（系统分析与集成专业论文）基于agent的智能教学系统的研究与设计.pdf

摘要 传统的网络教学系统存在智能性较低，测试和评价功能不强，缺乏动态交互功能等 问题。智能化教学系统是涉及人工智能、计算机科学、教育学、心理学的综合性课题， 能有效地克服传统网上教学系统的不足，基于a g e n t 的系统开发技术适用于开发复杂系 统。 本文提出了基于a g e n t 的智能化教学系统模型，分析了系统的结构和各个a g e n t 的功能。文中还提出知识结构图的知识表示方法，以及基于知识结构图进行教学内容的 动念规划方法，研究了教学方法的调整规则。 应用a g e n t 技术建立的智能教学系统，较好的解决了现阶段网络上教学系统的不 足，为学生提供了一种新的选择。这对于缓解师资紧张，减轻教师的教学负担，克服学 生个体差异给教学带来的不便，实现因材施教，具有积极的意义。 关键词：远程教学a g e n t 教学策略知识表示智能教学系统 a b s t r a c t t h e r e 黜m a n yp r o b l e m si nt r a d i t i o n a lt e a c h i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r k , i ns u c ha s l o wi n t e l l i g e n c e , p o o rt e s t i n ga n de v 加f i n gf u n c t i o na n dl a c ko f d y n a s t yi ni n t e r a c t i o n i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mi sa no v e r a l ls y s t e mi n v o l v e di na i ， c o m p u t e rs c i e n c e ，p e d a g o g y a n dp s y c h o l o g y ，a n dt h e r e f o r ei tc a l la v o i dt h ed v a n t a g e se x i s t i n gi nt r a d i t i o n a lt e a c h i n g s y s t e m t h et e c h n o l o g yb a s e d o na g e n ti sb e t t e rs u i t e dt od e v e l o p i n ge l a b o r a t es y s t e m s t h e nam o d e lo f i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mb a s e do i la g e n ti sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h e a u t h o ra n a l y z e dt h es t r u c t u r eo f s y s t e ma n df u n c t i o n so f e v e r y a g e n t ，s t u d i e dt h er u l e so f h o w t or e g u l a t et e a c h i n gm e t h o d sa n dg a v eh i so p i n i o n so nt a k i n gu pt e a c h i n g ，u s i n gs u c hm e t h o d a sk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n h ea r g a e d tt h a ts t u d e n t sa b i l i t yv a nb et e s t e da n dp r e d i c a t e d t h r o u g hn o n - l i n e a rr e t u r no q u a t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt ot h eb a s ea n da b i l i t yo fs t u d e n t ， i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mb a s e do na g e n tc a na d j u s tt e a c h i n gm e t h o d s i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mb a s e do na g e n tt e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e m so f p r e s e n tt e a c h i n gs y s t e mo nn e t w o r k ，o f f e r i n gs t u d e n t san e wc h o i c e ，f u r t h e r m o r ei tc a nh e l p t od e a lw i t hs h o r t a g eo fs t a f f sa f t e re n l a r g i n g e n r o l m e n to fs t u d e n t si nu n i v e r s i t i e s ，a n dt h e n r e l i e v ei n s t r u c t o r sp r e s s u r e 。