摘 要： 針對(duì)虛擬教師問題進(jìn)行了研究,，介紹了虛擬教師的起源與發(fā)展，給出了虛擬教師的概念界定,，探討了現(xiàn)有的一些虛擬教師系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù),，最后指出了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足以及今后的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬教師的框架結(jié)構(gòu),。
關(guān)鍵詞： 虛擬教師,；CAI；智能代理,；虛擬現(xiàn)實(shí),；虛擬人
基于網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)給學(xué)習(xí)者提供了寬松、自由和開放的學(xué)習(xí)環(huán)境,，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的需要選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容,、學(xué)習(xí)時(shí)間,、學(xué)習(xí)地點(diǎn)、學(xué)習(xí)方式甚至指導(dǎo)教師,。然而,，這種時(shí)空分離的教與學(xué)導(dǎo)致了教學(xué)中教師和學(xué)生之間缺少互動(dòng)，缺乏情感的交流,，學(xué)生大部分時(shí)間處于一種無人監(jiān)控的自由學(xué)習(xí)狀態(tài),，容易產(chǎn)生孤獨(dú)感，不易對(duì)學(xué)習(xí)保持長(zhǎng)久熱情,，教學(xué)效果差,。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為人們提供了一種全新的學(xué)習(xí)方式,，它的沉浸性,、交互性、構(gòu)想性[1]的特點(diǎn)突出了認(rèn)知和感知的并用,，彌補(bǔ)了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的種種缺陷,。探求虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更合理地應(yīng)用于教育教學(xué)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建更和諧的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境已成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,。伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,，虛擬人技術(shù)的研究也在不斷深入，如何將虛擬人技術(shù)應(yīng)用于三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中,，構(gòu)建和應(yīng)用三維虛擬教師,，使網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)在虛擬教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，進(jìn)一步增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng),，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。本文針對(duì)虛擬教師問題進(jìn)行了研究,，從虛擬教師的起源與發(fā)展歷程出發(fā),，給出了虛擬教師的概念界定，介紹了現(xiàn)有一些虛擬教師系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù),，指出了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足以及今后的發(fā)展趨勢(shì),，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬教師的框架結(jié)構(gòu)。
1 虛擬教師的起源與發(fā)展
多數(shù)情況下,，虛擬教師是作為教師的引申出現(xiàn)的,，不同階段對(duì)虛擬教師的研究，冠以了不同的名稱,，體現(xiàn)了各階段的特色,。虛擬教師概念的形成與發(fā)展起源于20世紀(jì)50、60年代的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI),，自1958年IBM公司奧斯頓研究中心開發(fā)世界上第一個(gè)計(jì)算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)以來,，至今已有50多年的歷史,。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)來模擬教師的行為，通過學(xué)生與計(jì)算機(jī)間的交互活動(dòng)來達(dá)到教學(xué)的目的,。