Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

Заданный набор отношений

определяет набор классов

эквивалентности

 

{ } .



(2.26)

Дискриминатор

-го уровня выбирает одного представителя

из множества вариантов алгоритмов

-го класса эквивалентно-

сти.

Пусть на некотором

-м уровне имеется

классов эквива-

лентности, смежных одному классу эквивалентности более высо-

кого уровня



. Классы эквивалентности

уровня

имеют

следующие множества своих представителей:

* * *

11 12 1

{ , ,..., },

..............................

z z z z

(2.27)

* * *

{ , ,..., },

N N NM

z z z z

где

– число представителей в

-м классе эквивалентности

-го уровня.

Процесс построения представителей некоторого

-го класса

эквивалентности (

– 1)-го уровня задается следующей процедурой:

1) выбирается один из возможных представителей каждого

класса эквивалентности

-гo уровня;

2) выполняется над представителями заданная операция



или



. Рассмотрим выполнение этой процедуры на примере.

Пусть имеется некоторый фрагмент дерева действий, адекватного

декомпозиции целевой задачи предметной области (рис. 11). Для

каждого уровня этого дерева запишем формулу управления про-

цессом обучения [72]:

1 2 3

;z z z z  

* * * *

1 2 3

: ( );A z z z z  

1 11 12

;z z z

2 21 22

;z z z

* * *

1 1 11 12

:;A z z z

* * *

2 2 21 22

:;A z z z

3 31 32

;z z z

* * *

3 3 31 32

:.A z z z

(2.28)

Рис. 11. Фрагмент дерева действий

Пусть исходный алфавит имеет следующий набор символов:

 

, , , , ,L A B C D E F

Пусть классы эквивалентности нижнего уровня в этом при-

мере имеют следующие наборы представителей:

11 11

( , , ), 3;z ABC CBA BAC M

12 12

( , ), 2;z ABCA ACA M

21 22

22 22

31 31

( , , ), 3;

( ), 1;

z DEF FDE FEA M

z FD ACF CBF M

z FCFA M



32 32

( , ), 2,z DECAF FCA M

(2.29)

где

– число представителей.

Пусть в результате селекции представителей для организа-

ции алгоритма обучения на нижнем уровне выбраны последние

цепочки. Тогда в соответствии с формулами построения алгорит-

мов более высокого уровня совокупная цепочка имеет вид

(( ) ( )).z BAC ACA FEA CBF FCFA FCA     

(2.30)

Определим количество представителей в классах эквива-

лентности на каждом уровне:

1 11 12 2 21 22

3 2 6; 3 3 9;M M M M M M         

3 31 32 1 2 3

1 2 2; 6 9 2 108.M M M M M M M           

(2.31)

В рассматриваемом примере получено, что один из вариан-

тов алгоритма обучения верхнего уровня реализуется с помощью

цепочки действия

, а всего существует 108 различных вариантов

алгоритмов обучения.

Определим общее число вариантов построения алгоритмов

управления обучением.

Поскольку число вариантов выбора представителей из каж-

дого класса на

-м уровне равно числу членов этого класса, коли-

чество представителей в классе эквивалентности

( 1)k



(

– 1)-го

уровня определится как произведение числа представителей каж-

дого класса

-го уровня, смежного с классом

( 1)k



... .

i N l

M M M M M





    



(2.32)

Двигаясь по дереву функциональной организации алгорит-

мов управления ИКОС (см. рис. 11) «снизу вверх», получаем, что

на нижнем уровне иерархии для каждого класса эквивалентности

число вариантов выбора элементов алгоритма управления рав-

но количеству представителей в данном классе эквивалентности.

Для каждого класса

( 1)j



более высокого (

–1) уровня число аль-

тернатив выбора вариантов построения алгоритма существенно

больше и определяется произведением числа вариантов выбора в

классах уровня (

), смежных с классом

( 1)j



Общее число альтернатив выбора варианта организации ал-

горитма управления в многоуровневой системе автоматизирован-

ного обучения определяется произведением числа альтернатив вы-

бора вариантов по всем классам эквивалентных действий нижнего

уровня иерархии:





(2.33)

где

– число альтернатив выбора вариантов в

-м классе экви-

валентности нижнего уровня;

– число классов эквивалентности

нижнего уровня. Для оценки числа альтернатив выбора вариантов

организации алгоритмов на верхнем уровне иерархии предполо-

жим, что в каждом классе эквивалентности нижнего уровня имеет-

ся одинаковое число представителей, равное

, а число таких

классов равно

. Тогда общее число вариантов выбора алгоритма

обучения для многоуровневой системы будет равно

MR

; для

= 10 и

= 6 получаем 106 различных реализаций процесса

обучения.

