22、COLYPAN：用于项目管理的协作学习系统架构

COLYPAN：用于项目管理的协作学习系统架构

1. 协作学习背景与工具需求

在现代学习环境中，学习者同时被视为知识的生产者和消费者，大家聚集在一个人人都有可教之处和可学内容的环境里。在这样的环境下，导师不再仅仅是知识的保留者和传递者，而是承担起激励者、引导者和协作者的角色，学习者则对自己的学习更加主动和负责。

此时，对于工具存在着迫切需求：
1. 支持具有相似兴趣或属于同一工作组的分布式用户之间的协作。
2. 组织信息，以便在各种环境中更方便地访问。
3. 管理与特定学习群体相关的所有交互记录，并报告该群体的学习进度指标及其持续性。

多智能体系统（MAS）可用于模拟人工或人类个体在复杂社会中的交互，能为知识组织、开发问题以及协调和通信机制问题提供有效的解决方案。

2. 相关工作回顾

在人工智能和教育领域，已经有一些提供多智能体平台用于协作学习的方法：
- “Help & Learn” ：Guizzardi 等人开发的点对点系统，使用 AORML 语言建模，旨在支持学习者和导师的课外互动，但仅能为有需求的学习者提供帮助，无法监控学习和跟踪用户活动。
- 基于代理的调解系统 ：Fougeres 和 Ospina 为 iPédagogique 项目管理平台提出的系统，以 AUML 建模，可促进用户协作，但同样不能监控学习和跟踪用户活动。
- 自适应多智能体系统模型 ：该模型用于学习环境中赠款活动的动态路由，能根据学习者的专业、经验和活动复杂度分配活动，但也不具备学习监控和用户活动跟踪功能。
- SIGFAD ：Mbala 等人开发的用于远程教育的多智能体系统，使用 MASE 方法学建模，对学习监控有一定关注，但独立性不足，无法在学习者或小组出现问题时及时提醒导师。

3. COLYPAN 系统概述

3.1 系统简介

COLYPAN（协作学习项目管理系统）是一个专注于项目管理的系统，为用户（包括学习者和导师）提供完成项目所需的工具。在该系统中，学习活动由导师定义，学习者需分组完成活动。

3.2 知识资源交换

在 COLYPAN 环境中，知识资源的交换与其他目的的交换没有区别，包括：
- 物理资源共享，如书籍、文章和其他教育制品。
- 随着信息技术和互联网的使用增加，有大量电子文档、参考资料和网页链接。
- 隐性知识，即存在于人们头脑中的知识，通常通过各种方式在人与人之间非正式交换，如通过消息或虚拟学习环境中的互联网通信工具。

3.3 系统目标

COLYPAN 的另一个目标是为导师提供工具，使其能够确定小组的活动水平，并启动必要的补救和辅助机制。这些目标可分为两类：
- 用户支持相关目标。
- 保存和提取交互数据的目标，以便在工作进度不理想或小组有解散风险时自动提醒用户。

4. 对等（P2P）架构用于协作学习系统

4.1 P2P 系统特点

在协作学习系统中，每个成员需管理和交换知识，并与他人合作以实现目标。P2P 系统特别适合开发协作学习系统，因为它具有以下能力：
- 支持自主性：系统中的每个成员被视为对等体，可管理和控制一组本地技术、应用程序和服务。
- 去中心化：对等体社区能够独立于任何特定成员或组件实现其目标。
- 合作性：每个成员加入和使用系统时，必须为其他成员提供资源或服务。
- 动态性：对等体和资源可以随时添加或删除。

4.2 代理导向设计

采用代理导向的设计和开发方法，多智能体系统（MAS）是实现 P2P 应用的合适框架。其特点，如允许知识共享或分布，以及能够组织一组代理并协调其行动以实现共同目标，在 P2P 应用中非常必要。

