（计算机应用技术专业论文）智能教学系统中多种教学模式调度的研究与实现.pdf

智能教学系统中多种教学模式调度的研究与实现中文摘要 智能教学系统中多种教学模式调度的研究与实现 中文摘要中文捅要 学科专业：计算机应用技术 指导教师：张小真教授 研究方向：智能计算机辅助教学 研究生：李益才( 2 0 0 1 3 6 7 ) 利用多媒体、超媒体技术以及网络技术，教学系统可以通过网络共享教学资源，学 习者能够根据自己的业务水平和时间情况来安排适合自己的学习计划和学习进度，提供 一种适应性教学。目前，国内外己经有很多网络环境下的智能教学系统投入使用，但这 些系统都是针对某一特殊领域或特定问题而设计，其单一的教学模式固定于系统结构 中，贯穿于整个教学过程，不能很好地解决教学模式随学生的不同要求和教学内容的变 化而适应性变化等问题，有各自的局限性。 论文针对目前智能教学系统中教学模式单一的问题，经过研究认为，如果一个教学 系统中有多个教学模式，并能根据学生的实际情况调度不同的教学模式，将会大大提高 教学系统的适应性，这样教学系统就能将教学资源、教学方法、表现形式优化组合，建 立一个教与学的互动环境，充分激发教学双方的主动性和创造性。基于这一思想，论文 对具有多种教学模式的智能教学系统( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mw i t hm u l t ii n s t r u c t i o n p a t t e r n s ，简称为m i p i t s ) 的教学模式调度进行了细致的研究。主要目标是通过对智能 教学系统中多种教学模式调度的研究，提出在智能教学系统中实现多种教学模式教学的 方法，解决智能教学系统中教学模式单一的问题，提高系统的适应性。本文为了便于 m i p i t s 系统对多种教学模式的管理，对智能教学系统中教学模式进行了定义，阐述了 教学模式与学生模型、教学资源的关系以及教学模式在智能教学系统中的表示形式、系 统对教学模式的管理( 教学模式的增加，删除，更新等) 方法，使得m i p i t s 系统能对多 种教学模式进行灵活的管理：为了打破单一教学模式对整个教学过程的控制，论文提 出了“全局教学规划教学模式调度模式内局部教学规划”的教学解决方案，阐 述了一种新型的适合学生进行知识建构的知识模型和课程结构模型，并以此模型驱动教 学规划的设计，并根据学生模型和教学资源的相关信息，实现了教学模式的灵活调度； 由于具有多种教学模式，相对于一般的智能教学系统，m i p i t s 的体系结构发生了改 智能教学系统中多种教学模式调度的研究与实现中文摘要 变论文提出了在复杂、动态和开放环境下，包括使用a g e n t 技术在内的m i p i t s 系统 层次体系结构模型的解决方案：研究并解决了包括a g e n t 在内的m i p i t s 系统各部分 的协同问题，特别是复杂系统中a g e n t 与n o n a g e n t 部分的通信协同问题。 最后，论文设计了一个m i p i t s 的系统原型并构建其实验系统( m i p i t s e s ) ，用来 验证系统中多种教学模式调度的实现方法，包括教学规划、教学模式调度、m i p i t s 系 统的构建以及包含a g e n t 在内的系统各部分的协同、特别是a g e n t 与n o n a g e n t 之间的 通信协同等。实验表明，m i p i t s 系统协同问题的解决方案及其教学模式调度的实现使 得智能教学系统具有更高的适应性，同时其灵活的体系结构便于我们进行系统维护。 关键字：智能教学系统，教学模式，教学规划，a g e n t ，组件 塑丝墼兰墨竺! 兰苎墼堂堡苎塑堡塑堕塞兰壅翌旦型堕要一 t h e s t u d y a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n s t r u c t i o np a t t e r ns c h e d u l i n gi ni n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t m a j o r ：c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y d i r e c t i o n ：i c a i s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n g x i a o z h e na u t h o r ；l iy i c a i ( 2 0 0 1 3 6 7 ) m a n yi n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m sw e r ed e v e l o p e du s i n gm u l t i - m e d i a ，h y p e r - m e d i aa n d n e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，a n dt h e yc a ns h a r ei n s t r u c t i o nr e s