978-5-7764-0767-3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ (МЭСИ)

Трембач В.М.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩИХ ЗНАНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Монография

Москва, 2013

1

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Б.А. Позин,

доктор технических наук, профессор, технический директор ЗАО «ЕС-лизинг»

Г.В. Рыбина,

доктор технических наук, профессор кафедры кибернетики, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Трембач В.М. Системы управления базами эволюционирующих знаний для решения задач непрерывного образования. – М.: МЭСИ, 2013.

– С. 255.

Системы управления базами знаний (СУБЗ) являются важным элементом современных электронных систем обучения – интеллектуальных обучающих систем (ИОС). ИОС применяются для решения многих задач и особенно они востребованы в области непрерывного образования. Главный смысл непрерывного образования состоит в обеспечении человеку постоянного развития, совершенствования, творческого обновления на протяжении всей жизни, обеспечивая, таким образом, процветание всего общества. Один из подходов к созданию и применению ИОС предполагает включение в ее состав СУБЗ, содержащей многократно используемые компоненты. Основная задача этих компонентов – ускорить создание новых ИОС. В качестве основных методов для многократно используемых компонентов СУБЗ рассматриваются: интегрированный метод представления знаниями, планирование, машинное обучение, прогнозирование, когнитивный подход к анализу

исозданию баз знаний. Представлена архитектура ИОС на основе СУБЗ.

Вмонографии представлен материал об истории электронных систем обучения, ИОС на основе учебных объектов и персональной среды обучения. Рассмотрена ИОС на основе СУБЗ для конкретной предметной области.

Книга может быть полезна для специалистов, разрабатывающих и использующих ИОС, СУБЗ для создания ИОС и для обеспечения целенаправленного поведения, в различных предметных областях. Монография будет полезна для преподавателей и аспирантов вузов, занимающихся исследованиями в области создания и использования ИОС, а также других интеллектуальных информационных систем на основе баз знаний.

Ил. – 53, табл. – 3, список литературы – 238 назв.

2

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире одной из ключевых сфер жизни общества, важ-

нейшим источником и ресурсом его эволюции является образование. Наша цивилизация достигла того уровня, когда мировые образовательные тенден-

ции, перемены в сфере образования неразрывно связаны с процессами про-

исходящими в социально-политической и экономической жизни человече-

ства. Формируемые и используемые знания начинают занимать ключевые позиции в экономиках стран, радикально изменяют место образования в структуре общественной жизни мирового сообщества. Переход к новому ти-

пу экономики, ориентированной на знания, в информационном обществе по-

рождает необходимость для работников несколько раз в течении жизни ме-

нять профессию, постоянно повышать квалификацию. Начиная с последних десятилетий ХХ-го века наблюдается ускорение обновляемости технологий и знаний в различных областях человеческой деятельности. Президент корпо-

рации «Дженерал Моторс» говорит об этом так: «Нам нужны специалисты не с четырех- и даже с шестилетним, а сорокалетним образованием» [1].

Идеи непрерывного образования возникли не одномоментно [3]. Их по-

явление связано с эволюцией нашей цивилизации и проявлялись эти идеи в различных формах. Первые идеи непрерывного образования можно обнару-

жить у Платона, Конфуция, Сократа, Аристотеля, Сенеки и других мыслите-

лей античности. Элементы концепции непрерывного образования просмат-

риваются во взглядах Вольтера, Гете, Руссо, которые связывали их с дости-

жением полноты человеческого развития. Попытки внедрения элементов концепции непрерывного образования предпринимались в XIII-XIV вв. в го-

родах Европы на основе «цеховых школ», которые открывались и содержа-

лись ремесленными цехами. С развитием цивилизации возрастает и значи-

мость непрерывного образования. В ХХ веке оно становится в ряд прогрес-

сивных идей культуры этого периода.

3

В нашей стране непрерывное образование получило новый толчок к раз-

витию после 1917 года, благодаря формированию новой системы образова-

ния [3]. В этот период появляются новые виды формы образовательных учреждений, в том числе и для образования взрослых, повышения квалифи-

кации работающих. Основной замысел виделся в компенсации недостатков,

недоработок предшествующей подготовки, либо в пополнении знаний в свя-

зи с новыми требованиями жизни, профессии. Но к концу 1960-х годов кон-

цепция непрерывного образования была отодвинута на задний план, не полу-

чив возможности стать центральной образовательной системой.

Современные представления о непрерывном образовании сформировал Ян Амос Коменский, в работах которого содержится основная мысль, во-

площенная в наши дни в концепции непрерывного образования. Сам термин

«непрерывное образование» впервые употребляется в 1968 году в материалах ЮНЕСКО, а после опубликования комиссии под руководством Э. Фора в

1972 году принято решение ЮНЕСКО, согласно которому непрерывное об-

разование признается основным принципом, «руководящей конструкцией» для нововведений или реформ образования во всех странах мира [3].

