摘  要： 針對虛擬教師問題進行了研究，介紹了虛擬教師的起源與發展，給出了虛擬教師的概念界定，探討了現有的一些虛擬教師系統及其關鍵技術，最后指出了現有系統存在的不足以及今后的發展趨勢，設計了一個虛擬教師的框架結構。
關鍵詞： 虛擬教師；CAI；智能代理；虛擬現實；虛擬人

    基于網絡的在線學習給學習者提供了寬松、自由和開放的學習環境，學習者可以根據自己的需要選擇學習內容、學習時間、學習地點、學習方式甚至指導教師。然而，這種時空分離的教與學導致了教學中教師和學生之間缺少互動，缺乏情感的交流，學生大部分時間處于一種無人監控的自由學習狀態，容易產生孤獨感，不易對學習保持長久熱情，教學效果差。虛擬現實技術的出現，為人們提供了一種全新的學習方式，它的沉浸性、交互性、構想性[1]的特點突出了認知和感知的并用，彌補了現有網絡教學系統的種種缺陷。探求虛擬現實技術更合理地應用于教育教學，為學習者創建更和諧的虛擬學習環境已成為一個新興的研究領域。伴隨著虛擬現實技術的發展，虛擬人技術的研究也在不斷深入，如何將虛擬人技術應用于三維虛擬學習環境中，構建和應用三維虛擬教師，使網絡在線學習在虛擬教師的指導下進行，進一步增強教學互動，提高學生學習興趣、激發學習熱情。本文針對虛擬教師問題進行了研究，從虛擬教師的起源與發展歷程出發，給出了虛擬教師的概念界定，介紹了現有一些虛擬教師系統及其關鍵技術，指出了現有系統存在的不足以及今后的發展趨勢，最后設計了一個虛擬教師的框架結構。
1 虛擬教師的起源與發展
    多數情況下，虛擬教師是作為教師的引申出現的，不同階段對虛擬教師的研究，冠以了不同的名稱，體現了各階段的特色。虛擬教師概念的形成與發展起源于20世紀50、60年代的計算機輔助教學(CAI)，自1958年IBM公司奧斯頓研究中心開發世界上第一個計算機教學系統以來，至今已有50多年的歷史。計算機輔助教學是利用計算機來模擬教師的行為，通過學生與計算機間的交互活動來達到教學的目的。因此，從CAI誕生起，研究者們在對如何利用計算機來幫助教師開展教學活動、指導學生更好地學習進行研究的同時，對CAI系統的相關部分——虛擬教師的研究也在不斷深入，內涵也在不斷變化和發展。早期的CAI系統主要采用程序教學，把教學內容和教學策略等結合在一起編制順序執行的計算機程序，其運行的具體過程事先已確定，不能根據實際的學習需要調整教學策略，靈活性差[2]。這個階段虛擬教師的概念還沒有形成，但已經有了雛形，就是如何利用計算機呈現教學內容。到了20世紀60年代，CAI引入了分支程序的概念，學生在一定程度上可以決定學習的路徑，根據自己的特點選擇學習內容，這時虛擬教師的內涵增加了互動性。20世紀70年代，人工智能技術被引入到傳統的CAI系統，出現了智能CAI系統(即ICAI系統)繼而出現了智能導師系統(ITS)。通過智能導師可以為學生提供一定程度的學習指導、幫助和反饋，其目的是使學生達到個別的、自適應學習，它注重后臺功能的研究開發，在交互界面上并未出現形象化的教師，這時虛擬教師的內涵增加了智能性。進入20世紀90年代后，隨著多媒體技術和網絡技術的發展，智能導師系統不僅在一定程度上具有了人類導師的作用，而且能夠彌補真實教師的一些不足，如長時間為學生提供指導而不會疲倦，學習者可以自主地安排學習時間、學習內容、學習方式等。這時，美國的馬里蘭大學的一個課題組提出了虛擬教師的概念，即“一個基于多媒體技術的網絡教學環境，通過該系統可以使傳輸過程完善、同步運行并能交相互動的多媒體教學內容”[3]，而參考文獻[4]對虛擬教師的界定是：虛擬教師是一種設備或技術，它是學習環境的一部分，作為學習環境的補充，有助于學習者操作技能的獲得。進入21世紀，隨著虛擬現實技術與虛擬人技術在教育領域的廣泛應用，虛擬教師的內涵又得到了進一步的發展，構建形象逼真、表情豐富、動作生動、行為真實的三維虛擬教師成為研究的重點，這時的虛擬教師才是名副其實的虛擬教師。虛擬教師被逐漸定義為：計算機生成的三維虛擬學習環境中，能夠模擬真實教師的形象及動作表情、模擬真實教師的教學功能的技術實體。表情豐富、動作生動、行為逼真的虛擬教師可以極大地增強學生在線學習的效果。
2 虛擬教師的研究現狀
