Экспертные и интеллектуальные обучающие системы

Экспертная система – это компьютерная система, использующая знания одного или нескольких экспертов, представленные в некотором формальном виде, а также логику принятия решения человеком-экспертом в трудно- или неформализуемых задачах.

Экспертные системы способны в сложной ситуации (при недостатке времени, информации или опыта) дать квалифицированную консультацию (совет, подсказку), помогающую специалисту (в нашем случае – учителю) принять обоснованное решение. Основная идея этих систем состоит в использовании знаний и опыта специалистов высокой квалификации в данной предметной области специалистам менее высокой квалификации в той же предметной области при решении возникающих перед ними проблем. Отметим, что специалистами высокой квалификации в педагогике принято называть опытных методистов. Обычно экспертные системы создаются в узких предметных областях.

Экспертные системы не заменяют специалиста, а являются его советчиком, интеллектуальным партнером. Серьезным преимуществом экспертной системы является то, что объем информации хранящейся в системе практически не ограничен. Введенные в машину один раз, знания сохраняются навсегда. Человек же имеет ограниченную базу знаний, и если данные долгое время не используются, то они забываются и теряются навсегда. После того как были разработаны первые технологии экспертного оценивания и получены с их помощью первые серьезные результаты, возможности их практического использования сильно преувеличивались. Необходимо правильно понимать реальные возможности их использования. Безусловно, далеко не все существующие проблемы могут быть решены с помощью экспертных оценок. Хотя корректное использование экспертных технологий во многих случаях остается единственным способом подготовки и принятия обоснованных решений.

Экспертные обучающие системы способны имитировать работу человека – эксперта в данной предметной области. Происходит это следующим образом: на этапе создания системы на основе знаний экс­пертов в данной предметной области формируется модель обуча­емого, затем в процессе функционирования системы знания обучаемых диагностируются, фиксируются ошибки и затруднения в ответах. В память компьютера заносятся данные о знаниях, навыках, ошибках, способностях каждого обучаемого. Система проводит анализ результатов учебной деятельности каждого обучаемого, группы или нескольких групп, выявляет наиболее часто встречаемые затруднения и ошибки.

Экспертные системы включает следующие подсистемы: базу знаний, механизм вывода информации, интеллектуальный интерфейс и подсистему пояснений. Рассмотрим эти подсистемы более подробно.

База знаний в данном случае содержит формальное описание знаний экспертов, представленное в виде набора фактов и правил.

Механизм вывода или решатель — это блок, представляющий собой программу, реализующую прямую или обратную цепочку рассуждений в качестве общей стратегии построения вывода. Экспертные обучающие системы можно использовать как средство представления знаний, организации диалога между пользователем и системой, способной по требованию пользователя представить ход рассуждений при решении той или иной учебной задачи в виде, приемлемом для ученика.

С помощью интеллектуального интерфейса экспертная система задает вопросы пользователю и отображает сделанные выводы, представляя их обычно в символьном виде.

К основному преимуществу экспертных систем перед человеком-экспертом можно отнести отсутствие субъективного подхода, которое может быть присуще некоторым экспертам. Проявляется это, прежде всего в возможности использованиясистемы пояснений хода в процессе решения задачи или примера. Технологии экспертного оценивания позволяют генерировать рекомендации ученикам и обобщенные данные педагогам. Данные полученные системой позволят педагогам выявить те разделы, которые обучаемые усвоили слабо, изучить причины недопонимания учебного материала и устранить их.

В сфере обучения подобные системы можно использовать не только для представления учебного материала, но и для контроля знаний, умений, навыков, для сопровождения решения за­дач на уровне репетитора. В этом случае система осуществляет пошаговый контроль правильности хода решения задачи. В случае контроля знаний, умений, навыков система осуществляет диагностику уровня усвоения учебного материала. Ученику предоставляется свобода в выборе темпа работы с системой и траектории обучения.

Выделим основные дидактические требования к экспертным обучающим системам.

1. Учет не только уровня подготовки (низкий, средний, высокий) и уровня усвоения (узнавание, алгоритмический, эвристический, творческий), но и психологических особенностей, личностных предпочтений обучаемого. Например: выбор режима работы, темпа работы, дизайна экрана, вариантов интерактивного взаимодействия.

2. Обеспечение максимальной свободы в выборе ответа на вопросы, а также возможности помощи или подсказки.

3. Реализация возможности получения объяснения целесообразности того или иного решения, получения объяснения действий системы, воспроизведения цепочки правил, используемых системой. Система должна фиксировать и запоминать ошибки в рассуждениях пользователя, чтобы он в любой момент мог вернуться к ним. Ошибки должны быть диагностированы, а помощь пользователю - адекватна этим ошибкам.

Эффективность использования экспертной обучающей системы зависит от следующих факторов.

1. Опыта эксперта или группы экспертов, чьи обобщенные знания и опыт положены в основу работы системы.

2. Технических возможностей средств ИКТ, используемых в учебном процессе.

3. Качества конкретного программного обеспечения.

4. Степени практической реализации персонализированного обучения, основанного на выборе индивидуальных обучающих воздействий.

Под интеллектуальной обучающей системой принято подразумевать комплекс организационно-методического, информационного, математического и программного обеспечения. Однако в это понятие должны быть включены и "человеческие" составляющие данной системы, а именно ученик и учитель. В связи с этим интеллектуальную обучающую систему необходимо рассматривать как сложную человеко-машинную систему, работающую в режиме интерактивного взаимодействия в схеме ученик – система - педагог. Подобные системы принято ориентировать на конкретную предметную область.

Интеллектуальные обучающие системы состоят из двух частей: основной части, включающей учебную информацию (образовательный контент) и вспомогательной части, реализующей интеллектуальное управление ходом учебного процесса.

