Интеллектуальные технологии в электронном образовании
Введение
Развитиесредств компьютерной поддержки процесса обучения и создания системдистанционного обучения, требует интеллектуализации всего процесса обучения,так как традиционные системы не в состоянии удовлетворить потребностей какобучаемых, так и преподавателей. Можно выделить три основных направленияинтеллектуализации учебного процесса, соответствующих трем уровням учебнойдеятельности.
1. Учебникии самообучение на уровне одной дисциплины
Задачейлюбой обучающей системы является предоставление пользователю информации обизучаемой дисциплине в понятном и наглядном виде. Решение этой задачи возлагаетсяна электронный учебник. В предположении, что обучаемый положительномотивирован, процесс обучения строится таким образом, чтобы предоставить емумаксимальную свободу, помогая быстро сориентироваться в незнакомой (или малознакомой) предметной области. В связи с этим учебный материал должен бытьструктурирован таким образом, чтобы его изучение было максимально удобным и,следовательно, эффективным. Здесь требуется совместная кропотливая работаэксперта-предметника и эксперта-педагога. В настоящее время актуальной являетсяпроблема повышения степени наглядности, когнитивности учебной информацииэлектронного учебника с целью повышения самостоятельной познавательнойдеятельности обучаемого. Для решения этой задачи предлагается семантическийэлектронный учебник [1], который имеет более развитые средства отображениясемантической структуры взлетной области с соответствующими навигационнымивозможностями. Семантический электронный учебник представляет собойинтерактивный интеллектуальный самоучитель по некоторой предметной области,содержащий подробные методические рекомендации по ее изучению и предназначенныйдля «мотивированного, самостоятельного, активного и честного пользователя,желающего знаниями по соответствующей дисциплине.
Существенноеотличие семантического электронного учебника от традиционного электронногоучебника состоит в представлении учебного материала на семантическом уровне. Врезультате этого, с практической точки зрения, усиливаются возможностиэлектронного учебника как обучающей среды, появляется возможность эффективногосамостоятельного изучения предмета.
Учебнаябаза знаний семантического электронного учебника представляет собойгипермедийную семантическую сеть [2], структурирующую учебный материал процессаобучения. В рамках этой гипермедийной семантической сети описывается всяучебная информация, такая как, тематические планы обучения, содержательнаяструктура учебного материала, непосредственно учебные материалы, представляющиесобой набор взаимосвязанных информационных конструкций самого различного вида.Основным преимуществом такой формы представления учебной информации является,во-первых, приспособленность семантических сетей для представления неформальныхпредложений естественного языка, во-вторых, обеспечение наглядности такого представлениями.
Основнымязыком представления знаний для семантического электронного учебника являетсябазовый семантический язык SC (Semantic Code) [4], который является ядром открытого семействаграфовых языков представления знаний, построенных на теоретико-множественнойоснове.
Так какосновой для представления гипермедийной семантической сети является графовыйсемантический язык SC, то для ееописания достаточно разработать набор ключевых узлов данного языка, которыебудут отражать семантику элементов гипертекстовой семантической сети. Кромеключевых узлов, описывающих гипермедийную семантическую сеть, вводятся такжеспециальные sc-узлы для структуризации учебногоматериала, соответствующего предметной области, по которой ведется обучение. Врезультате представления знаний предметной области в виде гипермедийнойсемантической сети появляется возможность ассоциативного поиска информации,вывода информации по различным запросам обучаемого, визуализация семантическойструктуры базы знаний семантического электронного учебника.
Навигационно-поисковыесредства являются главным средством взаимодействия пользователя с семантическимэлектронным учебником. С помощью этих средств пользователь имеет возможностьнайти любую интересующую его информацию об изучаемой предметной области,которая имеется в базе знаний. Набор специализированных навигационно-поисковыхкоманд семантический электронный учебник включает следующие основные команды:
• найти определение(на естественном языке) указываемого понятия;
• найти пример и описаниепримера указываемого понятия;
• найти комментариик указанной информационной конструкции;
• найти описаниеклассификации указываемого понятия;
• найти переченьэлементов для указываемого понятия;
• отобразитьсодержимое указываемого sc-узла;
• найти информациюпо произвольному заданному образцу.
Кромеспециализированных навигационно-поисковых команд существует универсальнаякоманда, обеспечивающая поиск фрагментов семантической сети по произвольномуобразцу. Благодаря наличию такой универсальной команды, указанный наборосновных навигационно-поисковых команд может быть расширен.
Прикладнаябаза знаний содержит всю информацию, касающуюся конкретной предметной области.Содержательная структура прикладной базы знаний включает следующие компоненты:
системапонятий; система определений; система утверждений; семантическая структура самойпредметной области (разделы, подразделы);
• систематизированныйсборник задач и упражнений;
• интеллектуальныйпакет алгоритмов и программ;
• библиографическийуказатель;
• именнойуказатель;
историяразвития предметной области; • лингвистическая база знаний; гипермедийнаясемантическая сеть учебных материалов; учебно-методическая база знаний,содержащая набор рекомендаций по последовательности изучения предметной области.