因此,，從CAI誕生起，研究者們?cè)趯?duì)如何利用計(jì)算機(jī)來幫助教師開展教學(xué)活動(dòng),、指導(dǎo)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)進(jìn)行研究的同時(shí),，對(duì)CAI系統(tǒng)的相關(guān)部分——虛擬教師的研究也在不斷深入，內(nèi)涵也在不斷變化和發(fā)展,。早期的CAI系統(tǒng)主要采用程序教學(xué)，把教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略等結(jié)合在一起編制順序執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序,，其運(yùn)行的具體過程事先已確定,，不能根據(jù)實(shí)際的學(xué)習(xí)需要調(diào)整教學(xué)策略，靈活性差[2],。這個(gè)階段虛擬教師的概念還沒有形成,，但已經(jīng)有了雛形，就是如何利用計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,。到了20世紀(jì)60年代,，CAI引入了分支程序的概念，學(xué)生在一定程度上可以決定學(xué)習(xí)的路徑,，根據(jù)自己的特點(diǎn)選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容,，這時(shí)虛擬教師的內(nèi)涵增加了互動(dòng)性。20世紀(jì)70年代,，人工智能技術(shù)被引入到傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng),，出現(xiàn)了智能CAI系統(tǒng)(即ICAI系統(tǒng))繼而出現(xiàn)了智能導(dǎo)師系統(tǒng)(ITS)。通過智能導(dǎo)師可以為學(xué)生提供一定程度的學(xué)習(xí)指導(dǎo),、幫助和反饋,，其目的是使學(xué)生達(dá)到個(gè)別的、自適應(yīng)學(xué)習(xí),，它注重后臺(tái)功能的研究開發(fā),，在交互界面上并未出現(xiàn)形象化的教師，這時(shí)虛擬教師的內(nèi)涵增加了智能性,。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,，隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能導(dǎo)師系統(tǒng)不僅在一定程度上具有了人類導(dǎo)師的作用,，而且能夠彌補(bǔ)真實(shí)教師的一些不足,，如長(zhǎng)時(shí)間為學(xué)生提供指導(dǎo)而不會(huì)疲倦，學(xué)習(xí)者可以自主地安排學(xué)習(xí)時(shí)間,、學(xué)習(xí)內(nèi)容,、學(xué)習(xí)方式等,。這時(shí)，美國(guó)的馬里蘭大學(xué)的一個(gè)課題組提出了虛擬教師的概念,，即“一個(gè)基于多媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境,，通過該系統(tǒng)可以使傳輸過程完善、同步運(yùn)行并能交相互動(dòng)的多媒體教學(xué)內(nèi)容”[3],，而參考文獻(xiàn)[4]對(duì)虛擬教師的界定是：虛擬教師是一種設(shè)備或技術(shù),，它是學(xué)習(xí)環(huán)境的一部分，作為學(xué)習(xí)環(huán)境的補(bǔ)充,，有助于學(xué)習(xí)者操作技能的獲得,。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬人技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，虛擬教師的內(nèi)涵又得到了進(jìn)一步的發(fā)展,，構(gòu)建形象逼真、表情豐富,、動(dòng)作生動(dòng),、行為真實(shí)的三維虛擬教師成為研究的重點(diǎn)，這時(shí)的虛擬教師才是名副其實(shí)的虛擬教師,。虛擬教師被逐漸定義為：計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中,，能夠模擬真實(shí)教師的形象及動(dòng)作表情、模擬真實(shí)教師的教學(xué)功能的技術(shù)實(shí)體,。表情豐富,、動(dòng)作生動(dòng)、行為逼真的虛擬教師可以極大地增強(qiáng)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的效果,。
2 虛擬教師的研究現(xiàn)狀
目前虛擬教師系統(tǒng)很多,，大部分都具有虛擬教師形象，下面重點(diǎn)介紹一些有特點(diǎn)的系統(tǒng),。
2.1 虛擬教師系統(tǒng)
2.1.1 具有智能性的虛擬教師系統(tǒng)
