Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

161

Вывод вопросов

среднего уровня

сложности

Уровень

сложности

Начало

Оценка

результатов

Оценка

результатов

Оценка

результатов

Вывод вопросов

высокого уровня

сложности

Вывод вопросов

низкого уровня

сложности

Уровень

сложности

Уровень

сложности

обучаемого

на первом

этапе

обучаемого

на втором

этапе

обучаемого

на третьем

этапе

Конец

Рис. 35. Разработанный алгоритм пирамидального тестирования

с блочной адаптацией

Таким образом, реализованная в ИКОС методика контроля

обучаемого на основе пирамидального тестирования с блочной

адаптацией позволяет корректировать процесс управления обуче-

нием, повышая его общую эффективность.

162

4. Взаимодействие ИКОС с внешним объектом

исследования

4.1. Моделирование знаний

в предметной области ИКОС

Сохранение и передача знаний особенно важны в связи с тем,

что во всем мире наблюдается снижение количества специалистов

среднего возраста, работающих в технических отраслях. В России

эта проблема наиболее остра, поэтому возрастает актуальность

быстрого и эффективного процесса передачи профессиональных

знаний, формирования умений и навыков [53–55].

Организация быстрого и эффективного процесса передачи

знаний требует проведения концептуального анализа характера

человеческого знания как специфического объекта передачи, осу-

ществляемой в процессе обучения.

Процесс обучения, в котором знания передаются напрямую от

эксперта, затруднен отсутствием у него педагогических навыков и

знаний методов дидактики. Педагог же знает, как правильно препо-

давать и эффективно использовать различные СО, но не всегда име-

ет достаточно знаний в нужной предметной области. Привлечение

высококвалифицированного специалиста, совмещающего знания

эксперта и педагога является выходом из этой ситуации, позволяя

организовать эффективный процесс передачи знаний (рис. 36).

Организация быстрого процесса передачи знаний достигает-

ся за счет применения ИКОС (рис. 36,б), обеспечивающих инди-

видуальный подход к каждому обучаемому, в то время как один

эксперт-педагог может обучать ограниченное число лиц.

При этом важной задачей является создание МПО, отра-

жающей специфику человеческого знания (эксперта), позволяю-

щей обучаемому овладеть ими в результате обучения.

С точки зрения ассоциативно рефлекторной концепции ус-

воения (И. П. Павлов, И. М. Сеченов) результатом обучения явля-

ются знания, навыки и умения, физиологической основой которых

выступают ассоциативные связи (ассоциации), возникающие в ко-

ре головного мозга обучающегося [56].

163

Обучаемый

Эксперт

Педагог

Средства

обучения

Обучаемый

Эксперт

Интерфейс

МПО

Система

управления

обучением

а)

б)

ИКОС

а) б)

Рис. 36. Схема процесса передачи знаний:

а) без участия ИКОС; б) с участием ИКОС

Наиболее распространенное определение знаний следующее:

знания – это проверенный общественно-исторической практикой и

удостоверенный логикой результат процесса познания действи-

тельности; адекватное ее отражение в сознании человека в виде

представлений, понятий, суждений, теорий. Знания фиксируются в

форме знаков естественного и искусственного языков [57].

Научное знание представляет собой систематизированные

обобщенные разряды знаний, формирование которых основано не

только на опытных, эмпирических, но и на теоретических формах

отражения мира и закономерностей его развития. В своих абст-

рактных формах научное знание не всем и не всегда доступно, по-

этому оно предполагает такие изменения формы его презентации,

которые обеспечивают адекватность его восприятия, понимания и

усвоения, т.е. учебное знание [58].

Таким образом, учебное знание является производным от на-

учного и в отличие от последнего есть познание уже известного

или познанного. Согласно В. И. Гинецинскому [59], учебное зна-

ние существует в трех формах:

164

 в форме учебной дисциплины;

 в виде учебного текста;

 в форме учебной задачи.