COLYPAN 是一个面向代理的系统，多个学习者小组相互交互和协作以完成给定项目。系统代理负责管理对等体之间交换的知识，选择在多智能体平台 Madkit 上部署该系统，因为 Madkit 适用于开发和执行多智能体系统，特别是基于组织标准（小组和角色）的多智能体系统，且不强制代理采用特定架构。

5. 系统中的不同代理

系统中有两种类型的代理：
| 代理类型 | 具体代理 | 功能描述 |
| — | — | — |
| 人类代理 | 导师和学习者（称为对等体） | 参与学习和项目管理活动 |
| 人工代理 | a TEACH | 导师的助手，提供与交互数据和待办任务相关的信息 |
| | a LEARN | 学习者的助手，提供交互数据和待办任务信息 |
| | a ACTIV | 监督会话期间参与者的活动，提供活动进度统计，提醒学习者截止日期，并向延迟的小组发送警报 |
| | a GROUP | 监督会话期间小组的空间，列出小组中在场和缺席的代理，掌握小组成员信息，可协助成员与其他小组沟通 |
| | a KB | 管理小组的知识库，负责与全局数据库的交互 |
| | a TOOL | 监督工具的使用，提供小组和导师空间工具（如电子邮件、聊天、论坛、博客等）的使用统计，每次使用工具时将交互信息发送给 a KB |
| | a DB | 管理数据库和用户账户 |

以下是系统代理的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(人类代理: 导师和学习者):::process --> B(人工代理):::process
    B --> B1(a TEACH):::process
    B --> B2(a LEARN):::process
    B --> B3(a ACTIV):::process
    B --> B4(a GROUP):::process
    B --> B5(a KB):::process
    B --> B6(a TOOL):::process
    B --> B7(a DB):::process

6. 小组工作方式

6.1 小组独立性

在 COLYPAN 中，小组相互独立，每个小组处理自己的项目，拥有自己的资源和人工代理。每个小组有对应每个学习者的“a LEARN”、活动监督代理“a ACTIV”、空间监督代理“a GROUP”、工具监督代理“a TOOL”和知识库管理代理“a KB”。只有导师代理“a TEACH”和数据库监督代理“a DB”是所有小组共有的。

6.2 小组通信

每个对等体只了解自己小组的成员并与之通信，小组之间只有在至少有一个共同成员时才能进行通信或共享信息。虽然系统中有所有小组的总体视图，每个小组知道其他小组的数量、知识和技能，但小组之间没有直接联系。

6.3 小组目标与活动管理

每个小组都有目标，成员需共同努力实现。为确保小组的活动积极性，对于超过一半成员不活跃的小组，系统会自动向所有成员发送警告通知。若在导师规定的时间后小组仍不活跃，小组需停止不活跃成员，向其他成员发送加入请求，或解散小组，成员可请求加入其他小组。

6.4 小组形成与成员加入

最初，想组建小组的人发送加入请求，成为小组发起者。每个想加入小组的对等体必须提交加入申请。当小组有多个成员时，接受新成员需进行投票，投票基于候选人的技能和对小组的贡献。至少一半小组成员投票才会考虑投票结果，若票数相等，由小组发起者决定是否接受候选人。

6.5 项目选择与执行

小组形成后，导师会提出不同项目，小组需选择一个项目。若多个小组选择相同项目，需协商达成共识。项目将按照 MAETIC 项目管理方法逐步实现，导师规定每个阶段的截止日期和最终截止日期。导师的主要作用是指导和建议学习者，同时进行监控和评估。

6.6 导师支持工具界面

导师支持工具界面包含以下选项卡：
- 小组管理 ：导师可通过该选项卡管理学习者，获取他们的活动信息。
- 活动管理 ：为导师提供活动完成情况的统计信息，便于监控学习者在项目中的进度。
- 工具管理 ：提供学习者使用工具的统计信息，帮助导师判断学习者的社交互动水平。

7. 案例研究

7.1 活动背景

这是计算机科学二年级软件工程课程的一部分教学活动，60 名学习者需分组完成项目，有 10 周时间，其中 1 周用于分组和选择项目，工作分为五个阶段，学习者需在每个阶段结束时通过系统向导师提交电子文档。

7.2 小组形成与项目选择

学习者 Rudy 决定为数据库项目组建小组，他向候选人发送加入请求并指定项目主题。Frederick 因有相同项目需求，请求加入 Rudy 的小组，Rudy 接受后，小组有两名成员，此时投票成为接受新成员的必要程序。

小组形成后，选择了“医院管理”项目，另一个小组也选择了该项目，双方进行协商。最终，Group 1 获得该项目，部分成员进行了小组间的调换。

7.3 小组会议与任务执行

小组发起者组织会议，确定任务、分配给成员并制定预估计划。成员需在截止日期前协作完成任务，若有成员未能按时完成任务，将影响整个小组进度。例如，在项目第二阶段，Mary 未能按时完成图形章程任务，“a ACTIV”代理向所有小组成员发送警告，若此类延迟持续，小组可能会解散。

7.4 学习监控与沟通

每个阶段结束时，需修改预估计划以生成实际计划，从而验证每个学习者的工作情况。导师在每个项目阶段会指导和建议学习者，但不干预小组工作和任务分配，仅在阶段结束时进行评估。

导师和学习者都需维护博客，学习者在每个阶段前应查看导师博客，了解工作进度、导师评论并下载所需文档。学习者博客可用于上传文档、讨论问题和交流信息，每个小组都有自己的博客。此外，学习者和导师可使用私信或聊天进行沟通。

8. 总结

本文提出了基于代理的架构，实现了协作项目管理方法 MAETIC。系统由具有通信、协调和协作能力的自主代理组成，选择 P2P 方法连接代理，是因为 P2P 系统中每个对等体具有显著的自主性，且一些 P2P 概念与多智能体系统概念相符，适合支持多智能体系统中社会组织的动态性。

COLYPAN 是一个开放系统，支持学习者、学习小组和导师之间的交互，为用户提供项目管理工具，使导师能够：
- 了解每个学习者在教学活动中的生产力水平以及与小组其他成员的沟通水平。
- 了解每个小组在活动实现方面的进展，以及成员的出勤和活跃情况。
- 了解所有小组的活动实现水平，并在需要时调整日程安排。

9. 关键技术点分析

9.1 多智能体系统（MAS）在 COLYPAN 中的应用

多智能体系统在 COLYPAN 中起到了核心作用。它的主要优势在于能够实现知识的共享与分布，以及协调多个代理的行动以达成共同目标。在 COLYPAN 里，各个代理有着明确的分工：
- 人类代理（导师和学习者） ：是整个学习和项目管理活动的主体，他们参与到实际的项目操作和学习过程中。
- 人工代理 ：
- a TEACH ：作为导师的助手，为导师提供交互数据和任务信息，帮助导师更好地掌握教学情况。
- a LEARN ：辅助学习者，让学习者清楚自己的交互数据和待办任务，便于学习者合理安排学习和项目进度。
- a ACTIV ：对活动进度进行监督和统计，能及时提醒学习者截止日期，对于延迟的小组发送警报，保障活动按计划进行。
- a GROUP ：负责小组空间的管理，掌握小组成员信息，在成员与其他小组沟通时提供协助，促进小组间的交流与合作。
- a KB ：管理小组的知识库，并与全局数据库进行交互，确保知识的有效存储和共享。
- a TOOL ：监督工具的使用情况，为导师和小组提供工具使用的统计信息，有助于优化工具的使用和提高学习效率。
- a DB ：管理数据库和用户账户，保障系统数据的安全和稳定。

9.2 P2P 架构的优势体现

P2P 架构为 COLYPAN 带来了诸多优势：
- 自主性 ：每个对等体（导师和学习者）都能自主管理和控制本地的技术、应用和服务，这使得他们在学习和项目管理过程中有更大的灵活性。
- 去中心化 ：系统不依赖于特定的中心节点，各个对等体可以独立地参与到系统中，提高了系统的可靠性和容错性。
- 合作性 ：要求每个成员为其他成员提供资源或服务，促进了成员之间的合作和知识共享。
- 动态性 ：对等体和资源可以随时添加或删除，适应了学习和项目管理过程中的变化。

9.3 系统工具的作用

系统中的各种工具在学习和项目管理中发挥着重要作用：
| 工具类型 | 作用 |
| — | — |
| 电子邮件 | 用于成员之间的沟通，如小组投票通知、项目信息交流等。 |
| 聊天 | 方便成员实时交流，解决问题和分享想法。 |
| 论坛 | 成员可以在论坛上讨论项目相关的话题，促进知识的交流和共享。 |
| 博客 | 导师和学习者可以通过博客分享信息、记录学习和项目进展，方便彼此了解情况。 |

10. 操作步骤总结

10.1 学习者操作步骤

1. 创建个人账户 ：学习者首先要创建自己的个人账户，以便后续参与系统的活动。
2. 分组与项目选择 ：
   • 可以选择加入已有的小组，或者自己发起组建小组。
   • 小组形成后，从导师提供的项目中选择一个进行操作。若多个小组选择相同项目，需进行协商。
3. 小组会议与任务执行 ：
   • 小组发起者组织会议，确定任务并分配给成员，制定预估计划。
   • 成员按照计划在截止日期前协作完成任务。
4. 学习监控与沟通 ：
   • 每个阶段结束时，根据实际情况修改预估计划，生成实际计划。
   • 查看导师博客，了解工作进度、导师评论并下载所需文档。
   • 利用自己的博客上传文档、讨论问题和交流信息。
   • 可以使用私信或聊天与导师和其他成员进行沟通。

10.2 导师操作步骤

1. 定义学习活动 ：导师根据教学目标和要求，定义学习活动和项目。
2. 提供项目选择 ：向学习者提供不同的项目选项，供小组选择。
3. 规定截止日期 ：明确每个项目阶段的截止日期和最终截止日期。
4. 指导与评估 ：在每个项目阶段，指导和建议学习者，但不干预小组工作和任务分配，仅在阶段结束时进行评估。
5. 使用支持工具 ：通过导师支持工具界面的“小组管理”“活动管理”“工具管理”选项卡，了解学习者和小组的情况，以便调整教学策略和日程安排。

11. 流程图展示

11.1 学习者操作流程图

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(创建个人账户):::process --> B(分组与项目选择):::process
    B --> C(小组会议与任务执行):::process
    C --> D(学习监控与沟通):::process
    D --> E{阶段结束?}:::process
    E -- 是 --> F(修改计划):::process
    F --> C
    E -- 否 --> D

11.2 导师操作流程图

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(定义学习活动):::process --> B(提供项目选择):::process
    B --> C(规定截止日期):::process
    C --> D(指导与评估):::process
    D --> E(使用支持工具):::process
    E --> F{项目结束?}:::process
    F -- 是 --> A
    F -- 否 --> D

12. 未来展望

COLYPAN 系统为协作学习和项目管理提供了一个有效的解决方案，但仍有一些方面可以进一步优化和发展：
- 智能化程度提升 ：可以引入更先进的人工智能技术，如机器学习算法，对学习者的学习行为和进度进行更精准的分析和预测，为导师提供更有针对性的建议。
- 跨平台兼容性 ：考虑将系统扩展到更多的平台，如移动设备，方便学习者和导师随时随地参与到学习和项目管理中。
- 社交互动增强 ：进一步加强系统的社交功能，如增加社交网络元素，促进学习者之间更深入的交流和合作。
- 安全性能优化 ：随着系统的广泛应用，数据安全和隐私保护变得尤为重要，需要不断优化系统的安全性能，保障用户信息的安全。

通过不断的改进和完善，COLYPAN 系统有望在协作学习和项目管理领域发挥更大的作用，为教育和项目管理带来更多的便利和价值。