由美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)(USC)JOHNSON W L和SHAW E提出的教學(xué)代理Adele[5]是虛擬教師的一項(xiàng)成功應(yīng)用,，Adele結(jié)構(gòu)中最主要的部分是代理人和推理引擎，它具有基本的教育功能：表達(dá)知識(shí),、監(jiān)控學(xué)生,、提供反饋、探究問題,、提示和解答,，這些功能是通過一個(gè)能夠支持與學(xué)生進(jìn)行連續(xù)的、多種模式的智能代理來完成的,。目前,，已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育課件，教授外傷和腫瘤醫(yī)療課程,。
由美國(guó)南加州大學(xué)信息科學(xué)院計(jì)算機(jī)部開發(fā)的Steve[6]的教學(xué)代理用來支持學(xué)習(xí)過程,，Steve的體系結(jié)構(gòu)包括感知,、認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)控制三大模塊,。感知模塊監(jiān)視虛擬世界的狀態(tài),，維護(hù)一致性，并將相關(guān)信息提供給認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制模塊,；認(rèn)知模塊解釋感知輸入,，選擇合適的目標(biāo)，構(gòu)建執(zhí)行計(jì)劃以達(dá)到那些目標(biāo),，并發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,；運(yùn)動(dòng)控制模塊執(zhí)行那些運(yùn)動(dòng)指令，控制Steve的聲音,、運(yùn)動(dòng),、眼神和手勢(shì)。該系統(tǒng)提供了一個(gè)三維虛擬的實(shí)驗(yàn)室,，Steve能夠演示技能操作、回答學(xué)生的問題,、觀看學(xué)生完成任務(wù)的過程,，并且在學(xué)生遇到困難時(shí)給出建議，同時(shí)還具有逼真的人體形象和行為動(dòng)作,。
AvaTalk[7]是一個(gè)用于交互技能訓(xùn)練的智能虛擬教師系統(tǒng),，使用代理技術(shù)設(shè)計(jì)了1個(gè)具有知識(shí)和情感表達(dá)的替身，它由3部分組成：語(yǔ)言處理器,、行為引擎和虛擬人可視化引擎,。語(yǔ)言處理器接收語(yǔ)音的輸入并將它映射為基本的語(yǔ)義表示，由語(yǔ)音生成器與語(yǔ)義表示匹配,，以語(yǔ)音形式輸出,，并配合面部表情、手勢(shì),，通過可視化引擎進(jìn)行顯示,。行為引擎與語(yǔ)言處理器相匹配，模擬虛擬教師的行為,，如改變面部表情,、形成語(yǔ)音對(duì)話等。
Jacob[8]項(xiàng)目重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)3個(gè)問題：即建立了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),，集成了自然語(yǔ)言和其他交互形式,，使用了代理技術(shù)。Jacob項(xiàng)目集成了多種學(xué)科技術(shù),，包括智能導(dǎo)師系統(tǒng),、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),、智能代理技術(shù)、自然語(yǔ)言處理技術(shù),、代理可視化,、動(dòng)畫技術(shù)等，在人體運(yùn)動(dòng)方面遵守H-Anim標(biāo)準(zhǔn),。
Whizlow[9]項(xiàng)目是北卡州立大學(xué)開發(fā)的3個(gè)動(dòng)畫教學(xué)代理之一,，Whizlow包括了一個(gè)三維的虛擬環(huán)境和一個(gè)動(dòng)作逼真的代理，它提供關(guān)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)指導(dǎo),，這個(gè)虛擬環(huán)境提供了如CPU,、總線等概念的三維顯示效果。學(xué)生指定一個(gè)程序,，代理會(huì)解釋這個(gè)程序是如何被執(zhí)行的,。
2.1.2 具有三維逼真形象的虛擬教師系統(tǒng)
除了上面介紹的虛擬教師系統(tǒng)都具有三維教師形象外，在佛州大學(xué)學(xué)習(xí)創(chuàng)新技術(shù)研究中心RITL的貝勒教授正在開展對(duì)虛擬教師的研究[10],。貝勒教授致力于研究虛擬教師的年齡,、性別、種族等外在特征對(duì)學(xué)生動(dòng)機(jī)和信仰的影響,，并且對(duì)虛擬教師的面部表情,、手勢(shì)等非語(yǔ)言交流進(jìn)行了研究，使這些虛擬教師既讓人感到逼真,、真切,，又有超強(qiáng)的說服力。
新西蘭梅西大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)虛擬教師Dubbed Eve,，她是一個(gè)與人相似的三維動(dòng)畫教師,，是“智能和情緒感知系統(tǒng)”概念的具體實(shí)踐。Eve目前被設(shè)計(jì)用來以一對(duì)一方式教8歲大小孩子的數(shù)學(xué),。她能提問,、反饋、討論,、給出答案,，并能表現(xiàn)相應(yīng)的情感，也能根據(jù)遠(yuǎn)程學(xué)生的情緒狀態(tài)做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng),。