o u r c e s u s i n gt h e s es y s t e m s ，t h e l e a r n e r sc a na r r a n g et h e i ro w n l e a r n i n gp l a n a n d s p e e da c c o r d i n g t ot h e i rc a p a b i l i t i e sa n dt i m e h o w e v e r , t h e s es y s t e m sw e r ed e v e l o p e d f o r s p e c i f i cp u r p o s e s ，a r i d t h e r ei s o n l y o n e i n s t r u c t i o np a t t e mi nt h es y s t e m t h eo n l yi n s t r u c t i o np a r e mw a sf i x e di nt h es y s t e ma n d c o n t o l l e dt h ew h o l et u t o r i n gp r o c e s s i tc a n n o tv a r ya d a p t i v e l yw i t ht h ed i f f e r e n tn e e d so f s t u d e n t sa n dt h ed i f f e r e n ti n s t r u c t i o nc o n t e n t s s ot h e r ea r e1 i m i t si nt h e s es y s t e m s t h i sp a p e ra i m sa tt h ep r o b l e mt h a tt h e r ei ss i n g l ei n s t r u c t i o np a t t e mi nt u t o r i n gs y s t e m ， a n dt h i n k st h a ti fat u t o h n gs y s t e mh a sm a n yi n s t r u c t i o np a t t e r n sa n dc a ns c h e d u l et h e p a t t e r n sa c c o r d i n gt ot h es t a t u so fs t u d e n t s ，t h es y s t e mw i l lb e m o r ea d a p t i v e t h e r e f o r et h i s p a p e rm a k e sa ni n v e s t i g a t i o no nt h ei n s t r u c t i o np a r e ms c h e d u l i n g ：i ni n t e l l i g e n tt u t o r i n g s y s t e mw i t hm u l t ii n s t r u c t i o np a t t e r n s ( a b b r m i p i t s ) c a r e f u l l y t h ep u r p o s ei s t h a ti tc a n p r o p o s ea m e t h o do f t u t o r i n gs t u d e n tw i t hu s i n gm u l t ii n s t r u c t i o np a t t e r n st h r o u g h t h es t u d y o f p a t t e ms c h e d u l i n g t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei m p l e m e n t a t i o no f p a t t e ms c h e d u l i n g ，i n c l u d i n g t h ed e f i n i t i o no fi n s t r u c t i o n p a r e m , t h er e l a t i o n sa m o n gi n s t r u c t i o n ，s t u d e n t m o d e la n d i n s t r u c t i o n r e s o u r c e s ，t h ep r e s e n t a t i o n o fp a t t e r n si nm i p i t sa n dt h e m a n a g e m e n t o f i n s t r u c t i o np a t t e ms u c ha st h ea d d i t i o n , d e l e t i o na n da l t e r n a t i o n i no r d e rt ob r e a kt h ew h o l e c o n t r o lo ni n s t r u c t i o np r o c e s so f s i n g l