Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

программных продуктов является специализированными авторски-

ми разработками, отражая сложившиеся в конкретном учебном за-

ведении потребности практики обучения и субъективные взгляды

их создателей на методы компьютерного обучения.

В настоящее время многим техническим специальностям,

ориентированным на приобретение обучаемым не только знаний,

но и на формирование у него профессиональных навыков и уме-

ний, необходима ИКОС, объединяющая процессы обучения и

тренинга. Поэтому на сегодняшний день актуальной задачей явля-

ется создание ИКОС, обладающей следующими свойствами:

 объединенными процессами обучения и тренинга, что по-

зволит осуществить комплексный подход к организации процесса

обучения, передавать обучаемому профессиональные знания, а

также формировать у него навыки и умения;

 обоснованной методологией обучения, позволяющей эф-

фективно передавать профессиональные знания, формировать на-

выки и умения;

 открытой архитектурой, что позволяет расширять, модер-

низировать и масштабировать ее по мере необходимости.

1.5. Классификация ИКОС на основе теории

коммуникации

Очевидно, что развитие ИКОС на базе новых информацион-

ных технологий должно естественным образом опираться на прак-

тику существующих результатов в области разработки электрон-

ных средств обучения [15]. При этом необходимо однозначное

понимание места каждой системы в наборе средств электронного

обучения. Добиться этого возможно, только четко сформулировав

принципы классификации ИКОС.

По определению классификация означает систематизацию

элементов множества каких-либо объектов на основании ряда при-

знаков и критериев, позволяющих объединить подмножества этих

объектов в общие понятия. Научно обоснованная классификация

ИКОС должна содействовать четкому определению места каждой

учебной системы в их общей совокупности и создавать эффек-

тивные возможности для выбора и создания средств электронного

обучения.

В настоящее время существуют различные подходы к клас-

сификации обучающих компьютерных программ, но единого мне-

ния и соответственно общей классификации нет. Исторически пер-

выми попытками систематизации компьютерных средств обучения

были классификации, основанные на анализе внешних признаков

систем обучения – формы подачи учебного материала, структуры

программной системы и процесса обучения. Как следствие, по-

пытка авторов классифицировать свою разработку с подобной

точки зрения часто сводится к анализу ее новых компонентов и

построению на этой основе очередного класса автоматизирован-

ных обучающих систем.

Другие подходы к систематизации учебных систем основаны

на привлечении методов классификации, уже зарекомендовавших

себя в других областях. Так, например, используется богатый ин-

струментарий классификационных признаков из теории систем

или теории алгоритмов. Это позволяет определить место сущест-

вующих ИКОС в общем ряду информационных компьютерных

средств [1619].

Рассмотренные подходы к анализу и классификации ИКОС

можно объединить и условно назвать «инженерным», так как в ос-

новном его используют разработчики математического и про-

граммного обеспечения систем автоматизированного обучения.

Параллельно с инженерным подходом существует другой,

который условно можно назвать «педагогическим», суть которого

основана на анализе процессов передачи знаний и усвоения ин-

формации обучаемым с точки зрения педагогики и психологии

[2024]. С точки зрения данного подхода системы могут быть под-

разделены на те, которые задействуют репродуктивные механизмы

восприятия и переработки информации человеком, связанные пре-

имущественно с запоминанием и последующим воспроизведением

определенных объемов данных, и те, которые ориентированы на

активизацию продуктивных способностей человека усваивать ин-

формацию и генерировать новые закономерности через деятель-

ность по решению задач.

Не отрицая теоретической корректности указанных подхо-

дов, следует отметить, что с практической точки зрения использо-

вание существующих классификаций в значительной мере ориен-

тировано на анализ существующих систем и практически не дает

ответа на вопросы, возникающие на этапе разработки новых сис-

тем обучения и связанные с выбором структуры системы, формой

передаваемой информации, организацией процесса ее передачи,

оценкой успешности процесса обучения и целого ряда других.

Поэтому предложен подход к созданию классификации ИКОС, ба-

зирующийся на анализе процесса коммуникации системы обуче-

ния и обучаемого. Именно принципы организации этого процесса

определяют в конечном итоге все существенные аспекты построе-

ния конкретного средства электронного обучения.

Наличие двух субъектов процесса обучения позволяет про-

анализировать этот процесс с точки зрения теории коммуникации

[24, 25]. Учет коммуникативного аспекта в процессе современного

обучения становится все более важным по ряду причин.

