...
Архітектура і класифікація навчальних систем. Адаптивні ІНС PDF Печать E-mail

Архітектура і класифікація навчальних систем. Адаптивні ІНС

Зміст
Вступ 3
Розділ 1. АРХІТЕКТУРА І КЛАСИФІКАЦІЯ НАВЧАЛЬНИХ СИСТЕМ 4
1.1. Традиційна архітектура навчальних систем. 4
1.2. Загальна архітектура ІНС. 6
1.3. Класифікація комп’ютерних навчальних систем 6
Розділ 2. АДАПТИВНІ ІНС 12
2.1. Адаптація тьютора на основі оцінки когнітивних властивостей. 12
2.2. Адаптація навчальних епізодів до уподобань користувача. 13
ВИСНОВОК 17
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 19


Вступ
Сьогодні в освітній галузі спостерігається тенденція залучення комп’ютерних технологій у навчальному процесі. За допомогою комп’ютерів проводиться викладення матеріалу, контроль знань учнів. Програми, що застосовуються для вище сказаних функції називають інтелектуальними навчальними системами (ІНС).
Слід сказати про те, що сьогодні вже існує широкий спектр ІНС, деякі з них стали класичними завдяки тому, що використовувались підходи  до проблем навчання.
На сьогодні є велика різноманітність ІНС. Одними із класичних ІНС є :
   Система АВС практично представляє собою багатоцільову авторську мову, призначену для реалізації інформаційно-довідкових. Моделюючих і навчальних адаптивних програмних систем.
 Система КАДІС містить в собі автоматизовані навчальні курси (АНК), які включають в себе  підготовленні знання, сценарії навчальної роботи, ті, що реалізуються. КАДІС може проводити навчання та контроль.
Тому я вирішив дослідити дане питання, що стосується ІНС, та створити тест контролю  знань.

Розділ 1. АРХІТЕКТУРА І КЛАСИФІКАЦІЯ НАВЧАЛЬНИХ СИСТЕМ
1.1. Традиційна архітектура навчальних систем.
Для підтримки розумного процесу навчання педагог використовує спеціальні знання трьох базових типів: про предмет навчання, про стратегію і методи навчання, про того хто навчається. До цих спеціальних типів знань можна добавити  комунікативні функції: передача знань учневі, вибір форми та інших характеристик  повідомлення, сприймання відповідей. В традиційних автоматичних системах навчання (АСН) фрагменти знань, необхідні для реалізації конкретної частини курсу навчання, були жорстко вбудовані в текст окремих елементарних кроків цього курсу. В інтелектуальних навчальних системах (ІНС) необхідні знання явно відокремлені і представлені, як правило за допомогою методів і технологій інженерних знань. Використовуючи ці знання ІНС виконує різноманітні функції педагога (допомога в процесі вирішення задач, пошук причин помилок користувача, вибір оптимального навчального впливу). Ідеальна ІНС повинна вміти  представити і використати всі перераховані типи знань. Це дозволяє визначити її структуру у вигляді взаємно пов’язаних модулів.

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Структура  ідеальної ІНС.