ei n s t r u c t i o np a t t e r n ，t h i sp a p e rp r o p o s e d t h ei n s t r u c t i o n m e t h o d o f “g l o b l ei n s t r u c t i o np l a n - - i n s t r u c i t o np a r e ms c h e d u l i n g _ _ l o c a li n s t r u c t i o np l a ni n ac e r t a i ni n s t r u c t i o np a r e m ，d i s c o u r s e dan e w k n o w l e d g em o d e la n dc u r r i c u l aa r c h i t e c t u r e m o d e l ，a n db a s e do nt h e s em o d e lt h i sp a p e rd e s i g n e dt h ei n s t r u c t i o np l a na n dr e a l i z e dt h e p a t t e ms c h e d u l i n g a tt h es a m et i m et h i sp a p e r s t u d i e dt h es o t l w a r ea r c h i t e c t u r eo fm i p i t s ， a n d p r o p o s e dal a y e r e dm o d e l o fm i p i t si nw h i c hi tc a nu s ea g e n tt e c t m o l o g y m o r e o v e rt h i s p a p e rs o l v e dt h ep r o b l e mo fc o o p e r a t i o na m o n gp a r t so f t h es y s t e m ，e s p e c i a l l ys o l v e dt h e 1 1 1 智能教学系统中多种教学摸式调度的研究与实现英文摘要 p r o p l e m o f c o o p e r a t i o nb e t w e e na g e n tp a r ta n dn o n - a g e n tp a r ti nt h ec o m p l i c a t e ds y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ep r o t o t y p eo fm i p i t sa n dd e v e l o p e di t s e x p e r i m e n t s y s t e m ( m i p i t s - e s ) ，a n du s e dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mt ov e r i f yt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f i n s t r u c t i o np a r e ms c h e d u l i n gi n c l u d i n gi n s t r u c t i o np l a n , p a r e ms c h e d u l i n g ，c o n s t r u c to f m i p i t s ，c o o p e r a t i o no ft h es y s t e me s p e c i a l l yt h ec o o p e r a t i o nk e t w e e na g e n tp a r t a n d n o n - a g e n tp a r ti nm i p i t s t h ee x p e r i m e n tp r e s e n t st h a tt h ei m p l e m e n t a t i o no fm i p i t sa n d p a t t e ms c h e d u l i n ge n a b l e t h es y s t e mt ob em o r ea p a t i v e ，a tt h es a m et i m e ，t h ef l e x i b l e a r c h i t e c t u r ea n dt h em e t h o do f c o o p e r a t i o na m o n g d i f f e r e n tp a r t si ns y s t e mm a k et h es y s t e m t ob em a i n t a i n e dm o r e c o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ，i n s t r u c t i o np a t t e m ，i n s t r u c t i o np l a n n i n g ，a g e n t ， c o m p o n e n t i v 第一章前言 1 1 论文的研究背景与现状 随着计算机技术与多媒体技术的飞速发展，智能教学系统的研究也在不断地深入和发展。