В настоящее время уменьшается степень «обязательности»

обучения и система образования становится все более ориентиро-

ванной на мотивированное желание учиться и повышать свой об-

разовательный и квалификационный уровень. В результате проис-

ходит смещение акцентов с традиционных преподавательских ме-

тодик, базирующихся на репродуктивных методах обучения и

предполагающих достаточно жесткое администрирование учебно-

го процесса, на методики, ориентированные на эффективное уп-

равление процессом обучения и предполагающие активное ис-

пользование продуктивных, деятельностных методов с вовлечени-

ем обучаемых в процесс получения ими новых знаний. Успеш-

ность решения этих задач предполагает ясное понимание целей и

возможностей всех участников процесса обучения. Как следствие,

эффективность обучения напрямую зависит от эффективности

коммуникативного процесса, субъектами которого являются пре-

подаватель и обучаемый.

Качественные изменения инструментария разработки ИКОС

предполагают разработку новых методических подходов к органи-

зации процессов подготовки специалистов в различных областях

знаний. С этой точки зрения автоматизированные системы обуче-

ния на базе современных вычислительных и телекоммуникацион-

ных средств рассматриваются как самостоятельные участники

процесса обучения. Построение этих систем становится невозмож-

ным без учета коммуникативных аспектов процесса передачи зна-

ний от информационной системы к обучаемому.

Сформулируем основные особенности процесса обучения

как коммуникативного процесса.

Необходимость обучения возникает при осознанном разли-

чии уровня знаний обучаемого и обучающего. В количественном

выражении это находит отражение в различных объемах информа-

ции, в качественном – способах ее организации и эффективности

использования для решения конкретных задач. С точки зрения

системного анализа это означает неэквивалентность, рассогласо-

ванность входов и выходов систем, которыми являются обучаемый

и обучающий; при полном их подобии отпадает необходимость

коммуникации и, следовательно, обучения.

Диалогизм процесса обучения находит свое выражение, во-

первых, в конкретной направленности, адресности передачи ин-

формации и, во-вторых, в контекстной значимости передаваемой

информации, имеющей смысл только в контексте той предметной

области, в которой происходит обучение.

Двусторонняя направленность информационных потоков в

ходе обучения. При этом информационные потоки, направленные

от обучающего, преимущественно содержат знания в конкретной

предметной области и управляющие сигналы. Информационные

потоки от обучаемого характеризуют в общем случае его реакцию

на организацию процесса обучения в целом, включая реакцию на

знания о предметной области, на построение процесса обучения и

на обучающего как субъекта взаимодействия. С этой точки зрения

анализ эффективности процесса обучения традиционно затруднен

в силу многофакторности реакции обучаемого.

Наличие процесса обучения приводит к необходимости вве-

дения понятия коммуникативного пространства обучения. Комму-

никативное пространство – это среда, в которой протекает инфор-

мационный обмен между коммуникантами. Целенаправленное фор-

мирование коммуникативного пространства позволяет управлять

процессом обучения и таким образом влиять на его результаты.

Научный подход к построению ИКОС предполагает создание

моделей процессов обучения, позволяющих исследовать эти про-

цессы еще на этапе разработки систем. Теория коммуникации по-

зволяет использовать широкий спектр моделей эффективного

взаимодействия субъектов коммуникации, уже зарекомендовав-

ших себя в различных областях человеческого знания.

На основе рассмотренных особенностей процесса обучения

как коммуникативного процесса разработана фасетная классифи-

кация ИКОС, обладающая следующими классификационными

признаками (рис. 7).

Роль ИКОС. Высокая степень самостоятельности ИКОС оп-

ределяет ее роль в организации процесса обучения как основную.

Если ИКОС является вспомогательным средством обучения, то

основная роль принадлежит педагогу, а ИКОС – вспомогательная.

Тип реакций обучаемого. Активный тип реакций соответст-

вует наиболее полному вовлечению обучаемого в процесс обуче-

ния, что необходимо при ориентированности системы обучения на

творческое развитие обучаемого. Пассивный тип реакций соответ-

ствует повествовательному характеру обучения, что оправданно в

случае необходимости передачи большого количества теоретиче-

ских знаний. Промежуточный тип реакций присутствует при про-

ведении тестового контроля, когда обучаемый является активным,

но не определяющим участником процесса обучения.

Тип реакций

обучаемого

Коммуникативная

стратегия

Вспомогательная

ИКОС

Активный

Пассивный

Промежуточный

тип реакции

Информирующая

Продуктивная

Оценочная

Информация

канала

Текст и

графика

Объект изучения

Описание

Физический

объект

Математ.

модель

Звук

Видео

Роль ИКОС

Основная

Рис. 7. Схема классификации ИКОС на основе теории коммуникации

Объект изучения. Наиболее полная форма представления

объекта изучения дает обучаемому более глубокое понимание.