Таким образом, алгоритм управления в сложной многоуров-

невой автоматизированной системе управления ИКОС можно реа-

лизовать довольно большим числом вариантов. Выбор варианта

управления в ИКОС основан на получении Парето-оптимального

решения.

Процесс обучения будем представлять как преобразование

множества знаний эксперта предметной области Р во множество

новых знаний в голове обучаемого В (рис. 12), полученное на ос-

нове имеющихся знаний о предметной области. Обозначим эту

группу преобразований через F. Задача формулируется таким об-

разом: надо найти неизвестную группу преобразований F, изо-

морфно переводящую множество Р во множество В.

Р – множество, определяющее

знания обучаемого

В – множество новых знаний,

полученных на основе имеющихся

Рис. 12. Группа преобразований при обучении

Вид этого преобразователя не известен. Однако именно в за-

дании оптимального преобразования F заключается умение педа-

гога построить индивидуальный процесс обучения.

Разработка стратегий автоматизированного обучения непо-

средственно связана с разработкой методик традиционного обуче-

ния. Опытный педагог в зависимости от индивидуальности обу-

чаемого может выбрать адекватную реакцию, т.е. указать и разъ-

яснить ошибку, напомнить аналогичную задачу, предложить более

простую задачу, решение которой поможет обучаемому найти

ошибку, вернуться к доучиванию или продолжить диалог для вы-

яснения сути ошибки.

Нами в структуру ИКОС заложена стратегия обучения

(управления), которую можно рассматривать как оптимальный

путь достижения цели (стратегию должен задавать учитель, либо

она автоматически вырабатывается в самой системе обучения). За-

данная стратегия управления суть системы обучающих (управ-

ляющих) процедур, выполняемых последовательно или парал-

лельно, описываемых системой примитивов, связанных некоторы-

ми отношениями подчиненности, иерархичности и т.п. В этом слу-

чае имеем объективно лучшую стратегию поступательного движе-

ния в области создания базы знаний обучаемого.

2.5. Структурная модель ИКОС

с внешним объектом исследования

Создание ИКОС, способной эффективно передавать знания,

формировать умения и навыки современного специалиста, требует

обязательной проработки методологической основы организации

процесса обучения.

Педагогическая психология как отрасль психологической

науки возникла во второй половине XIX в. Ее развитие шло в не-

разрывной связи с развитием психологии в целом и определялось

прежде всего теоретико-методологическими основами последней.

В настоящее время психологическая наука развивается по не-

скольким принципиально разным теоретическим направлениям.

В области педагогической психологии следует остановиться на

следующих типах теорий учения [26–28]:

 ассоциативно-рефлекторная теория обучения;

 теория поэтапного формирования умственных действий и

понятий;

 теория проблемно-деятельностного обучения;

 теория содержательного обобщения В. В. Давыдова,

Д. Б. Эльконина (развивающее обучение);

 бихевиористская теория научения;

 гештальттеория усвоения.

Современное состояние психологической науки может быть

охарактеризовано как сосуществование различных исследователь-

ских парадигм. Отличия между теориями определяются тем, как

понимается природа процесса учения, что в нем выделяется в ка-

честве предмета изучения, в каких единицах ведется анализ этого

процесса.

В рамках создания ИКОС, ориентированной на передачу

знаний, формирования навыков и умений, во многом зависящих от

познавательной активности обучаемых и накопления ими конкрет-

ных приемов и способов профессиональной деятельности, выбрана

теория поэтапного формирования умственных действий и поня-

тий [29], обладающая следующими достоинствами:

 ведет обучаемого самым коротким путем к достижению

учебной цели, что экономит время на поиск решения задачи и по-

зволяет алгоритмизировать мыслительную деятельность. Высокий

результат в обучении возможен, прежде всего, за счет четкого и

обобщенного показа образца: как нужно выполнять конкретные

действия;

 осуществляет жесткое управление процессом овладения

знаниями, своевременным исправлением ошибок, организацией

самоконтроля со стороны обучаемого по прохождению каждого

этапа освоения профессионального действия;

 четкая ориентировка в выполнении того или иного дейст-

вия способствует формированию у обучаемых уверенности в своих

силах, что особенно важно для тех учеников, которые теряются в

обычных условиях и не могут справиться с решением учебных

задач;

 определяет основные средства обучения для каждого эта-

па, что позволяет сформировать полный набор СО для ИКОС.