Модуль експерт предметної галузі включає фактографічні, процедурні та інші знання про предметну галузь (ПрГ).
Компонента ІНС, що представляє знання системи про учня, називається моделлю користувача (МК). Ця модель завжди поновлюється в ході навчання у відповідності з змінною характеристик, що вона відображає про користувача. В ідеальній ІНС така модель використовується всіма модулями системи для адаптації їх роботи до конкретного користувача. Функції підтримки моделі в актуальному стані разом з самою МО можуть бути об’єднані під назвою “модуль користувача”.
Педагогічний модуль (модуль-педагог) представляє знання експерта педагога про організацію і підтримку цілеспрямованого процесу навчання. На основі стратегії навчання з урахуванням моделі користувача модуль-педагог забезпечує управління учбовою діяльністю. Модуль-інтерпретатор містить в собі знання, необхідні для підтримки взаємодії з користувачем.
Загальна характеристика ІНС представлена на рисунку:
1.2. Загальна архітектура ІНС.
Крім того модуль підтримки може використовувати можливості модуля експерта ПрГ для порівняння поведінки користувача з поведінкою експерта в тій же ситуації, що забезпечує ефективну діагностику знань.
Поточний стан знань і особисті характеристики користувача, використовуються модулем-педагогом для індивідуалізації процесу навчання. В деяких системах МК оснащена машиною логічного виводу, яка може моделювати поведінку користувача. Це дозволяє модулю-педагогу передбачати дію учня, а модулю підтримки моделі користувача підбирати відповідну модель користувача.
Використовуючи МК і цілі навчання, модуль-педагог вибирає та реалізує найбільш оптимальну учбову дію. Підтримується історія навчання для оновлення стану знань користувача. Новий стан МК знову використовується модулем-педагогом і т.д.
1.3. Класифікація комп’ютерних навчальних систем
В комп’ютерній технології навчання розрізняють два великих класи програм навчального призначення: навчальне середовище і навчальні програми.
При роботі в навчальному середовищі мається на увазі що користувач має деяку ціль, поставлену викладачем або самим користувачем, а програма надає йому допомогу в досягненню деякої цілі. Характерними рисами цього класу програм є:
А. Надання учневі навчального матеріалу та інших ресурсів (виконання директив, перетворення інформації) по його запиту;
В. Відсутність контролю дій користувача зі сторони системи.
Звичайний набір функцій які підтримують навчальні середовища:
1. Інформаційно-довідкове обслуговування;
2. супроводження вирішення задач;
3. будування структурних і функціональних моделей статичних та динамічних об’єктів.
Основна ціль створення навчальних середовищ — розвиток творчих здібностей учня. Ця ціль досягається шляхом створення сприятливого, “дружнього” середовища, або навчального віртуального “світу”. Користувач-учень досліджує цей світ, він є “автором” відкриттів і так здобуває знання. Цим досягається ціль всієї системи навчання в цілому. Ще одна ціль — тренування в вирішенні певного класу задач; тут навчальне середовище тут навчальне середовище може використовуватись як для генерації правильної відповіді, так і для комп’ютерної підтримки процесу розв’язування. При цьому навчальне середовище “не визнає” цілей тренування, тому контрольно-оціночний етап лягає на плечі педагога.
Навчальні програми служать для забезпечення наступних цілей:
1. демонстрація навчального матеріалу: користувачеві пропонується текстовий, графічний, аудіо- і відео матеріал в деякій фіксовані послідовності;
2. тестування і діагностика: користувач піддається випробуванню з ціллю з’ясування деяких його характеристик, в тому числі, глибини засвоєння знань або ступеня надбання навичок та умінь, отриманих ним раніше;
3. тренування: користувач отримує знання, навички та вміння, необхідні для виконання певної роботи, а навчальні програми організовують адекватне середовище для надбання та закріплення потрібних навичок та вмінь. Навчальні програми цього класу прийнято називати тренувальними програмами або тренажерами.
4. навчання: користувач отримує знання, навички та вміння в деякій предметній галузі під управлінням навчальної програми; при цьому програма приймає на себе всі функції педагога по організації запропонованого навчального матеріалу контролю його засвоєння і діагностики помилок учня. Даний клас програм характеризується:
а. наявністю цілі навчання;
в. Реалізація деякого методу навчання, що приводить до потрібної цілі і визначаючого стиль взаємодії з учнем;
с. Комплексним розв’язуванням задач навчання, контролю та діагностики.
В літературі зустрічаються різні типи класифікацій ІНС. Досить часто ІНС класифікуються по їх функціях в навчальному процесі. В таблиці наведена класифікація ІНС у відповідності з їх цілями функціонування. Класифікація інтелектуальних навчальних систем
Тип ІНС Призначення
Консультаційна Навчання шляхом експериментування
Діагностуюча Діагностика помилок при розв’язуванні задач
Керуюча Навчання поняттям і вмінням (навичкам) на основі моделювання знань учня
Супроводжуюча Слідкування за поведінкою користувача і допомога при невірних або не раціональних діях