c o n s e q u e n t l y ，s t u d e n t sc a nb ei n s t r u c t e di na c c o r d a n c eo f t h d r t i t u d e s k e y w o r d s ：d i s t a n c et e a c h i n ga g e n t d i d a c t i c a l k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ni n t e l l i g e n t t u t o r i n gs y s t e m l l 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 ， 论文作者签名：均彳 日期：一7 年6 月 日 | 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手 段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或全 部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者躲即听嗍即石7 躺l 醐一。7 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 1i n t e r n e t 的发展及其对教育的影响川 i n t e r n e t 是计算机出现以来甚至是人类有史以来最伟大创举，它改变了全球通讯和 信息资源共享的方式，它把各种各样的资源( 从经济、科技、教育到体育与艺术) 联系在 一起，构成了一个巨大的网络。其中w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 的发展最为迅速。 1 i n t e r a c t 对教育内容的影响 信息化社会的主要特征是快速高效地传播和利用大量信息资源，人类的各种活动都 很强地依赖于信息技术。人们必须具备在信息化环境中工作和学习的能力，应当掌握有 关的信息技术和知识，否则将会在激烈的竞争中被淘汰。当代科学技术发展的特点是学 科的相互交叉，渗透和综合，大量出现边缘学科、交叉学科。这些要求学校的教学内容 要不断更新，以适应信息化社会对人才素质的要求。 2 i n t e r a c t 对教育方式的影晌 传统的教育方式的特点是以教师、课堂、书本为中心，教师处于主动地位，学生处 于被动地位。定时、定点、定课程，学生没有选择余地，教师无法确切了解学生接受知 识的情况。教学内容以课本为主，内容陈旧，量受限，更新难。 传统的教学方式采用“粉笔+ 黑板”的教学方式，不能适应如今知识迅猛增加，科 学技术同新月异的需要。 3 i n t e r a c t 使教育结构产生重大变化 i n t e r n e t 对所有学习者，信息都是开放的，可以为学习者提供网络化的学习环境， 校园网、全球网( w w w ) 都为学习者提供了学习资源，学习者不受时间空间的限制，不受 年龄、职业和其他条件的影响，社会所有成员受教育的机会是均等的。 i n t e r n e t 的出现和普及为改变传统的面对面的教学方式提供机遇，将使教学出现新 的形式，为网上教学的实现奠定了基础。 湖北大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究的社会因素 由于大学生的个体差异很大。大学生由于受自身条件、环境、教育和主观能动性 不同的影响，其素质结构不可能完全一致。如果教师忽视大学生个体差异，单纯利用和 采取集体灌输式教育方法，忽视个别教育，势必达不到理想的教一育效果。以计算机华 础的教学为例，新入学的大学生基础不尽相同，来自偏远地区农村的学生很少接触计算 机，而城镇的学生己经熟悉计算机的基本操作。大学中的大班课很难解决这样的个体差 异问题，这种单一的教学方式势必影响部分学生的积极性和教学效果。 而对i n t e r n e t 的发展给教育带来的前所未有的契机，面对网络技术，人工智能技 术、多媒体技术等技术的飞速发展，软件丌发技术的同渐成熟，开发能替代或部分替代 教师进行教学的基于i n t e r n e t 的教学系统是很多教师和学生的强烈愿望。 1 1 3 传统网上教学存在的问题【1 9 j i n t e r n e t 和w w w 的迅速发展，为传统的远程教学和学习提供了新的思路和方法，世 界各国都在积极研究和开发基于i n t e r n e t 和w w 的远程教育应用系统。目前，基于w w 的教学系统在国内外己有不少。