Знания составляют основу обучения. Знания являются осно-

вой нравственных убеждений, эстетических взглядов, мировоззре-

ния. Именно по ним у обучающихся формируются умения, навы-

ки, умственные и практические действия.

Соотношения между умениями и навыками не уточнены до

сих пор. Большинство психологов и педагогов считают, что уме-

ние – более высокая психологическая категория, чем навыки. Пе-

дагоги-практики придерживаются обратной точки зрения [60, 61].

Наиболее интересен, по мнению авторов, взгляд профессора

Е. П. Ильина, предполагающий динамику изменения умений.

«Когда человек читает книгу, контролируя смысловое и стилевое

содержание ее, то считывание букв и слов происходит автоматиче-

ски. Когда же он читает рукопись для выявления в ней опечаток,

то контроль направлен уже на восприятие букв и слов, а смысловая

сторона написанного уходит на второй план. Но в том и другом

случае человек умеет читать, и это умение у него доведено до

уровня навыка» [60].

Согласно труду С. Л. Рубинштейна «Основы общей психоло-

гии» [61], определения умений и навыков следующие.

Умение – это промежуточный этап овладения новым спосо-

бом действия, основанным на каком-либо правиле (знании) и соот-

ветствующим правильному использованию знания в процессе ре-

шения определенного класса задач, но еще не достигшего уровня

навыка. Умение обычно соотносят с уровнем, выражающимся на

начальном этапе в форме усвоенного знания (правила, теоремы,

определения и т.п.), которое понято учащимися и может быть про-

извольно воспроизведено.

Навыки – это автоматизированные компоненты сознательно-

го действия человека, которые вырабатываются в процессе его вы-

полнения. Навык возникает как сознательно автоматизируемое

действие и затем функционирует как автоматизированный способ

его выполнения. То, что данное действие стало навыком, означает,

что индивид в результате упражнения приобрел возможность осу-

ществлять данную операцию, не делая ее выполнение своей созна-

тельной целью.

165

Таким образом, совершая в процессе формирования способ-

ности какое-либо действие, оно выполняется с выделением про-

межуточных шагов, а значит, способность выполнять действие

вначале формируется как умение.

По мере тренировки и выполнения этого действия умение

совершенствуется, промежуточные шаги этого процесса перестают

осознаваться, действие выполняется полностью автоматизиро-

ванно – у обучаемого образуется навык в выполнении этого дейст-

вия, т.е. умение переходит в навык.

Если действие элементарное, то его выполнение формирует-

ся обычно как навык, например, навык письма, счета и т.д.

В случае когда действие сложное и его выполнение состоит

из большого числа промежуточных шагов, то при любом совер-

шенствовании действия оно может так и остаться умением, не пре-

вращаясь в навык.

Таким образом, если последовательность действий обучаемо-

го не доведена до автоматизма и в процессе решения задачи он об-

ращается к соответствующим правилам (декларативным знаниям),

то конечным результатом обучения является умение. В обратном

случае конечным результатом обучения является навык (рис. 37).

Умение/навык

Правила (знания)

(декларативная составляющая)

Последовательность действий

(процедурная составляющая)

Рис. 37. Структурная схема умения/навыка

Знание субъективно по форме своего существования, и по-

этому его нельзя механически передать «из головы в голову».

Именно своей субъективностью научное или учебное знание отли-

чается от научной или учебной информации, представляющей со-

бой объективную форму знания.

В идеале МПО в ИКОС должна использовать именно УИ,

вследствие ее объективности. На практике же знание МПО также

166

субъективно в силу принадлежности тому или иному носителю

знания, преподавателю, эксперту и т.д.

Отражением специфики научного знания специалиста, его

умений и навыков является учебное знание, формализованное

ИКОС в виде УИ МПО.

УИ предметной области – множество всех предметов, свойст-

ва которых и отношения между которыми рассматриваются в науч-

ной теории. Вследствие этого МПО представляет собой сложную

систему (рис. 38), имеющую элементы системы и связи между ними

(внутренние связи системы), а также связи между ними и внешней

средой. Сложные системы могут включать в себя в качестве под-

систем и многократно «вложенные» друг в друга сложные системы

следующих уровней предметной детализации рассматриваемого

объекта.

Т 1

Т 2

T n

F4 F5

МПО

СУБЗ

ИКОС

Рис. 38. Структурная схема сложной системы

Таким образом, при моделировании простых и сложных сис-

тем обнаруживаются два присущих этим типам систем способа ин-

теграции знаний о моделируемом объекте:

 в рамках отдельных предметных областей («по глубине»);

 в границах междисциплинарных проблемных областей

(«по широте»).

Если в первом случае необходимо организовать знания из

какой-то одной области науки или практики, то во втором случае

возникают проблемы выявления, отбора и объединения фрагмен-

167

тов знания, принадлежащего к качественно различным научным

дисциплинам или отраслям практической деятельности.

Научные дисциплины, имеющие различные фрагменты зна-

ния, обладают, как следствие, различным соотношением деклара-

тивной и процедурной компонент и требуют различного подхода к

организации процесса обучения.

Решением этой задачи является организация сложной МПО в

виде модели фреймов, узлами которой являются крупные, содер-

жательно завершенные фрагменты знаний (терминалы), объеди-

ненные семантическими связями. Кроме того, фреймовая модель

предоставления знаний отражает концептуальную основу органи-

зации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность [62].

Каждый фрейм сети имеет специальный слот, заполненный

наименованием сущности, которую он представляет. Другие слоты

заполнены значениями разнообразных атрибутов или процедура-

ми, ассоциирующимися с моделируемым объектом, тем самым со-

вмещая во фрейме декларативную и процедурную компоненты

знания.

Интеграция знаний о моделируемом объекте по глубине дос-

тигается за счет иерархической структуры терминалов, основанной

на степени абстрактности содержащихся в нем фреймов, в то вре-

мя как семантическая связь терминалов обеспечивает интеграцию

знаний о моделируемом объекте по ширине.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимство-

ванное из теории семантических сетей наследование свойств. По-

мимо экономии памяти, это свойство дает возможность неявно на-

следовать, т.е. переносить значения аналогичных слотов из фрей-

мов различных терминалов.

Организация учебной информации МПО с учетом процедур-

ной и декларативной составляющих в виде модели фреймов позво-

ляет организовать процесс хранения и передачи не только профес-

сиональных знаний эксперта, но также его умений и навыков.

4.2. Разработка понятийной модели

предметной области

Множества P и B в ИКОС представлены семантическими се-

тями, которые содержат учебные материалы данной предметной

области. Процесс обучения как перенос знаний в голову обучаемо-

го завершается при изоморфном отображении (взаимно однознач-

168

ном гомоморфном отображении, т.е. отображении, сохраняющем

операции) множества P в B. При этом начальное наполнение мно-

жества B фиксируется в персональной модели обучаемого в ходе

промежуточного контроля (тестирования).

Наиболее общим подходом к созданию моделей предметной

области, нашедшим практическое воплощение в существующих

экспертных системах, является абстрагирование от реального ми-

ра, выделение его существенных элементов и постулирование

взаимосвязей между ними. Рассмотрим базовые компоненты опи-

сания предметной области обучения, служащие основой для по-

строения смысловой модели данной предметной области и отра-

жавшие ее предметный и операционный аспекты.

Предметная область (ПО) в задачах обучения представлена

совокупностью учебных материалов (УМ), с которыми имеет дело

обучаемый. Для ее описания построим формальную систему абст-

рактных понятий (концептов), на основе анализа которой осущест-

вляются распознавание, обобщение и структурирование информа-

ции, создаваемой в системе обучения.

«Понятие» представляет собой фрагмент знаний, интерпре-

тированный в терминах естественного языка и представляющий

обобщенную модель класса учебных материалов предметной об-

ласти, в которой оперирует система обучения. Указанная модель

предназначена для выполнения операций распознавания и генера-

ции моделей конкретных квантов учебной информации предмет-

ной области.

