adele智能代理功能进行了描述，没有论及它的结构和社会性。（2）Evandro和perkusic的多代理学习环境模型Evandro和Perkusic等人21提出了一个多代理学习环境模型，该模型的核心部分包括学习者、界面Agent、教学Agent群和通信Agent四个模块，它定义了各Agent的结构、功能，以及它们之间的通信协议。该模型定义了多Agent间进行交互式的语法，定义了独立的教学Agent，并为其赋予了强大的功能和复杂的结构，Evandro等人试图把教学Agent设计成具有教学经验和知识的教师，又具有很强对外交流的“社交家”，并且希望每个教学Agent都处于同级的平等地位，很明显，这种定义的复杂性会给系统的实现带来很大的难度。（3）Jean.Francois Morin提出的教学代理模型Jean.FrancoiSMorin等人22提出了一种面向智能代理的模型，把知识分为领域知识和问题解决知识两类，把学生学习的知识分为学习新知识和验证旧知识两类，把教学知识根据知识和学习的不同类型分为四类，也就是四种不同的教学策略，并提出这四种教学策略可以通过教学代理来实现，但遗憾的是论文并没有提出一个完整的智能代理模型以及系统的体系结构，更没有涉及到智能代理系统的具体设计与实现。相对于国外来说，我国对基于Agent技术的网络教学系统研究起步得比较晚，早期的研究工作主要集中在部分大学和研究机构里进行，并且经过严格测试的应用型系统比较少，大多数都是用来研究和演示用的。最近几年则发展得比较快，很多科研机构和计算机公司都开始进行智能教学系统的研发，国家教委还成立了专门的研究机构，对智能教学系统在教育中的应用起了积极地推动作用。国内比较典型的系统有中科院张景中院士主持开发Z+Z智能教学系统，该系统能够实现人机交互，进行智能解题、自动推理和动态作图等功能；还有首都师范大学王陆教授等研发的“首师大虚拟学习社区智能网络教学支撑平台”，该教学平台能够进行自动推理，推荐学生的个性化学习信息，并具有教学决策和多种教学方式等。此外，国内还有很多学者也对Agent的教学应用进行了深入的研究，这些都积极推动了网络教学智能化的发展。然而，Agent作为人工智能技术的一个分支，将它应用于网络教学系统是一个涉及多学科的复杂知识系统，在其发展过程中遇到了比较多的问题，主要体现在：系统结构过于复杂，难实现；系统的评测功能不强；系统缺乏有效的推荐学习；系统的各环节的互通共享性不够。为此，本研究在吸收目前以有网络教学系统优点的基础上，采用目标独立的多代理，交互合作共同实现复杂的功能，并针对目前以有的智能网络教学系统所存在的个性化服务程度、智能化程度较低问题进行的分析与研究。1.3论文主要研究内容本文将针对现有网络教学系统进行分析，找出其不足之处，并在保留网络教学系统原有优点的情况下，结合智能代理Agent技术，构造出一个具备一定智能性和自适应性的网络教学系统，提出一个实现个性化教与学的具体方案，并最终实现系统的主要功能，从而以求最终能实现改善现有网络教学系统不足的目的，提高网络教学系统质量。本文将主要对以下内容进行研究和探讨：（1）对网络教学系统的发展历史、教学模式现状进行综述，介绍当前先进的教育指导理论，找出现有网络教学系统存在的问题和不足，提出在系统中引入Agent技术提高网络教学系统智能化的必要性。（2）对Agent智能代理以及相关技术进行分析和研究，提出一种基于Agent的个性化网络教学系统模型，研究系统中的知识表示方法，分析该模型中的管理Agent、学习者Agent、教师Agent、个性分析Agent、作业测试Agent和答疑Agent的结构和功能。（3）根据网络教学系统的需求，对网络教学系统的具体功能模块进行设计。（4）通过多种技术手段，结合现代教育理念，对个性化网络教学系统中学习者个性特征的获取、学习情况的跟踪、认知能力的判定、以及学习推荐等功能的进行研究与实现。1.4论文组织结构本文共分为六章，具体内容安排如下：第一章 绪论。主要介绍本课题的研究背景和意义，并对国内外智能代理在教学系统中应用的发展现状进行了阐述，论述了本课题的主要研究内容。第二章 相关理论与技术综述。主要阐述在网络教学系统中应用教育理念、以及Agent的理论及系统实现所用的相关技术。第三章 基于Agent的个性化网络教学系统的模型设计。