丽网 络技术的发展，则把智能教学系统的研究推向了一个新的高潮。 1 1 1 计算机教学系统的发展 计算机教学系统的发展随着计算机技术的发展而同步发展。从上个世纪五十年代的线性程序到 六十年的分支程序计算机教学系统取得了第一个大的进步，从直接安排学生的学习使其一步步达 到目标发展到可以根据一定的需要，为不同学生建立不同的学习路径，在一定程度上体现了学生学 习的个体差异性。而七十年代人工智能的发展和专家系统的出现使得计算机教学系统向智能化方 向发展，出现了智能教学系统( i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m ，简称i t s ) ，这时的教学系统主要是问题 生成和问题解答，能够对学生进行有限评价，从而使智能教学系统能够替代教师的部分角色。 到上个世纪九十年代a g e n t 技术的出现和网络技术应用的普及，使得计算机教学系统的研究 跃上了一个新的台阶。计算机教学系统向着智能化、网络化和资源组织的标准化方向发展。 智能化；指的是教学系统能根据学生的实际情况选取教学内容和教学方法，对学生实施个 别化教学。将教学资源、教学方法、表现形式优化组合，建立一个教与学的互动环境，激 发教学双方主体的主动性和创造性 1 8 】。即学生能够进行适应性的学习。 网络化：利用网络技术，共享教学资源，使得优秀教学资源和教育方法不受时间和空间的 限制，学习者可以根据自己的业务水平和时间情况来安排适合自己的学习计划和学习进度， 即学习者可以进行自主性的学习。 资源组织的标准化：资源组织是智能教学系统中的一个重要环节，资源组织的标准化为不 同教学系统平台之间实现资源共享提供了前提条件。 1 1 2 国内外相关领域研究现状 近年来。基于w e b 的智能教学系统( i t s ) 已经成为计算机教育应用的一个热点问题也是计算机 教育应用和人工智能相结合的一个重要领域。 基于w e b 的智能教学系统的主要目标是要解决现代远程教学中的个别化教学问题。提高教学系 统对学生的适应性和针对性。为增强教学系统的个性化教学，国外许多学者提出了许多不同的个性 化教学的解决方案：利用贝叶斯网络建立学生模型，并利用教学过程中的信息反馈进行推理，预测 学生下一步行为的个性化教学解决方案 7 ；利用对话来获得关于学生对某领域知识的掌握程度，从 而对学生进行个别化教学的系统e l i ；利用学庄模型来分析学生的学习能力，即分析学生学习知识的 快慢和对所学知识的掌握程度以及学生的记忆能力，分析学生对所学知识点的持久记忆程度，采用 一定策略对学生实施个别化教学 6 ；通过对学生学习某个主题的评价( 这种评价包括三个方面，一 是学生对某个主题的学习时间，二是学生在该主题的测试结果，三是学生对该主题的复习情况) ，来 判断该学生是否可以进入下一个题的学习 8 。 随着a g e n t 技术的飞速发展。国内外许多专家学者尝试运用a g e n t 理论自适应地完成教学，达 到个性化教学的目的。其中比较典型的代表如k o d ( k n o w l e d g e o n d e m a a d ) 。该项目的主要贡献在 于建立一个可供个性化学习的开放式平台和工具，它通过为学习者提供一个新颖、动态的学习环境， 笙二童萱童 使得学习者可以根据自己的需要在任何时候、任何地方( 通过w w w ) 及时地获得所需要的知识 基于w e b 的智能教学系统由于资源分布、人员分布、管理分布等特点教学模式、教学方法及 教学资源表现形式与传统的智能教学系统相比发生了很大变化。同时在网络环境中进行智能化教学 有它自己的特殊性，这些都给计算机网络教学平台的开发造成了一定的困难。目前，在智能教学系 统中主要存在如下一些需要解决的问题： 智能教学系统中单一的教学模式不能满足学生学习过程中多方面的需要。一般的智能教学 系统常针对某一特殊领域或特定问题而设计【l 儿2 】【3 】。在某一领域对学生进行某种能力的训 练缺乏灵活的教学资源表现手段，教学方法单一。这些系统多数能够实现局部、分散的 个性化教学，但是教学系统整体的个性化教学还不理想。同时，系统所能提供的教学模式 单一，资源的组织多属系统专用，缺乏资源的共享能力。 对于海量的学习资源，缺乏有效整合机制，系统很难提供适台学习者本人的个性化学习资 源。 缺少对学生学习心理和感情状态的监控不利于学生主体作用发挥。 1 2 论文的研究内容、工作及其意义 教学理论的不断发展，建构主义教育理论的出现。要求教学要以学生为主体，教师为主导的教 学，要充分发挥学生学习的主观能动性，这就需要使开发的教学系统不仅能够对学生进行适应性的 教学，还应能充分发挥学生学习的主观能动性。目前已有教学系统在体现学生的主观能动性上做了 一定的尝试如c i r c s i m 【1 】，它允许学生在学习过程中提问，系统在分析和回答问题的过程中改 变既定的教学流程，给学生以帮助，体现了一定的学生学习的主观能动性。