网上教学与传统教学相比较，具有许多突出的优点，代 表了未来教育技术发展的趋势，但在现阶段面临许多实际的问题，具体表现在以下几个 方面： 1 系统的动态交互功能不强 教学资料大多是书本材料的电子堆砌，并且教学信息陈旧，更新速度较慢， 交互功能较差，学生不能实际地参与到系统中进行发现式，创造性地主动学习， 因而很难达到最佳的教学效果。 2 系统的智能性较低 系统一般不能根据学生的实际情况提供合适的、智能化的交互界面，调动学习者的 兴趣，另外，系统仍然束缚在传统的教学模式中，不能根据学生的水平和学习情况提供 相应的指导，实现因材施教。 3 系统的测试和评价功能不强 现有的网上教学系统大多是在固定的w e b 页面上放一些固定的内容和习题，不能根 据学生的要求和学习情况自动选题组卷、变换题目，灵活性较差，因而不能全面地反映 2 第一章绪论 学生的学习情况，尤其缺少考察学生积极性、参与程度、创造性和学习能力的指标，不 能根据学生的当前薄弱项发现学生的知识体系中其他相关弱点，而以难度级别比较粗 略，评价不够准确。 4 缺乏有效的导航 学生在网络环境中随意性和盲目性较大，无法快速准确地找到学习内容的准确位 置，从而造成人力资源和时间资源的严重浪费。 5 安全性不强 现有的网上教学系统基本土是基于c s 结构的系统，客户端过于庞大，而且客户端 的驻留程序可以对客户端任意操作，因而可能造成对教学资源的非法使用甚至恶意破 坏，增加了不安全的因素。 之所以存在上述问题，主要有两个方面的原因： 首先是技术方面的原因。由于基于w w w 的课件使用方式和运行环境的特殊性，传统 的智能课件开发方式不太适合于开发网上的智能型课件，必须采用新的技术和方法。随 着分布式人工智能( d a l ) 研究的深入而发展起来的智能代理技术则是解决网上软件智能 性的有效方法网上教学系统多用户和并发访问的特点很适合于用多代理技术解决。另 一个重要的原因是系统的设计没有先进的指导思想，多数课件仍以行为主义的刺激一反 应理论为指导，课件的设计仍然遵循“呈现学习材料一学生反应一信息反馈”的模式， 甚至只有呈现学习材料一个步骤，学习效果很差。近年来，随着心理学界对认知学习理 论研究的逐渐深入，其重要分支建构主义的学习理论和教学理论逐渐流行，并愈来愈显 示出强大的生命力。由于i n t e r n e t 的网络环境和多媒体技术所具有的多种特性特别适 合于实现建构主义的学习环境，所以随着i n t e r n e t 网络教育应用的发展，建构主义理 论逐渐成为网上教育应用系统的坚实理论基础。 1 2 课题的研究目的和意义 如何利用纯技术的方法来改善现有的网络教学系统的不足，以方便学生学习。这 是研究从于a g e n t 的智能教学系统的出发点。希望通过系统的研究和开发，既可以减轻 教师的教学负担，又给学生提供了一种学习方式，从而实现因材施教。智能教学系统是 未来教学的一种重要形式，开发以网络为依托的智能教学系统，可以使学习者跨越时间、 空间的限制，在系统的指导下学习，这在网络化和信息化的二十一世纪，对学习者的自 3 湖北大学硕十学位论文 主学习、终身学习以及建立全民学习、终身学习的学习型社会具有重要意义。 1 3 课题的主要研究内容 木课题研究的主要内容和重点有以下儿个方面： ( 1 ) 对现有的网络教学系统、智能教学系统进行分析，分析其存在的困难和问题， 提出把a g e n t 技术应用到智能教学系统中结合的思想。 ( 2 ) 对软件a g e n t 技术进行研究，提出一种基于软件a g e n t 的智能教学系统模型， 分析了模型中教师a g e n t 、学生a g e n t 职能和结构。 ( 3 ) 提出一种知识结构图的知识表示方法，它是一种个性化的知识表示方法，并以 知识结构图为基础探讨了个性化的推理测略。 ( 4 ) 综合运用软件a g e n t 技术，j a v a 技术、采用b s s 三层结构的计算模式，设计 与实现基于a g e n t 的智能教学系统。 4 第二章智能教学系统综述 第二章智能教学系统综述 2 1 什么是智能教学系统 智能教学系统( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ，i t s ) 是涉及人工智能 ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a 1 ) 、计算机科学、认知科学、思维科学、教育学、心理学 和行为科学的综合性课题，其研究的最终目的是由计算机系统负担起人类教育的主要责 任，即赋予计算机系统以智能，由计算机系统在一定程度上代替人类教师实现最佳教学。 智能教学系统研究的意义在于减轻人类教师工作量，提高教学质量， 增进人类对其自认知过程的了解和带动相关学科的发展。这就要求计算机系统具备领域 知识、教学知识、了解学生的能力以及跟学生交互的能力。其特征是： ( 1 ) 自动生成各种习题和练习。 ( 2 ) 根据学生的水平和学习情况调整学习内容和进度。 ( 3 ) 在理解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答。 ( 4 ) 具有自然语言的理解和生成能力，以便实现自由的教学问答系统，以提高人机 交互主动性。 ( 5 ) 对教学内容有解释咨询能力。 ( 6 ) 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施。 ( 7 ) 能评价学生的学习行为。 具有全部上述特征的系统是完美的，但实现是困难的，具备一个或几个特征就是智 能教学系统。 2 2 智能教学系统的发展o j 智能教学系统是从二十世纪7 0 年代开始的计算机辅助教学的应用模式。这种模式 以人工智能科学、认知科学和思维科学等为理论基础，通过研究人类学习的思维特征和 过程，寻求学习认识的模式，通过设计智能教学系统，使学生通过个别化、自适应学习， 以获得知识。7 0 年代前期的研究重点是专门知识模块的知识库的建立问题，后期的重点 是学生模型问题。到了8 0 年代，教学策略问题开始受到重视。 其后，智能教学系统的研究进入了全面展开的时期，智能教学系统的研究成果主要 是在这一时期取得的。进入9 0 年代以后，由于计算机软硬件功能的提高，计算机处理 5 湖北人学硕士学位论文 问题的能力的提高，如图象界面的处理工作、工业领域复杂过程的模拟、视频教学的出 现等，使得人们对智能教学系统的研究思路发生了变化。这一时期，多媒体智能教学系 统发展很快，同时认知理论的发展、关于学习过程的研究成果对智能教学系统也有较大 贡献。近几年来，由于i n t e r n e t 的飞速发展，给智能教学系统的发展带来了新的生机。 i n t e r n e t 中的网上教学、资源共享、实时交互、超媒体等技术将给智能教学系统及传统 教育带来新的变革。 国外对智能教学系统的研究较多，最为活跃的是美国，此外，欧洲、日本、加拿大 等国家也纷纷投入人力、物力和财力从事这方面的研究。研究工作主要在大学和军方进 行，美国一些知名的大学如s t a n f o r d ，m i t ，m e m p h i s ，c a l i f o r n i a 、c a r n e g i e - m e l i o n ， j o h n s h o p k i n s 等都在进行这方面的研究工作，开发出了一些智能相对较高的应用和智 能教学系统软件。建立了内容丰富的智能化教育网站。 国内智能教学系统的研究起步较晚，少量的研究工作主要集中在少数大学和研究机 构断续进行，且多为研究和演示用的“玩具系统”，经过严格评测的系统很少。这主要 在于计。算机网络不够普及，教育软件需求不旺。国内有关教育软件的研制工作历史不 长，软件产品大多数只是将课本中静态图像变成了电子图书，将多媒体计算机变成了录 像机或影碟机，最近几年则发展较快，有很多科研机构开始进行智能教学系统的研究开 发工作，一些计算机公司也投入到教育软件的丌发上来，国家教委成立了专门的机构以 推动计算机在教育中的应用。教育网站建设发展很快。特别是随着i n t e r n e t 技术的发 展与普及，国内的现代远程教育迅猛发展，国家教育部考试中心于1 9 9 9 年开通了“全 国高等教育自学考试答疑网络”，在远程教育方而进行了成功的探索。现代远程教育继 续扩大试点，“网络大学”近年快速发展。我国的现代远程教育的迅猛发展，必将大力 推动基于远程教育的智能教学系统的发展。 2 3 主要技术和理论基础 智能教学系统( i t s ) 是一项涉及计算机科学、教育学、认知科学和人工智能等多门 学科的综合性课题，其发展受到这些学科发展状况的影响，应用于智能教学系统的主要 技术与这些学科有密切的联系，智能教学系统的发展离不开与其相关领域的技术、理论、 学科的发展。 6 第二章智能教学系统综述 2 3 1 网络通信技术 随着i n t e r n e t 技术的发展与普及，国内外在远程教育方面正经历一场新的冲刺。 在美国、欧洲和日本，以i n t e r n e t 为基础的现代远程教育蓬勃兴起，参加远程教育的 大学迅速增长。近期来，我国的现代远程教育也迅猛发展，许多名牌大学相继成立了现 代远程教育网络学校，进行网络学校招生，开展远程教学。现代远程教育给智能教学系 统提供了更先进的技术、更优越的环境，使智能教学系统能够发挥出更大的作用、产生 更强大的影响力。现代远程教育对智能教学系统的发展将产生意义深远的影响，它将会 改变传统的教学模式、内容、手段、方法，并最终导致整个教育思想、理论甚至教育体 制的根本变革。 2 3 2 人工智能技术 智能教学系统的研究几乎涉及a i 研究中的所有主要问题，包括专家系统、自然语 言处理、机器学习、机器视觉、知识表示问题、问题求解、规划问题等，并且智能教学 系统的研究方法受人工智能研究的影响很大。人工智能技术在智能教学系统的应用，对 智能教学系统的开发起到了至关重要的作用。要提高教育软件的智能，就必须充分运用 a i 相关技术研究成果，这也是当前国际教育软件的一个重要研究发展趋势。 a g e n t 技术是当前人工智能领域的一个研究熟点，a g e n t 是一种具有智能的实体。 人们试图用a g e n t 技术统一和发展人工智能技术，甚至试图用a g e n t 技术统和发展软 件开发技术。a g e n t 技术在教育领域的应用和智能教学系统的开发方面的研究正方兴未 艾。 2 3 3 建构主义学习理论 建构主义者认为，学习不是一个被动地记录外界信息的过程，而是一个主动建构的 过程。学习者主动地选择一些信息，忽视一些信息，并运用原有的经验和具体情况去理 解新的信息。智能教学系统教学能为学习者建构知识提供更充足的信息，并能满足学习 者的个性化要求，为合作学习创造了更大的可能性。智能教学系统教学使得按照建构主 义学习环境进行教学改革试验研究日渐增多。 7 湖北人学硕士学位论文 2 4 智能教学系统的结构特征 2 a o 川 传统上按功能把智能教学系统分为四个模块：专家知识模块、学生模块、教师模块、人 机接口模块。如图所示： l 学生模型卜 7 l 机接口 | i i 篆彩 1 教师人卜 斟叫机接口 l 图2 一l 传统智能教学系统的结构 专家知识模块( 知识库) ：作为智能教学系统的重要组成部分，专家知识模块主要解 决教什么问题，表示教学领域的相关知识以及作为专家能够基于这些知识解决有关问题 的问题求解知识。专家知识模块完成以下功能：作为系统全部知识的来源，为系统其它 模块频繁调用，以实时完成用户行为响应，通过知识库知识，生成相应的问题、任务以 及解释：通过同步问题解答，并通过预期学生行为与实际学生行为之间的比较，评价学 生知识掌握情况以及学习状态、学习方式偏好等。实际上，知识表示是所有智能化系统 必须首要解决的问题之一。 学生模型模块：系统通过学生模块建立对学生的了解，通过比较学生行为与专家行 为，对学生进行智能模拟，包括学生的知识状态、认知特点和个性特点等。随着对学生 模型的研究，人们提出了多种学生模型的构建方法，包括覆盖模型、差别模型和干扰模 型等。 教师模型模块( 教学策略模块) ：主要任务是在一定的教学原理的指导下选择适当的 教学内容，并通过接口以适当的表达形式，在适当的时刻展刀：给学生，该模块的主要功 能是如何组织教学内容，即解决如何教的问题。 智能人机接口：作为系统与用户交互作用的部件，在系统一系列的智能行为中，为 其它各个模块提供多媒体知识智能输入、用户信息和行为获取和知识智能输出的广泛途 径。智能教学系统的智能人机接口需要进行自然语言处理、人机对话内部处理、知识库 系统化维护、学生模型初始化、教师模型自适应调整等内容。 8 第二章智能教学系统综述 2 5 当前智能教学系统的困难性 在智能教学系统的研究中，存在知识的表示，对学生的评估，学生错误的诊断，教 学规划，人机自然语言对话处理等技术难题。智能教学系统研究难度在于：一是它涉及 到多门学科，所用到的相关学科的技术即使在本学科也不够成熟，并且这些技术应用于 教学系统会产生新的问题；二是人类对其自身的学习过程还认识不够。所以说，对智能 教学系统的研究仍存在相当大的难度，表现在以下三个方而。 1 知识表达方面的开发力度不够，教学内容的重组和自主匹配能力差。 2 由于缺乏推理机制，不支持教师模型和学生模型，无法了解学生的认知水 平和认知特点，不能根据其理解力提供相应的学习材料，进行有针对性的指导。 3 学生容易偏离学习内容或者迷失方向，达不到预定的教学目标。 然而，智能教学系统从产生到现在己经有了很大的发展，得到了较好的应用，随着 计算机科学和认知科学等学科的发展，智能教学系统的发展将会有更大的突破，智 能教学系统的应用有着广阔的前景。 9 湖北人学硕十学位论文 第三章a g e n t 技术及其在智能教学方面的应用 3 1a g e n t 的发展与应用 人工智能中的a g e n t 概念出现于7 0 年代，8 0 年代中后期，人工智能技术与分布式 计算技术相结合，出现了分布式人工智能( d a i ) 这个研究方向。作为分布式智能的构成 因素的a g e n t 一词越来越多地被提到，由于它突破了长期以来a i 研究进展不大的局面， 因此受到人们的重视。1 9 9 3 年首次召开了a g e n t 形式化模型的国际会议，同年y s h o h a m 提出了面向a g e n t 编程的a o p 的概念。1 9 9 4 年1 月，美国g e n e r a lm a g i c 公司演示了 它初次公丌的a g e n t 软件。1 9 9 4 年3 月，h a m 春季年会的主要议题是s o f t w a r ea g e n t ， 参加者包括了如下领域的研究者：软件工程、机器人、知识表达、知识库系统、数据库、 问题求解、规划、机器学习、认知科学、心理学、计算机图形学、艺术、音乐、电影、 人机交互等，这意味着a g e n t 的研究集成了来自多种研究领域的重要成果。 a g e n t 是指模拟人类行为及人与人之间的关系，能够根据所感知的环境自主运行和 提供相应服务的程序。国内文献对a g e n t 的中文译法不太统一，如智能主体、智能代理 或代理者等，现在逐渐趋向于不翻译而直接使用a g e n t ，本文直接使用a g e n t ，通常一 个a g e n t 软件是具有自主性、目的性、适应性、智能性、社会性等特征的独立生存的计 算实体。 目前，a g e n t 技术的应用实际有三个方面：人工智能、计算机( 网络) 与信息科学、 其它业务领域。在人工智能领域，许多传统人工智能技术与a g e n t 技术相结合，相得益 彰。如专家系统、智能机器人、知识表示、知识发现等都可得益于a g e n t 技术。在计算 机、网络与信息科学领域，如网络、数据库、数据通信、软件工程、程序设计、人机界 面设计等都是a g e n t 的用武之地。事实上，在软件工程和程序设计领域，a g e n t 技术可 看作是面向对象技术的继续和发展，面向a g e n t 的软件丌发技术正在研究，从这个意义 上讲，a g e n t 技术是人工智能与计算机及信息科学技术的交汇点。