在系统分析的基础上，构造了一个基于Agent的个性化网络教学系统模型，并对系统的知识表示和系统模型中的各个Agent结构和功能进行了详细说明，并对各Agent间的通讯机制进行介绍。第四章 基于Agent的个性化网络教学系统的功能模块设计。主要介绍系统具体的功能模块，对注册登录模块、学习者模块、教师模块以及管理员模块的功能进行了详细说明，其中主要介绍了学习者模块中的在线课堂子模块。 第五章 基于Agent的个性化网络教学系统的实现系统的实现。介绍实现系统所用的关键技术，以及系统的主要的数据表结构设计，并实现了各功能模块中主要Agent，最后给出了系统的运行界面。第六章 总结和展望。对本文所做的工作进行总结，指出了本文研究工作中的长处和不足，并对下一步要做的工作进行了初步探讨。第二章 相关理论与技术综述2.1 网络学习相关理论2.2.1 建构主义学习理论建构主义的思想来源于认知加工学说，以及维果斯基、皮亚杰和布鲁纳等人的思想，他们认为知识并不是真实的客观存在，而是在特定的情境即社会文化背景下，学习者通过自主学习或得到别人的帮助，借助学习资料，通过意义建构的方式获得的。在网络环境下的教学，由于其环境的特殊，把建构主义学习理论做为网络教学系统的指导思想显得尤为必要。（1）创设情境。建构主义学习理论认为学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的意义建构。因此，在网络教学系统中，创建丰富的教学资源，通过多媒体的直观情境，充分调动和激发学习者的学习兴趣。（2）学生是认知的主体。在网络的特殊环境下，网络教学系统除了提供各种教学资源外，更应注重学习者在使用这些资源学习过程中的认知主体的体现。（3）教师组织、指导、帮助和促进学习者的学习。在网络教学系统的设计和开发过程，教师可以灵活地设置各种不同的教学策略，为学习者提供针对性的学习指导，从而更好例学习者更好地、自主完成知识的意义建构；教师根据教学内容的要求，设计各种类型和难度层次的测试题，让学习者在学习结束后进行自我测试，并对测试结果进行分析，让学习者对所学知识进行巩固和加强。2.2.2 人本主义学习理论人本主义学习理论以罗杰斯为代表的人本主义心理学家提出的，强调以学习者的自我需要为基石，把学习者自我实现的人格思想作业教学设计的核心，在教学内容与方法的组织中要将情感教育贯穿其中，并注重情意教学与认知教学相结，发展与完善学习者自我潜能。根据人本主义学习理论的观点，在网络教学系统设计时，要充分的调动学习者的学习主动性，激发学习者探究问题和追求真理的兴趣满足，因此在设计学习和任务时，可以采用分层次进行设计，这样例学习者的学习能更具有目的性和针对性；其次，人本主义学习理论提出给学习者自由发展的机会，而网络教学系依托网络而存在，学习者可以随时随地通过互联网登录进行自主学习；人本主义学习理论还认为同伴教学与分组学习是促进学习的一种有效手段，而网络教学系统恰当地提代了一个这样的平台，多学习者用户能在不同的地点，实现共同学习，各学习者学习可以是同步，也可以是异步的。2.2 Agent技术2.2.1 Agent的定义与特点早在20世纪的70年代，人工智能领域里萌发出了 Agent这一概念，在如今这个互联网浪潮高速袭来的大环境里，Agent已经逐渐变为了信息技术领域里一个活跃的要素。有关Agent概念的描述，不同的学者在不同的背景下也有着不同的理解，因而至今尚未形成一种统一的定义。而在各种各样的定义里，受到更多认同的是由Wooldridge以及Jennings所给出的“弱定义”和“强定：“弱定义”主要提出如下的特性:1)自治性。Agent在没有人为干预下的工作能力，可以控制自己的状态和行为。2)社会性。与其他Agent进行高层对话的通信能力，比如多个Agent之间可以基于一定的通信语言及规则进行通信与交互，进而产生某些操作或行为。3)反应性。对外部变化做出及时的感知和响应。4)主动性。Agent不仅可以由外部环境的变化产生行为，同样能够自主的进行调整和产生动作来处理问题。相比之下，Agent的“强定义”在人工智能领域中很常见，不但涵盖了“弱定义”的相关要素，还进一步的将Agent描述为一种智能化、人性化的计算机系统，把某些人类的特点或行为赋予在了 Agent的身上。