Всоставе семантического электронного учебника имеется решатель задач, которыйпозволяет пользователю сформулировать любую задачу (с помощью языка описаниязадач) и отправить системе задание на ее решение, чтобы посмотреть, как системабудет ее решать. При этом имеется возможность пошагового просмотра решениязадачи, что обеспечивает обучение по принципу «делай, как я».
Пользовательимеет возможность выбирать задачи из систематизированного сборника задач иупражнений в составе предметной базы знаний. Это означает, что ему необязательно знать язык описания задач, так как формулировки задач, имеющихся всборнике задач и упражнений, уже описаны на данном языке. Пользователюостается лишь сформировать соответствующее задание решателю.
Всистеме контроля знаний пользователь имеет возможность проверить свои знания,полученные при изучении материалов семантического электронного учебника.Пользователю предоставляется возможность либо ответить на ряд вопросов длясамопроверки, либо решить какую-либо задачу. При этом осуществляетсясемантический анализ свободно конструируемых ответов и ошибок, допущенныхпользователем, с выработкой рекомендаций на повторение соответствующих разделовучебника. Особенностью системы контроля знаний семантического электронного учебникаявляется предоставление пользователю практически полной свободы как по выборувопросов и задач, так и по способу решения задачи. Это означает, чтопользователь имеет право в любой момент времени попросить помощь у системы либовернуться к изучению учебных материалов без завершения выполнения задания.Таким образом, вопросы аутентификации пользователя и тотального контроля егодействий в рамках данной системы специально не предусматриваются.
Технологическисемантический электронный учебник можно построить полностью сохраняятрадиционный учебник, лишь надстраивая над ним соответствующую семантическуюсеть. Это актуально на сегодняшний день, поскольку существует большоеколичество качественного учебно-методического материала, представленного втрадиционной форме.
Использованиепринципов, лежащих в основе семантического электронного учебника иобеспечивающих семантическую структуризацию и систематизацию хранимойинформации, позволяет по новому подойти к решению проблем интеллектуализации web-сайтов, в частности, образовательныхсайтов в системе открытого образования.
2. Управлениеобучением на уровне отдельной дисциплины
В связи сповышением сложности и информационной насыщенности компьютерных средств обучениявозникает необходимость в осуществлении управленияобучением и процессомвзаимодействия с пользователем. Поскольку обучающая система становится более сложнойи многофункциональной и предназначена для различных категорий пользователей, тотребуется адаптация к индивидуальным особенностям каждого конкретногопользователя. В настоящее время в сфере образования все более широко начинаютприменяться новые информационные технологии и, в частности методы и средстваискусственного интеллекта. Способность обучающей системы адаптироваться кпользователю является одним из показателей ее эффективности и, как следствие,интеллектуальности.
Интеллектуальныеобучающие системы (ИОС) [2] представляет собой сложную иерархическую систему,состоящую из совокупности взаимодействующих между собой подсистем, каждая изкоторых решает определенный класс задач. В качестве базового компонентаинтеллектуальных обучающих систем используется семантический электронныйучебник. Основными функциями интеллектуальных обучающих систем являются:
• мониторингдеятельности обучаемых и постоянное уточнение базы знаний об обучаемых(подсистема анализа действий обучаемого);
• выборрекомендуемой последовательности изучения учебного материала (подсистемауправления обучением);
• выборрекомендуемой последовательности задаваемых обучаемому вопросов, задач илабораторных заданий (подсистема управления обучением);
• тестированиезнаний обучаемых (подсистема тестирования знаний);
• отслеживаниепрерываний в процессе обучения каждого обучаемого и обеспечение возможностивозврата в прерванное состояние (подсистема анализа действий обучаемого,подсистема управления обучением);
• управление переходамимежду режимами обучения (подсистема управления обучением).
Внастоящее время в связи с ростом требований к системам данного класса приобрелаактуальность проблема разработки ИОС, которые характеризуются тем, что в нихдолжна обеспечиваться:
1) обработка большихобъемов сложноструктурированной информации различного типа;
2) гибкость и легкаямодифицируемость системы;
3) интеграцияразличных моделей и механизмов решения задач;
4) поддержкаразличных моделей обучения и управления взаимодействием с пользователем;
5) интеграцияразличных программных систем в составе одной системы и осуществление управленияих функционированием и взаимодействием;
6) широкоеиспользование средств мультимедиа;
7) работа в реальноммасштабе времени.
