Лекция № 5

5. Интеллектуальные обучающие системы (иос)

5.1 Анализ функциональных структур аос

Автоматизированная обучающая система (АОС) представляет собой человеко-машинный комплекс, работающий в диалоговом режиме и предназначенный для управления познавательной деятельностью в процессе обучения или АОС - это совокупность связанных в единое целое технических, математических, лингвистических и информационно-методических средств, предназначенных для автоматизации обучающего диалога, поиска и обработки учебной информации. Существуют и другие, близкие к приведенным определения АОС.

В ряде работ, посвященных вопросам построения и функционирования АОС, приводятся различные методы классификации автоматизированных обучающих систем. В основе приводимых классификаций лежат различные наборы признаков. Но так как, согласно определению, АОС предназначена для автоматизации процесса обучения, то естественным признаком классификации служит степень автоматизации основных функций АОС (функций контроля, предъявления информации и управления познавательной деятельностью). В соответствии с этим выделяются селективные (традиционные) и продуцирующие (генерирующие) АОС. Продуцирующие (генерирующие) АОС относят также к АОС с интеллектуальными возможностями (с элементами искусственного интеллекта). В последние годы используется термин – интеллектуальные обучающие системы (ИОС).

В селективных (традиционных, классических) АОС функция управления познавательной деятельностью, т.е. формирование обучающих воздействий и определение условий их выдачи, осуществляется человеком - автором автоматизированного учебного курса (АУК). Под формированием обучающих воздействий понимается определение содержания и формы информационных кадров, тестовых кадров (контрольных вопросов и задач), кадров помощи, подсказок, разъяснений и т.д. Функция предъявления учебной информации осуществляется АОС, функция контроля знаний обучаемого - частично АОС и частично автором АУК. К настоящему времени селективные АОС получили широкое распространение. В их среде реализовано значительное число АУК по различным учебным дисциплинам. Существенным достоинством селективных АОС является их универсальность, т.е. предметная независимость. Таким образом, основой селективных АОС является автоматизированный учебный курс, что определяет основные черты функциональной структуры системы - наличие в ней средств ввода АУК и интерпретации АУК в процессе функционирования (обучающего диалога). Разработка учебного курса требует значительных трудозатрат и содержит следующие основные этапы:

• методическая проработка учебной дисциплины;

• разработка общей блок-схемы обучающей программы и ее дальнейшая детализация;

• написание с помощью авторского языка и отладка;

• доработка и массовое внедрение.

Автор АУК закладывает все обучающие воздействия, которые АОС может применить в процессе обучения. Стремясь повысить адаптивность учебного курса, автор разрабатывает несколько вариантов изложения одного и того же учебного материала, определяет для каждого вопроса, задаваемого обучаемому набор эталонных ответов или набор описаний классов эталонных ответов, как правильных, так и ошибочных. Все это ведет к дальнейшему усложнению курса, а иногда и к невозможности его отладки и сопровождения (внесения требуемых изменений).

Недостатки селективных АОС (значительная трудоемкость разработки АУК и их относительно невысокая адаптивность) послужили основным стимулом для разработки ИОС.

В ИОС стремятся полностью автоматизировать основные функции АОС (функции контроля, предъявления информации и управления познавательной деятельностью).

В качестве основных целей создания ИОС указываются следующие:

• развитие динамической адаптивной обучающей среды;

• организация эффективной диагностики ошибок обучаемого;

• облегчение значительных усилий по подготовке учебного материала.

В отличие от селективных АОС, функционирующих по жесткому сценарию, заранее заложенному автором АУК, ИОС динамически формируют обучающую программу (учебную информацию, задачи, разъяснения, помощь и т.д.) в соответствии с текущей ситуацией в процессе обучения. Реализация указанного свойства ИОС обеспечивается наличием в них знаний о предметной области обучения, знаний о процессе обучения и знаний об обучаемом. Формализация перечисленных знаний осуществляется построением соответствующих моделей. Большинство исследователей выделяют (с некоторыми различиями) следующие основные функциональные подсистемы ИОС:

• подсистема формирования заданий;

• подсистема решателя проблем (задач);

• подсистема диагностики;

• подсистема модели обучения.

Иногда в отдельные подсистемы выделяются: модель обучаемого, блок управления диалогом, информационная база или база знаний и др.

