Силаенков А.Н. Автоматизированные обучающие системы. Обзор
Подождите немного. Документ загружается.
область знаний из общего пространства интернет, предполагаем, что область
постоянно наполняется новыми понятиями, дополняющими систему знаний
и данный процесс бесконечен.
Принцип же непротиворечивости важен именно для средств обучения,
когда четкая структура области знаний позволяет иметь завершенные блоки
знаний, пригодные для обучения.
Во многих существующих системах моделирования знаний выбор
между неполнотой и противоречивостью склоняется в сторону
противоречивости. В итоге создаваемый курс ДО представляет собой
замкнутую структуру, представляющую собой полный набор научных
понятий, определений и умений, однако при ближайшем рассмотрении
можно увидеть, что подобные курсы ДО содержат множество
противоречивых понятий, которые не могут быть объяснены в рамках
данного курса и этот недостаток усиливается отсутствием живого учителя,
который мог бы внести обучаемому ясность на смысл тех или иных научных
понятий (структурных узлов).
Само понятие структурирования предполагает разделение общего на
составные части и выявление равнозначных частей. Именно этот фактор
является одной из предпосылок в необходимости создания определенных
схем структурирования.
Структурные связи
При структурировании знаний СУ объединяются между собой
структурными связями (СС) понятие СС – универсально для любой области
знаний (ОЗ).
Структурные Связи подразделяются на следующие типы:
- Основные связи
- Гиперсвязи
В свою очередь Основные и Гиперсвязи делятся на внешние и
внутренние. В свою очередь внешние и внутренние делятся на
горизонтальные и вертикальные связи. Существуют также перекрестные
связи, котороые не поддаются систематизации и служат как
вспомогательный элемент.
Горизонтальные связи – это связи между категориями СУ.
Горизонтальные связи носят причинно следственный характер и
предполагают логическое продолжение одного понятия по отношению к
другому от общего к частному. Вершиной горизонтальных связей всегда
является основное понятие области знаний (Основной СУ), окончанием
понятие самой последней категории.
Вертикальные связи – это связи между понятиями в пределах
одной категории. Началом вертикальных связей всегда является основное
понятие (основной СУ), окончанием – конечная цель при изучении области
знаний. Вертикальные связи позволяют замыкать часть курса в логическую
структуру. При отсутствии вертикальных связей невозможно достигнуть
полностью конечной цели структурирования области знаний. Отличие
121
вертикальных связей от горизонтальных в том, что они не обязательно
должны носить причинно-следственный характер.
При структурировании ОЗ возникает множество перекрестных связей.
В интернете и в пределах компьютера они носят характер гиперссылок как в
пределах одного СУ, так и в пределах всей ОЗ и ПЗ. При создании
перекрестных связей не существует определенных правил, они могут
создаваться произвольно.
При создании курса дистанционного обучения для средств обучения
необходимо учитывать все типы СС.
Внутренние связи – СС, возникающие при анализе непосредственно
объекта, либо класса объектов. Как правило, внутренние связи отражают
какую-либо реальную структуру реального объекта (понятия). Если речь идет
о физическом объекте, то это – физическое, химическое, биологическое и пр.
строение. Если речь идет об идеальном объекте, например художественном
произведении, - это идеальная структура объекта, содержание, форма, и пр.
Термин Внутренние связи применительно к классу применяется на
основании правил логического деления, то есть логической структуры
объекта. Внутренние связи отражают место объекта (понятия) в данной
структуре классов.
Внешние связи – это связи, соединяющие объект с другими
объектами. Класс – с другими классами. Внешние связи могут превратиться
во внутренние, когда срез пространства знаний будет производится по более
общему понятию.
Общие понятия
Пространство знаний представляет собой бесконечное количество
понятий, взаимосвязанных между собой структурными связями различного
характера. Данное пространство знаний может быть разделено на замкнутые
области знаний, внутри которых существуют однородные связи
определенного характера – поля знаний.
В общем пространстве знаний можно выделить области знаний,
которые имеют четкую замкнутую структуру связей. Между данными
областями также существуют структурные связи, объединяющие все
пространство знаний. Чем больше понятий, заключается в данной области
знаний, тем шире область знаний, тем больше структурных связей.
В вершине двустороннего бесконечного конуса содержится общее
понятие – пространство знаний. Чем дальше от вершины, тем большее
количество понятий содержится в данном срезе (области знаний).
Изначально пространство знаний разбивается на две существенные
части – подпространство классов и подпространство объектов. Именно эти
две категории служат основными параметрами при анализе конкретного
понятия (объекта).