    目前虛擬教師系統很多，大部分都具有虛擬教師形象，下面重點介紹一些有特點的系統。
2.1 虛擬教師系統
2.1.1 具有智能性的虛擬教師系統
    由美國南加利福尼亞大學(USC)JOHNSON W L和SHAW E提出的教學代理Adele[5]是虛擬教師的一項成功應用，Adele結構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：表達知識、監控學生、提供反饋、探究問題、提示和解答，這些功能是通過一個能夠支持與學生進行連續的、多種模式的智能代理來完成的。目前，已應用于醫學教育課件，教授外傷和腫瘤醫療課程。
    由美國南加州大學信息科學院計算機部開發的Steve[6]的教學代理用來支持學習過程，Steve的體系結構包括感知、認知、運動控制三大模塊。感知模塊監視虛擬世界的狀態，維護一致性，并將相關信息提供給認知和運動控制模塊；認知模塊解釋感知輸入，選擇合適的目標，構建執行計劃以達到那些目標，并發出運動指令；運動控制模塊執行那些運動指令，控制Steve的聲音、運動、眼神和手勢。該系統提供了一個三維虛擬的實驗室，Steve能夠演示技能操作、回答學生的問題、觀看學生完成任務的過程，并且在學生遇到困難時給出建議，同時還具有逼真的人體形象和行為動作。
    AvaTalk[7]是一個用于交互技能訓練的智能虛擬教師系統，使用代理技術設計了1個具有知識和情感表達的替身，它由3部分組成：語言處理器、行為引擎和虛擬人可視化引擎。語言處理器接收語音的輸入并將它映射為基本的語義表示，由語音生成器與語義表示匹配，以語音形式輸出，并配合面部表情、手勢，通過可視化引擎進行顯示。行為引擎與語言處理器相匹配，模擬虛擬教師的行為，如改變面部表情、形成語音對話等。
    Jacob[8]項目重點實現3個問題：即建立了一個虛擬現實系統，集成了自然語言和其他交互形式，使用了代理技術。Jacob項目集成了多種學科技術，包括智能導師系統、虛擬現實技術、智能代理技術、自然語言處理技術、代理可視化、動畫技術等，在人體運動方面遵守H-Anim標準。
    Whizlow[9]項目是北卡州立大學開發的3個動畫教學代理之一，Whizlow包括了一個三維的虛擬環境和一個動作逼真的代理，它提供關于計算機體系結構的學習指導，這個虛擬環境提供了如CPU、總線等概念的三維顯示效果。學生指定一個程序，代理會解釋這個程序是如何被執行的。
2.1.2 具有三維逼真形象的虛擬教師系統
    除了上面介紹的虛擬教師系統都具有三維教師形象外，在佛州大學學習創新技術研究中心RITL的貝勒教授正在開展對虛擬教師的研究[10]。貝勒教授致力于研究虛擬教師的年齡、性別、種族等外在特征對學生動機和信仰的影響，并且對虛擬教師的面部表情、手勢等非語言交流進行了研究，使這些虛擬教師既讓人感到逼真、真切，又有超強的說服力。
    新西蘭梅西大學的研究人員創建了一個虛擬教師Dubbed Eve，她是一個與人相似的三維動畫教師，是“智能和情緒感知系統”概念的具體實踐。Eve目前被設計用來以一對一方式教8歲大小孩子的數學。她能提問、反饋、討論、給出答案，并能表現相應的情感，也能根據遠程學生的情緒狀態做出適當的反應。
    Jack[11]是賓西法尼亞大學人體建模和仿真中心開發的一個在三維環境中控制和模擬逼真人物的軟件系統，它提供了碰撞檢測、實時物體的抓取、實時可視化的功能。這個軟件系統的商業版本提供了在三維環境中的產品設計和產品測試。另外，基于這個系統開發的SodaJack，提供了一個動畫代理，可以搜尋和操縱物體。
2.1.3 具有語音對話的虛擬教師系統
    除了上面介紹的Steve和AvaTalk具有語音交互功能外，由科羅拉多大學波爾得分校的Ron Cole領導設計和實現的一個只有頭部的三維輔導教師Baldi，是用來開發聽力有障礙兒童的會話技能的，通過語音識別和其他新技術，向學生顯示怎樣理解和產生口頭語言。Baldi在產生精確的面部運動的同時，會產生相應的語音，聲音可以是已經記錄好的真實人的聲音，也可以是計算機生成的聲音。