Основными положениями теории поэтапного формирования

умственных действий и понятий являются:

1. Идея о принципиальной общности строения внутренней и

внешней деятельности человека. Умственное развитие, как и ус-

воение знаний, навыков, умений, происходит поэтапным перехо-

дом «материальной» (внешней) деятельности во внутренний, ум-

ственный план. В результате такого перехода внешние действия с

внешними предметами преобразуются в умственные. При этом они

подвергаются обобщению, вербализуются, сокращаются, стано-

вятся готовыми к дальнейшему развитию, которое может превы-

шать возможности внешней деятельности.

2. Всякое действие представляет собой сложную систему, со-

стоящую из нескольких частей:

 ориентировочной (управляющей);

 исполнительной (рабочей);

 контрольно-ориентировочной.

Ориентировочная часть действия обеспечивает отражение

всех условий, необходимых для успешного выполнения данного

действия. Исполнительная часть осуществляет заданные преобра-

зования в объекте действия. Контролирующая часть отслеживает

ход выполнения действия и при необходимости обеспечивает кор-

рекцию как ориентировочной, так и исполнительной части дейст-

вия. В различных действиях все перечисленные части обязательно

присутствуют и имеют различный удельный вес.

3. Качество приобретаемых знаний, навыков и умений, поня-

тий, развитие умственных способностей, зависящее от правильно-

сти создания ориентировочной основы деятельности (ООД).

ООД – текстуально или графически оформленная модель изучае-

мого действия и система условий его успешного выполнения.

Примером наиболее простой ООД являются инструкция по экс-

плуатации какого-либо прибора, операционная карта и т.д. Выде-

ляют несколько типов ориентировочной основы.

Первый тип характеризуется неполной ООД. В ней указыва-

ется лишь исполнительная часть решения и образец конечного ре-

зультата действия. Например: провести настройку режима работы

усилительного каскада. При этом сам путь достижения результата

(технология настройки) не указывается. Обучаемые самостоятель-

но методом проб и ошибок настраивают режим работы усилитель-

ного каскада. Усвоение порядка и правильности настройки приоб-

ретает затяжной, неосознаваемый характер и может найти приме-

нение только при решении аналогичных задач.

Второй тип ООД включает в себя все необходимые для вы-

полнения действия ориентиры. В отличие от приведенного выше

примера обучаемым точно указывается, что и в какой последова-

тельности нужно задействовать, чтобы настроить работы усили-

тельного каскада в заданном режиме. Это значительно сокращает

время на обучение и достижение нужного результата, однако спо-

собствует формированию стереотипных действий, которые в изме-

нившихся условиях не будут давать соответствующего эффекта.

Третий тип ООД отличается тем, что в нем все ориентиры

деятельности представлены в обобщенном виде, характерном для

целого класса явлений. Такой тип ООД иногда называют инвари-

антным, поскольку он отражает всю сущность профессиональной

деятельности и ориентирует в наиболее общем способе решения

профессиональных задач. Пользуясь таким типом ориентировоч-

ной основы деятельности, обучающийся самостоятельно создает

более частную ООД для выполнения конкретного действия, тем

самым учится применять наиболее общие методы профессиональ-

ной деятельности к решению частных учебных и практических за-

дач. В рамках инвариантной ООД обучаемому предоставляется

возможность проявить творчество, инициативу, нестандартный

подход к выполнению учебного действия.

4. Рассматривая процесс усвоения знаний как учебно-позна-

вательную деятельность обучаемого, которая осуществляется в ви-

де четко различимых по форме действий (материальная, речевая,

умственная), состоящих из психических операций в каждом упраж-

нении и следующих друг за другом в строго определенной последо-

вательности и системе, процесс обучения разбит на ряд этапов, каж-

дый из которых предназначен для решения конкретной дидактиче-

ской задачи по формированию определенного навыка [30].

