智能教学系统的三项创新：远程虚拟导师实时控制、脑电波学习模型与文化资源适配

### 智能教学系统的三项创新：远程虚拟导师实时控制、脑电波学习模型与文化资源适配 在当今数字化学习的浪潮中，智能教学系统（ITS）正不断发展创新，以满足不同学习者的需求。本文将介绍三项与智能教学系统相关的重要创新，分别是基于最小笔手势的远程虚拟导师实时控制系统、学习与脑电波优势模型（LBD模型）以及智能教学系统内教学资源的文化适配技术。 #### 基于最小笔手势的远程虚拟导师实时控制系统 在远程教学场景中，如何让导师的指导更加生动、自然且具有情境感是一个关键问题。传统的视频会议等方式往往无法完全满足教学中对空间和情境的要求，而基于最小笔手势的远程虚拟导师实时控制系统为解决这一问题提供了新的思路。 - **系统概述**：该系统允许导师通过动画化身提供教学指导。它能够捕捉真实导师的笔手势，自动生成3D行为，并近乎实时地在远程端对虚拟导师进行动画展示。其独特之处在于笔手势界面，这一界面使得导师的手势能够自然地转化为虚拟导师的行为。 - **系统设计与实验** - **系统环境**：系统由两个环境组成，学生环境包括一台电视和一个用于跟踪学生的摄像头；导师环境中，人类导师通过压力感应平板电脑和麦克风与远程学生进行交互。 - **手势转换阶段**：笔手势被传输到学生环境并通过四个阶段转换为全身手势。首先分析辅导时常用的手势，然后生成行为库，接着设计独特的笔手势界面以捕捉真实导师的意图，最后生成动作并为虚拟导师进行动画展示。 - **实验结果**：通过对六名志愿者（3女3男）的研究，比较了使用平板电脑手势和在黑板上手势的情况。参与者对平板电脑的易用性和舒适度给予了较高评价，平均舒适度评分为4.33（1表示完全不舒服，5表示非常舒服），易用性平均分为4.83，学习容易度平均分为5，能够有效解释主题的平均分为4.5，使用平板电脑时说话无困难的平均分为4.67。与在黑板上教学相比，使用平板电脑说话的难易程度平均分为4.17（1表示强烈不同意，5表示强烈同意）。这些结果表明，用户能够轻松适应平板电脑，并自然地使用笔手势进行交互，笔 - 平板电脑交互与自然教学一样有效。 ```mermaid graph LR A[分析常用手势] --> B[生成行为库] B --> C[设计笔手势界面] C --> D[生成动作并动画展示] ``` #### 学习与脑电波优势模型（LBD模型） 学习者模型是智能教学系统中的重要组成部分，而学习与脑电波优势模型（LBD模型）为理解学习者的学习状态提供了新的视角。 - **模型定义**：LBD模型表示了一些学习情境（积极学习、无意识学习和去学习）与脑电波优势（Delta、Theta、Alpha、Beta1、Beta2和Beta3）之间的关系。该模型通过两个环来表示，外环显示六个脑电波作为第一主导波的优势百分比分布，内环显示作为最后主导波的优势百分比分布。 - **实验与初步结果** - **实验设计**：为了验证该模型，招募了23名来自蒙特利尔大学的参与者。使用便携式无线脑电图（Pendant EEG）测量学习者的脑电波，该设备通过红外连接将电信号发送到计算机，轻便且不影响学习者的活动。实验前一天，参与者被要求仔细阅读7篇文章，且只能阅读一次。实验当天，记录他们回答与这7篇文章相关的35个问题时的脑电波。 - **结果分析**：根据不同学习状态（积极学习、无意识学习和去学习），分析了各脑电波在不同水平的优势百分比分布。例如，在无意识学习状态下，Alpha脑电波在第一和第二水平比其他两种状态更频繁，Theta脑电波和Delta脑电波分别在第三和第二水平比其他两种状态更占优势，Beta2脑电波在无意识学习状态的前三个水平比其他两种状态更频繁。 | 脑电波 | 学习状态 | 优势百分比（Dom1, Dom2, Dom3, Dom4, Dom5, Dm6） | | ---- | ---- | ---- | | Delta | 积极学习（PL） | (07.27, 09.63, 15.38, 20.56, 24.15, 30.98) | | Delta | 无意识学习（CL） | (09.02, 15.58, 15.16, 18.76, 21.06, 27.84) | | Delta | 去学习（UL） | (09.01, 11.12, 15.78, 20.65, 24.62, 28.18) | | Theta | 积极学习（PL） | (14.86, 18.56, 20.74, 16.55, 19.63, 15.43) | | Theta | 无意识学习（CL） | (15.75, 15.94, 20.60, 20.27, 18.44, 14.93) | | Theta | 去学习（UL） | (17.22, 17.81, 19.05, 18.76, 1