比较典型的是让Agent拥有知识(Knowledge)、义务(Obligation)、责任(Responsibility)等一些人类身上的属性。另外，在陆续开展的有关Agent的探究中，各方面的学者还提出了Agent另外的特性：1)学习以及适应性。Agent本身能够自主的进行知识的学习，数据的汇总、统计，同时还能够根据环境而调整自身的属性或行为。2)时间连续性。不像一般的程序那样有较为明确的运行周期，Agent的执行是可以延续非常长的时间的。3)推理能力。Agent能够进行基于知识库的判断、推理等行为。2.2.2 Agent的结构研究Agent的结构就必须先清楚Agent的功能，Agent的基本功能是从与外界环境的交互中获取信息，然后对信息进行技术处理，最后再反作用于环境30。Agent的基本结构是指Agent由哪些模块组成，它们之间如何交互信息，Agent感知到的信息怎样影响它的行为，用软硬件结合的方式将这些模块组织起来形成一个有机的整体，从而真正实现一个Agent。在Agent基本结构基础上，Agent可分为反应型Agent、慎思型Agent和混合型(两者复合型)Agent三种结构31。反应型Agent通过传感器接收外界环境信息，根据自己的内部状态整合接收到的信息，修改当前状态，然后基于知识库制定相关规划，形成一系列完成任务或实现目标的动作行为，最后通过效应器再作用于外界环境。反应型Agent典型的应用有Brookes类型的机器昆虫。慎思型Agent具有内部推理机制，内部预置一些相关的知识规则，当外界环境驱动某一规则后，Agent针对目标的规划进行逻辑推理、思考，直接调用预置的知识规则，并迅速产生相应的输出。慎思型Agent主要应用在分布式人工智能领域。由于反应型Agent按照局部信息做出决策，它是天生的短视，也体现不出与外界环境多次交互产生的智能性，慎思型Agent没法适应大环境变化。由此一些学者提出了将两者结合起来的混合型Agent。在这种结构中，要求Agent具有反应行为能力和欲动行为能力，根据人们对响应时间的要求设置两个结构层次。高层次对应的是慎思型Agent，负责传统符号A1的处理规划和进行决策；低层次对应的是反应型Agent，具体负责环境中突发事件的快速响应和应急处理32。因此，开发智能的网络教学系统需要结合学习者特征，从不同角度捕获信息，根据对Agent特征和结构的分析来看，适合运用在系统中，设计出不同任务的Agent使网络教学系统更具有智能性、灵活性。2.2.3 多Agent系统多Agent系统(MAS)即多个协同合作的Agent根据一定的体系架构所构成的一个整体系统。Agent之间通过彼此间的消息通讯、协商等进行合作，以达到协同完成任务的目的。在整个系统中，各Agent都是相互独立的，又由于各自有其分工，各个Agent都需要根据系统的组织与规划执行操作，从而构成一个群集活动的系统。多Agent系统的特性如下所示：1)高层次的交互。MAS不但能够表示常见的C/S模式的关系模式，还能够表示更为繁杂的社会网络模式:合作、协调，而面向Agent的交互则为一种偏柔性的、结合执行过程中对环境的反应而产生的交互。2)各Agent间结构关系复杂。鉴于Agent能够表示个体以及集体，因而多Agent系统一般都是表示一个组织体系，同时各Agent的关系也能够反应出组织者相应的关系。3)数据、控制、资源的分布性。由于MAS本身结构的特性，其适用的情况主要是多个独立的个体或集体通过交互与协作而共同完成一项任务或者协助解决各自的任务的情况。在应用当中，各个独立的个体与集体的有关资源在物理或逻辑上是分离的、分布式的。因而从MAS的特性不难看出，多Agent系统对于动态车辆调度这类分布式问题的求解是十分符合要求的。多Agent系统根据其组织结构的不同，通常被划分为分布式结构、集中式结构以及混合式结构三种类别。2.4 本章小结本章主要对网络教学系统的指导思想：建构主义学习理论和人本主义学习理论进行了阐述，并对Agent技术进行了详细的研究与探讨。第三章 基于Agent的个性化网络教学系统的模型设计3.1 需求分析3.1.1 系统分析随着科学技术的高速发展和计算机网络的普及，网络已经成为人们生活中不可缺少的一部分，通过网络进行学习也成了一种新的获取知识的手段。