Jack[11]是賓西法尼亞大學(xué)人體建模和仿真中心開發(fā)的一個(gè)在三維環(huán)境中控制和模擬逼真人物的軟件系統(tǒng),，它提供了碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)物體的抓取,、實(shí)時(shí)可視化的功能,。這個(gè)軟件系統(tǒng)的商業(yè)版本提供了在三維環(huán)境中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品測(cè)試。另外，基于這個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的SodaJack,，提供了一個(gè)動(dòng)畫代理,，可以搜尋和操縱物體。
2.1.3 具有語(yǔ)音對(duì)話的虛擬教師系統(tǒng)
除了上面介紹的Steve和AvaTalk具有語(yǔ)音交互功能外,，由科羅拉多大學(xué)波爾得分校的Ron Cole領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一個(gè)只有頭部的三維輔導(dǎo)教師Baldi,，是用來開發(fā)聽力有障礙兒童的會(huì)話技能的，通過語(yǔ)音識(shí)別和其他新技術(shù),，向?qū)W生顯示怎樣理解和產(chǎn)生口頭語(yǔ)言,。Baldi在產(chǎn)生精確的面部運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的語(yǔ)音,，聲音可以是已經(jīng)記錄好的真實(shí)人的聲音,，也可以是計(jì)算機(jī)生成的聲音。
國(guó)內(nèi)推出的智能虛擬英語(yǔ)老師Lucy,，學(xué)習(xí)者可利用此軟件與虛擬人物L(fēng)ucy對(duì)話,、聊天，幫助克服英語(yǔ)學(xué)習(xí)者普遍存在的難以啟齒,、大膽說英語(yǔ)的障礙,，創(chuàng)造了人機(jī)智能互動(dòng)說英語(yǔ)的環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)智能引導(dǎo)互動(dòng)模仿練習(xí),，提供實(shí)時(shí),、引導(dǎo)式、自由式對(duì)話,，采用真人唇形、發(fā)音比照模擬圖形,，從而使發(fā)音更加準(zhǔn)確,，同時(shí)還可以糾正發(fā)音。
目前,，虛擬教師系統(tǒng)還有很多,。表1對(duì)一些典型的虛擬教師系統(tǒng)進(jìn)行了比較。通過研究發(fā)現(xiàn),，目前虛擬教師的研究重點(diǎn)是構(gòu)建一個(gè)高逼真度的虛擬教師人物形象,，除了具有接近真實(shí)人物的外在表現(xiàn)外，還要具有真實(shí)的動(dòng)作行為,，并且具有一定的智能性,，但目前已有的研究還沒有涉及到利用體態(tài)語(yǔ)(肢體語(yǔ)言)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)交互的問題。
2.2 虛擬教師研究中的關(guān)鍵技術(shù)
虛擬教師的概念經(jīng)過不斷演變,，其內(nèi)涵越來越豐富,，涉及的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也變得更加復(fù)雜。當(dāng)前，虛擬教師研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)包含以下幾個(gè)方面,。
2.2.1 智能代理技術(shù)
Adele,、Steve、AvaTalk,、Jacob,、WhizLow等系統(tǒng)均采用了智能代理技術(shù)。智能代理是分布式人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,，代理(Agent)是指能在某一環(huán)境中運(yùn)行,，能響應(yīng)環(huán)境的變化，靈活,、自主地采取行動(dòng)以滿足其設(shè)計(jì)目標(biāo)的計(jì)算實(shí)體,。其本質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件程序，它運(yùn)行于動(dòng)態(tài)環(huán)境中并具有較高的自治能力,，能夠接受其他實(shí)體(如用戶,、智能體、系統(tǒng)或機(jī)器等)的委托并為其提供幫助和服務(wù),，同時(shí),，能夠在該目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)采取包括社交、學(xué)習(xí)等手段在內(nèi)的各種必要的行動(dòng)以感知,、適應(yīng)并作用于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境,。