Лекция 5.

Рассмотрим три следующие класса моделей обучаемого, отличающихся своей функциональной направленностью:

- текущая (поведенческая) модель (знания о том, каков он есть);

- нормативная модель (каким мы хотим его видеть);

- прогнозируемая модель (каким мы его можем увидеть).

Текущую модель формируют путем анализа его текущего поведения и называют, поэтому, также поведенческой моделью. Основным способом построения текущей модели ученика является тестирование. Отметим, что текущая модель ученика в момент начала обучения представляет собой исходную модель обучающегося, а информация о процессе эволюции этой модели является источником важнейшей информации об ученике.

Нормативная модель включает в себя тем или иным образом формализованные требования к личностным качествам обучаемого, его профессиональным качествам, требования к умениям, знаниям и навыкам по различным учебным дисциплинам, характеристики физического и психического состояния и т.п. Основные параметры нормативной модели ученика определяет, в конечном счете, стандарт обучения (квалификационные требования для достижение ДЗ обучения).

Прогнозируемая модель ученика. Текущая модель ученика, а также вся предыстория ее эволюции образуют траекторию обучения данного ученика. На основе этой информации можно строить прогнозируемую модель ученика, например, к моменту завершения им обучения.

Во введенных терминах цель обучения можно определить следующим образом: перевод ученика из состояния, определяемого его исходной моделью, в состояние, как можно более близкое к нормативному состоянию (определяемому нормативной моделью) по оптимальной траектории.

Самостоятельную проблему при этом представляет задача формирования критериев оптимальности образовательной траектории. Основным таким критерием является, очевидно, минимум отклонений фактической траектории обучения ученика от траектории, которую определяют соответствующие учебные планы (нормативной траектории).

Отклонение фактической траектории ученика от соответствующей нормативной траектории обусловлено, прежде всего, ошибочными действиями ученика, ошибками, допущенными при формировании нормативной траектории, а также ошибками в организации учебного процесса. Анализ указанных отклонений может быть весьма содержательным, как с точки зрения формирования модели ученика, так и с точки зрения оценки качества и организации учебного процесса.

Обычно часть текущей модели ученика, которая формализует его ошибки, выделяют в самостоятельную и специфическую модель ошибок ученика.

Выделяются также следующие компоненты знаниевой (предметной) модели ученика, формализующей разные аспекты его знаний по данной учебной дисциплине:

- семантическая модель;

- процедурная модель;

- операционная модель;

- тематическая модель;

- функциональная модель.

Семантическая и процедурная модели ученика. Как указывалось ранее, предметные знания подразделяют на фактографические (декларативные) и процедурные, первые из которых представляют собой утверждения о свойствах объектов предметной области и отношениях между ними, а вторые - описывают порядок и характер преобразования объектов предметной области. Фактографические знания определяют содержательную (семантическую) часть предметных знаний и порождают семантическую знаниевую модель ученика. Процедурная знаниевая модель ученика формализует его процедурные знания.

Операционная модель ученика. Знания ученика являются средством формирования его умений, которые в инженерии знаний трактуются как поведенческие (операционные) знания. Поэтому подходящую формализацию умений ученика называют его операционной знаниевой моделью.

Тематическая модель. Как отмечалось ранее, одним из важнейших свойств знаний является их структурированность. Можно сказать, что «…усвоить определенную порцию учебных знаний - значит установить их место в структуре данного раздела учебного материала». Тематическая знаниевая модель ученика представляет собой формализацию его представлений о структуре изучаемой дисциплины на тематическом уровне, т.е. на уровне названий тем этой дисциплины. По сути, тематические знания представляют собой знания о предметных знаниях, т.е. являются метазнаниями. Поэтому можно сказать, что тематическая знаниевая модель ученика представляет собой модель его метазнаний.

Функциональная модель ученика.Еще одним аспектом структурированности знаний является их структурирование по функциональности. С этой точки зрения среди фактографических знаний выделяют определения, теоремы, следствия, выводы и т.д., а среди процедурных знаний - методики, методы, алгоритмы и т.д. Функциональную знаниевую модель ученика составляют формализованные представления ученика о функциональной структуре знаний изучаемой дисциплины. Можно сказать, что эта модель ученика, как и его тематическая знаниевая модель, представляет собой одну из моделей его метазнаний.

С «технологической» точки зрения выделим следующие классы моделей обучаемого рис. 1:

- оверлейные модели;

- имитационные модели;

- разностные и пертурбационные модели;

- стереотипичные модели.