人们可以在任何时间和地点，使用任何能连上互联网的通信设备（如PC机、平板电脑、智能手机等）进行网上学习，非常方便快捷。然而，在网络环境下进行的学习，由于学习者和教师所处不同的空间，不能面对面进行交流，当学习者遇到学习困惑时，他们希望能通过一定的方式与教师或其他学习者进行互动与交流，获得帮助和情感体验；由于网络学习无人监控，学习完全靠学习者的自觉性，对学习的成效，学习者无法自主进行判断；大多数的学习者进入学习系统后，面对从多的学习资源，不知从哪开始学起，或下一步的学习怎么安排，他们希望系统能够给出合适的学习安排和指导。然而，目前大部分的传统网络教学系统都只是将完全相同的教学内容呈现给参与学习的所有学习者，忽视了教学活动的个性化设计，对不同认知水平的学习者采用相同的教学策略，无法做到因材施教，从而影响网络教学的实施效果。因此，开发一个以学习者认知为主体，在学习过程中能及时了解学习者的认知水平和个性特点，并为其提供最佳的学习方法和有针对性的辅导，帮助教师为学习者提供个性化的教学服务的智能系统已成为现代化网络教学系统的必备要求。根据以上情况的分析，在网络环境的教学中，使用多Agent技术提供的自适应性、灵活性、协作学习、资源共享等特点，设计了一个基于Agent的个性化网络教学系统模型，实现网络教学系统的个性化与智能化，使教学系统尽可能的满足教师与学习者的需要。3.1.2 用户需求使用教学系统的用户总共有三类，分别是学习者、教师和系统管理员。每类用户的需求介绍如下：（1）学习者在脱离传统课堂学习模式的情况下，学习者希望在登录网络教学系统后，系统能先对将要学习的课程进行总体概述，然后介绍整个教学内容的进度安排，让学习者先对该课程有一个总体上的认识和了解。在学习过程中，学习者希望除了能有丰富形象的教学课件或视频外，还能够随时地和教师以及其它学习伙伴进行互动，在遇到学习困难时，能够及时地得到教师或其它学习者的帮助。在每一个知识点学习结束后，希望能有一个测试练习环节可以供学习者检测自己所学知识的掌握情况，系统要能根据测试结果对学习者的学习能力进行分析和判断，并提供适合该学习者认知水平的学习计划或学习指导。（2）教师网络教学系统中的教师，主要是起辅助学习者学习的作用。教师登录系统后能实现在线备课，上传教学资源，布置作业；能够及时了解学习者对相关知识点的掌握情况；参予学习者的互动活动，进行在线答疑，及时解决学习者在学习中遇到的问题；能尽可能的减少重复劳动，能对学习者进行有针对性的教学指导，减轻工作负担，提高网络教学的效率。（3）系统管理员系统管理员主要是负责对系统的管理，包括对教学资源、系统用户的增加、删除，以及用户权限设定等。还负责系统的数据安全性，定期对数据进行备份，确保系统的正常运行。3.2 系统的总体架构本系统是运行在网络环境下的多媒体智能教学平台，为实现系统的个性化与智能化教学，将多Agent技术和教学系统相结合，在传统的浏览器/服务器（Browser/Server）模式体系中间加入一个中间代理层，即Agent层，形成一个浏览器/代理/服务器（Browser/ Agent/Server）的三层框架结构，相比传统的两层结构，这种模式可以使客户端不受软硬件条件的制约，几乎不占用客户端的电脑资源，访问速度相当快；网络教学系统中的应用服务器和数据服务器存储于中心服务器上，中间的代理层包含多个Agent，各Agent负责客户端和服务器端的沟通，减少了客户端与服务器端之间的数据传输，有效地保护了数据库服务器的安全，提高了用户的访问速度和系统性能。本系统的总体模型结构如图3-1所示该系统模型一共分为用户表现层、中间多Agent代理层、数据存储层。其中，中间多Agent代理层对整个教学过程进行联接，实现了一个协作化的网络教学虚拟环境。（1）用户表现层根据用户需求分析，教学系统主要有学习者、教师和系统管理员三类用户。用户通过浏览器作为客户端访问，用户表现层位于第一层，是用户与教学系统交互的接口，主要负责网络课件等多媒体教学资料的传输，将用户的请求和提交的数据传送至中间代理层，并将处理结果反馈给用户。不用的用户角色拥有不同的系统功能，所呈现的用户界面也不一样。学习者用户登录系统后，呈现以学习功能为主的界面选择教学资源进行学习；教师用户登录后呈现的是对教学资源进行管理、作业收集与批改，以及在线答疑的操作界面；系统管理者则是出现对系统进行管理和维护的管理界面。