    國內推出的智能虛擬英語老師Lucy，學習者可利用此軟件與虛擬人物Lucy對話、聊天，幫助克服英語學習者普遍存在的難以啟齒、大膽說英語的障礙，創造了人機智能互動說英語的環境。數據庫智能引導互動模仿練習，提供實時、引導式、自由式對話，采用真人唇形、發音比照模擬圖形，從而使發音更加準確，同時還可以糾正發音。
    目前，虛擬教師系統還有很多。表1對一些典型的虛擬教師系統進行了比較。通過研究發現，目前虛擬教師的研究重點是構建一個高逼真度的虛擬教師人物形象，除了具有接近真實人物的外在表現外，還要具有真實的動作行為，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語(肢體語言)在網絡教學中實現交互的問題。

2.2 虛擬教師研究中的關鍵技術
    虛擬教師的概念經過不斷演變，其內涵越來越豐富，涉及的實現技術也變得更加復雜。當前，虛擬教師研究涉及的關鍵技術包含以下幾個方面。
2.2.1 智能代理技術
    Adele、Steve、AvaTalk、Jacob、WhizLow等系統均采用了智能代理技術。智能代理是分布式人工智能技術和網絡技術發展的必然結果，代理(Agent)是指能在某一環境中運行，能響應環境的變化，靈活、自主地采取行動以滿足其設計目標的計算實體。其本質上是一個計算機軟件程序，它運行于動態環境中并具有較高的自治能力，能夠接受其他實體(如用戶、智能體、系統或機器等)的委托并為其提供幫助和服務，同時，能夠在該目標的驅動下主動采取包括社交、學習等手段在內的各種必要的行動以感知、適應并作用于動態變化的環境。智能代理以其具有良好的自治性、自主性、智能性、反應性和社會性等特點，成為描述實體行為模型的通用技術框架。智能代理技術在網絡教學系統中可以發揮5個方面的作用：動態跟蹤過程實時監控、教與學的行為分析、信息的檢索與過濾、協同學習和智能推理建議。這5個方面的作用，使得網絡教學系統可以利用智能代理技術實現對學生自主學習行為和教師的輔導行為的監督，并根據學生的學習情況、進度和效果給出具體的指導，為教師進行輔導提供智力支持。
2.2.2 虛擬現實技術
    在Adele、Steve、Jacob、Whizlow、RITL、Jack等系統中，都構建了一個三維的虛擬學習環境，并在此環境中設計了一個形象逼真、動作生動、表情豐富的虛擬教師形象。其中采用的就是虛擬現實技術和虛擬人技術。虛擬現實技術(Virtual Reality)也稱靈境技術，是指利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術、多媒體技術、人工智能技術、人機接口技術以及高分辨顯示技術等高新技術，生成三維逼真的虛擬環境，實現人與虛擬環境直接進行自然交互和溝通的技術。利用虛擬現實技術構建的虛擬環境，可以是某一現實世界的真實實現，也可以是虛擬構想成的世界，人在虛擬現實環境中可以獲得與在自然環境中相同的感受，真實體驗視覺、聽覺、觸覺及智能感知的直觀、自然的效果。虛擬現實技術所具有的沉浸性、交互性、構想性的特點突出了形象思維和邏輯思維的結合，認知和感知的并用，使其應用于教育可以彌補現有網絡教育缺乏體態語交互和親身體驗等缺陷[12]。
2.2.3 虛擬人技術
    虛擬人(Virtual Human)是人在計算機生成空間(三維虛擬環境)中的幾何特性與行為特性的表示，是多功能感知與情感計算的研究內容。基于虛擬人技術設計的虛擬教師有以下幾個特點：有自身的幾何模型；可以與周圍的環境交互，感知并影響周圍環境；虛擬教師的行為可以由計算機程序控制，稱為智能體(Agent)；虛擬教師的行為也可以由真實人控制，稱為真實人的化身(Avatar)；虛擬教師與虛擬學生之間可以通過自然的方式，如自然語言、體態語等進行交流。因此，在設計高逼真性的虛擬教師時，要涉及到虛擬人的人體建模技術、運動生成與控制技術、手勢識別技術、人體姿態識別技術、面部表情識別和生成技術等。
2.2.4 自然語言處理與語音合成技術
    自然語言處理是計算機科學領域與人工智能領域中的一個重要方向，它研究實現人與計算機之間通過自然語言進行有效通信的各種理論和方法。實現人機間自然語言通信意味著要使計算機既能理解自然語言文本的意義，也能以自然語言文本或語音形式來表達給定的意圖、思想等。因此，在大多數虛擬教師系統中都會用到自然語言處理技術和語音合成技術。