Главной задачей при изучении структурных связей между областями, а
также связей внутри области является точная дифференциация понятий,
создание единой замкнутой логической и семантической схемы. В противном
122
случае область знаний не может быть представлена в виде отдельного
структурного элемента, структурного узла (СУ) и возникнут трудности при
изучении понятий и умений.
Интернет – пространство есть виртуальное отображение пространства
знаний. Главной задачей организации дистанционного обучения является
максимальное использование интернет ресурсов . Для этого необходима
технология.
Технология структурного анализа интернет – пространства и
выделение отдельных областей знаний и является способом составления
курсов ДО. Срезы информационных ресурсов интернета представляют
области знаний. А структура области знаний представляет характер
организации дистанционного обучения и составления информационных
модулей (понятий) в логическую и семантическую структуру курса ДО.
Моделирование знаний
Изменение формы представления информации не решает проблемы
поиска и извлечения информации из технического устройства (компьютера).
Для более успешного решения данной проблемы необходимо смоделировать
знания и отобразить их в той модели, которая бы адекватно отвечала
требованием предметной области. Вопросами моделирования знаний
занимается отдельная дисциплина – инженерия знаний. Специалиста, чьи
знания и опыт извлекаются называют экспертом, а специалиста, который
занимается моделированием – инженером по знаниям. Инженер по знаниям
создает модель знаний в виде структуры, воспринимаемой компьютером.
Существующие модели представления знаний
Продукционная модель – модель знаний, основанная на правилах.
Семантические сети – модель знаний, основанная на отношениях различного
типа между абстрактными и конкретными объектами. Фреймы – модель
знаний, основанная на формировании абстрактных образов и отношений
между ними. Логические модели – это модели знаний, основанные на
формальной логике.
Продукционная модель представления знаний выглядит в виде набора
правил, определяющих условия выполнения определенных действий при
соблюдении конкретных правил. Данные модели чаще всего применяются
при программном моделировании конкретных процессов.
Семантическая сеть. Любые объекты, будь то понятия, физические
либо абстрактные объекты, будучи связаны между собой, образуют систему
отношений, при которых один объект выражается через другой посредством
определенной связи.
Фреймы. Если объекты иерархичны (например, части объекта и части
этих частей), то более естественно эту иерархичность отразить в
соответствующем способе представления знаний. Одним из этих способов
является представление знаний в виде конструкции, названной фрейм.
Конструкция эта состоит из иерархической структуры данных, описывающей
123
определенный класс объектов (процессов, ситуаций и т.п.) с указанием
связей между элементами структуры.
Логические методы (предикаты). Формальные логические
методы применимы в случаях, когда модель знаний описывается
определенным набором аксиом. Данный метод обладает очевидными
преимуществами в виде логической целостности, очевидности, ясности,
возможностью четкого контроля. Однако, подобные модели достаточно
трудно структурировать и при большом количестве формул модель очень
медленно работает.
Структуирование знаний
Структуирование знаний – процесс анализа знаний данной предметной
области и синтеза в структуры, не зависящие от программной реализации.
Программная реализация – модельное представление знаний в
программной оболочке, предназначенной для работы с компьютером.
Понятие – обобщение предметов некоторого класса по их
специфическим признакам.
Структуирование знаний предполагает следующий процесс.
Представление знаний в сознании носителя знаний данной предметной
области. Далее формализация знаний в виде алгоритмов. Далее
формализированное представление знаний на специальных языках
программирования. Размещение данных в структуированном виде в памяти
компьютера.
Таким образом, конечным результатом структуирования знаний
является переход от представления знаний в сознании носителя в память
компьютера.
Методология структуирования знаний предполагает следующие
обязательные элементы:
1. Абстрагирование – выявление наиболее важных сущностей
предметной области
2. Иерархия – взаимозависимость абстракций
3. Выделение типов классов абстракций с условием наследования
4. Модульность – разбиение области знаний на модули
5. Легкость в восприятии
6. Системность – четкая взаимосвязь между понятиями
7. Формализация – создание формального языка (правил)
оперирования с абстракциями
Этапы структуирования знаний:
1) Определение входных и выходных данных (определение тех
данных, которые будут использоваться в конкретном модуле).
2) Составление словаря терминов. В словаре содержится перечень
определений и понятий данной области знаний, без которых невозможно
более полное понимание данной области знаний.