中间代理层表示层数据存储层用户基本资料库学习者个性特征库教学知识库.学习者管理员浏览器教师Agent学习者Agent管理Agent个性分析Agent作业测试Agent答疑Agent教师图3-1：基于Agent的个性化网络教学系统模型结构图（2）第二层多Agent代理层是实现系统个性化与智能化的核心部分。主要负责客户端和服务端之间的沟通，当用户表现层向系统发出任务请求时，中间代理层通过接口进行响应，对该任务进行分析，并对其进行处理及对数据库进行相应的操作。系统所有的教学活动都在该层进行，因此该层包含了多个Agent，由管理Agent、学习者Agent、教师Agent、个性分析Agent、作业与测试Agent和答疑Agent构成，各Agent之间通过管理Agent协调工作, 共同为学习者提供个性化的教学服务。（3）数据存储层第三层数据存储层主要用来存储系统所有的数据信息，管理各种教学资源。主要有用户基本资料库、学习者个性特征库、学习者学习进度库、领域知识库、试题库、答疑库等。用户基本资料库存放的是系统的三类用户信息，包括用户的个人资料，比如用户名、密码、真实姓名、性别、籍贯、学历、出生日期等基本信息。学习者个性特征库负责记录学习者的个性特征信息，包括学习者的学习方式、兴趣爱好、认知水平等。学习者学习进度库主要记录学习者的学习情况，主要记录学习者的学习次数、学习时间、所学过的知识点、是否对所学知识点进行了测试以及对知识点的掌握程度。领域知识库存储的是教学知识点，以及知识对应的具体教学资源，用来组织、存放和管理所有系统中所有课程的全部知识。试题库存储各种试题，每一道试题都包含题目正文、答案、得分细则、所属知识点、难易度、题目类型等基本属性。学习者选择测试时，系统根据学习者的当前认知水平，从试题库中选择难易度与其能力相匹配的题目。答疑库主要存放是分类存放常见问题的处理答案，供学习者查询，如果搜索不到想提的问题时，可由学习者发布新问题，等教学回答完毕后，更新至答疑库，解决下次同类问题出现的情况。本系统模型所采用的三层结构相互独立，模型结构简明清晰，把传统的课堂教学任务进行分解，由不同的Agent协作共同完成，为课堂教学的网络虚拟实现提供了方便。3.3 系统中的知识表示知识是网络教学系统中学习的基础，而知识的表示对系统的智能化和个性化有直接影响，知识表示方法的合理设计，对知识的合理有效组织起着决定性的作用。在网络教学系统中，一种好的知识表示方法有利于为系统学习者建立清晰的知识结构逻辑关系，提高求解问题的能力，建立合理的知识库，有利于教学过程中教学策略和教学内容的快速组织。3.3.1 知识点的划分在网络教学系统中，知识是进行教与学的基础，是教学活动中传递教学信息的基础，本系统把知识点划分成元知识点和复合知识点两大类，其中元知识点不能再进行分割，是最小的知识单位，比如一条定理、一个公式等；复合知识点则是由多个元知识点组成的。领域知识库中对知识点的划分，第一步是把整个课程内容分解为多个章知识点，各章知识点相互联系又相互独立；第二步再把各个章知识点进行划分，把章知识点分解为若干个节知识点；第三步把节知识点再分解成许多个子节知识点；最后把子节知识点再划分为一个个的教学元知识点，把整个的课程内容全部存储在领域知识库。本系统把领域知识库的知识具体定义如下：领域知识库=知识点编号，知识点所属课程编号，知识点所属章节编号，知识点所属节编号，知识点名称，知识点的具体内容，知识点的难易程度，知识点的关键字集，当前知识点的预备知识集，当前知识相近的知识集，相关课件等教学资源链接， 本系统中的学习者学习情况的记录，主要是通过构建一个学习者知识树来描述学习者的学习情况，在学习者第一次登录系统开始学习时，系统根据学习者选择的内容生成初始的学习者知识树，它只由教学知识树的根节点和子节点构成，不包括任何叶子结点，随着学习者学习次数的增多，逐一地增加叶子结点，为了了解学习者对所学知识点的掌握情况，需要在学习结束对其进行测试，因此，学习者知识库可以描述成：学习者知识库=学习者编号，已学知识点编号，知识点测试标志，知识点的掌握程度3.3.2 知识点间的关系根据上述的知识点存储方法，本系统采树知识树结构来表示一个完整的课程教学内容。