其它的一些系统也在适 应性教学方面作了一些尝试【3 1 ，因这些系统都是针对某一特殊领域或特定问题而设计，总体上是千 篇一律的教学模式，教学模式固定于系统结构中，贯穿于整个教学过程，不能很好地解决教学模式 随学生的不同要求和教学内容的变化而适应性变化等问题，有各自的局限性。 要实现智能教学系统中多种教学模式教学，就必须解决好如何为学生选取合适教学模式的问题， 即教学模式的调度问题。而教学模式调度涉及到与教学资源、学生模型的关系，多种教学模式在智能 教学系统中的表示、整个教学系统体系结构的变化以及教学系统各部分之间的协同等方面的问题。 论文选题属于网络智能教学系统的研究，研究的主要目标是通过对智能教学系统中多种教学模 式调度的研究，提出在智能教学系统中多种教学模式教学的实现方法，解；陕智能教学系统中教学模 式单一的问题。建立多模式智能教学系统( i n t e l l i g e n t ，r u t o r i n gs y s t e mo l l 瓶u l t ii n s t r u c t i o n p a t t e r n s ，简记为m i p i t s ) 的实验系统，在提高网络智能教学系统对学生! 需求的适应性方面进行有 益的探索。 论文研究的主要内容； 研究智能教学系统中多种教学模式调度的实现方法，包括智能教学系统中教学模式的定义： 教学模式与学生模型、教学资源的关系；多种教学模式在智能教学系统中的表示形式、系 统对多种教学模式的管理( 教学模式的增加，删除，更新等) 方法及对系统中的多种教学模式 如何进行有效调度等问题( 教学规划的实现和教学模式的调度算法) ； 研究在复杂、动态和开放环境下，包括使用a g e n t 技术在内的m i p i t s 的软件体系结构， 寻求有效的系统构建技术； 智能教学系统是一个复杂的、高度动态的系统，用a g e n t 技术来提高系统的适应性是很自 然的想法，在这样一个系统中我们要研究并解决包括a g e n t 在内的系统各部分的协同问 题，特别是系统中a g e n t 与n o n a g e n t 部分的通信协同问题； 基于以上的研究内容设计一个m 1 p i t s 系统原型并构建其实验系统( m i p i t s e s ) ，用来验 证系统中多种教学模式调度的实现方法( 包括教学规划、教学模式调度以及系统的构建和 系统各部分协同通信等) 。 - 2 第一章前言 论文的研究意义： 提山智能教学系统中多种教学模式的调度实现方法并进行实验，有利于提高网络教学系统 的智能性和适应性； 以a g e n t 技术、软件体系结构相关理论及网络技术为指导建立i v l i p i t s 的实验系统，有关 实现技术对基于a g e n t 的网络软件构建有积极意义； 将组件技术用于多模式智能教学系统的建立，利用组件的可插入性。在教学系统中增加、更 新或卸载教学模式以满足不同需求。相关技术对构建一个易于维护的软件系统具有积极意 义。 1 3 论文的内容安排 论文第一章介绍研究背景、内容及意义；第二章介绍论文进行研究的相关理论、技术基础；第 三章阐述智能教学系统中的教学模式，论文对智能教学系统中的教学模式进行了定义，阐述了教学 模式与学生模型、教学资源的关系以及教学模式组件的表示与管理：第四章研究智能教学系统中多 种教学模式调度的实现，论文提出一种新型的适合学生进行知识建构的知识模型和课程结构模型， 并以此模型驱动教学规划的设计提出了“教学规划一教学模式调度一教学模式内部教学”的教学 解决模式，解决了如何为学生选择合适的教学模式进行教学的问题。即教学模式的调度问题；第五 章定义了m i p i t s 的形式化模型，提出了在复杂、动态和开放环境下，包：晤使用a g e n t 技术在内的 m i p i t s 系统的层次体系结构模型：第六章解决系统中各个部分的协同问题，特别是a g e n t 与 n o n a g e n t 之间的通信协同问题：第七章是实验系统及实验结果分析：第八章是研究工作的总结和 展望。 3 第二章相关理论、技术基础 第二章相关理论、技术基础 论文的研究涉及到智能教学系统、a g e n t 技术、软件体系结构及建构主j 迁等的相关理论和技术 卜面对所用到的理论和技术进行简要的阐述。 2 1 智能教学系统 智能教学系统是指具有某一领域知识和相应教学方法，能对学生进行个别化教学，根据学生对 知识理解掌握的程度，自动调节教学方法及教学速度，在一定程度上模拟人类教师进行教学活动的 软件系统。理想的智能教学系统能根据学生的实际情况选取教学内容、教学模式，对学生实施个别 化教学。将教学资源、教学方法、表现形式优化组合，建立一个教与学的互动环境，激发教学双方 的主动性和创造性。 2 1 1 智能教学系统的功能 智能教学系统是模仿人类教学专家的经验和方法来进行教学工作的系统。智能教学系统能够替 代教师的部分作用。一般应该具有以下五个方面的功能： 具备某一学科知识： 能够分析学生的特征； 记录学习者的学习情况； 诊断学生学习中的错误并进行补救教学； 可以自动选择不同的教学方法实现以学生为个体的个别化教学过秸l 。 2 1 2 智能教学系统的结构 智能教学系统通常包括领域知识库、教学推理机和学生模型和用户接口等四个主要部分，如图 2 一l 所示： 图2 - 1 智能教学系统的总体结构 领域知识库使智能教学系统具有某一学科知识，它相当于教师具备的专业知识。