3) Выявление объектов и понятий. Выявление интенсионал и
экстенсионала понятия. (Интенсионал раскрывает сущность понятия в
124
пространстве понятий классов через взаимосвязь между наиболее общими
признаками классов. Экстенсионал раскрывает сущность понятия через его
внутреннюю структуру).
4) Методы выявления понятий могут быть разделены на логико-
математическую систему классификации, на нематимизированные структуры
областей знаний. Выявление связей между понятиями. Существует два типа
связей: формальные, неформальные. Формальные методы выявления связей
очевидны и могут быть определены на основе формального языка данной
предметной области (например - математика). Неформальные отношения
выявляются в результате определения неявных связей между понятиями
данной предметной области. После того, как определены понятия и связи
между понятиями, они могут быть сгруппированы в метапонятия.
5) Процесс образования метапонятий происходит путем
группировки нескольких понятий в одно, имеющее общее название для всех.
(Например, дом – крыша. Фундамент, стены).
6) Построение пирамиды знаний предполагает построение
иерархичной структуры понятий, в которой по мере расширения уровня
абстракций происходит углубление знаний в данной предметной области.
Структуирование и моделирование знаний для средств
дистанционного образования
Представление информации для средств дистанционного образования
может быть реализовано в виде кросс-сетей.
Кросс-сети – это разновидность семантических сетей, в которых
объекты связаны между собой ограниченным числом формальных связей.
При организации системы дистанционного обучения может быть
использована любая из вышеперечисленных моделей пердставления знаний
(семантическая сеть, фреймовая сеть, логическая сеть, продукционная сеть).
Однако, как правило, курсы дистанционного обучения размещаются в
интернете в виде отдельных кусков информации (файлов), аналогичных
книжному варианту – когда одна глава следует за другой в хронологическом
порядке. Каждая глава состоит из участков текстовой информации (часто
даже без гиперссылок внутри текста) и, в редком случае - иллюстративного
материала.
Подобный способ представления информации, конечно, может быть
использован в качестве курса дистанционного обучения, однако в этом
случае в полной мере не будут использованы все возможности
компьютерного обучения, не будут учтены все особенности восприятия и
представления информации посредством компьютерных технологий.
Так, экран компьютера имеет ограниченный размер. Большие блоки
информации не могут занимать всю площадь экрана и возникает
необходимость перемещения по тексту с помощью «мышки», либо других
способов. Информативность представленных таким образом текстов
теряется.
125
При использовании гиперссылок последовательность размещения
файлов (как аналог страниц в книге или журнале) перестает быть актуальной,
следовательно, возникает иной хронологический механизм представления
информации.
Согласно психологическим исследованиям, человеческий мозг
наиболее эффективно воспринимает до 7 сюжетов (единиц информации).
Данный факт установлен американскими учеными Ингве и Миллером.
Следовательно, при формировании больших текстовых модулей возникает
проблема эффективности запоминания и восприятия представленной
информации.
Исходя из этих и других особенностей компьютерного представления
информации, возникают следующие требования к курсам ДО :
- краткость
- емкость
- интерактивность
- модульность
- структурность
Использование различных интеллектуальных систем, применение
которых могло бы исключить все недостатки, присущие механическому
переносу текстовой информации с бумажного носителя на электронный,
представляет собой достаточно трудоемкий процесс, требующий создания
так называемых экспертных систем в той или иной предметной области и
привлечения высококвалифицированных специалистов в области инженерии
знаний, программирования и применения соответствующего уровня
программного обеспечения.
Для размещения учебного материала предлагается способ
структурирования, который условно можно назвать кросс-сети.
Понятие кросс-сеть является производным от слова кроссворд. Любой
кроссворд составлен по простому принципу - слова, размещенные на поле
кроссворда связаны лишь одним формальным признаком – пересекающиеся
слова должны иметь общую букву. Таким образом, на основе лишь одного
формального признака формируется целая сеть. Кроссворд – это
элементарный представитель кросс-сетей.
Правила составления кросс-сетей:
1. Выделяем в предметной области пространство объектов и
пространство классов.
2. В пространстве объектов ограничиваем количество связей между
объектами.
3. Выстраиваем между объектами жесткие структурные связи.
4. Определяем каждый объект через его интенсионал (через классы
других объектов).
5. Выстраиваем сеть в виде структурных узлов.
Подобный способ вычленения объектов (понятий) характерен для
способа восприятия информации человеческим мозгом и сохранения им
информации: «В дальнейшем когнитивные психологи разграничили два типа
126
долговременной памяти — эпизодическую (образную) и семантическую.
Эпизодическая память позволяет извлечь информацию об отдельных
событиях, вспомнить и сознательно воспроизвести во временной
последовательности образы конкретных лиц, объектов и действий. Со своей
стороны семантическая память (тесно взаимодействующая с эпизодической)
воссоздает смысл (значение) в форме одновременного представления и
переживания взаимосвязанных понятий».
Способ представления знаний в виде кросс–сетей несколько упрощает
задачу структурирования знаний за счет четкого ограничения и
формализации связей между структурными узлами. Изначально структурные
узлы делятся на категории. Структурным узлам присваиваются формальные
имена (с целью стандартизации процесса).
Критерии оценки эффективности структурирования
Общие требования
При создании курса дистанционного образования возникают вопросы
объективных критериев структурирования.
Один автор представляет материал в виде сплошного текста, другой – в
виде теста с большим количеством ссылок, третий представляет хорошо
проструктурированный материал, но не используя возможности
гиперссылок.
Схема для оценки эффективности структурирования:
1. Симметричность
2. Динамика
3. Статистика (количество понятий)
4. Наличие обязательных системных узлов
Для каждой области знаний существуют определенные научные
нормы, которые устанавливает специалист в данной области знаний. Однако
существуют общие для всех областей знаний критерии оценки с точки зрения
структурирования материала.
Оценка симметричности
Оценка симметричности схемы основывается на том, что количество
понятий и количество умений в равных категориях понятий и умений
(структурный узел одной категории) должны примерно совпадать. Если
возникает ассиметтрия, то получается, что, либо количество полученных
знаний не обеспечивает соответствующие умения, либо полученные умения
не подкреплены соответствующей теоретической базой. В качестве умения
при рассмотрении теоретического материала может выступать умение
воспроизводить (понимать) представленный материал и соответствующие
теоретические материалы должны быть подкреплены соответствующим
количеством заданий. То есть каждый структурный узел обязан содержать
контрольное задание, проверяющее способность обучаемого воспроизвести
127
материал, либо решить задачу с помощью представленного теоретического
(методического) материала).
Оценка динамичности
Динамика роста структурных узлов для разных схем структурирования
выглядит по разному, однако всегда должна быть положительной. Особое
место занимает принцип последовательных ступеней, где вопрос динамики
рассматривается отдельно.
Статистика структурных узлов и связей
Статистика структурных узлов и связей предполагает общее
количество структурных узлов, применяемых при данной схеме
структурирования области знаний. Однозначно невозможно установить
четкую объективную связь между количеством структурных узлов данной
области знаний и сложностью и полнотой курса обучения, основанного на
данной области знаний. Математические области знаний имеют значительно
большее количество структурных узлов, чем гуманитарные, однако
гуманитарные имеют большую емкость содержания. Можно сделать
предположение, что чем больше количество структурных узлов области
знаний, тем более полное структурирование произведено автором. Но
конкретное количество структурных узлов, ниже которого обучение
становится неэффективным и ненаучным должен определять конкретный
специалист в конкретной области знаний.
Другим моментом статистики является количество установленных
связей между данным количеством структурных узлов. Этот показатель
может быть более объективным и будет важно именно удельное количество
связей, то есть количество связей, приходящееся на один структурный узел.
При подсчете данной статистики можно учитывать не только основные, но и
перекрестные связи.
Обязательные структурные узлы
Количество структурных узлов в пределах одной категории должно
быть не менее, чем количество обязательных структурных узлов данной
категории. В противном случае курс не считается проструктурированным.
Определение обязательных структурных узлов входит в обязанность самого
разработчика курса обучения, исходя из специфики области знаний, в
которой он является специалистом. Важным моментом является масштаб
проведенного структурирования области знаний. Оптимальным масштабом
будет являться структура с количеством структурных узлов,
соответствующему количеству обязательных структурных узлов разных
категорий всей области знаний.
Изложение учебного материала
128
Принципы изложения материала
Принципы изложения учебного материала в условиях компьютерного
обучения приобретает все большее значение по мере того как возрастают
возможности компьютера в предъявлении и интерпретации разных типов
разнообразной информации и углубляется понимание наиболее
рационального использования мультимедийного предъявления информации.
Современный компьютер обладает большими возможностями в
применении разнообразных типов информации. Это и текст, и чертежи, и
графика, и анимация, и видео изображения, и звук, и музыкальное
сопровождение. Эффективное использование различных типов предъявления
информации с учетом психологических особенностей ее переработки
позволяет значительно повысить эффективность учебного процесса.