系统中的各个知识点之间，是相互联系的，它们之间的关系主要有包含关系、依赖关系、并列关系这三种关系。包含关系，又称为父子关系。描述的是知识点的整体与局部的关系，比如章与节之间的关系。包含多个知识点的复合知识点称为父知识点，相对子知识点来说父知识点是综述，而子知识点则是对父知识点的详细说明。依赖关系，反映的是知识点之间前后相继的关系，判断一个知识点是否可以选择学习，要先判断是否已经学习过了当前知识点前面的知识点，即可说明前知识点是当前知识的预备知识。并列关系，当系统中的两个或多个知识点描述的是同一类知识时，则说明这几个知识点之间是并列的关系，在学习时，这几个知识点是互通的，能高学习效率。3.3.3 知识表示模型通常，某一门课程的教学内容可以按教材的结构来组织知识点，根据各个知识点之间的关系，组织成一棵专业知识树。以本系统的示范课程ASP动态网站开发为例，反映知识点结构的知识树结构如图3-2所示。包含关系1ASP动态网站开发1 Web编程基础2 HTML简介3 脚本语言3.1 VBScript脚本3.2 Jscript脚本3.1.1 VBScript的数据类型3.1.2 VBScript 常用函数依赖关系并列关系图3-2：知识点语义结构示意图由图3-2中可很清楚的看出每个知识点之间的联系，以及它们之间的相互关系，从任何一个知识点出发，都能找到与其相关联的所有知识点。该结构图中的最顶层的知识点所包含的知识点最广，所包含的知识点是抽象的，每下一层知识点，所包含的知识点开始变少，越到下面越少，相对来说，所包含的内容也就更具体、更形象。在系统中，如果需要对知识点进行检索的时候，只需要直接通过对知识点的唯一标识号去进行索引，就能快速准确地找到对应的知识点，并能根据相关标识找到与其有关联的其他知识点。在图3-1中，箭头的指向代表各知识点间的前后顺序关系，如图中知识点3.13.1.1，则是表示3.1知识点是3.1.1知识点的前序知识，反过来3.1.1知识点是3.1知识点的后序知识。因此，本系统所采用的这种基于语义网络的表达方式，使各知识点之间关系不再错综复杂，而是使得它们之间的内部结构和层次非常清晰，有利于知识点的扩充与维护，并为知识推理提供了可靠的保证。3.4 系统中各Agent模型设计3.4.1 管理Agent管理Agent主要是对系统中所有的Agent进行协调和管理，定期对系统中存在的各个Agent的状态进行收集，以确保教学系统中各个Agent的正常运行。管理Agent是在系统启动时自动创建的，主要作用是对教学系统的整体运行进行监控，在系统运行过程中一直存在，并随时响应各个Agent的请求。当有用户登录时，管理Agent根据不同的用户类型分别创建不同的用户Agent，并在对应的用户登录系统时，撤销与其相关的Agent。管理Agent的模型结构如图3-2所示。各Agent状态库通信模块监听其它Agent用户注册、登录或退出控制处理图3-2：管理Agent模型因此，本文对管理Agent的形式化定义如下：:=管理Agent的状态库定义如下：:=管理Agent的具体功能主要有以下几个方面：1、实现用户注册，对用户的身份进行验证，并生成对应的用户Agent。2、对系统中的各个Agent进行管理，可以创建不同的Agent去执行不同的任务，对应Agent在完成任务后，把结果传送给管理Agent，管理Agent对该信息进行分析和确认，并反馈给用户，并在任务结束后撤销对应的任务Agent。3、协调处理系统中各个Agent之间的通信，并管理多个Agent之间的信息一致性。3.4.2 学习者Agent学习者在网络环境下处于主导地位，对学习者情况的了解，是实现系统个性化教学的关键所在。学习者Agent是在学习者登录时由管理Agent自动创建的，主要用来引导和辅助学习者轻松完成学习任务。学习者Agent不仅要记录学习者姓名、性别、学号等基本资料外，还会记录学习者的整个学习过程，这些记录反映了学习者的知识结构、认知水平和学习能力等情况，为学习者的个性化学习提供了参考依据和分析基础，同时也为教学策略和教学内容的动态组织提供依据。学生者Agent的结构如图3-3所示。