Консультаційна ІНС представляє собою систему, призначену для навчання засобом експериментування. Навчання здійснюється в процесі активної взаємодії з деяким спеціально підготовленим, навчальним середовищем. Учень експериментує з навчальним середовищем, перевіряє свої ідеї та гіпотеза, а потім отримує критичні зауваження та поради.
Діагностуюча система призначена для виявлення неправильних уявлень учня про предметну галузь, в наслідок яких він робить помилки при розв’язувані певного типу задач. Діагностуюча ІНС складається з інтерфейсу, експертної системи (ЕС) по розв’язуванню задач, ЕС по діагностиці помилок і моделі користувача.
Керуюча система призначена для управління пізнавальною діяльністю учнів. Керуюча ІНС містить всі компоненти, представлені на рис. 1.2  Розрізняють навчання поняттям і вмінням (навичкам), а відповідні програми називають навчальними і тренувальними. При всій відносно цієї строкатості, основною відмінністю навчальних програм від тренувальних програм є наявність цілі вивчення учнем нового матеріалу.
Супроводжуюча система призначена для спостереження за діяльністю користувача при роботі в деякій (інструментальній) системі і надання йому допомоги при знаходженні помилкових або не раціональних дій. Супроводжуюча ІНС намагається визначити, що робить користувач, оцінити, як він це робить, і вирішити чи необхідна допомога і як її подати. Супроводжуюча ІНС містить всі компоненти ІНС, але на відміну від керуючої ІНС вона:
1. не знає цілі діяльності користувача і повинна її прогнозувати, що розширює функції системи по діагностиці помилок;
2. підтримувати меншу інтенсивність спілкування з користувачем: рахується, що його не варто відволікати від роботи.
Наведемо слідуючи класифікацію інтелектуальних навчальних систем:
1. інтелектуальні тьюторські системи;
2. навчальні середовища з інтелектуальною підтримкою;
3. інтелектуальні репетитори.
Інтелектуальні тьюторські системи, в більшості випадків, здійснюють лоцманські функції і “проводять” учня через множину навчальних стимулів або епізодів. Навчальні середовища з інтелектуальною підтримкою пропонують учневі цілковиту свободу у виборі наступного матеріалу та експериментування з ним. Інтелектуальні репетитори займають проміжне положення і вмішуються в роботу учня тільки у випадку, коли ним зроблено помилкові дії.
Інтелектуальні тьюторські системи (intelligent tutoring systems) — найбільший клас електронних систем навчання. Головна ідея цих систем — імітація навчальних поведінки досвідченої тьютора-людини.
Ідеальну інтелектуальну тьюторську систему можна описати за допомогою наступних ознак:
• система в процесі взаємодії з користувачем підлаштовується до його поточного рівня знань і ступеня розуміння;
• тестує учня і визначає його психологічні характеристики;
• проводить процес навчання методом, відповідаючим поточним психологічним здібностям учня і стилю, що вибирає учень;
• вибирає навчальний матеріал, для якого має місце невідповідність в рівні знань або степеня розуміння;
• автоматично доповнює матеріал тематично пов’язаною інформацією (наприклад, довідкового характеру);
• приділяє більше уваги “важким місцям” і пропускає вже відомий матеріал.
Нажаль, на даний час ще не створена система, яка в повній мірі відповідає перерахованим характеристикам.
При проектуванні навального середовища з інтелектуальною підтримкою не ставиться ціль розробити “штучний тьютор”, ведучий учня через матеріал предметної галузі і враховуючи його психологічну індивідуальність. Навчальне середовище представляє собою систему, призначену для навчання шляхом експериментування. Як правило, метод навчання, що використовується в інтелектуальних навчальних середовищах, відноситься до філософії спрощеного конструктивізму і полягає в тому, що навчання відбувається в процесі активної взаємодії з деяким  спеціально підготовленим, навчальним середовищем. (спрощений конструктивізм заперечує необхідність і можливість вивчення шляхом трансмісії знань і передбачає, що єдиним методом вивчення є експериментування з предметом вивчення на основі накопиченого ментального досвіду.) користувач, експериментуючи з середовищем перевіряє свої ідеї та гіпотези, і отримує від системи критичні зауваження та поради. Методи навчання, базується на ідеях конструктивізму, призначенні, в першу чергу, для отримання процедурних знань або навичок.
Так, наприклад, при вивченні іноземних мов методом “занурення” користувачеві може бути надане штучне середовище, яким він може маніпулювати за допомогою “миші”. Якщо користувач “знаходиться” в “середовищі” ванної кімнати, він може відкрити кран і заповнити водою раковину, взяти шматок мила і змочити його, і т.д. будь-які дії користувача супроводжуються коментарями системи на мові яку вивчають у вигляді тексту, так і шляхом аудиювання. Система може також, використовуючи мову, що вивчається, пропонувати користувачеві виконати деякі дії.
Головна ціль інтелектуального репетитора полягає в підтримці навчальної активності учня, при розв’язуванні задач, шляхом трансформації помилок, що робить користувач в процедурний дослід. Репетитор не вмішується в процес розв’язування задачі до тих пір, поки не знаходить помилкової дії.
Таким чином, репетитор здійснює неперервне і непомітне слідкування активності користувача і припиняє його роботу тільки тоді, коли дії учня не співпадають з діями, які очікуються системою. Мистецтво репетиторства полягає в знаходженні найкращого моменту зупинки активності користувача і найбільш коректної форми допомоги.