    語音合成就是將文本轉化為語音輸出的過程，這個過程的工作主要是將輸入的文本按字或詞分解為音素，以及將音素生成數字音頻，然后用揚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即采用了自然語言處理技術和語音合成技術。
3 虛擬教師系統的發展趨勢
3.1 現有虛擬教師系統的不足
    分析目前已有的虛擬教師系統，并沒有發現從形象到行為具有與真實教師一樣的虛擬教師系統，其不足體現在以下幾點：
    (1)缺乏逼真的人體幾何表達。虛擬人技術在教育領域的應用還不夠成熟，還沒有一個虛擬教師具有真實的人體幾何外形。
    (2)缺乏真實的人體運動控制。在已有的虛擬教師系統中，或者只具有頭部形象、或者雖然有整個人體，但都是靜態的姿勢，沒有進行人體運動的控制，更缺乏體態語交流。
    (3)缺乏人體運動行為和內在認知表達的統一。在已有的虛擬教師系統中，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結合在一起去考慮。
    (4)缺乏豐富的情感表達。在已有的虛擬教師系統中，還沒有一個系統研究了人工情感問題，以方便師生之間的情感交流。
3.2 虛擬教師系統發展的趨勢
    可以預測，賦予虛擬教師更多樣的表情、更生動的動作、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，涉及到的研究內容大致可以分為虛擬教師的幾何表達、運動生成及控制、行為表達、認知表達、情感表達5個主要方面。其中幾何表達、運動生成及控制主要從虛擬教師幾何和運動行為特性逼真性的角度進行研究，行為表達、認知表達主要從虛擬教師智能化角度進行研究，情感表達是從虛擬教師的情感擬人性的角度進行研究。
3.2.1 幾何表達技術
    形象親切、動作逼真的虛擬教師會使學生產生親切感，對學生的學習會產生很大作用，因此虛擬教師的幾何模型的構建非常重要。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，在底層骨骼的驅動下，帶動肌肉的收縮或擴張，從而引起虛擬教師面部表情和身體細節的變化。目前，骨骼層有2個標準：VRML的H-Anim和MPEG-4[13]。其中，H-Anim是以人體重心為根節點、以關節為子節點、以骨骼為連線的樹形；MPEG-4提供對Body對象的支持，1個Body對象主要包括兩類參數：人體運動參數和人體模型定義參數，骨架是構建逼真的虛擬教師幾何模型的基礎，肌肉層是影響虛擬教師表面形態重要的因素。采用基于隱式曲面的幾何造型技術，可以很好地表現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，能夠平滑細膩地虛擬教師形象化。
3.2.2 運動生成及控制技術
    虛擬教師幾何模型建好之后，得到的是虛擬教師的靜態表示，如何驅動靜態的虛擬教師人體模型，得到逼真的動作，這是虛擬教師運動生成和控制技術的關鍵。目前，對虛擬人運動控制的技術有：參數化關鍵幀技術、過程動畫技術、運動學技術、動力學技術、運動捕獲技術等。在虛擬學習環境下，教師的教學行為和情感表達可以通過一些動作來反映，主要有：站姿、坐姿、手勢、頭部姿勢、行走等。這些動作通過使用專門的傳感器以三維的形式記錄真實教師的運動信息，然后利用所記錄下來的數據來重新構建虛擬教師的動作模型，從而生成運動動畫。通過這種方法能夠捕捉到真實教師運動的數據，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，需要引入運動重定向技術進行動作的匹配計算。
3.2.3 行為和認知表達技術