智能代理以其具有良好的自治性、自主性,、智能性,、反應(yīng)性和社會(huì)性等特點(diǎn)，成為描述實(shí)體行為模型的通用技術(shù)框架,。智能代理技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中可以發(fā)揮5個(gè)方面的作用：動(dòng)態(tài)跟蹤過程實(shí)時(shí)監(jiān)控,、教與學(xué)的行為分析、信息的檢索與過濾,、協(xié)同學(xué)習(xí)和智能推理建議,。這5個(gè)方面的作用，使得網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)可以利用智能代理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)行為和教師的輔導(dǎo)行為的監(jiān)督,，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,、進(jìn)度和效果給出具體的指導(dǎo)，為教師進(jìn)行輔導(dǎo)提供智力支持,。
2.2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
在Adele,、Steve、Jacob,、Whizlow,、RITL、Jack等系統(tǒng)中，都構(gòu)建了一個(gè)三維的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,，并在此環(huán)境中設(shè)計(jì)了一個(gè)形象逼真,、動(dòng)作生動(dòng)、表情豐富的虛擬教師形象,。其中采用的就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬人技術(shù),。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)也稱靈境技術(shù)，是指利用三維圖形生成技術(shù),、多傳感交互技術(shù),、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù),、人機(jī)接口技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)等高新技術(shù),，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境直接進(jìn)行自然交互和溝通的技術(shù),。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境,，可以是某一現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)實(shí)現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想成的世界,，人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以獲得與在自然環(huán)境中相同的感受,，真實(shí)體驗(yàn)視覺、聽覺,、觸覺及智能感知的直觀,、自然的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的沉浸性,、交互性,、構(gòu)想性的特點(diǎn)突出了形象思維和邏輯思維的結(jié)合，認(rèn)知和感知的并用,，使其應(yīng)用于教育可以彌補(bǔ)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教育缺乏體態(tài)語(yǔ)交互和親身體驗(yàn)等缺陷[12],。
2.2.3 虛擬人技術(shù)
虛擬人(Virtual Human)是人在計(jì)算機(jī)生成空間(三維虛擬環(huán)境)中的幾何特性與行為特性的表示，是多功能感知與情感計(jì)算的研究?jī)?nèi)容,。基于虛擬人技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬教師有以下幾個(gè)特點(diǎn)：有自身的幾何模型,；可以與周圍的環(huán)境交互,，感知并影響周圍環(huán)境；虛擬教師的行為可以由計(jì)算機(jī)程序控制,，稱為智能體(Agent)；虛擬教師的行為也可以由真實(shí)人控制，稱為真實(shí)人的化身(Avatar),；虛擬教師與虛擬學(xué)生之間可以通過自然的方式,，如自然語(yǔ)言、體態(tài)語(yǔ)等進(jìn)行交流。因此,，在設(shè)計(jì)高逼真性的虛擬教師時(shí),，要涉及到虛擬人的人體建模技術(shù)、運(yùn)動(dòng)生成與控制技術(shù),、手勢(shì)識(shí)別技術(shù),、人體姿態(tài)識(shí)別技術(shù)、面部表情識(shí)別和生成技術(shù)等,。
2.2.4 自然語(yǔ)言處理與語(yǔ)音合成技術(shù)
