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专家系统与应用
自适应学习基于Web的智能教育系统
- 摘要
本文描述了一组集成的工具来构建一个智能化的基于Web的教育体系。我们的目的是创建一个根据学习者的需求粮食定制的网络学习环境。这个网络学习环境是由创作工具，评估系统，交互式语音系统和一个用于Java编程的虚拟实验室组成。所有工具使用Web服务，并且有适应性很强的的学习内容管理，制作，交付和监测特色。部分基于Web的智能教育系统内部通过多代理系统来决策。
- 简介
有几种方法被用来开发在基于Web的教育(WBE)环境下具有决策支持的工具。然而，智能软件代理是一个独特的新一代信息社会工具，它独立代替人类用户(S)或其它软件代理执行各种任务。WBE需要新且更智能的方法，工具和基于代理的系统和技术的建模和工程理论的发展。(Plekhanova，2003)。这直接涉及到对思考，理解，分析等人类因素的需求。例如，学者的知识与技能，学习与表达能力以及兼容性。原因是软件开发人员通过模型的概念化和维护来应用一个学生模型，该系统是为了获得具有教学-学习经验的学习者（卡纳莱斯，佩纳，佩雷斯，索萨，与古铁雷斯，2007）。因此，对相互关联的因素，例如人类和代理商的能力的研究构成了智能社会机构(ISA)的一个重要且关键的领域。这最终将导致更健壮，更智能，更互动，更具有学习能力和自适应性的代理。
主要的体系结构是由一个自适应的、智能的多代理系统(MAS)组成。MAS包含所有符合逻辑的决策，以提供适合每个人的特殊要求的适应性和智能教与学的经验。面向对象的智能可重用学习组件(IRLCOO),是一种特殊类型的标记材料(普雷托,雷斯,舍列梅捷夫 2005年)。IRLCOO代表了一种丰富的多媒体，高交互性和强烈的反馈意见的学习内容特色。
- 基于Web的教育系统架构
我们对基于Web的教育系统架构的开发分为四个层次：应用，代理与组件，数据库和服务层。图1展示了对应的四层及其组件。
图1 WEB系统开发架构
3.1 代理与组件层
由于WBE系统是过大的，复杂的，动态的，而且是开放式的集中管理或者通过预定的技术，我们建议唯一可行的选择是对被嵌入在多且杂的地方这种环境下的计算智能提供分布式控制(卡纳莱斯与Peredo，2009)。嵌入式智能的每个位点是作为发现，传达，或管理信息的自主代理的最好思想。由于环境的性质，代理商必须是具有长生命周期的(应该能够长时间在无人环境下执行)，自适应的(他们应该能够探索和学习他们的环境，包括彼此的)，和社会的(他们应该通过互动和协调来实现自己的目标和他们所在社会的目标；他们要依靠其他的代理来知道事情，所以他们不必知道一切)。
术语“适应”是WBE系统的一个重要方面。它已经显示出适应的应用程序在这种系统中可以提供更好的学习环境。有两种形式的WBE系统开发来支持学习者的个性化需求：
●允许学习者改变某些系统参数并且调整他们的行为，因此被称为适应性。
●在智能表单方面和自动根据系统的猜想适应学习者的需求的称为自适应。
在这项工作中，我们将集中于适应性和智能WBE系统的发展。这些系统的不断变化，需要考虑到如下几个方面：
●对于学习者当前域能力水平的适应
●对于域内容的适用性
●对于信息被呈现情形下的适应
为了弥补这些方面，我们提出开发基于IEEE 1484 LTSA(学习技术系统架构)的代理与组件层的规范(IEEE 学习技术标准委员会，2010)，如图2所示。这一层提供了一个框架来了解和应用学习内容管理系统(LCMS)的可重用性，互操作性和可移植性。IEE 1484 LTSA规范捕捉学习者与系统之间的相互作用，来提取系统中为代表的各个领域的概念和任务的能力水平信息。
图2 多智能体系统的俯视图. 采纳1484 IEEE标准LTSA
根据WBE系统的潜力和活力的标准，我们正在开发一种合适的方式来捕捉在互联网上的相互作用，并为给定的学习者提供一个连续的互动模式(学习者过程代理,图2)。在网络教育系统中，客户端和服务器之间的相互作用通常因使用超文本传输协议产生(HTTP)。HTTP是无状态的协议，这使得它很难跟踪学习进度，并分析学习者的学习-教学进程。然而，使用一个明智的混合网络技术，创建网络应用程序的框架等，我们可以更加精确浏览行为。浏览器是很重要的，因为是学习者和系统之间的接触点，因此，新架构的一部分驻留在服务器和客户端的机器上。