Нередки примеры, когда разработчики обучающих программ
механически переносят способ расположения текста на экран монитора,
пренебрегают закономерностями психологии восприятия текста и рисунка,
задавая темп изменения изображения, не учитывают, что разные учащиеся
имеют неодинаковую смысловую скорость и требуют для переработки
информации различные временные интервалы.
В связи с этим, следует предоставить учащимся возможность самим
выбирать темп смены изображения, при этом учащийся должен иметь
возможность в любое время повторно вывести на экран любую необходимую
ему информацию.
При построении интерфейса обучающей системы необходимо
учитывать достижения теории дизайна. Это прежде всего касается таких
основных принципов теории живописи, как пропорция, порядок, акцент,
единство и равновесие.
Принцип пропорции касается соотношения между размерами объектов
и их размещением в пространстве. Организуя данные на экране дисплея,
необходимо стремиться к тому, чтобы логически связанные данные были
явно сгруппированы и отделены от других категорий данных.
Функциональные зоны на дисплее должны разделяться с помощью пробелов
и других средств: разные типы строк, ширина, уровень яркости,
геометрическая форма, цвет. Для сокращения времени поиска табличные
данные должны разделяться на блоки. Необходимо учитывать, что плоскость
теплых цветов обычно кажется больше, чем холодных. Разбиение на блоки,
использование пробелов, табуляции, ограничителей, а также варьирование
яркости цвета групп данных – важнейшие средства упорядочения
графической информации.
При размещении данных необходимо помнить о правиле «золотого
сечения», в соответствии с которым объекты, которые привлекают внимание,
лучше размещать в разных третях изображения, а не группировать в центре.
Порядок означает такую организацию объектов на экране дисплея,
которая учитывает движение глаза. Установлено, что глаз, привычный к
чтению, начинает движение обычно от левого верхнего угла и движется взад-
129
вперед по экрану к правому нижнему. Поэтому начальная точка восприятия
должна находиться в левом верхнем углу экрана, а списки для быстрого
просмотра должны быть подогнаны к левому полю и выровнены
вертикально.
Для облегчения восприятия разные классы информации должны
специально кодироваться. Так, связанные, но разнесенные по экрану данные
должны кодироваться одним цветом. Цвет можно использовать и для
выделения заголовков, новых данных или данных, на которые следует
немедленно обратить внимание. В целом организация данных на экране
должна облегчать нахождение подобий, различий, тенденций и соотношений.
Акцент – это принцип выделения наиболее важного объекта, который
должен быть воспринят в первую очередь. При соблюдении этого принципа
взгляд учащегося привлекается к зоне акцента. Для создания такого акцента
можно использовать разнообразные средства: размещение важных
сообщений в центре поля, отделение их от остальной информации
свободным пространством, применение яркого цвета.
Следует избегать излишних украшений, злоупотреблений цветом,
избыточного кодирования и большого объема вводимой информации.
Рекомендуется, например, использовать не более 90 % площади экрана.
Подсказки необходимо специально выделять с помощью цвета. Для
них желательно отвести определенную зону экрана.
Необходимо выделять критическую информацию, необычные данные,
элементы, требующие изменения, сообщения высокого приоритета, ошибки
ввода, предупреждения о последствиях команды и т.п. Для того чтобы
привлечь внимание учащихся к основному объекту, целесообразно
использовать цветовое пятно: самым ярким цветом изображается основной
объект, остальные его части – дополнительным. Если цветовая гамма
строится без учета психологии восприятия рисунка, это затрудняет
выделение главного, приводит к утомлению зрения.
Нужно учитывать, что светлые цвета на темном фоне кажутся
приближенными к зрителю, а темные на светлом – удаленными. В тех
случаях, когда речь идет об эвристических рекомендациях, цвет можно
согласовывать с обычным изображением: красный – запрет, зеленый –
рекомендация, желтый – предосторожность.
Принцип единства требует, чтобы элементы изображения выглядели
взаимосвязанными, правильно соотносились по размеру, форме, цвету. С
этой целью необходимо позаботиться об упорядочении организации данных.
Они могут быть организованы последовательно, функционально, по
значимости. При этом учащегося следует ознакомить с принципом
расположения данных.
Следует позаботиться о том, чтобы идентичные данные были
представлены унифицировано, а разноплановые – по-разному.
Для передачи разграничения нужно использовать контрастные цвета, а
для передачи подобия – похожие, но различные. Представление информации
должно быть унифицированным и логичным.
130