Высокий уровень развития современных компьютерных тех-

нологий делает необходимым переработку этапов формирования

профессиональных навыков с точки зрения применяемости средств

обучения. Так, современные компьютеры, обладая богатым набо-

ром мультимедийных компонентов, успешно заменяют обычные

доски и плакаты, демонстрируют учебный видео- и аудиома-

териал. Это дает возможность реализовать начальный этап обуче-

ния с помощью мультимедийных СО.

Рассмотрим особенности формирования и отработки навыков

действий с помощью тренажеров. В зависимости от решаемых за-

дач тренажеры можно разделить на четыре группы:

1) функциональные тренажеры (ФТ), предназначенные для

формирования наиболее простых и завершенных навыков работы с

определенным устройством, органом управления и/или индикации;

2) процедурные тренажеры (ПТ), предназначенные для

формирования навыков индивидуальных действий по управлению

определенным технологическим процессом в штатных, нештатных

или аварийных ситуациях;

3) комплексные тренажеры, предназначенные для отработ-

ки навыков сложных действий в составе одной бригады в различ-

ных ситуациях;

4) групповые тренажеры, предназначенные для отработки

взаимодействия нескольких подразделений (групп, бригад, отде-

лов и т.д.) в различных ситуациях.

Применение комплексных и групповых тренажеров ориенти-

ровано на отработку навыков сложных действий в составе одной

бригады или взаимодействия нескольких подразделений. Таким

образом, для рассматриваемой ИКОС актуально применение толь-

ко функциональных и процедурных тренажеров.

Навыки базируются на знаниях, полученных на этапе теоре-

тического обучения, но формируются в основном на тренаже-

рах [31]. Процесс формирования знаний и навыков требует единой

стратегии управления и контроля, поэтому программные средства

обучения и тренажеры нужно рассматривать не как самостоятель-

ные обучающие единицы, а как части единой ИКОС. Исходя из это-

го, в табл. 4 представлены этапы формирования профессиональных

навыков и используемые СО, реализованные в данной ИКОС.

Выделение этапов формирования профессиональных навы-

ков с точки зрения применяемости СО позволило выделить сле-

дующие средства, необходимые ИКОС для эффективной передачи

знаний, формирования умений и навыков: мультимедиа средства,

функциональные и процедурные тренажеры.

Таблица 4

Этапы формирования профессиональных навыков в ИКОС

Название

этапа

Основные задачи

этапа

Объект

изучения

Средства

обучения

1. Начальный

Мотивация, целепола-

гание, общая ориенти-

ровка

Описание

Мультимедиа

средства под

управлением

ИКОС

2. Ключевой

Передача теоретических

знаний (создание схемы

ориентировочной

основы действий)

3. Материальный

Формирование навыков

практических действий

Физический

объект

Функциональные

тренажеры

под управлением

ИКОС

4. Речевой

Умения решать

стандартные производ-

ственные задачи

Модель

Процедурные

тренажеры

под управлением

100

5. Умственный

Умения решать нестан-

дартные производст-

венные задачи

ИКОС

В качестве примера ФТ рассмотрим использование АЛК.

Достоинством такого процесса обучения является то, что АЛК ис-

пользуется не только на стадии контроля полученных знаний, уме-

ний и навыков, но и на стадии объяснения изучаемого материала.

Информация о степени усвоения и закрепления обучаемым

изучаемых материалов, а также о приобретенных умений и навы-

ков, полученная с АЛК, используется ИКОС для более детальной

проработки сложных для понимания обучаемым вопросов и выра-

ботки эффективных стратегий дальнейшего представления учеб-

ного материала.

В качестве ПТ целесообразно использовать САПР, так как

именно они нужны для формирования навыков индивидуальных

действий по управлению сложными действиями (например управ-

ление определенным технологическим процессом в штатных, не-

штатных или аварийных ситуациях).

Таким образом, организация процесса обучения с помощью

ИКОС на основе теории поэтапного формирования умственных

действий и понятий позволяет эффективно объединять процессы

обучения и тренинга под управлением единой ИКОС, а также

сформировывать необходимый набор СО.

Использование результатов применения новых информаци-

онных технологий, теории коммуникации и методологии теории

поэтапного формирования умственных действий и понятий поз-

волило разработать структурную модель ИКОС с внешним ОИ

(рис. 13) [32].