在其它业务领域，a g e n t 技术在远程教育、远程医疗、电子商务、市场模拟、工业制造、农业专家系统等领域的 应用研究方兴未艾，也取得了丰硕的成果。 3 2 a g e n t 概念和特性阱，6 7 8 9 l 目前人们对软件a g e n t 还没有非常确切的概念定义。a g e n t 一般用以说明一个具有 1 0 第三章智能教学系统综述 以下特性的软硬件系统：( a ) 自主能力( a u t o n o m y ) ，a g e n t 可以在有或没有其它a g e n t 直接干预的情况下动作，而且对自己的行为和内部状态有某种控制能力：( b ) 社交能力 ( s o c i a l a b i l i t y ) ，a g e n t 和其它a g e n t 通过交流语言进行交互；( c ) 反应能力 ( ( r e a c t i v i t y ) ，a g e n t 观察其环境，并在一定时间内作出反应，以改变环境：( d ) 预动 能力( p r e a c t i v e n e s s ) ，a g e n t 不仅简单地对其环境做出反应，也能够通过接受某些启动 信息，体现目标定向的行为。 人工智能研究人员一般认为，a g e n t 不仅应该具有以上定义的特性，同时也应具有 一些人类才具有的概念，如知识、信念、目的、义务等。s h o h a m 认为，a g e n t 就是一种 实体，它可以被看成由许多心智状态( 如信念、能力、选择和承诺) 所组成。一些人工智 能研究人员进一步考虑了a g e n t 的情绪化。另外，a g e n t 还具有一些其它特性，如流动 性( m o b i l i t y ) 、真实性( v e r a c i t y ) 、仁慈性( b e n e v o l e n c e ) 、合理性( r a t i o n a l i t y ) 等。 实际上，对a g e n t 还可以给出更多的特性，但至少目前还没有给出一般性准则。这 种情况的出现，主要是由于a g e n t 处于多学科交叉的领域，它涉及人工智能、分布式计 算、网络、数据库等多方面的知识。因而，可以从不同的角度来深入研究a g e n t 的特性。 ( 1 ) 交互性 这是a g e n t 作为代理应具备的首要特点，它包括与用户的交互和与其它a g e n t 的交 互两个方面。a g e n t 作为代理应具备与用户交互的能力，从用户那里接受指令，辅助用 户完成一定功能，充分与其它a g e n t 进行交互，利用己有情况进行分析，以增加针对性、 灵活性和效率。这种交互本身内涵了一个含义，即a g e n t 必须具备主动性。 ( 2 ) 自主性 这是a g e n t 的人格化特征，也是为了适应巨大、复杂的分布式网络环境，a g e n t 作 为用户代理而应具有的一项基本能力。它的含义包括a g e n t 应该能够感知环境，对预知 的和非预知的事件作出适时的反应，而且这种反应应属于自身的计算资源和控制机制， 由内部机制决定自身的行为。 ( 3 ) 适应性 适应性是指a g e n t 根据目标、环境等的要求和制约作出行动计划，并根据环境的变 化，修改自己的目标和计划。 湖北人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 目的性 a g e n t 具有强烈的行为目的性，即为达到某种目的，根据自身的行为规则主动采取 一系列行动，直至达到目的。 ( 5 ) 协作性 一个a g e n t 所能实现的目标，往往是目标集的一部分，因此，它必须和其他a g e n t 通过信息共享，观点的相互激励协商，相互合作，最终共同实现目标。 ( 6 ) 智能性 a g e n t 根据内部状态，针对外部环境，通过感知器和执行器执行感知一推理一动作 循环，智性可通过人工智能程序设计的方式获得。 基于a g e n t 的这些特征，a g e n t 可以定义为：在网络环境下代理用户或其他程序， 以主动服务的方式持续完成一组操作的机动软件实体，它能够自己创建与实现目的有关 的计划，可定时和交互地执行，并能够作用于本身和网络环境，对网络环境变化做出反 应。 以上是对a g e n t 的一个普遍意义上的基本定义。随着对a g e n t 研究的发展，a g e n t 的性质要比这里所给出的更广泛、更深入。 3 3a g e n t 的基本能力 基于环境和任务的本质，a g e n t 的软件结构应该包括下列能力： ( 1 ) 表达知识的能力： ( 2 ) 达到目标，完成计划的能力： ( 3 ) 与环境交互的能力： ( 4 ) 处理预料外部事物的能力： ( 5 ) 与其它a g e n 协调与合作，使用语言及学习的能力。 a g e n t 不同于一般的对象，也不同于早期的自动设备，它能辅助人类的工作，并以 适当的工作方式和人们进行交互。一些a g e n t 还具有这种潜能，即根据环境的需求形成 自己目标和意图，在没有明确的指令和指导情况下，按照自己的方式制订并执行行动计 划，并将产生的建议提供给人们，这时的a g e n t 就充当了人类助手的角色。 