    行為和認知建模是探索一種能夠盡可能貼近真實實體對象行為的模型，使構造實體對象的人能夠按照這種模型方便地構造出一個行為上真實的虛擬實體對象[14]。智能代理以其特有的性質成為描述實體行為模型的通用技術框架，代理分為反應型和認知型。反應型不對內部狀態進行推理，僅對環境變化和其他代理的消息做出反應；認知型代理基于符號表示和推理來采取動作和完成任務，具有較高的智能，但不能對環境變化做出快速反應。對虛擬教師行為和認知建模，不僅要實現信念、愿望等精神狀態以及判斷、推理等思維過程，而且要實現對周圍環境進行快速反應的行為動作，因此，采用混合型代理對虛擬教師行為和認知建模。該模型可以分為2層：反應層和規劃層。反應層不做任何推理，直接由感知信息映射到動作行為；規劃層進行推理工作，將感受到的信息進行分析，按照一定的策略進行行為規劃，轉換成一系列的動作行為。當代理接收到外界信息后，若信息屬于響應型，直接做出響應，否則由規劃層進行規劃并處理。
    在三維虛擬教學環境下，虛擬教師的行為包括兩大類：一類是自治性的行為，即虛擬教師應能夠感知周圍環境的變化，包括對虛擬環境中實體的增刪、碰撞檢測以及對學生是否在線的感知。另一類是交互性行為，包括兩類：一類是虛擬教師與虛擬環境下的虛擬實體的交互行為，如拿書、握筆等，這屬于低級行為；另一類是虛擬教師與學生之間的教學交互，包括高級智能行為和低級行為，最終要以言語、手勢、站姿、面部表情等形式表現出來。
    通過分析現有網絡教學模式，可以將教學中常見的教學活動劃分為兩大類：低級教學活動和高級教學活動。其中，呈現教學材料、提問、答疑、提示、講解、練習、討論、總結、復習、測試等屬于低級活動，可以直接映射為一系列的固定動作，由反應層直接做出響應；確定教學目標、教學策略選擇、教學結果評價等屬于高級智能活動，要由規劃層進行推理，制定相應的行為規劃。
3.2.4 情感表達技術
    在虛擬教學環境中，虛擬教師的面部表情攜帶著教師的一種教學情感(鼓勵、平靜、贊許、批評、驚奇等)，它作為虛擬教學活動的一種重要輔助手段支持教學活動的展開和知識的傳遞。目前，常用的表情識別方法有：基于幾何特征的識別方法、基于代數特征的識別方法、基于連接機制的識別方法、頻率域特征識別、基于隱馬爾科夫模型的識別方法以及基于運動特征的識別方法等[15]。在表情控制方面，采用基于MPEG-4的人臉動畫參數，即用于描述特定臉型的人臉定義參數(FDP)和描述臉部活動的人臉動畫參數(FAP)。首先對教師教學活動典型表情特征進行分析，提取教學情感特征參數TEP(Teaching Emotion Parameter)，然后根據虛擬教師的情感控制模塊將TEP映射到FDP和FAP。另外，建立適應于教學情感狀態的虛擬教師面部表情模型，在FAP的驅動下，使虛擬教師發生相應的面部表情變化，實時表現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構
    通過前面的分析與討論，基于智能代理的虛擬教師框架結構如圖2所示。

    在該模型中，感知模塊用來收集來自三維虛擬教學環境中的信息，如虛擬場景中實體的增刪、場景的變化等，也包括環境中虛擬學生的行為變化，如身體姿態、在線狀態等。信息處理模塊負責將收集到的信息進行分析、整理，屬于反應型的直接將信息傳送給運動控制或情感控制模塊，如果屬于高級智能型的信息，則傳送給存儲模塊。存儲模塊接收學生學習特征與教學目標，對虛擬學生的學習做出適當的過程性評價。行為決策規劃模塊根據上一步的評價結果，在教學策略庫、行為規則庫、領域知識庫的支持下，為虛擬教師下一步的行為制定相應的規則，包括運動規則和情感規則。運動控制模塊根據運動規則在標準運動模板庫中找到基本動作，控制運動反應模塊產生相應的動作，如行走、小臂彎曲、抓物體、站立姿勢等。情感控制模塊根據情感規則，在標準情感模板庫中找到基本的情感動作，控制情感反應模塊驅動面部表情呈現情感的變化，如微笑的表情等。
    虛擬教師系統經歷了多年的發展，在網絡在線學習中發揮著極其重要的作用。目前，隨著虛擬現實技術、虛擬人技術等新技術在教育領域的不斷應用，在三維虛擬學習環境中構建一個形象逼真、表情豐富、動作生動、行為真實的三維虛擬教師成為發展趨勢，它不僅要求構建的虛擬教師能夠感知周圍環境的變化，具有自治性，而且要求虛擬教師能夠模擬真實教師的教學行為，具有智能性。
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