自然語(yǔ)言處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域與人工智能領(lǐng)域中的一個(gè)重要方向,，它研究實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間通過自然語(yǔ)言進(jìn)行有效通信的各種理論和方法。實(shí)現(xiàn)人機(jī)間自然語(yǔ)言通信意味著要使計(jì)算機(jī)既能理解自然語(yǔ)言文本的意義,，也能以自然語(yǔ)言文本或語(yǔ)音形式來表達(dá)給定的意圖,、思想等。因此,，在大多數(shù)虛擬教師系統(tǒng)中都會(huì)用到自然語(yǔ)言處理技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù),。
語(yǔ)音合成就是將文本轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音輸出的過程，這個(gè)過程的工作主要是將輸入的文本按字或詞分解為音素,，以及將音素生成數(shù)字音頻,，然后用揚(yáng)聲器播放出來或者成為聲音文件以后用多媒體軟件播放。Balli,、AvaTalk,、Lucy即采用了自然語(yǔ)言處理技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)。
3 虛擬教師系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
3.1 現(xiàn)有虛擬教師系統(tǒng)的不足
分析目前已有的虛擬教師系統(tǒng),，并沒有發(fā)現(xiàn)從形象到行為具有與真實(shí)教師一樣的虛擬教師系統(tǒng),，其不足體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
(1)缺乏逼真的人體幾何表達(dá)。虛擬人技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟,，還沒有一個(gè)虛擬教師具有真實(shí)的人體幾何外形,。
(2)缺乏真實(shí)的人體運(yùn)動(dòng)控制。在已有的虛擬教師系統(tǒng)中,，或者只具有頭部形象,、或者雖然有整個(gè)人體，但都是靜態(tài)的姿勢(shì),，沒有進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)的控制,，更缺乏體態(tài)語(yǔ)交流。
(3)缺乏人體運(yùn)動(dòng)行為和內(nèi)在認(rèn)知表達(dá)的統(tǒng)一,。在已有的虛擬教師系統(tǒng)中,，大部分是從教師的功能角度去考慮，沒有將虛擬教師的功能與外在行為表現(xiàn)結(jié)合在一起去考慮,。
(4)缺乏豐富的情感表達(dá),。在已有的虛擬教師系統(tǒng)中,，還沒有一個(gè)系統(tǒng)研究了人工情感問題，以方便師生之間的情感交流,。
3.2 虛擬教師系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)
可以預(yù)測(cè),，賦予虛擬教師更多樣的表情、更生動(dòng)的動(dòng)作,、更逼真的行為和更豐富的情感將是今后虛擬教師研究中的熱點(diǎn),，涉及到的研究?jī)?nèi)容大致可以分為虛擬教師的幾何表達(dá)、運(yùn)動(dòng)生成及控制,、行為表達(dá),、認(rèn)知表達(dá)、情感表達(dá)5個(gè)主要方面,。其中幾何表達(dá),、運(yùn)動(dòng)生成及控制主要從虛擬教師幾何和運(yùn)動(dòng)行為特性逼真性的角度進(jìn)行研究，行為表達(dá),、認(rèn)知表達(dá)主要從虛擬教師智能化角度進(jìn)行研究,，情感表達(dá)是從虛擬教師的情感擬人性的角度進(jìn)行研究。
3.2.1 幾何表達(dá)技術(shù)
形象親切,、動(dòng)作逼真的虛擬教師會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生親切感,，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)會(huì)產(chǎn)生很大作用，因此虛擬教師的幾何模型的構(gòu)建非常重要,。虛擬人的幾何模型表示主要有：棒模型,、表面模型、體模型,、分層模型等方法,。虛擬教師的人體幾何模型可以采用層次模型，即由骨骼層,、肌肉層,、皮膚層組成。皮膚位于最外面,，骨骼位于最底層,，肌肉填充于前兩者之間，在底層骨骼的驅(qū)動(dòng)下,，帶動(dòng)肌肉的收縮或擴(kuò)張,，從而引起虛擬教師面部表情和身體細(xì)節(jié)的變化。目前,，骨骼層有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：VRML的H-Anim和MPEG-4[13]。其中,，H-Anim是以人體重心為根節(jié)點(diǎn),、以關(guān)節(jié)為子節(jié)點(diǎn),、以骨骼為連線的樹形；MPEG-4提供對(duì)Body對(duì)象的支持,，1個(gè)Body對(duì)象主要包括兩類參數(shù)：人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和人體模型定義參數(shù),，骨架是構(gòu)建逼真的虛擬教師幾何模型的基礎(chǔ)，肌肉層是影響虛擬教師表面形態(tài)重要的因素,。采用基于隱式曲面的幾何造型技術(shù),，可以很好地表現(xiàn)虛擬教師面部表情和身體的變化。皮膚層由平面或曲面片組成的表面模擬皮膚的幾何外形,，能夠平滑細(xì)膩地虛擬教師形象化,。