Структура интеллектуальной обучающей системы:

Основная часть программы состоит из следующих моду­лей: информационного, моделирующего, расчетного, контролирую­щего. Основная часть системы включает в себя разного рода учебную информацию: текст, таблицы, рисунки, анимацию, видеофрагменты. Текст может содержать активные окна, которые позволяют пользователю продвигаться вглубь экрана, перемещаться по произвольной траектории из одного раздела в другой, концентрируя свое внимание на нужной информации, осуществлять произвольный выбор последовательности ознакомления с информацией.

Информационный модуль включает в себя базу данных и базу знаний учебного назначения. База данных содержит учебный, информационный, ин­формационно-справочный материал, список обучаемых, успеваемость и т.п. В процессе создания базы знаний возможно использование всего спектра возможностей технологии мультимедиа, гипермедиа и телекоммуникаций.

В моделирующем модуле содержатся компьютерные модели (имитация работы компьютера, визуализация передачи данных по компьютерным сетям и другое). Компьютерное моделирование позволяет визуализировать разного рода явления и процессы, которые не поддаются непосредственному наблюдению. Работа с компьютерными моделями позволяет существенно сократить время на подготовку и проведение сложных экспериментов, выделить самое важное, организовать интересное научное исследование. Возможность многократного повторения эксперимента позволит обучаемым приобрести навыки анализа результатов эксперимента, сформировать умение обобщать полученные результаты и формулировать выводы.Ученик имеет возможность исследования частных случаев, исходя из общих законов, или, наоборот, в результате изучения частных установить общий закон или закономерность.

Расчетный модуль предназначен для автоматизации различных расчетов.

Контролирующий модуль содержит вопросы, задания, упражнения, предназначенные для контроля знаний обучаемых.

Вспомогательная часть обеспечивает «интеллектуальную» работу системы. Именно здесь заложена схема обучающей последовательности, механизмы адаптации системы к конкретному объекту обучения, средства интеллектуального анализа объема и структуры знаний, необходимых для организации и управления учебным процессом. Помимо этого в вспомогательную часть входит подсистема интеллектуального управления ходом учебного процесса, реализующая интерактивный диалог пользователя с системой; контрольно-диагностирующий модуль, позволяющий рассчитать и оценить параметры субъекта обучения для определения обучающих воздействий, оптимальной стратегии и тактики обучения на каждом этапе занятия; осуществляющая экспертизу уровня знаний, умений, навыков, правильности решения разного рода задач, статистическую обработку результатов контроля, диагностику ошибок. Управляющая реакция системы, как правило, обуславливается ответами ученика на контрольные вопросы. Естественным требованием здесь является минимизация расхождения ответа ученика с передаваемой ему информацией. Система осуществляет контроль за прохождением обучаемыми этапов занятия и выводит эту информацию на компьютер учителя.

Преподаватель работает в тесном контакте с системой, получает от нее информацию о ходе процесса обучения, посылает запросы и вводит изменения в программу. Внесение изменений возможно только в том случае, если система является открытой, тогда в ней должен присутствовать сервисный модуль. Именно этот модуль позволяет учителю вносить в систему необходимые изменения и дополнения. Каждый из модулей является автономным, поэтому при внесении изменений в один из модулей со­держание остальных модулей основной части не изменяется.

Интеллектуальная обучающая система может быть использования не только на уроках, но и во время самостоятельной работы обучаемых, в процессе научно-исследовательской деятельности. Следует отметить, что системам искусственного интеллекта свойственны те же недостатки, что и экспертным обучающим системам, связанные с трудностью практической реализации системой индивидуализации и дифференциации обучения в том виде, который характерен для индивидуального обучения педагогом конкретного обучаемого. Такое положение вызвано тем, что искусственный интеллект лишь отдаленно напоминает некоторые человеческие качества и ни в коей мере не может отождествляться с интеллектом человека.

Выделим основные преимущества использования интеллектуальной обучающей системы на уроке.

Учитель: полу­чает достоверные данные о результатах учебной деятельности каждого отдельного ученика и класса в целом. Достоверность же определяется тем, что система фиксирует ошибки и затруднения в ответах ученика, выявляет наиболее часто встречаемые затруднения и ошибки, констатирует причины ошибочных действий обучаемого и посылает на его компьютер соответствующие комментарии и рекомендации; анализирует действия ученика, реализует широкий спектр обучающих воздействий, генерирует задания в зависимости от интеллектуального уровня конкретного обучаемого, уровня его знаний, умений, навыков, особенностей его мотивации, осуществляет управление рассылкой заданий и т.д.

Ученик получает в лице подобной системы не просто учителя, а персонального помощника в изучении конкретной дисциплины.

Эффективность работы интеллектуальных обучающих систем зависит от соблюдения ряда условий:

- возможности накопления и применения знаний о результа­тах обучения каждого обучаемого для выбора индивидуальных обучающих воздействий и управления процессом обучения для фор­мирования комплексных знаний и умений;

- валидности критериев оценки уровня знаний, умений, навыков; уровня подготовки (низкий, средний, высокий) или уровня усвоения материала (узнавание, алгоритмический, эвристический, творческий);

- возможности адаптации системы к изменению состояния обучаемого (обучаемый относился к среднему уровню, но на данном занятии его знания приближаются к высокому или, наоборот, к низкому уровню).

Внедрение в учебный процесс интеллектуальных обучающих систем позволит усилить эмоциональное восприятие учебной ин­формации; повысить мотивацию обучения за счет возможности само­контроля, индивидуального, дифференцированного подхода к каж­дому обучаемому; развить процессы познавательной деятель­ности; проводить поиск и анализ разнообразной ин­формации; создать условия для формирования умений самостоятельного приобретения знаний.