领域知 识库应该既能有效地反映学科的知识体系，又能为实现相应的教学过程提供充足的教学材 料。 4 第二章相关理论、技术基础 教学推理机教学推理机使智能教学系统能够依据课程的知识体系和学生学习的实际情况 和当前状态，为学生提供适当的教学材料、教学方法和教学表现形式，对学生实施个别化 教学。 学生模型学生模型是智能教学系统进行智能化教学的依据。它主要用来刻划学生对所学 知识的理解状况，力求反映特定类型学生所具有的知识水平。学生模型一般包括以下几个 方面的内容：学生拥有的正确知识及对这些知识的掌握程度；学生易犯的错误及对产生这 些错误原因的解释：学生学习史：学生个性特征等。 用户接口智能教学系统的用户通过用户接口与系统进行交互，它的接口包括学生接口和 教师接口，各个接口交互的功能不同。 智能教学系统通过学生模型获取学生信息，通过推理机确定教学策略和教学内容，动态的进行 教学资源组织，按照一定的教学活动方式和表现形式提供给学生学习。 2 1 3 基于w e b 的智能教学系统 随着多媒体、超媒体以及网络技术的发展，提供网络学习环境，进行远程的网络教学成了计算 机在教育应用方面的研究热点，出现了基于w e b 的智能教学系统。这样的教学系统与单机智能教学 系统有很大的不同。学生的学习是在智能学习环境中通过与智能教学环境的交互，与同伴的协作、 会话来建构实现的：学生的学习是自主的、积极的，是意义建构的主体，是学习的主人。同时由于 网络的存在能够为学习者提供大量丰富的网络学习资料，使得学生的学习在一定程度上成为一种基 丁资源的学习。基于资源的学习晟大的优势是学习者的个性化、自主性能够得以充分地发挥。 因此，基于w e b 的智能教学系统的体系结构与单机智能教学系统相比也发生了很大的变化，它 的体系结构如图2 2 所示。 日穗 芤 宝 趔 图2 - 2 基于w e b 的智能教学系统的体系结构 由图2 - 2 可以看出，基于w e b 的智能教学系统中强调了网络学习资源的重要性。它除了具有智 能教学系统的特点之外，增加了网络学习资源系统的功能和特点。 2 2a g e n t 技术 2 2 1 a g e n t 定义 a g e n t 技术在计算机领域的研究和应用源于2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学院研究人员开展的 一系列关于分布式人工智能的研究。随着a g e n t 技术应用的日趋广泛，对a g e n t 的定义存在以下几 种比较普遍定义。 a g e n t 是一个软件实体，它知道如何做事，而这种事对你来讲，如果你有时间，你也能自 己做【1 5 】： a g e n t 是一段程序，它能够从环境中获得信息，并能适应环境的变化，采取适当的行动完 圈圈圈 塑三童塑差型堡：垫查茎壁 成给定的任务【1 5 】； a g e n t 是一个具有自主性、智能性、协作性和环境适应性的计算实体。 从以上的定义可以看出，a g e n t 是一个具有全部或部分下列特征的软件实体这些特征是：自 主性、环境适应性、具有一定的知识( 具有学习能力) 、移动性、通信与协作能力【1 6 】。 2 2 2a g e n t 分类 从上面的定义可以看出：a g e n t 所应具备的特征中又以自主性、通信与协作能力和学习能力最 为重要。 a g e n t 的自主性使得它具有按照自己的意志来完成系统其它部分交给它的任务的能力； 其通信与协作能力使得它不仅具有与其它a g e n t 交互的能力，还具备与系统环境及n o n - a g e n t 部分交互的能力； a g e n t 所具备的知识使得它具有获得知识及应用知识解决问题的能力矗i ：们根据a g e n t 具备的特 征，将a g e n t 进行如下分类 1 5 】，如图2 - 3 所示： 图2 - 3a g e n t 分类示意图 2 2 3m u i t i a g e n t 系统 t m u l t i a g e n t 系统是指由多个a g e n t 组成的系统，它是为了解决单个a g e n t 不能够解决的复杂问 题，由多个a g e n t 协调合作形成的问题求解网络【9 】。 在m u l t i a g e n t 系统中，每个a g e n t 对所要完成的任务拥有不全面的信息或能力，不存在全局的 控制体系，任务的执行和计算是异步进行的。因此在m u l t i a g e n t 系统中需要各个a g e n t 相互协调 ( c o o r d i n a t i o n ) 和协作( c o o p e r a t i o n ) 。 根据多个a g e n t 之间相互协作和相互作用的方式，m u l t i - a g e n t 系统有三种组织结构：集中式、 分布式和混合式结构，如图2 - 4 所示。 集中式 - 一一、 i ooo o j 、 、一，1 。 分布式 图2 - 4m u l t i a g e n t 系统的组织结构 混台式 6 第二章相关理论、技术基础 2 2 4j a d e 开发平台简介 j a d e 3 4 是- - 个多a g e n t 系统的开发平台。