Значимость этой идеи, в общечеловеческом и философском контексте,

очень велика, а главный смысл заключается в обеспечении человеку посто-

янного развития, совершенствования, творческого обновления на протяже-

нии всей жизни, обеспечивая, таким образом, процветание всего общества.

В структуре современного непрерывного образования в нашей стране доминируют основное и дополнительное образование. Основное и дополни-

тельное образование может быть общим и профессиональным (рис. В1).

В последнее время в непрерывном образовании все более отчетливо проявляется новая составляющая – обучение на основе информационных технологий, с использованием электронных систем обучения. Имеющиеся электронные системы обучения [2] рассматриваются как инструмент, допол-

няющий известные формы обучения, но может наступить то время, когда их роль будет основной в области непрерывного образования.

4

ИОС. Рассмотрены основные подходы к построению современных интеллек-

туальных обучающих систем: интеллектуализация преподавания и интел-

лектуализация учения; создание самообучающихся систем, приобретающих знания в диалоге с человеком и делающие их наиболее соответствующими действительности; сервисно-компонентная архитектура ИОС; технологии

Web 2.0, Web 3.0. Дается краткое описание новых технологий обучения на основе учебных объектов, персональной среды обучения в ИОС.

В третьей главе представлены современные методы описания знаний.

Даются основные понятия эволюционирующих знаний, необходимость их использования в ИОС. Излагаются основы интегрированного подхода к представлению знаний. Данный подход позволяет представлять, как деклара-

тивные, так и процедурные знания, сочетать объектный и процессный подхо-

ды к описанию предметных областей, при решении задач непрерывного об-

разования. Показана структура ИОС на основе эволюционирующих знаний.

Четвертая глава является центральной в данной монографии. В ней по-

казано развитие систем управления данными. Показаны методы и операции,

используемые в СУБЗ для решения задач непрерывного образования. Рас-

смотрено современное состояние исследований в области машинного обуче-

ния, представлены классификация задач обучения и формальная постановка задачи обучения, применение методов обучения для решения задачи прогно-

зирования. Показана агентно-ориентированная архитектура системы, реали-

зующей интегрированный метод обучения. Описан когнитивный подход к вербализации баз знаний.

В пятой главе рассмотрены примеры создания многократно используе-

мых компонентов СУБЗ и их применение при разработке модулей ИОС. По-

казан пример формирования компетенций для дисциплины «Интеллектуаль-

ные информационные системы». Представлены этапы создания ИОС на ос-

нове баз знаний. Рассмотрены особенности формирования репозитория учеб-

ных объектов и базы знаний (метаданных) об учебных объектах. Показано использование среды разработки ИОС на основе СУБЗ.

6

Литература для введения

1.Назарбаев Н. А. К экономике знаний через инновации и образование: Лекция Президента Республики Казахстан Н. А. Назарбаева в Евразийском национальном университете имени Л. Н. Гумилева. – Адрес содержания лекции:

http://www.kazpravda.kz/rus/prezident/k_ekonomike_znanij_cherez_ innovacii_i_obrazovanie_lekcija_prezidenta_respubliki_kazahstan_n_a_nazarba eva_v_evrazijskom_nacionaljnom_universitete_imeni_l_n_gumileva.html.

2.Рыбина Г.В. Интеллектуальные обучающие системы на основе интегрированных экспертных систем: опыт разработки и использования // Информа- ционно-измерительные и управляющие системы. – 2011. – № 10. С. 4–16.

3.Трембач В.М. Интеллектуальные технологии для решения задач непрерывного образования // Научно-практический журнал «Открытое образование». – МЭСИ. – № 3, 2012. – С. 4–11.

7

Глава 1. История электронных систем обучения

1.1.Этапы развития электронных систем обучения

Сдревнейших времен человечество накапливало и осмысливало опыт обучения и воспитания. Некоторые обобщения опыта практической дея-

тельности в этой области делались уже в первобытном обществе и находили свое выражение в житейских правилах, которые передавались из поколения в поколение через предания и верования. Традиционной формой получения знаний становится обучение с преподавателем. Для обучения начинают применяться различные вспомогательные средства тренажеры. Слово «тре-

нажер» появилось в прошлом столетии, но само понятие, которое оно обо-

значает – некое устройство для обучения человека и создания у него опре-

деленных навыков, применялось, наверняка, еще тысячи лет тому назад. В

те времена тренировка осуществлялась, в основном, по принципу – «делай как я», но постепенно появлялись «приспособления», которые использова-

лись нашими далекими и не очень далекими предками для воспитания и обучения. В первую очередь это были куклы, которые сопровождают чело-

вечество со времен Адама и Евы. В ратном деле древние, желая сохранить во здравии своих воинов, использовали в тренировках деревянные мечи и копья с затупленными наконечниками. Несколько тысячелетий назад, в Ки-

тае, использовалось «приспособление», для обучения искусству иглоукалы-

вания, в виде муляжа человека с множеством скрытых отверстий, в которые должны безошибочно попадать иглой обучаемые. Позже создавались другие тренажеры, потом – механические и электронные системы тестирования.