Розділ 2. АДАПТИВНІ ІНС
2.1. Адаптація тьютора на основі оцінки когнітивних властивостей.
Керуюча компонента системи навчання прагне забезпечити оптимальну ефективність навчання. При цьому потрібно зменшувати інформаційне навантаження користувача  за рахунок оптимальної організації його інформаційної  взаємодії з навчальною системою.  Індивідуальні особливості користувача змінюються в широких рамках, тому ця інформаційна взаємодія має бути адаптивною. Адаптація пропонує зміну в процесі учбової діяльності параметрів подання інформації, в залежності від індивідуальних особливостей користувача та його поточного психофізичного стану. Адаптація реалізується в процесі взаємодії користувача і системи на засобах відображення інформації.
Введемо наступні умовні позначення:  є  - множина   параметрів, що характеризує індивідуальні особливості та психофізичний стан користувача;  h є H – множина можливих варіантів параметрів інформаційної моделі. Очевидно, що не керуючими параметрами є параметри  , а керуючими є h.
КОРИСТУВАЧ
Когнітивний стан:
• Поточний рівень знань
• Когнітивні можливості
• Когнітивний стиль
• Мотивація
• Психофізичний стан
ТЬЮТОР
Блок вимірів
Когнітивна модель користувача
Блок адаптації
Навчальна послідовність
На рис.2.1. представлена організація персоналізованої системи навчання.

Для побудови і оновлення когнітивної моделі користувача інтелектуальний тьютор має мати засоби діагностики індивідуальних особливостей пізнавальних процесів користувача.
2.2. Адаптація навчальних епізодів до уподобань користувача.
В умовах навчання за допомогою персоналізованого адаптованого тьютора необхідно забезпечити  представлення презентуючи знань. Відповідність форм представлення  і уподобань користувача щодо сприйняття інформації  підвищує рівень успішності  навчання та знижує інформаційне навантаження на користувача. На рис.2.2. представлена архітектура персоналізованого адаптивного тьютора, що забезпечує:
• Вимірювання характеристик користувача (учня);
• Побудова його когнітивного профілю;
• Визначення когнітивного типу;
• Адаптація навчальної інформації до когнітивного профілю користувача.
База знань користувача складається з когнітивної моделі користувача і продукцій них правил інтерпретації когнітивного профілю, який зберігається і аналізується когнітивною моделлю. Ці правила мають загальний вигляд:
ЯКЩО  antecj  TO  conseqj ,
де j - індекс продукційного правила;
antecj  - посилання j-ого продукційного правила;
conseqj – наслідок.
Блок класифікації є  механізмом логічного виводу, який визначає когнітивний тип користувача (учня). Необхідність запропонованої архітектури полягає в тому, що визначення когнітивних стилів в когнітивних властивостях людини не є постійними. Психологи і когнітологи продовжують досліджувати когнітивні якості людини, і для забезпечення пластичності адаптивного тьютора приймається архітектура, в якій знання відділені від процедур виводу, і можуть легко редагуватися.
Ця сама причина пояснює необхідність блоку менеджер тестів, призначення якого встановлювати список тестів, що пропонуються користувачеві  для тестування його когнітивних здібностей. Таким чином забезпечує  можливість редагувати тести  і їх множину без зміни програмних компонентів тьютора. 
База знань предметної галузі  включає в себе знання про предмет, який вивчає користувач (учень). Вона може бути, наприклад, множиною сценаріїв, кожен з яких відповідає когнітивному типу користувача.
Функція блоку адаптації полягає в тому, щоб вибрати сценарій відповідно до когнітивного типу користувача.
Презентаційний блок  являє собою узагальнені назви  компонентів адаптивного тьютора, які виконують функції організації діалогового спілкування (комунікації) з користувачем (учнем).
Введемо додаткові змінні Е і Т, що будуть описувати темп і рівень складності представлення інформації, в даній таблиці:
Змінні, що описують темп і рівень складності представлення інформації.