Информация канала коммуникации. Вид УИ в канале комму-

никации соответствует особенностям восприятия обучаемого. Про-

цесс обучения будет более эффективен, если учебная информация

будет соответствовать типу репрезентативной системы обучаемого.

Коммуникативная стратегия обучения должна соответство-

вать особенностям предметной области обучения. Так, информи-

рующая стратегия наиболее соответствует описанию существую-

щих фактов и закономерностей и носит повествовательный харак-

тер, продуктивная стратегия связана с описанием способов и про-

цедур решения задач. Оценочная коммуникативная стратегия, как

правило, является вспомогательной.

Таким образом, разработана классификация ИКОС, на основе

теории коммуникации, отличающаяся фасетной структурой, по-

зволяющей учесть основные аспекты процесса коммуникации обу-

чающей системы и обучаемого, что позволяет сделать выбор су-

ществующей или спроектировать новую ИКОС с организацией

процесса коммуникации, наиболее соответствующей условиям ее

применения.

2. Моделирование интеллектуальных

компьютерных обучающих систем

2.1. Сравнительный анализ методов моделирования

систем обучения

Рассмотрим возможные пути синтеза моделей обучаемого,

педагога, знаний и системы обучения в целом.

Проектирование учебного курса включает в себя следующие

составляющие:

 определение целей обучения;

 формирование содержания курса;

 назначение технологий преподавания и освоения содер-

жания;

 назначение технологий контроля (включая технологии са-

моконтроля) усвоения обучающимися учебного материала.

Неправильно спроектированный курс не сможет обеспечить

должное качество учебного процесса при самой блестящей его

реализации.

При моделировании процесса обучения следует, на наш

взгляд, подразделить модель обучаемого на следующие иерархи-

ческие уровни: модель специалиста, модель выпускника вуза и мо-

дель выпускника курса [33] .

Модель специалиста представляет собой:

– перечень умений специалиста как элементов его профес-

сиональной деятельности, структурированных до уровня отдель-

ных операций;

– перечень элементов знаний, т.е. модулей информации, ко-

торую специалист должен помнить, понимать и уметь преобразо-

вывать для реализации профессиональных умений;

– перечень и характеристику личностных, в том числе мо-

ральных качеств, которыми должен обладать специалист для ус-

пешной профессиональной деятельности.

На основе модели специалиста формируется модель выпуск-

ника вуза, представляющая собой совокупность умений и знаний,

которые должны быть сформированы у обучающихся в результате

освоения ими конкретной образовательной программы в вузе.

Модель выпускника вуза отличается от модели специалиста

меньшим составом умений, знаний и личных качеств, поскольку

часть их формируется у специалиста непосредственно в ходе про-

фессиональной деятельности, а также иным уровнем их сформиро-

ванности. Для обеспечения диагностичности степени достижения

целей обучения модель выпускника вуза должна содержать цели

как количественно определенные уровни сформированности уме-

ний и знаний.

На основе модели выпускника вуза должны формироваться

содержание и технология изучения образовательной программы.

Модель выпускника вуза декомпозируется на модели выпу-

скников отдельных учебных курсов (обучающихся, завершивших

обучение по данной учебной дисциплине).

Модель выпускника учебного курса представляет собой:

– перечень умений, структурированных до уровня отдель-

ных операций, с указанием уровней их сформированности;

– перечень элементов знаний, необходимых для реализации

умений, с указанием уровней их сформированности;

– перечень и характеристику личностных, в том числе мо-

ральных качеств, которыми должен обладать выпускник курса для

успешной реализации профессиональных умений и успешного

продолжения обучения.

Модель выпускника курса отличается от моделей специали-

ста и выпускника вуза меньшим набором умений, знаний и личных

качеств, а также тем, что часть перечисленных характеристик мо-

жет непосредственно не использоваться в профессиональной дея-

тельности специалиста, но необходима выпускнику курса для ус-

пешного продолжения процесса обучения (в том числе возможно-

сти освоения знаний, являющихся логическими последователями

знаний, сформированных у обучающегося в результате изучения

им данного курса).

На основе модели выпускника курса назначаются технологии

обучения соответствующим дисциплинам, включая и типы средств

контроля достигаемых в ходе и достигнутых в результате обучения

уровней сформированности знаний и умений.

Изложенный системный подход позволяет оптимизировать

образовательную программу, исключив необоснованное дублиро-

вание и нарушение логической взаимосвязи содержания состав-

ляющих ее дисциплин, а также судить о достигнутом качестве

обучения как о количественно выражаемой степени приближения

результатов обучения к эталонам, заданным моделями выпускника

вуза и выпускника учебного курса по каждой изученной дисцип-

лине. Другой, не менее сложной задачей является создание моде-

лей обучаемого.

2.2. Концептуальное моделирование информационных

систем

Известные приложения концептуального моделирования ин-

формационных систем (КМИС) разработаны для управления ком-

плексными экспериментальными исследованиями, проектными

разработками и многопроцессорными вычислительными и инфор-

мационными системами [92–96].

Существенные отличия КМИС от других описанных выше

подходов состоят в следующем:

– модель включает описание исполнительных средств, что

позволяет включить план реализации проекта в сферу формально-

го анализа модели и численно оценивать качество реализации;

– КМИС допускает типизацию как процессов, так и объек-

тов КМПО, тем самым значительно расширяя возможности фор-

мального исследования консистентности модели;

– предусмотрены такие методы синтеза, как выбор фрагмен-

та реализации, что создает основу для автоматизации формирова-

ния и сопоставления альтернативных сценариев реализации и,

главное, для комплексной автоматизации всех этапов моделирова-

ния в рамках единого подхода.

Концептуальная модель предметной области (КМПО) в рам-

ках технологии КМИС предназначена для представления знаний

об информационных объектах и процессах обработки знаний в

разрабатываемой вычислительной системе – системе обработки

информации.

Построение концептуальной модели соответствует переходу

от описательного представления знаний к их формальному пред-

ставлению на декларативном языке, допускающем единственную

интерпретацию. КМПО является декларативной, так как в ней

описываются состав, структура и отношения между объектами и

процессами, независимо от конкретного способа их реализации в

компьютере.

Концептуальная модель наряду с описанием структуры ин-

формационных объектов и процессов обработки информации, спо-

собов их взаимодействия отражает такие свойства, как принадлеж-

ность процесса или объекта к некоторому типу, количественные

характеристики объектов и процессов. В связи с этим, помимо де-

ления элементов модели на объекты и отношения между ними,

выделяется класс атрибутов (или свойств), вступающих с собст-

венно объектами модели (информационными объектами и процес-

сами) в бинарные отношения, описываемые функционально.

Таким образом, КМПО в технологии КМИС включает:

– множества элементов модели (объектов и процессов);

– отношения, задаваемые над множествами элементов мо-

дели;

– множества атрибутов объектов и отношений;

– множества функций (функциональных отношений между

информационными объектами, процессами и их атрибутами).

Первые два из перечисленных выше компонентов образуют

схему модели предметной области (далее везде, кроме специально

оговоренных случаев, под моделью предметной области понимает-

ся концептуальная модель), а последние два – модели атрибутов и

количественных характеристик, входящих в состав модели пред-

метной области (ПО).

Схемой концептуальной модели предметной области называ-

ется кортеж:

КМИС

= < P, O, Hp, Ho, In, Out, s >, (2.1)

где P = {p

} – множество процессов обработки информации;

O = {o

} – множество информационных объектов КМПО (данных);

, H

– отношения иерархии процессов и информационных объ-

ектов; In : P  B(O) – отношения «входные информационные объ-

екты процесса – процесс»; Out : P  B(O) – отношения «процесс –

выходные информационные объекты»; s – отношения следования

процессов.

Процесс – это некоторое преобразование (отображение)

входного подмножества объектов (данных) на другое их подмно-

жество, именуемое выходным. При построении КМПО процесс

рассматривается как декларативное представление задачи, реше-

ние которой возможно в данной предметной области, элемент опи-

сания причинно-следственных связей относительно производимо-

го в предметной области преобразования информации.

Понятие информационного объекта симметрично понятию

процесса. Информационные объекты используются при решении

задач, являются результатами их решения, порождаются процес-

сами обработки информации. Описания информационных объек-

тов так же, как и описания процессов, эволюционируют по мере

роста степени проработки концептуального проекта, в ходе кото-

рой первоначальное декларативное их определение становится все

более процедурным за счет задания для объектов модели призна-

ков типа, местонахождения в системе (привязки к конкретным ре-

сурсам – модулям хранения).

Описываемые в схеме модели предметной области отноше-

ния устанавливаются между некоторым процессом (объектом) и

некоторым подмножеством множеств P и O (элементом B(P), B(O),

где B() – булеан). Отношения иерархии H

, H

устанавливают со-

ответствие между отдельными процессами (объектами) и множе-

ствами подчиненных им процессов (объектов). Интерпретация

иерархических отношений зависит от их типа – атрибута отноше-

ния иерархии. Отношения иерархии представлены в форме функ-

циональных отображений, частично определенных на множест-

вах P и O, областями значений которых являются B(P) или B(O).

Последний компонент схемы КМПО – отношения следова-

ния, задающие частичный порядок выполнения процессов: