К  ВОПРОСУ  О  СОЗДАНИИ  КОМПЬЮТЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫХ  ОБУЧАЮЩИХ  СРЕД

Батаков  Борис  Леонидович

заведующий  лабораторией  ИТ,  ЧФ  ПНИПУ,  г.  Чайковский

E-mail:  Batakov_boris@mail.ru

В  настоящее  время  создание  компьютерно-информационной  обучающей  среды  (КИОС)  носит  исследовательский  характер,  поэтому  методологические  и  технологические  аспекты  конструирования  компьютерно-информационной  обучающей  среды  еще  слабо  проработаны.  Сложность  архитектуры  предполагает  участие  в  ее  создании  специалистов  различного  профиля,  поэтому  развитая  методология  должна  включать  методики  и  рекомендации  для  каждого  специалиста  и  устанавливать  способы  взаимодействия  между  ними.  Технология  должна  снабжать  их  специализированными  инструментальными  средствами.

Кроме  того,  трудности  при  формировании  КИОС,  как  показывает  анализ  многочисленных  работ,  объясняются  несовершенством  известных  методов  построения  обучающих  сред  и,  прежде  всего,  недостаточным  изучением  проблемы  получения  знаний.  Известный  американский  ученый  в  области  искусственного  интеллекта  Фейгенбаум  в  своей  работе  [3,  с.  18]  отмечает,  что  именно  эта  проблема  является  "узким  местом"  при  разработке  систем  искусственного  интеллекта.

Сложность  работы  по  созданию  КИОС  заключается  также  в  том,  что  знания  экспертов  трудно  представить  с  помощью  ЭВМ.  Поэтому  одна  из  основных  задач,  которая  стоит  перед  разработчиками  КС  -  это  нахождение  наиболее  оптимальных  способов  представления  знаний.  База  знаний  КИОС  должна  формироваться  на  основе  знаний  высококвалифицированного  специалиста  в  рассматриваемой  ПО,  владеющего  методикой  преподавания  своего  предмета.  При  формировании  базы  знаний  КИОС  необходимо  четко  структурировать  закладываемые  в  нее  знания.  База  знаний  должна  быть  полной  с  учетом  различных  форм  представления  знаний.  При  ее  формировании  следует  учитывать  форму  занятия,  на  котором  она  будет  использоваться,  другими  словами  знания  должны  быть  ориентированы  на  тип  разрабатываемой  КИОС  в  процессе  обучения  в  ВУЗе.

Из  представленных  к  настоящему  времени  моделей  архитектуры  экспертно-обучающих  систем  наиболее  полной,  на  наш  взгляд,  является  модель,  предложенная  Ибрагимовым  О.В.  и  Петрушиным  В.А.  [1,  с.  196;  2,  с.  21].  В  основе  данной  архитектуры  ЭОС  лежит  следующая  модель  процесса  обучения.  Имеется  цель  обучения,  выраженная  в  терминах  текущих  характеристик  обучаемого.  Пока  цель  не  достигнута,  действия  повторяются  в  следующей  последовательности:

·     на  основании  текущего  состояния  обучаемого  и  методики  обучения  генерируется  очередная  задача  (здесь  под  задачей  понимается  любая  информация,  требующая  ответных  действий  обучаемого);

·     ответ  обучаемого  сравнивается  с  эталонным  решением  и  на  основании  различий  производится  диагностика  ошибок  обучаемого;

·     по  результатам  диагностики  корректируются  текущие  характеристики  обучаемого.

Основываясь  на  данной  модели  процесса  обучения,  нами  была  разработана  архитектура  КИОС,  которую  можно  рассматривать  как  совокупность  трех  взаимодействующих  систем  (рис.  1):

·     КС  по  решению  задач  в  изучаемой  предметной  области;

·     КС  по  диагностике  ошибок  обучаемого;

·     КС  по  управлению  обучением.

Компьютерная  система  по  решению  задач  (КС  РЗ)  предназначена  для  выработки  эталонного  решения  задачи.

Компьютерная  система  по  диагностике  ошибок  студента  (КС  ДО)  предназначена  для  выявления  неправильных  представлений  обучаемого  об  изучаемой  предметной  области  на  основе  сравнения  его  ответа  с  эталоном.  Основное  назначение  КС  ДО  -  диагностика:  симптомы  выводятся  на  основании  различия  в  ответах  обучаемого  и  КС  РЗ,  а  результатами  являются  изменение  текущих  характеристик  обучаемого  (модели  обучаемого).

Компьютерная  система  по  управлению  процессом  учения  (КС  УУ)  представляет  собой  КС  по  планированию  в  ограничениях,  накладываемых  имеющимся  учебным  материалом. 

Рисунок  1.  Архитектура  компьютерно-информационной  обучающей  среды

Взаимодействие  КИОС  с  обучаемым  происходит  следующим  образом.  КС  УУ  формирует  в  соответствии  с  текущей  целью  очередное  задание  для  обучаемого,  которое  передается  одновременно  и  КС  РЗ.  Далее  КС  ДО  сравнивает  решение  обучаемого  с  решением,  полученным  КС  РЗ,  и  на  основании  различий  пытается  установить,  какие  неправильные  представления  обучаемого  о  предметной  области  (ПО)  могли  привести  к  расхождениям.  В  результате  диагностики  меняется  представление  КИОС  об  обучаемом  отраженное  в  модели  обучаемого,  и  управление  снова  получает  КС  УУ,  которая  уточняет  текущую  цель  и  формирует  новое  задание.  Взаимодействие  с  обучаемым  происходит  через  интерфейс,  который  может  содержать  средства  текстового,  графического  или  речевого  ввода-вывода,  лингвистический  процессор  и  т.п.  (Средства  взаимодействия:  учащегося  с  системой,  включая  средства  визуализации  изучаемых  объектов  и  процессов»  принято  объединять  под  названием  интерфейса).

Отличительной  особенностью  КИОС  от  традиционных  систем  обработки  информации  является  использование  нового  вида  информации  -  знаний.  Под  знаниями  понимают  любую  информацию  (в  том  числе  и  факты),  которая  хранится  в  системе  вне  зависимости  от  того,  решает  система  задачу  или  нет.

В  структуре  КИОС  можно  выделить  следующие  базы  знаний  (БЗ):  учебная  БЗ  для  данной  ПО;  модель  обучаемого;  БЗ  о  возможных  ошибках  обучаемого;  БЗ  о  процессе  обучения.

Учебная  база  знаний  (УБЗ)  описывает  не  только  основные  понятия  и  методы  решения  задач  в  ПО,  но  и  содержит  определения  понятий,  описания  методов,  примеры,  упражнения  и  задачи.  В  отличие  от  БЗ  КС  по  решению  задач  УБЗ  должна  явно  отражать  структуру  ПО  и  стратегические  знания  о  методах  решения  задач.  С  другой  стороны,  УБЗ  можно  рассматривать  как  представление  ограничений,  в  рамках  которых  КС  УУ  планирует  обучение.

Модель  обучаемого  содержит  информацию  о  состоянии  знаний  обучаемого:  как  общие,  интегрированные  характеристики,  так  и  те,  которые  отражают  усвоение  им  текущего  учебного  материала.  Первоначально  модель  обучаемого  формируется  во  время  предварительного  тестирования  обучаемого.  В  терминах  модели  обучаемого  выражается  цель  обучения.

База  знаний  об  ошибках  обучаемого  (БЗО)  содержит  каталог  возможных  ошибок  обучаемого  и  правила  выдвижения  и  проверки  гипотез  о  неправильных  представлениях  обучаемого,  приведших  к  данной  ошибке,  на  основе  различий  между  решениями,  предложенными  обучаемым  и  КС  РЗ,  а  также  текущего  состояния  модели  обучаемого.

База  знаний  о  процессе  обучения  (БЗ  ПО)  включает  в  себя  знания  о  планировании  и  организации  процесса  обучения,  общих  и  частных  методиках  обучения.

База  данных  в  КИОС  используется  для  хранения  сведений  об  обучаемых,  процессе  обучения.  В  ней  могут  содержаться  статистические  данные  и  временные  рабочие  наборы  данных.

Описанная  выше  структура  КИОС  направлена  на  решение,  в  основном,  информационных  вопросов.  Управление  учением  осуществляется  по  количественному  показателю  (количеству  правильных  ответов  или  количеству  усвоенных  элементов  знаний),  без  учета  уровня  усвоения,  что  отрицательно  сказывается  на  формировании  у  учащихся  общего  способа  решения  задач.

Чтобы  КИОС  осуществляла  обучение  учащихся,  ориентированное  на  формирование  общего  способа  решения,  необходимо  пересмотреть  структуру  управления  обучением.

Управление  учением  должно  носить  ступенчатый  характер.  Каждая  ступень  включает  диагностику  знаний  и  умений,  определенный  блок  информации,  диагностику  уровня  сформированности  принципа  решения  задач  данного  типа.  Блок  информации  содержит  ту  учебную  информацию,  которую  не  усвоил  студент  и  которая  необходима  для  усвоения  принципа  решения  задач.  Задачи  для  решения  предлагаются  в  порядке  возрастания  сложности.  Управление  деятельностью  по  решению  задач  должно  осуществляться  в  компьютерно-информационной  обучающей  среде  с  помощью  эвристических  средств,  которые  выбираются  из  соответствующих  баз  знаний.

Программа  обучения,  генерируемая  КИОС,  как  показало  изучение,  дает  учащимся  возможность  выполнять  действия  по  решению  задачи  путем  компьютерного  экспериментирования  и  введения  с  клавиатуры  каждого  шага  решения.

Усваивая  принцип  решения  задач  с  помощью  КС  РЗ  учащийся:  успешно  оценивает  свои  действия,  сравнивая  их  с  эталонными;  планирует  решение  задачи;  переносит  найденный  при  решении  предыдущей  задачи  способ  решения  на  данную  задачу,  чем  достигается  ускорение  процесса  обучения.

Особенно  следует  подчеркнуть,  что  составление  задач  по  заданной  на  компьютере  физической  ситуации  облегчает  анализ  самой  ситуации:  выделение  ее  существенных  элементов,  планирование  решения  составляемой  задачи,  выбор  и  оценку  заданных  величин.

Таким  образом,  компьютерно-информационные  обучающие  среды,  ориентированные  на  формирование  общего  способа  решения  задач,  оказывают  существенное  влияние  при  обучении  решению  задач.

Список  литературы:

1.Петрушин  В.А.  Экспертно–обучающие  системы.  –  Киев:  Наукова  думка,  1991.  –  296  с.

2.Петрушин  В.А.,  Ибрагимов  О.В.  Экспертно–обучающие  системы.  –  Киев:  ИК,  1989.  –  180  с.

3.Feigenbaum  A.  V.  Quality  and  Productivity  //  Quality  Progress.  -  1977.  -  Nov.  -  p.  356.