3.2.2 運(yùn)動(dòng)生成及控制技術(shù)
虛擬教師幾何模型建好之后，得到的是虛擬教師的靜態(tài)表示,，如何驅(qū)動(dòng)靜態(tài)的虛擬教師人體模型,，得到逼真的動(dòng)作，這是虛擬教師運(yùn)動(dòng)生成和控制技術(shù)的關(guān)鍵,。目前,，對(duì)虛擬人運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)有：參數(shù)化關(guān)鍵幀技術(shù)、過程動(dòng)畫技術(shù),、運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù),、動(dòng)力學(xué)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)等,。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下,，教師的教學(xué)行為和情感表達(dá)可以通過一些動(dòng)作來反映，主要有：站姿,、坐姿,、手勢(shì)、頭部姿勢(shì),、行走等,。這些動(dòng)作通過使用專門的傳感器以三維的形式記錄真實(shí)教師的運(yùn)動(dòng)信息，然后利用所記錄下來的數(shù)據(jù)來重新構(gòu)建虛擬教師的動(dòng)作模型,，從而生成運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫,。通過這種方法能夠捕捉到真實(shí)教師運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，因而效果非常逼真,。由于虛擬教師在體型高度等方面存在著不同,，因此，需要引入運(yùn)動(dòng)重定向技術(shù)進(jìn)行動(dòng)作的匹配計(jì)算,。
3.2.3 行為和認(rèn)知表達(dá)技術(shù)
行為和認(rèn)知建模是探索一種能夠盡可能貼近真實(shí)實(shí)體對(duì)象行為的模型,，使構(gòu)造實(shí)體對(duì)象的人能夠按照這種模型方便地構(gòu)造出一個(gè)行為上真實(shí)的虛擬實(shí)體對(duì)象[14]。智能代理以其特有的性質(zhì)成為描述實(shí)體行為模型的通用技術(shù)框架,，代理分為反應(yīng)型和認(rèn)知型,。反應(yīng)型不對(duì)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行推理,，僅對(duì)環(huán)境變化和其他代理的消息做出反應(yīng)；認(rèn)知型代理基于符號(hào)表示和推理來采取動(dòng)作和完成任務(wù),，具有較高的智能,，但不能對(duì)環(huán)境變化做出快速反應(yīng)。對(duì)虛擬教師行為和認(rèn)知建模,，不僅要實(shí)現(xiàn)信念,、愿望等精神狀態(tài)以及判斷、推理等思維過程,，而且要實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行快速反應(yīng)的行為動(dòng)作,，因此，采用混合型代理對(duì)虛擬教師行為和認(rèn)知建模,。該模型可以分為2層：反應(yīng)層和規(guī)劃層,。反應(yīng)層不做任何推理，直接由感知信息映射到動(dòng)作行為,；規(guī)劃層進(jìn)行推理工作,，將感受到的信息進(jìn)行分析，按照一定的策略進(jìn)行行為規(guī)劃,，轉(zhuǎn)換成一系列的動(dòng)作行為,。當(dāng)代理接收到外界信息后，若信息屬于響應(yīng)型,，直接做出響應(yīng),，否則由規(guī)劃層進(jìn)行規(guī)劃并處理。
在三維虛擬教學(xué)環(huán)境下,，虛擬教師的行為包括兩大類：一類是自治性的行為,，即虛擬教師應(yīng)能夠感知周圍環(huán)境的變化，包括對(duì)虛擬環(huán)境中實(shí)體的增刪,、碰撞檢測(cè)以及對(duì)學(xué)生是否在線的感知,。另一類是交互性行為，包括兩類：一類是虛擬教師與虛擬環(huán)境下的虛擬實(shí)體的交互行為,，如拿書,、握筆等，這屬于低級(jí)行為,；另一類是虛擬教師與學(xué)生之間的教學(xué)交互,，包括高級(jí)智能行為和低級(jí)行為，最終要以言語(yǔ),、手勢(shì),、站姿、面部表情等形式表現(xiàn)出來,。