Рис. 1. Классификация моделей обучаемых

Оверлейные модели. Оверлейная модель (overlay model) описывает знания ученика как некоторое подмножество всех знаний используемой модели знаний. Модель является частным случаем, так называемой, фиксирующей модели ученика, простейшим вариантом которой является его скалярная модель, представляющая собой некоторую интегральную оценку знаний ученика в какой-либо шкале. Более сложными фиксирующими моделями ученика являются его векторная и сетевая оверлейные модели.

Векторная оверлейная модельпредставляет собой совокупность всех понятий рассматриваемого учебного курса и/или умений, соответствующих этому курсу, каждому из которых поставлено в соответствие значение «знает-не знает» или «умеет-не умеет».

Сетевую оверлейную модельопределяют как графовое представление семантической сети предметной области данного учебного курса, в котором каждому узлу и каждой дуге сопоставлена одна или несколько величин, определяющих степень овладения учеником соответствующих понятий и отношений между ними. По способу оценки знаний ученика оверлейные модели разделяют на:

· бинарные («изучено - не изучено»);

· взвешенные (используется та или иная количественная шкала);

· вероятностные (оценка рассчитывается на вероятностной шкале);

· нечеткие (с использованием нечетких множеств).

Расширением сетевой оверлейной модели можно считать генетическую графовую модель. В отличие от оверлейной модели эта модель содержит не только нормативные понятия и отношения между ними, но и различные уточнения, обобщения, конкретизации и отклонения от нормативной модели, обусловленные особенностями знаний ученика.

Например, с помощью отношения «уточнение» в генетической графовой модели могут быть описаны индивидуальные особенности понимания учеником тех или иных понятий.

Имитационные моделипредполагают представление знаний ученика в виде некоторых структур данных, а его умения в виде процедур и механизмов их интерпретации. Имитационная модель ученика, как правило, включает в себя его модели ошибок, ограничений и фальшправил.

Модель ошибокв той или иной форме фиксирует ошибки ученика, совершенные им при тестировании. Хотя модель ошибок традиционно относят к текущей модели ученика, эту модель проектируют заранее и ее, вероятно, следовало бы классифицировать, как нормативную модель ошибок. Ученик в процессе обучения совершает некоторые из ошибок этой модели, перечень которых составляет модель ошибок данного ученика.

Модель ограниченийпредставляет собой совокупность нижних и верхних границ для уровней учебных достижений ученика. Здесь нижняя граница соответствует наиболее конкретным формам понятия или умения, а верхняя граница – их наиболее общим формам.

Модель фальшправилявляет собой модель ошибочного поведения ученика.

Разностные и пертурбационные модели.

Модель разностного типастроят на основе различий между ответами ученика и соответствующими знаниями из базы знаний АОС. Важно, что модель данного типа позволяет учитывать не только отсутствие знаний у ученика, но и искажения этих знаний. С формальной точки зрения, разностную модель можно считать модификацией модели оверлейного типа.

Модель пертурбационного типаоснована на предположении, что знания ученика и знания в базе знаний АОС могут частично не совпадать. Важной функцией модели пертурбационного типа является определение причин указанного расхождения знаний. Такими причинами могут быть

− недостаток знаний (ученик не обладает знаниями, достаточными для того, чтобы правильно ответить на то или иное контрольное задание),

− ошибочные знания (знания ученика противоречат знаниям в базе знаний системы),

− неверное использование знаний (ученик владеет необходимыми знаниями, но не умеет их правильно применять),

− случайные ошибки (ошибки ученика в вычислениях или ошибки, порожденные недостаточно внимательным чтением формулировок контрольных заданий и вариантов ответов на них),

− умышленные ошибки (ошибки, возникающие в том случае, когда ученик использует какую-либо «стратегию» ответа на контрольные задания, например, всегда выбирает только первый вариант ответа).

Стереотипичные модели(stereotype models). Основная идея этих моделей состоит в выделении некоторого набора типовых (стереотипичных) по своим параметрам учеников. На основе этого набора для данного ученика определяют вероятность принадлежности его к каждому из указанных стереотипов.

В качестве целевого выбирают стереотип, вероятность принадлежности к которому максимальна. По сравнению с оверлейной моделью данная модель значительно менее мощна, но ею легче управлять и, главное, инициализировать. Задача стереотипирования очевидным образом сводится к задаче кластеризации множества параметров учеников.

Вывод: Модель студента является одной из базовых компонент интеллектуальных компьютерных систем обучения. Она содержит достаточно полную информацию об обучаемом: уровень его знаний, умений и навыков, способность к обучению, способность выполнения заданий (умеет ли он использовать полученную информацию), личностные характеристики (тип, ориентация) и другие параметры.

Модель студента динамична, т.е. изменяется в процессе прохождения курса, в ходе работы с системой (рис. 2).

Лекция 5.