如图2 - 5 所示为一个由f 1 p a 定义的a g e n t 平台的标 准模型，j a d e 与这个模型完全兼容 | | a g e n t p l a t f o r m a g e n t d i r e c t o r y a g e n tm a n a g e m e n t f a e i l i t a t o r s y s t e m l +千千 l上上上 m e s s a g et r a n s p 。r ts y s t e m i 一 图2 - 5 f i p a a g e n tp l a t f o r m 的参考结构 在j a d e 中，所有a g e n t 都接受a g e n tm a n a g e m e n ts y s t e m 的管理，所有a g e n t 之间的通信都通 过m e s s a g et r a n s p o r ts y s t e m ( m t s ) 来完成。信息传输系统为每一个在a g e n tp l a t f o r m 中活动的 a g e n t 维护一个信息缓冲队列，并负责将各个a g e n t 发出的信息依据该信息的目标“地址”送到相应 a g e n t 的信息缓冲队列中。同时想接收信息的a g e n t 要主动地接收信息，即j 生a g e n t 的各个行为中， 想接收信息的行为要编制接收信息的模板然后运行r e c e i v e ( m s g ，由于 的自主性，_ t e m p l a t e )a g e n t a g e n t 中的各个行为不断地被周期性地执行，因此，只要信息缓冲队列中有信息并符合该行为想接 收信息的m s gt e m p l a t e 模板则该行为总能接收到信息。 同时，一个a g e n t p l a t f o r m 可以跨越多个主机，在a g e n t p l a t f o r m 中可以有多个c o n t a i n e r ，每个 运行在a g e n tp l a t f o r m 中的a g e n t 部属于某个c o n t a i n e r 。这些主机可以是本地的，也可以是分布式 的。图2 - 6 描述了在一个a g e n tp l a t f o r m 中a g e n t 通过a c l ( a g e n t 通信语言) 进行通信的示意图： 图2 - 6 跨主机的同一a g e n t p l a t f o r m 内的a g e n t 2 _ n n 信示意图 2 3 软件体系结构的理论 随着软件系统的增大和复杂性的提高。设计和确定应用系统的全局结构变得越来越重要，而算 法和数据结构的选择则处在软件体系结构设计的较低层次上。软件系统结构问题主要有用一系列组 件来组织系统、全局结构控制、通讯协议、同步控制和数据访问，以及设计单元之间的功能划分和 合成、物理分布方式、系统运行状况、设计模式的选择等方面的问题【1 3 】。好的体系结构设计在软件 系统开发中成为一个越来越重要的因素，软件体系结构也成为软件工程实践和研究的一个重要领域。 软件体系结构( s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 【1 2 是对子系统、软件系统组件以及它们之间相互关系的 描述。子系统和组件一般定义在不同的视图内以显示软件系统的相关功能属性和非功能属性。系 统的软件体系结构是一件人工制品。这是软件设计活动的结果。 第二章相关理论、技术基础 2 3 1 软件体系结构模式 软件体系结构模式表示软件系统的基本结构化组织图式。它提供一套预定义的子系统，规定它 们的职责并包含用于组织它们之间关系的规则和指南。 体系结构模式可作为具体软件体系结构的模板。它们规定一个应用的系统范围的结构特性，以 及对其子系统的体系结构施加的影响。所以体系结构模式的选择是开发一个软件系统时的基本设计 决策。 目前比较常见的软件体系结构模式有以下几种： 层模式( l a y e r ) 一个分层系统中，每一层向它的上一层提供服务。同时使用它的下一层提供的 服务。层模式有助于构建这样的应用系统：它能被分解成子任务组，其中每个子任务组处于一个特 定的抽象层次上。 管道和过滤器模式( p i p e sa n df i l t e r s ) 这种模式为处理数据流的系统提供了一种结构。每个处 理步骤封装在一个过滤器中。数据通过相邻过滤器之间的管道传输。 黑扳模式( b l a c k b o a r d ) 这种模式对无确定求解策略的问题比较有用。在此模式中有几个专用 子系统用于收集其知识以建立一个可能的部分解或近似解。 代理者模式( b r o k e r ) 可以用于构建带有隔离组件的分布式软件系统。该软件通过远程服务调 _ 【 进行交互。代理者负责协调各组件之问的通信。 模型视图- 控制器模式( m v c ) 这种模式将一个交互式应用程序分为三个组件。模型包含核心 功能和数据，视图向用户显示信息，控制器处理用户的输入。视图和控制器共同构成了用户接口。 这些体系结构模式在软件系统的开发中起着越来越重要的作用。 2 3 2 组件技术 应用软件系统的设计方法经过多年的发展，从最初的面向过程的程序设计到面向对象的程序设 计t 再到面向组件的程序设计。面向对象的设计主要解决的软件复用问题。重点在于对对象的封装 和继承但实际上人们通过分析和研究发现。