Внастоящее время существуют обучающие системы, в которых указанные проблемырешаются с проработкой лишь некоторых отдельных вопросов. Это вызвано тем, чтосуществующими на данный момент традиционными средствами решить все проблемы вкомплексе не удается. Особенность реализации процесса обучения в ИОСзаключается в том, что помимо представления и обработки знаний о предметнойобласти система должна содержать информацию о своих пользователях, уметь ееобрабатывать и таким образом адаптироваться к индивидуальным особенностямкаждого конкретного пользователя. Кроме того, одной из самых важных проблем припроектировании обучающей системы является управление диалогом с пользователем(как правило, неподготовленным в области компьютерной техники). Взаимодействиес пользователем, в отличие от взаимодействия подсистем в составе компьютернойсистемы, представляет собой более сложный процесс, так как в нем присутствуетэлемент непредсказуемости. Пользователь оказывает свое влияние на работу ИОС,т.е. функционирование системы в условиях взаимодействия с ним становитсяуправляемым как самой системой, так и пользователем. В связи с этим возникаетпроблема обработки внешних воздействий пользователя, а также описания иреализации управляющих механизмов системы в целом. Системы данного классаотносятся к разряду сложных и для их проектирования требуется наличиесоответствующей технологии и методики проектирования. Инструментальные средствапроектирования ИОС приведены в работе [2].
3.Управление учебной деятельностью на уровне специальности
Учебнаяорганизация и процесс обучения — это не просто совокупность автоматизированныхи интеллектуальных обучающих систем по определенным дисциплинам, обладающих средствамимультимедиа, гибкими стратегиями обучения, подсистемами адаптации кпользователю и т.д. Для эффективного использования всех этих средств необходимаинфраструктура, в которой осуществляется обработка информации, взаимодействиепользователей и подсистем, совместное решение задач, в которое вовлекаются какпользователи, так и подсистемы.
Анализдеятельности высших учебных заведений показывает, что качество профессиональнойподготовки молодых специалистов в первую очередь зависит от профилирующей (выпускающей)кафедры, поскольку именно профилирующая кафедра [5]:
• заинтересована в непосредственныхсвязях с организациями — потребителями молодых специалистов;
• заинтересована вполучении инновационных заказов не только в сфере подготовки специалистов, но иобласти научно-исследовательских проектов;
• способна находитьисточники внебюджетных средств.
Такимобразом, повышение эффективности высших учебных заведений необходимо начинать санализа деятельности профилирующих кафедр и совершенствования этой деятельностина основе широкого использования современных информационных технологий.Использование таких технологий (в частности, телекоммуникационных средств),позволяющих создавать эффективное внутрикафедральное информационноепространство, дает возможность рассматривать профилирующую кафедру кактерриториально распределенную организацию, деятельность которой направлена накомплексную подготовку молодых специалистов по конкретной специальности.Профилирующую кафедру, деятельность которой осуществляется через посредствоинтеллектуальной распределенной корпоративной системы, будем называть виртуальнойкафедрой [5,6]. Очевидно, что виртуальные кафедры являются частным видомвиртуальных учебных организаций. Преобразование традиционной профилирующейкафедры в виртуальную предполагает создание интеллектуальной кафедральнойкорпоративной системы, обеспечивающей сведение к минимуму необходимостинепосредственного общения студентов и преподавателей между собой. Из этогововсе не следует, что непосредственное общение студентов и преподавателейнеобходимо исключить из деятельности кафедры. Просто надо стремится к тому,чтобы это общение было максимально эффективным.
Преобразованиетрадиционных профилирующих кафедр в виртуальные кафедры требует существенногопересмотра всей структуры деятельности кафедры.
Преобразованиетрадиционной кафедры в виртуальную предполагает создание интеллектуальнойкафедральной корпоративной системы, обеспечивающей комплексную автоматизациювсех видов деятельности кафедры, координацию взаимодействия студентов, штатныхи внештатных сотрудников кафедры.
Проектированиевиртуальной кафедры и, соответственно, ее корпоративной системы наконцептуальном и логическом уровне включает в себя разработку и анализ трехмоделей [5]:
• процессной (процессно-ориентированной)модели, формально описывающей структуру деятельности организации с необходимой степеньюдетализации;
• агентно-ориентированноймодели, формально описывающей взаимодействие всех субъектов организации (какфизических субъектов – сотрудников организации, так и искусственных субъектов — интеллектуальных систем, входящих в состав корпоративной компьютерной системы);
• моделиуправления корпоративными знаниями.
Каждыйагент (как физический субъект так и программный агент) виртуальной кафедры всвоей деятельности активно использует корпоративные знания этой организации.Поэтому проблема управления корпоративными знаниями виртуальной кафедрыявляется ключевой. Очевидно, что решение этой проблемы, тесно связанно сагентно-ориентированной моделью виртуальной кафедры. Проблема построения моделипредставления и обработки знаний является центральной для любойинтеллектуальной системы. Особенность корпоративной системы виртуальной кафедрызаключается в том, что эта система является не просто интеллектуальной, араспределенной интеллектуальной системой, имеющей большое числовзаимодействующих через нее пользователей. Таким образом, проблемапредставления и обработки знаний здесь имеет свои особенности.
Основнаяроль управления знаниями в сетевой организации состоит в их разделении междупартнерами, программными агентами сети, так чтобы каждый агент мог восприниматьи использовать имеющиеся корпоративные знания в процессах распределенногорешения задач. Корпоративные системы должны обеспечить быстрый доступ к необходимымзнаниям, распространению и совместному использованию знаний не зависимо отнахождения источника знания и пользователя знания, а также уменьшить избытокполучаемой информации и недостаток имеющихся знаний [7].
Вкачестве формальной основы для построения моделей управления знаниямивиртуальной кафедры предлагается использовать графодинамические ассоциативныепараллельные асинхронные модели обработки сложноструктурированных знаний [4].
Корпоративнаябаза знаний виртуальной кафедры формируется на базовом языке представлениязнаний SC, языке гипермедийных семантическихсетей, а также на языке, специально ориентированном на представлениеучебно-методической информации в интеллектуальных обучающих системах [3,2]. Всеоперации обработки знаний реализованы на процедурном языке программирования SCP (Semantic Code Programming), специально ориентированном наобработку однородных семантических сетей. [8]
Учебно-методическиезнания являются основным компонентом информационных ресурсов виртуальнойкафедры, и поэтому эффективность обучения непосредственно зависит от объема,содержания и систематизации этих знаний.
Методыуправления корпоративными знаниями виртуальной кафедры включают в себя наборправил построения онтологии корпоративных знаний виртуальной кафедры иопределения функций интерпретации на построенных онтологиях [9,10]. Под онтологиейпонимается подробная структурная спецификация предметной области (словарь,логические связи, свойства) [3].
Заключение
Дляобеспечения качественного уровня обучения требуется согласованное решение всехпроблем, перечисленных выше. Для разработки семантических электронныхучебников, интеллектуальных обучающих систем и корпоративных систем виртуальныхкафедр нужно использовать одни и те же технологии, одни и те же языки представленияи обработки знаний.
Литература
1. Гулякина Н.А. Семантическиеэлектронные учебники и инструментальные средства их построения. В сб.: Четвертыйроссийско-украинский научный семинар «Интеллектуальный анализ информацииИАИ-2004».: Сб.тр. — К.: Просвгга, 2004. — с. 95-102.
2. Интеллектуальные обучающие системыи виртуальные учебные организации / В.В.Голенков, В.Б. Тарасов, О.Е. Елисеева идр. Под ред. В.В. Голенкова и В.Б. Тарасова — Мн.: БГУИР, 2001. — 488 с.
3. Гаврилова Т.А. Онтологический подходк управлению знаниями при разработке корпоративных информационных систем// Новостиискусственного интеллекта. 2003. — № 2. — с. 24-29.
4. Представление и обработка знаний вграфодинамических ассоциативных машинах / В.В.Голенков, О.Е.Елисеева,В.П.Ивашенко и др.; Под ред. В.В.Голенкова. -Мн.: БГУИР, 2001.-412 с.
5.Гулякина Н.А., Лубневский О.А. Проект«Виртуальная кафедра». В сб.: Четвертая международная летняяшкола-семинар по искусственому интеллекту для студентов, аспирантов и молодыхученых. Сб. науч. тр., 2000 г., стр. 243-248.
6.Гулякина Н.А. Корпоративные системывиртуальных кафедр// Доклады БГУИР.-2003.-Т. 1 ,№2/2.-С. 15-25.
7.Попов Э.В. Корпоративные системыуправления знаниями // Новости искусственного интеллекта, №7, 2001 — С. 14-25
8.Голенков В.В., Гулякина Н.А. Языкпараллельного программирования, ориентированный на переработкусложноструктурированных знаний в структурно перестраиваемой ассоциативнойпамяти. — Мн.: БГУИР, 1998.
9.Гулякина Н.А. Модель управлениязнаниями виртуальной кафедры. В сб.:7-я научно-практическая конференция «Реинжинирингбизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системыуправления знаниями»: Сб. науч. тр./ Моск. Госуд. Ун-т экономики, статистики иинформатики -М., 2004 г., стр. 254-258.
10. Емельянов В.В., Тарасов В.Б.,Гулякина Н.А., Жуков К.В. Управление знаниями на виртуальной кафедре//Дистанционное обучение — образовательная среда XXI века: Материалы П Международной науч.-метод.конф.Минск, 26-28 ноябр. 2002 г./ — Мн.: Бестпринт, 2002. — С.277-280.