Представлення інформації Градація Значення змінної
Темп низький Е=1
середній Е=2
високий Е=3
Рівень складності низький Т=1
середній Т=2
високий Т=3

Змінні Е і Т визначаються параметрами N1…N5, які є  результатами тестування продуктивних характеристик  користувача:
Е= fE   (N1, N2, N3),
T= fT    ( N4, N5).
Далі робота формалізується на основі теорії нечітких множин.
Вивід про когнітивний тип користувача далі використовує блок адаптації для управління параметрами послідовностей, що викладаються користувачеві (учневі).
Представимо покрокові дії  персоналізованого адаптивного тьютора (ПАТ) в ході спілкування з користувачем (учнем).
Крок 1. Користувач встановлює зв’язок з ПАТ.
Крок 2.  ПАТ індитифікує користувача. Перевіряється пароль і, якщо користувач не має доступу, то зв’язок переривається. Якщо користувач має доступ, то перевіряється стан його когнітивного профілю. Якщо когнітивний профіль користувача (КПК) побудований повністю, то пат переходить до кроку 5. Якщо КПК не побудований або побудований не повністю, то відбувається перехід до наступного кроку.
Крок 3. ПАТ запускає менеджер тестів. Менеджер тестів формує тестову послідовність у відповідності з інформацією із конфігураційного файлу. Який містить в собі назви тестів з бази даних тестів і порядок їх презентування.
Після того, як тестова послідовність сформується, кожен тест презентується користувачеві. Коли деякий тест буде завершено він передає управління менеджеру тестів, що має запустити наступний тест. Якщо тестова послідовність закінчена, то формуються результати тестування, менеджер тестів завершує свою роботу і ПАТ переходить до слідую чого кроку.
Крок 4. Результати тестування  оброблюються і заносяться в базу знань. Формується когнітивна інформаційна модель користувача (учня), що відображає його когнітивний профіль  (когнітивний стиль і значення  продуктивних характеристик).
Крок 5. Експертний блок тьютора (блок класифікації), моделюючий поведінку педагога, на основі побудованого КПК, відносить користувача до одного з типів користувачів.
Крок 6. ПАТ визначає  навчальний предмет і у відповідності з типом  користувача, формує послідовність навчальних епізодів.


ВИСНОВОК
Як було висвітлено вище, сьогодні вже багато виготовлено програмних продуктів, які проводять викладення та контроль знань. Але сьогодні є підстави говорити про створення майже ідеальної інтелектуальної системи навчання.
Поведінка ідеальної інтелектуальної системи навчання(тюторської системи) можна уявити наступним чином. В процесі  взаємодії з навчальними система безперервно повлаштовується під його рівень знань й степінь розуміння . іншими словами. Керуюча компонента тьютора реалізує таку поведінку:
- визначає когнітивні можливості слухача (здатність до навчання);
- визначає поточний рівень знань;
- підтримує обмін “слухач-тьютор” навчальних в формі повідомлень і відповідей слухача;
- відбирає навчальний матеріал для якого має місце невідповідність рівня знань  або степінь розуміння;
- автоматично або по запиту користувача навчальний матеріал доповнюється тематично зв’язаному інформацією (наприклад, довідкового характеру);
- виконується тестування користувача, і визначаються його характеристики, що визначають його здатність до навчання;
- реалізується процес навчання методом, який відповідає поточним когнітивним можливостям користувача.
Очевидно, що поведінка даної тьюторської системи можлива при наявності постійного і ціле направленого інформаційного обміну між користувачем і тьютором. Досить часто, підкреслюючи характер поведінки таких систем, їх називають системи комунікації знань (knowledge communication system). Комунікація знань визначається як можливість ініціювати і підтримати ціле направлений обмін знаннями між двома носіями знань за допомогою обмеженого набору комунікаційних ресурсів.
Сучасні комп’ютерні технології та засоби програмування дозволяють швидко та якісно створювати ІНС. Питання стоїть в розробці методів та прийомів викладення та контролю знань користувачеві.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Верлань А.Ф. та ін. “Когнітивне управління в ІНС” Черкаси 2002р.
2. Основи нових інформаційних технологій навчання / за ред. Ю.І.Машбиця – К.:ІЗМН, 1997р.
3. Колос В.В. “Адаптивні навчальні системи: основні характеристики та реалізації” // проблеми занурення комп’ютерних технологій у навчанні, Київ 1992р.

 

Яндекс.Метрика >