3.1.1 学习实体
根据图2，学习者代理可以通过提供有关学习者的信息，使系统行为自适应。学习者代理过程中，学习者在各种任务中的能力水平表示系统中的颗粒信息。学习者代理被系统用来：
●支持自适应导航指导-基于优先级继承和学习者的需求
●支持基于以前学习组件的上下文
●支持动态信息和反馈，例如，导航，学习内容，当前的
背景和进展。
学习者代理为学习者提供了智能形式的适应，并自动建立在虚拟主教练的基础上。虚拟教练代理接收学生代理的信息和学习者的记录（数据库），以决定顺序，活动,实例等，通过查询和目录信息，适当的学习资源（数据库）。
3.1.2 多代理系统
移动代理服务器(MAS)是用来描述由多重相互作用组成的系统的智能代理。MAS强相互作用于行为范围。面向代理编程（AOP）是一个新的软件模式，其概念从理论的人工智能（AI）变成域的分布式系统。Java代理开发(JADE)框架,可能是最普遍的AOP中间件。JADE是完全用Java与他固有的优势写的。该框架促进了一个运行时环境(RTE)的基于代理的应用程序的发展，通过代理，核心逻辑和图形化工具维持生命周期。JADE允许在代理理论上通过最小的基础知识建设MAS(Java代理开发框架，2010)。相对于其他建议，现已为开发MAS修改了一些基于Web的架构，因为在第一个版本的JADE框架是非常不稳定的，导致MAS使用它后会崩溃(卡纳莱斯 等,2007年;帕累托 等，2005年)。在最后一个版本中，通过一个网关的方式得到了纠正，使系统在网络上更加稳定。图3显示了我们的MAS，基调是jade.wrapper.gateway包，其中包含两类：玉网关与网关代理。玉网关是仅包含静态方法的单类，而网关代理是所有子类的父类。其思想是通过学习者代理，从客户端对服务器端的主教练/虚拟教练代理发送信息。黑板是由控制过滤器创建并像一个通信信道一样使用的对象，其中，网关代理具有调度作用。客户端使得一个事件产生一个消息，随后跳转到控制过滤器的调度程序，在那里它将被处理和调用，该动作将创建一个类似网关代理和控制过滤器调度之间的通信信道一样的黑板功能对象。网关代理在取得对象之前创建并提取信息，所以，后来教练代理响应网关代理，后来包的响应通过黑板控制过滤器调度，同时这样的方式也用来响应客户端。此外注意IRLCOO在整个学习过程中注册学生指标和正在注册数据库学习者
图3 MAS架构实现JADE 3.6和IRLCOO组件
记录也是非常重要的。该数据库为更好的抉择材料的类型/水平提供了重要的信息。MAS实施教育材料的动态重新配置来调整他们符合学习者的需求。
3.2 应用程序部署的组合单元
IRLCOO是使用Flash开发的(ActionScript3.0与Flex3.0)。ActionScript3.0是真正的面向对象编程语言，换而言之，通过可重复使用的设计模式来解决Flash和Flex应用程序中的常见问题是可能实现的。其中一个主要的变化就是显示架构(定义视觉项目及其在ActionScript3.0层次结构关系的术语)。在以前的版本的事件处理是非常困难且复杂的，因为它的使用方式将导致冲突。ActionScript v3.0是具有完全基于文档对象模型（DOM）第3级事件规范的一个新的事件处理模型，不存在过多的一致性问题（万维网联盟，2009年）。使用ActionScript 3.0的IRCLOO有新的方法加载外部资源。创建用于特定资源加载的一个请求对象必须要用URLRequest类。为了初始化一个资源加载，Loader类必须实例化，它是用来加载外部资源，并通过URLRequest加载其方法。Loader类有一个名为contentLoaderInfo属性，这是一个LoaderInfo对象。然后一个事件侦听器添加到contentLoaderInfo属性时，该资产已加载完成。一旦将资资源被加载，该资源被认为是一个Display对象并可以作为孩子添加到当前的Display对象中。XML对象得到了增强，目前在ActionScript3.0，然后用于XML的ECMAScript（E4X）规范已实施（欧洲佩尼亚计算机制造商协会，2005年）。IRLCOO允许在运行时加载的多媒体内容，所述组件装载多媒体资源，并为学习者的需求提供一个可编程的和自适应环境。我们的目标是，以分离内容和导航为思想，为WBE系统创建一个IRLCOO框架。
3.3 软件模式
基于模式的设计采用了一组模式来解决复发的问题，使修改程序变得更容易和便于维护。模式用某种策略封装知识，以解决在特定上下文中频繁出现的问题。该模式在域内部的问题和解决方案之间建立关系。系统开发可使用三种基本模式：模型视图控制器(MVC)，组合模式和观察者模式。
3.3.1 模型视图控制器模式与IRLCOO
MVC模式无职责重叠的分离三层元素，使用MVC模式的优点是低耦合。它可以将多个视图绑定到同一个模型，以及在不影响其他元素的情况下交换模型和控制器。MVC是一个复合模式，在MVC中采用嵌入式，在实例中，我们使用2种基本模式：观察者和组合。当模型要通知所有相关的视图发生了某个变化时，也需要在不知道有关视图的具体细节的情形下这样做。这种复发性问题是通过使用观察者模式得以解决的。另一种被使用的设计模式是组合模式，用来构建被下一层覆盖的复合组件IRLCOO。图4显示了用Struts2 实现MVC架构(Apache Struts,2009年)。新IRLCOO使用HTML、XML和Web服务。
3.3.2 IRLCOO的组合模式
IRLCOO通过组合模式构建，并提供了一个通用的接口处理复合的和不可分割的组件。常见的复合和不可分割的IRLCOO接口是Container_IRLCOO类。该类被定义为抽象类，然而ActionScript v3.0不支持抽象类。因此，我们会自主定义抽象类作为具体类，使得他们不会被实例化，但会由子类进行扩展。抽象方法将被定义为一个方法声明，如果被调
图4 MVC,Struts 2, IRLCOO组件实现组合与观察者模式
用将抛出一个错误。 Container_IRLCOO类的定义默认实现Composite_IRLCOO和IRLCOO组件，并覆盖必要的方法。该方法允许客户端建立复合系统。基类的方法是不相关的不可分割的IRLCOO组件，尽管如此，仍需要重写和实现。Container_IRLCOO的组成：复合且不可分割的IRLCOO。该类提供了iterator()方法的递归实现。图5显示了基于IRLCOO复合模式的类图。
图5 基于IRLCOO的组合模式类图
通过这种架构，可能生成小且可重复使用，并在运行时能集成在在更大的组件内的专用组件，从而为满足学习者的需求来获取专门的IRLCOO。说IRLCOO基于组合模式，是因为它可能通过几个小的组件建立复杂的系统。它允许客户端通过一个公共接口用相同的方法处理单独组件和复合组件。
3.3.3 观察者模式嵌入MVC
观察者模式是一个基点，它将信息传送到订阅实例；中央数据源确保每一个实例都得到相同的信息。当IRLCOO被订阅，服务就开始，并一直持续到取消订阅。使用Web服务发送状态，建立基于WBE的中间件来在单源接收信息，然后发送中间件资源中的这些信息，到控制过滤器器调度和模型动作。
3.4 富互联网应用
在大媒体中，术语“富互联网应用(RIA)”用来描述一种新型的，提供连接到互联网/网络这一益处的应用;包括访问Web服务，但从20世纪90年代中期以来，就需要解决一些基于Web的应用程序中固有的问题。使用Flash Player负责图形丰富的应用程序的交付(大媒体，2002)。在RIA的三个主要特点：多媒体处理与交互，异步双向通信，以及集成的多媒体播放器。Adobe Flash Professional作为一个多媒体制作程序，是一个集成开发环境（IDE）。而Flash播放器（FP）本身是一个用来在异构系统中运行Flash文件的虚拟机（VM），同样的生成代码能在任意客户端上运作，无论Web浏览器运行在哪种操作系统(OS)上。2002年，Flash MX的解放被标记为一种新的方法来建立RIA，并且首次使用OOP范式。但Flash本意是为图形艺术家设计的，并且其使用时间线的理念会让许多开发人员感到奇怪。Flex是用于开发和部署运行在FP上的软件应用平台。Flex是一种新型技术，容易快速产生丰富的经验。这是一个用来创
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