1 2 第三章智能教学系统综述 3 4 软件a g e n t 的实现技术 3 4 1a g e n t 语言【1 8 】 9 0 年代初，s h o h a m 提出了面向a g e n t 程序设计( a o p ) 的思想，实现了一个而向a g e n t 的程序设计语言a g e n t o ，有许多语言可以对基于a g e n t 的应用程进行原形构造，但不能 说它们都是a g e n t 语言。w o o l d r i g e 和j e n n i n g s 认为，a g e n t 语言是一个可以用来编制 符合a g e n t 理论家们所给出的概念的硬件和软件的计算系统的语言。一些学者总结了面 向a g e n t 编程语一言的适用标准：面向对象、平台无关性、通信能力、安全性和可操作 性。 依据这一标准，用面向对象语言( 如s m a l l t a l k ，j a v a ，或c 抖) 更容易构造a g e n t ， 而传统的语言( 如p a s c a l 。c ，l i s p ，p r o l o g 等) 在这方面的能力较弱，a g e n t 实体的概 念与对象的概念比较接近，均由属性和方法构成，均可通过发送消息或唤醒方法相互通 信，均可以使用典型的面向对象概念，如继承、数据封装等，因此，面向对象方法与基 于a g e n t 的系统开发方法有着密切的联系 表3 1a g e n t 编程语言 a g e n t 类型 语言分类语言例子 a c t o r 语言a c t o r s a g e n 面向a g e n t 的语言a g e n t0 ，p l a c a 信息a g e n tt c l t k ，s a r e t c l ， 移动a g e n t s a f e t k ，j a v a ，t e l e s c r i p t ， 脚本语言 界面a g e n t a c t i v ew e bt o o l s ，p y t h o n ， o b l i q ，a p r i l ，s c h e m e 一4 8 反应a g e n t反映性语言r t a a b l e 在通用面向对象程序语言中，j a v a 语言则是最被看好的候选语言。j a v a 的面向对象， 多线程、分布式、平台无关、可迁移、可嵌入等特性正是构造a g e n t 所需要的。 3 4 2 分布式对象参考规范5 “】 分布式对象技术为网络计算平台上软件的开发提供了强有力的解决方案。目前，分 布式对象技术已经成为建立服务应用框架和软件构件的核心技术，也是实现软件a g e n t 1 3 湖北大学硕士学位论文 的关键技术。在开发大型分布式应用系统中表现出强大的生命力，逐渐形成了3 类，参 考规范，即m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m m o no b j e c tm o d e l ) o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 的c o b r a ( c o m o no b j e c tb r o k e ra r c h it e c t u r e ) 和s u n 公司的 e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n ) 。 t c o m d c o m c o m 可以看成一种软件包装技术，是一组约定和支持程序库，使不同的软件按照一 种固定的、面向对象的方式进行交互。c o m 对象可以用任何一种语言编写，其中包括c + + ， j a v a ，v i s u a lb a s i c 等，用d l l 或可执行文件方式实现。使用c o m 对象的客户程序不必 知道对象是用什么语言写成，也不必知道它是以何种方式( d l l 或e x e ) 运行。d c o m 在c o m 基础上加以扩展，是c o m 和o l e 的分布式版本，采用了开放软件基金会的分布式计算环 境( d c e ) 标准。d c o m 包括一些新的d l l 和对原来的一些d l l 的替换，提供了本地和远程 的c u m 能力，使分布在局域网、广域网和i n t e r n e t 上的不同对象可以相互通信。 2 c o b r a c o r b a 是o m g 定义的标准的分布式体系结构。利用c o b r a ，不同供应商开发的运行 在不同平台上的构件可以互操作，而不管该对象位于何处，用何种语言实现。这套规范 的最新版本是2 0 0 2 年公布的c o r b a 3 0 ，c o r b a 体系的主要内容包括以下几部分。其参 考模型如图所示： 戍川对象领域接口 公扎设施 尊 e尊 。b j e c tr e q u tb r o k e r ( 对象请求代理) 去 图3 1 对象管理体系参考模型 ( 1 ) 对象请求代理o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) ：负责对象在分布环境中透明地收 发请求和响应，它是构建分布对象应用、在异构或同构环境下实现应用问互操作的基础。 ( 2 ) 对象服务( o b j e c ts e r v i c e s ) ：为使用和实现对象而提供的基本对象集合，这些 服务应独立于应用领域。主要的c o r b a 服务有：名录服务( ( n a m i n gs e r v i c e ) ，事件服务 1 4 第二章智能教学系统综述 ( e v e n ts e r v i c e ) 、生命周期服务( l i f ec y c l es e r v i c e ) 、关系服务( r e l a t i o n s h i p s e r v i c e ) ，事务服务( t r a n s a c t i o ns e r v i c e ) 等。这些服务几乎包括分布系统和面向对象 系统的各个方面，每个组成部分都非常复杂。 ( 3 ) 公共设施( c o m l o nf a c i l i t i t e s ) ：向终端用户提供一组共享服务接口，例如系 统管理、组合文档和电子邮件等。 ( 4 ) 应用接口( a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e s ) ：由销售商提供的可控制其接口的产品， 相应于传统的应用层表示，处于参考模型的最高层。 ( 5 ) 领域接口( d o m a i ni n t e r f a c e s ) ：为应用领域服务而提供的接口。如o m g 组织为 p d m 系统制定的规范。 c o r b a 具有很多新的特色： ( 1 ) 引入b r o k e r 概念。b r o k e r 起到如下作用：完成对客户方提出的抽象服务请求的 映射：自动发现和找到服务器：自动设定路由，实现服务方程式的执行。 ( 2 ) 客户方程式与服务方程式完全分离。用传统的客户朋艮务器方式有很大的不同， 客户将不再与服务方发生直接的联系，而仅需要与代理发生联系，客户与服务器方都可 方便升级。 ( 3 ) 提供“软件总线”机制。任何应用系统只要提供符合c o r b a 系统定义的一组接 口规范，就可以方便的集成到c o r b a 系统中，这个接口规范独立于任何实现语一言和环 境。因此，客户应用于服务对象之间可以透明地交互运行，实现软件在“软件总线”上 的“即插即用”。 ( 4 ) 分层的设计原则和实现方式。c q r b a 系统的底层核心是一个精练的系统，各种复 杂系统和应用可以由核心扩展和延伸。 基于c o r b a 规范，不同编程语言编写的对象以二进毒4 代码包装后，可在不同的操作 系统上运行。只要有i d l ( 以接口定义语言) 接口，它们就可以互操作，并激发彼此的方 法。这样，实现不同操作系统的客户服务器模式的关键就是将用c o b o l ，c + + ，l i s p 等 编写的对象与o r b 相连接。 c o r b a 技术将面向对象的概念揉合到分布计算中，使得c o r b a 规范成为开放的、基 于客户服务器模式的、面向对象的分布计算的工业标准。这种新兴技术及其标准的发 展保证了计算可以持续地离散增长。 1 5 湖北大学硕士学位论文 3 e j b e n t e r p r i s ej a v a b e a n ( e j b ) 是j a v a 服务器端服务框架的规范，软件厂商根据其实 现e j b 服务器。应用程序开发者可以专注于应用所需的商业逻辑，而不用担心周围框架 的实现问题。e j b 的侧重点是详细的定义了一个可以p o r t a b l y 地部署j a v a 组件的服务 框架模型，e n t e r p r i s eb e a n 通常不发送和接受事件，同时属性定制也不在开发时进行， 而是在运行时通过一个部署描述符来描述。e j b l 1 规范性定义了一个j a v a 服务器端的 组件模型，以及应用服务器的编程接口。开发人员建立的这类组件称为e n t e r p r i s e b e a n ，包含了企业的商业逻辑。e n t e r p r i s eb e a n 运行在e j b 服务器上，该服务器为 b e a n 提供如事务、安全性方而的服务。开发人员并不需要编程来实现这些低层的、复杂 的服务，仅仅需要知道当他们开发的b e a n 需要这些服务的时候，这些服务是可用的。 这样，他们就可以将精力集中在处理b e a n 内部的商业逻辑上。 3 5 基于a g e n t 的系统分析 3 5 1 基于a g e n t 系统分析的优点【2 7 1 要开发的智能教学系统的软件平台为i n t e r n e t 平台，i n t e r n e t 平台的基本特征是 资源链接的动态性和丌放性、使用方式的个性化和灵活性、网络连接环境的不可顶测性。 这些特征要求软件具有很强的适应性和自主性。传统的c s 结构的计算模式模块功能僵 化、裁减受限，难以适应这些要求。基于a g e n t 的计算模式是未来基于i n t e r n e t 软件 的主流计算模式，a g e n t 具有很强的适应性和自主性，有利于发挥i n t e r n e t 的潜力。而 且软件a g e n t 能够做到功能移动而数据不动，能有效的节省网络带宽，降低对网络的可 用性要求，可以实现服务器功能的动态裁减，能根据网络状况和具体的应用特性选择比 c s 结构更好的程序结构和运行方式。 传统的结构化系统分析方法以功能为中心，采用