一般一个系统解决某个特殊领域的问题，在这样一个 系统中，除了一些极少数的通用部分如对象与对象之间的通讯部分可以进行软件复用之外，其它很 少有可以复用的。与对象技术相比，组件技术在软件系统设计中有着迥然不同的优势。面向组件技 术则侧重于组件的可插入性，随着组件的插入，软件系统的功能逐步得到完善或者是为客户提供 更多的功能，同时软件系统还可以将不再使用的组件进行卸载这样系统就可以得到升级，满足客 户新的需求，系统易于得到维护 3 8 】。组件技术将封装运用到极致，它们只通过暴露公用接口来实现， 而它的实际实现被隐藏起来，这样便使得组件具有实现语言的透明性和物理位置的透明性。而在这 一点上与面向对象的封装是完全不同的。 2 3 2 1 组件 组件是指应用系统中可以明确辨析的构成成分，它一般包括组件接口和组件实现体两部分：接 口描述对外需要的功能和对外提供的服务，实现体描述组件的具体计算功能 2 h 。组件分为通用组件 和领域组件。个组件的输入腧出之间的联系表现了组件的行为 1 0 】，组件行为之间的协调表现在 构成应用系统的组件之间的关系上。 从外部表现形式上看，组件是给用户提供的一系列服务；而服务是一种承诺或契约，即在某种 外部条件满足的情况下，组件应能保证实现该组件的某个功能或执行一系列特定的操作。同时，可 以看出，组件是动态的，它将随着外部环境条件的不同而提供相应的服务【2 2 】。组件的形式化定义 2 2 如下： c = ( ，f ) 8 第二章相关理论、技术基础 其中： 是组件c 的作用空间，= z s u e e ，r e s n e e = o ，s 为组件的输入空间，e e 为组件c 的输 出空问，e s n e e = , d 保证该组件的一次执行提供一种服务，履行一种承诺t f ：s 。e ，是组件c 的功能描述对一个特定的输入a s ，则必然有一个结果b d e e ，结果可以 是显式的或者隐式的。 组件可火可小，可以大到一个软件，也可以小到只实现一个单一功能的模块。组件功能太强或 组件太大，甚至一个组件就完成了所开发软件要完成的全部功能。则基于组件的软件开发的优点根 本无法体现出来：而组件太小，又会增加软件结构的复杂度。因此在设计组件时应根据实际情况， 可设计出在系统中不需再分的原子组件和由一组关系紧密、相互协作的组件以及它们之间的约束关 系组成的复合组件 2 1 】。 2 3 2 2 基于组件的软件开发 一个特定领域的应用系统开发可以看成一个按照领域需要开发领域组件和以组件组装为主的软 件开发过程，组件组装是将通用组件和领域组件组装成一个应用系统 2 0 l 。这些工作在一个组件管理 器的支持下完成。组件管理器的主要功能是对系统所需的组件进行管理。软件系统中所需的所有组 件。都被组织到一个组件库中，由组件管理器统一管理。这些管理包括组件注册和注销、组件组织 和储存、组件检索和定位、依据协议对应用系统进行组装、对软件系统进行升级和维护等。 基于组件的软件开发过程如图2 7 所示： 2 4 建构主义学习理论 图2 7 基于组件的软件开发示意图 2 4 1 建构主义基本理论 建构主义( c o n s t r u c t i v i s m ) 【2 3 】也译作结构主义。其最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰( j p i a g e t ) 。 他认为，儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认 知结构得到发展。儿童与环境的相互作用涉及两个基本过程：“同化”与“顺应”。同化是指把外部 环境中的有关信息吸收进来并结合到儿童已有的认知结构( 也称“图式”) 中，即个体把外界刺激所 提供的信息整台到自己原有认知结构内的过程：顺应是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法 同化新环境提供的信息时所引起的儿童认知结构发生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部 刺激的影响而发生改变的过程。可见，同化是认知结构数量的扩充( 图式扩充) ，而顺应则是认知结 构性质的改变( 幽式改变) 。认知个体( 儿童) 就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的 平衡：当儿童能用现有闰式去同化新信息时他是处于一种平衡的认知状态：而当现有图式不能同 化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造新图式( 即顺应) 的过程就是寻找新的平衡的过程。儿 9 苎三空塑叁型堡：垫查茎型 童的认知结构就是通过同化与顺应过程逐步建构起来并在“平衡一不平衡一新的平衡”的循环中 得到不断的丰富、提高和发展。 由于个体的认知发展与学习过程密切相关。因此利用建构主义可以比较好地说明人类学习过程 的认知规律。即能较好地说明学习如何发生、意义如何建构、概念如何形成，以及理想的学习环境 应包含哪些主要因素等等。因此在建构主义思想指导下可以形成一套新的比较有效的认知学习理论， 并在此基础上实现较理想的建构主义学习环境。 2 4 2 基于建构理论的学习环境 建构主义强调环境和个体的相互作用，在这种相互作用下，个体通过不断的