Основным назначением подсистемы формирования заданий является генерация учебных проблем (задач), в соответствии со степенью обученности обучаемого. Подсистема формирования заданий представляет из себя совокупность информационной базы (ИБ), содержащей знания о предметной области (ПО) обучения и генератора проблем (задач) - процедуры, непосредственно формирующей требуемое задание, используя для этого информацию из ИБ. Функциональное назначение ИБ существенно возрастает в случаях, когда в ИОС предусматривается возможность естественно-языкового диалога с обучаемым. В этом случае ИБ содержит все необходимые знания не только о ПО обучения, но и знания, необходимые для интерпретации естественно-языковых сообщений (вопросов и ответов) обучаемого, а также генерации ответных сообщений. В этом случае уместно выделение и подсистемы управления диалогом, осуществляющей все необходимые функции, связанные с синтактико-семантическим анализом сообщений, их интерпретацией (переводом во внутреннее представление) и генерацией (синтезом). Для представления знаний в ИБ подсистемы формирования заданий в зависимости от характера ПО обучения используются различные методы, например: порождающие грамматики, системы продукций, семантические сети, фреймовые структуры.

Сгенерированное учебное задание одновременно поступает обучаемому и на вход подсистемы решателя проблем. Подсистема решателя проблем (задач) предназначена для выполнения (решения) сгенерированных проблем. Наличие в ЭОС генератора проблем и проблемного решателя позволяет отказаться от предварительного формирования задач и эталонных ответов к ним, что значительно облегчает усилия по подготовке учебного материала. Генератор проблем в ИОС должен генерировать только те проблемы, которые могут быть решены проблемным решателем. Таким образом, качество ИОС во многом определяется возможностями проблемного решателя. Решение, полученное проблемным решателем, поступает на вход подсистемы диагностики.

Подсистема диагностики предназначена для контроля знаний обучаемого. Она осуществляет ввод ответа обучаемого на сгенерированную проблему и сравнение его с решением, полученным проблемным решателем. Предварительно может быть проведен синтаксический анализ ответа обучаемого. В случае необходимости, с целью уточнения ответа, может проводиться дополнительный уточняющий диалог с обучаемым. При наличии ошибок выдаются соответствующие диагностические (поясняющие) сообщения. Правильный ответ тоже может быть прокомментирован.

Информация о типе и количестве ошибок, сформированная подсистемой диагностики, поступает на вход подсистемы модели обучения. Подсистема модели обучения предназначена для адаптивного управления процессом обучения на основе реализованных в ней стратегий обучения и модели обучаемого. В стратегиях (алгоритмах) обучения формализованы психолого-педагогические знания о процессе обучения. Модель обучаемого служит для описания состояния обученности обучаемого. Модель обучения, используя информацию от подсистемы диагностики, корректирует параметры модели обучаемого, идентифицирует тем самым текущее (или прогнозируемое) состояние обученности, и определяет свойства обучающих воздействий (заданий), адекватных знаниям обучаемого. Сформированная информация передается в подсистему формирования заданий для генераций заданий с требуемыми свойствами. Необходимо отметить, что формируемые задания в общем случае содержат не только задачи и вопросы, но и различную учебную информацию. Естественно, что в подсистему решателя проблем передаются только задачи, требующие решения.

На рис. 6 представлены функциональные подсистемы ИОС. Изложенное описание функциональной структуры ИОС является обобщенным, т.е. описание структуры конкретной ИОС может отличаться от предложенного, на что указывалось выше.

Ряд автоматизированных систем обучения имеет черты как селективных АОС, так и ИОС. Возможности многих селективных АОС расширяются за счет включения в них средств генерации заданий и проблемных решателей, часто не связанных между собой функционально. Большинство существующих ИОС являются либо предметно-ориентированными (например, SCHOLAR – первая ИОС), либо строятся с помощью инструментальных средств проектирования экспертных систем (например, ИПИЛОГ), накладывающих определенные ограничения на функциональные возможности ИОС. Это может рассматриваться как серьезный недостаток ИОС.

ПОДСИСТЕМА

ДИАГНОСТИКИ

Рис.6 Функциональные подсистемы ИОС

Однако по степени автоматизации реализуемых функций и возможностям организации адаптивного обучения ИОС значительно превосходят селективные АОС. В основе указанных преимуществ лежит организация функциональной структуры ИОС, которая обеспечивает разделение знаний об управлении процессом обучения, реализуемых в подсистеме модели обучения, от знаний о предметной области обучения, реализуемых в подсистемах формирования заданий, решателя проблем и диагностики.