Развитие вычислительных средств привело к появлению электронных си-

стем обучения.

Попытки применения вычислительной техники в образовании стали предприниматься в конце 1950-х годов. Даже несмотря на ограниченные

8

возможности аппаратных и программных средств того времени, что не соот-

ветствовало успешному решению поставленной проблемы в целом, исследо-

вания в этой области начались во всех развитых странах. В своем развитии электронные системы обучения прошли ряд этапов.

На первом этапе исследовались возможности создания обучающих си-

стем. Эти исследования пришлись на 1950 – 1960 годы. Уже в 1954 году профессор Б.Ф. Скиннер выдвинул идею, получившую название программи-

рованного обучения [52.]. Суть идеи заключалась в необходимости повысить эффективность управления учебным процессом путем построения его в пол-

ном соответствии с психологическими знаниями о нем, что фактически озна-

чает внедрение кибернетики в практику обучения [35]. Работы в этом направлении стали активно проводиться в США, а потом и в других странах.

На первых этапах одним из основных признаков программированного обуче-

ния была автоматизация процесса обучения [28.].

Работы по автоматизации программированного обучения начались с ис-

пользования обучающих и контролирующих устройств различного типа. Та-

кие устройства широко применялись в 1960–1970-е годы [17,26], но из-за ограниченных возможностей не обеспечивали достаточной эффективности и адекватности результатов контроля реальному уровню знаний обучаемого.

Применение таких устройств [18,49,54] способствовало обучению разным навыкам, а также реализации простейших методов контроля, в основном вы-

борочного типа. Одновременно начали развиваться идеи искусственного ин-

теллекта. Разрабатывались первые когнитивные модели, методы представле-

ния знаний, появились первые системы, использующие методы искусствен-

ного интеллекта. Многим казалось, что можно будет решать задачи, по край-

ней мере, те из них, которые не требуют творческого подхода.

При сложившихся обстоятельствах, в условиях всеобщей воодушевлен-

ности для разработчиков обучающих систем были сформулированы цели, ко-

торые сводились к необходимости создания такой обучающей системы, ко-

торая могла бы полностью соответствовать преподавателю, т.е. обладала бы

9

достаточным набором знаний не только в предметной области, но и в педаго-

гике, и могла бы в рамках предметной области общаться с обучаемым на естественном языке. Такая цель представляла собой задачу-максимум, но она определила путь, по которому следовало продвигаться. Итогом проводимых исследований стали разработанная структура обучающих систем и предло-

женные некоторые методы решения этой проблемы [51].

При реализации общих идей возникли огромные практические трудно-

сти. В ходе создания первых прототипов автоматизированных обучающих систем (АОС) стало ясно, насколько сложными являются задачи представле-

ния предметных знаний, организации обратной связи с обучаемым (в том числе, полноценного диалога, для которого явно не хватало лингвистических знаний). Созданные в то время системы очень сильно отличались от идеала.

Однако, в 1960-е годы было разработано большое количество специализиро-

ванных программных систем, ориентированных на создание и сопровожде-

ние прикладных обучающих программ – автоматизированных учебных кур-

сов (АУК) на базе ЭВМ третьего поколения. Были предприняты первые по-

пытки автоматизации различных педагогических процессов с позиций кон-

цепции автоматизации основных направлений умственного труда [16,39] В

рамках этой концепции предполагалось переложить все рутинные функции с человека на вычислительные машины. В 1970-х годах в СССР создаются ав-

томатизированные обучающие системы первого поколения.

Примерами разработок, использующих вычислительную технику и средства коммуникации в обучении являются отечественные автоматизиро-

ванные обучающие системы: АОС-ВУЗ, АОС-СПОК, ЭВОС БГУ, АСТРА,

САДКО, АТОС БГУ, «Контакт», «Экстерн», и другие [27]. Перечисленные,

да и другие обучающие системы были системами селективного (выбирающе-

го) типа. Для таких систем определение методики обучения, в целом, и со-

держание обучающих воздействий, в частности, выполнялось педагогом, а их реализация и оценка результатов производилась средствами АОС. Связую-

щим звеном между системой и педагогом была специальная форма представ-

10