相关数据库控制处理通信模块采集器管理Agent教师Agent个性分析Agent作业与测试Agent答疑Agent学习状态图3-3：学习者Agent模型学习者Agent是学习者用户和系统进行交互的接口，它是在学习者登录时由管理Agent创建的，在学习者的整个学习活动中一直存在，它在系统中的主要功能有：1、与系统进行交互，负责将学习者的学习者的学习申请、咨询等请求传递给系统，同时接收系统的反馈信息。2、记录学习者的学习情况，记录学习者已学的知识和对这些知识的掌握程度等相关信息。3、和教师Agent交互，向教师Agent提问或教学请求，并反馈教师的处理信息。4、和作业与测试Agent交互，提出作业或测试申请，以巩固当前所学内容，并将作业Agent的分析结果反馈给学习者，让学习者对自己当前的学习能力有一个清楚的认识。5、与答疑Agent进行交互，以解决在学习过程中遇到的难题；6、和个性分析Agent进行交互，向其提供学习者相关的个性特征信息，并获得个性分析Agent对学习者的最终的认知能力评估等级。7、还可以和系统中其他学习者Agent进行交互，实现协作学习。根据以上功能的描述，本文对学习者Agent的定义如下：:=学习者Agent功能模块的定义如下：:=学习者Agent学习者模型库的定义如下：:=3.4.3 教师Agent教师Agent是协助作为自然属性的教师完成对学生教学和指导的一个中间智能代理。教师Agent又称为教学Agent，主要负责教师与网络教学系统的信息交互，每个教师用户登录都会自动创建教师Agent，用来辅助教师完成在线备课、教学资源管理、教学辅导、答疑等教学任务，教师Agent的模型结构如图3-4所示。相关数据库教学控制处理通信模块监听教师用户登录管理Agent教师Agent个性分析Agent作业与测试Agent答疑Agent图3-4：教师Agent模型教师Agent在整个教学过程中，一直处于活动状态，它充当一位教学经验和教学知识丰富的虚拟的专家，来协助教师完成教学任务，它的主要功能有：1、协助教师进行备课，完成对教学内容、教学策略、教学资源以及习题的管理与编辑。2、负责教师与系统进行交互，传送学习者信息以及学习请求给教师，并及时将教师的指令或反馈信息传送给系统。3、与学习者Agent进行交互，根据学习者的学习情况、认知能力以及兴趣爱好，为学习者的学习进行推荐，有针对性的进行教学指导。4、与个性分析Agent进行交互，从而获取学习者的个性信息，为个性化教学指导提供参考。5、和作业与测试Agent进行交互，根据作业Agent的处理结果，来判断学习者当前学习阶段的认知能力，从而对下一步的教学策略实施动态调整。6、与答疑Agent协调工作，主要由教师解答答疑库中没有的问题，及时解决学习者的学习难题。7、和系统中其他教师Agent交互，协作完成教学任务；并可以进行经验交流和讨论，以共同提升教师个人素质与能力。根据以上功能的描述，本文对教师Agent的定义如下：:=教师Agent的功能模块定义如下：:=教师Agent的知识库定义如下：:=3.4.4 个性分析Agent个性分析Agent决定了在网络教学系统的个性化与智能化程度的高与低，它主要是分析和提取学习者的个性特征，负责更新与维护学习者个性特征库，它的主要功能有以下几个方面：1、 与学习者Agent交互，提取并分析学习者的个性特征与兴趣爱好，并根据学习者的学习情况，完成对学习者综合的认知水平和学习能力的评测。2、与教师Agent交互，提供学习者的相关信息，为实现个性化教学指导提供依据。根据个性分析Agent的功能，构建个性分析Agent的模型结构如图3-5所示。相关数据库控制器通信模块分析提取器管理Agent学习者Agent教师Agent学习者图3-5：个性分析Agent模型个性分析Agent的形式定义如下：:=3.4.5 作业与测试Agent作业与测试Agent的主要目的是通过作业与测试的手段，来检测学习者是对已学知识的掌握程度，并为上一阶段的教学提供反馈信息，为下一步的学习或教学提供指导依据。作业与测试Agent在接收到学习者Agent发出的申请后，根据该学习者的相关信息，从作业练习题库中读取相关作业练习题，动态生成和符合学习者实际水平难度的作业练习题。对学习者的作业完成情况进行记录，包括完成作业所用的时间、正确率等，在作业或测试结束后，作业与测试Agent对学习者的答题情况进行批改和打分，对错误的题目给出正确答案和相关知识点提示，并对考试结果返回给学习者Agent。3.4.6 答疑Agent答疑Agent主要是辅助教师解答学习者提出的疑难问题。为提高工作效率，解决教师的负担，系统建了答疑库，用来存储常见的问题以及处理答案，方便学习者进行查询，获得问题解决的方法，答疑库由教师更新和维护。如果学习者没有在系统中搜到问题，则创建一个答疑Agent，自动存储该问题，并向教师Agent发送请求，教师Agent登录后对该问题进行回答并返回给答疑Agent，答疑Agent自动把该问题及答案存储至答疑库。答疑Agent会分时间段自动对相关知识点的问题进行分析，并分类统计，把有价值的数据，传送给教师Agent，为教师提供学习者对相关知识常见的难点情况，以利于对教学的重点与难点进行适当调整。答疑Agent还将学习者所提出的问题存储至学习者个性特征库，为个性化教学提供客观依据。3.5 各Agent间的通信与协作通信是多个Agent间的交互行为，通过和其它Agent通信实现信息交换，并能让Agent感知环境、增强行为能力，是多Agent系统中协作和协商的重要手段。通信是个系统中多个Agent之间存在同样的通信处理方式和相似的思维方式的基础上，定义一种标准的通信语言，该通信语言应具有通用性、可扩展、易实现等特征。由于各个Agent内部的语言是不一样的，所以大部份的Agent之间的通信是使用语言进行的，而不是去直接访问知识库。一些Agent能够执行表示语言的行为，而其它的Agent能够感知这些语言，每个Agent的内部表示语言可以不和外部通信语言一致，并且它们相互之间的内部语言可以各不相同，只要每个Agent能准备地从外部语言映射到自身的内部语言，它们之间无须同意任何内部符号。这种通信实现过程可用图3-3来表示。Agent A知识库推理机Agent B知识库推理机行为感知语言通信语言图3-3：多Agent的通信方式KQML（Knowledge Query and Manipulation Language知识查询和处理语言）是一种基于消息的通信协议，它本身也是一种独立的信息交换和协议语言，是目前Agent通信用得比较多的语言之一，KQML提供了一套Agent进行通信的标准原语，能让所有采用这种语言的Agent进行交流与共享知识。KQML分为内容层、通信层和消息层三个层次。内容层主要是对要传输的内容进行ASCII码或二进制编码；通信层主要是采用特定的符号描述该消息的来源和要去往的目的地；消息层是KQML语言的核心，主要用来标识用以发送消息的协议，提供讲话动作或执行发送者在内容中附加的行为以及期望达到的目的等。本系统中存在多个Agent，并且每个Agent具有独立自主性，在系统运行过程中每个Agent可能会按自己的目的活动，这样就可能会出现和其它Agent的意图冲突的现象，因此，需要对各个Agent进行协调，协调是指某个Agent在计划和执行它的动作时，对系统中其它Agent的行为和动作进行考虑。对Agent间的进行协调管理，不仅能够提高单个的Agent性能，还能系统的整体性能，增强系统解决问题的能力，使系统更具有灵活性。3.6 本章小结本章主要分析了传统的网络教学系统中所存在缺陷，提出了一个基于Agent的三层架构的个性化网络教学系统的系统模型，能有效解决传统网络教学系统不能解决的问题；然后对网络教学系统中的知识表示方法，以及知识点之间的关系进行了介绍；接着对系统中的各个Agent的设计和功能进行了详细说明，最后介绍了系统各Agent之间的通信与协作的方式。第四章 基于Agent的个性化网络教学系统的功能模块设计4.1 系统总体功能模块设计根据第三章的需要分析和系统模型的设计，本系统的功能结构分为四大功能模块：登录注册模块、学习者模块、教学模块和管理员模块，系统的总体功能结构如图4-1所示。个性化网络教学系统登录注册模块管理员模块教师模块在线备课答疑管理用户管理课程管理论坛管理学习者模块在线课堂作业测试答疑系统资源共享交流论坛在线教学题库管理图4-1：个性化网络教学系统总体功能框架图1、 登录注册模块登录或注册模块主要完成对新用户的注册，以及在用户登录时进行身份验证，并根据不同权限的用户角色，显示不同的功能界面。2、 教师模块教师模块共分为在线备课、在线教学、题库管理、答疑中心四个子功