通過分析現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式,，可以將教學(xué)中常見的教學(xué)活動(dòng)劃分為兩大類：低級(jí)教學(xué)活動(dòng)和高級(jí)教學(xué)活動(dòng),。其中，呈現(xiàn)教學(xué)材料,、提問、答疑,、提示,、講解、練習(xí),、討論,、總結(jié)、復(fù)習(xí),、測(cè)試等屬于低級(jí)活動(dòng),，可以直接映射為一系列的固定動(dòng)作，由反應(yīng)層直接做出響應(yīng),；確定教學(xué)目標(biāo),、教學(xué)策略選擇、教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)等屬于高級(jí)智能活動(dòng),，要由規(guī)劃層進(jìn)行推理,，制定相應(yīng)的行為規(guī)劃。
3.2.4 情感表達(dá)技術(shù)
在虛擬教學(xué)環(huán)境中,，虛擬教師的面部表情攜帶著教師的一種教學(xué)情感(鼓勵(lì),、平靜、贊許,、批評(píng),、驚奇等)，它作為虛擬教學(xué)活動(dòng)的一種重要輔助手段支持教學(xué)活動(dòng)的展開和知識(shí)的傳遞,。目前,，常用的表情識(shí)別方法有：基于幾何特征的識(shí)別方法、基于代數(shù)特征的識(shí)別方法,、基于連接機(jī)制的識(shí)別方法,、頻率域特征識(shí)別、基于隱馬爾科夫模型的識(shí)別方法以及基于運(yùn)動(dòng)特征的識(shí)別方法等[15],。在表情控制方面,，采用基于MPEG-4的人臉動(dòng)畫參數(shù)，即用于描述特定臉型的人臉定義參數(shù)(FDP)和描述臉部活動(dòng)的人臉動(dòng)畫參數(shù)(FAP),。首先對(duì)教師教學(xué)活動(dòng)典型表情特征進(jìn)行分析,，提取教學(xué)情感特征參數(shù)TEP(Teaching Emotion Parameter)，然后根據(jù)虛擬教師的情感控制模塊將TEP映射到FDP和FAP,。另外,，建立適應(yīng)于教學(xué)情感狀態(tài)的虛擬教師面部表情模型,，在FAP的驅(qū)動(dòng)下，使虛擬教師發(fā)生相應(yīng)的面部表情變化,，實(shí)時(shí)表現(xiàn)虛擬教師的面部表情,。虛擬教師面部表情控制如圖1所示。
3.3 基于智能代理的虛擬教師框架結(jié)構(gòu)
通過前面的分析與討論,，基于智能代理的虛擬教師框架結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
在該模型中，感知模塊用來收集來自三維虛擬教學(xué)環(huán)境中的信息,，如虛擬場(chǎng)景中實(shí)體的增刪,、場(chǎng)景的變化等，也包括環(huán)境中虛擬學(xué)生的行為變化,，如身體姿態(tài),、在線狀態(tài)等。信息處理模塊負(fù)責(zé)將收集到的信息進(jìn)行分析,、整理,，屬于反應(yīng)型的直接將信息傳送給運(yùn)動(dòng)控制或情感控制模塊，如果屬于高級(jí)智能型的信息,，則傳送給存儲(chǔ)模塊,。存儲(chǔ)模塊接收學(xué)生學(xué)習(xí)特征與教學(xué)目標(biāo)，對(duì)虛擬學(xué)生的學(xué)習(xí)做出適當(dāng)?shù)倪^程性評(píng)價(jià),。行為決策規(guī)劃模塊根據(jù)上一步的評(píng)價(jià)結(jié)果,，在教學(xué)策略庫(kù)、行為規(guī)則庫(kù),、領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)的支持下,，為虛擬教師下一步的行為制定相應(yīng)的規(guī)則，包括運(yùn)動(dòng)規(guī)則和情感規(guī)則,。運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)則在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)模板庫(kù)中找到基本動(dòng)作,，控制運(yùn)動(dòng)反應(yīng)模塊產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，如行走,、小臂彎曲,、抓物體、站立姿勢(shì)等,。情感控制模塊根據(jù)情感規(guī)則,，在標(biāo)準(zhǔn)情感模板庫(kù)中找到基本的情感動(dòng)作，控制情感反應(yīng)模塊驅(qū)動(dòng)面部表情呈現(xiàn)情感的變化,，如微笑的表情等,。
虛擬教師系統(tǒng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)中發(fā)揮著極其重要的作用。目前,，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),、虛擬人技術(shù)等新技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中構(gòu)建一個(gè)形象逼真,、表情豐富,、動(dòng)作生動(dòng)、行為真實(shí)的三維虛擬教師成為發(fā)展趨勢(shì),，它不僅要求構(gòu)建的虛擬教師能夠感知周圍環(huán)境的變化,，具有自治性，而且要求虛擬教師能夠模擬真實(shí)教師的教學(xué)行為,，具有智能性。
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