В основе системы понятий лежат понятия учебного материа-

ла и свойства. Понятие «учебный материал» обозначает отдельный

квант учебной информации совокупности учебных материалов,

относящихся к предметной области. Понятие «свойство» опреде-

ляет характерную черту, особенность, внутренне присущую УМ и

влияющую на понимание и изучение.

Каждому конкретному свойству при обучении сопоставля-

ется множество его значений, которые могут быть представлены

одним из трех основных типов:

– метрические, позволяющие дать количественную оценку

тому или иному значению, а также проводить полное количест-

венное сравнение различных значений между собой, основанное

на измеримой базовой переменной;

– лингвистические, которые имеют качественный характер,

но при этом упорядочены друг относительно друга, образуя ранго-

169

вую (порядковую) шкалу с неизмеримой базовой переменной;

сравнение значений этого типа производится на основе нестрогой

ранжировки;

– бессистемные, т.е. не наделенные никакой структурой и

имеющие вид качественных описаний, характеризующих наличие

свойства у рассматриваемого учебного материала.

В практике автоматизированного обучения одно из цен-

тральных мест занимает понятие «обобщенное описание» учебных

материалов предметной области.

Определение. Обобщенное описание учебного материала

есть конечное множество его свойств

{ , ,..., }

Q q q q

, где

–

мощность множества.

Обобщенное описание предметной области (ПО) обучения

сводится к конкретному описанию ПО путем отображения

qz

, где

– множество значений свойства

С понятием описания учебного материала ПО тесно связано

понятие класса учебных материалов обучения.

Определение. Класс учебных материалов обучения с классо-

образущим свойством

qQ

есть понятие, характеризуемое кон-

кретным описанием

УМ ПО, таким:

...

x x x

Q Q Q  

; (4.1)

QQ

при

ij

, (4.2)

причем УМ каждого класса являются между собой эквивалентны-

ми по свойству

, т.е. неразличимыми.

Использование понятий описания УМ ПО и класса учебных

материалов ПО позволяет получить ряд важных практических ре-

зультатов при построении формальной системы понятий.

1. Конкретизация описаний УМ и образование классов.

Пусть задано обобщенное описание

некоторого класса

учебных материалов

{ , ,..., }

Q q q q

. (4.3)

Выделим в множестве

свойство

, по которому необхо-

димо конкретизировать заданное описание:

{ , },

x k x

Q q Q

kxx

qQQ 

(4.4)

170

В результате отображения свойства

в множество его зна-

чений

1 1 1 1 1

: , { ( )}, 1, ,

k i k

q z z z q i n   

где

– возможное количе-

ство значений

, получаем множество конкретизированных опи-

саний

{}

Qq

класса

по свойству

1 1 1 1

( ) { ( ), }, 1,

x k k x

Q q z q Q i n

, (4.5)

или, что то же самое, множество классов учебных материалов,

конкретизирующих класс

по свойству

Необходимо отметить, что

является обобщенным описа-

нием каждого из полученных классов учебных материалов.

Последовательно выделяя в

свойство

и осуществляя

отображение

: , { ( )},

j j j

q z z z q  

in

, (4.6)

где

– возможное количество значений

, получим

nnn 

конкретизированных описаний класса учебных материалов

по

свойствам

, ,...,

q q q

2. Идентификация УМ.

Пусть задано описание

( ,..., )

u k k

Q q q

УМ

, которое необ-

ходимо идентифицировать с одним из существующих классов

учебных материалов ПО

, характеризуемым описанием

),,(

qqQ 

. (4.7)

Очевидно, что УМ

относится к классу учебных материалов

в том и только в том случае, если совпадают

первых элемен-

тов кортежей значений классообразующих свойств описаний.

3. Определение сходства учебных материалов между собой.

Определение сходства (различия) учебных материалов со

своими описаниями основано на определении близости между

объектами в

-мерном пространстве свойств, имеющих конкрет-

ные значения. В зависимости от типа значений (количественные

или качественные) используются следующие характеристики

сходства (различия) учебных материалов [77]: