Технология обучения понятиям в интеллектуальных обучающих системах

Попытки автоматизировать процесс обучения начались более 30 лет назад и в настоящее время продолжаются, порождая большое количество компьютеризированных курсов по различным предметам. В последнее время основные усилия разработчиков направлены на создание интеллектуальных обучающих систем (ИОС). Успехи в этой области, однако, ограничены тем, что создаваемые ИОС в очень незначительной степени используют то многообразие методов и средств искусственного интеллекта, которое наработано к настоящему времени [1]. Другой причиной недостаточной «интеллектуальности» ИОС является слабая проработка возможностей формализации самого педагогического процесса и механизмов взаимодействия ученика с компьютером. В настоящее время основные направления использования компьютерной технологии обучения в учебном процессе подчинены следующим целям:

• — индивидуализация обучения;
• — выработка практических навыков и тренировка;
• — контроль и оценка знаний.

Выделяют две основные направленности процесса обучения [2, 3]: обучение понятиям и формирование умений (навыков).

При формировании умений и навыков создаются проблемные ситуации, в которых обучаемый должен выполнить некоторую последовательность действий, основываясь на своих знаниях. Чаще всего обучаемому предлагается последовательность все более усложняющихся задач. В современных ИОС именно этому этапу обучения уделяется основное внимание.

При обучении понятиям выделяются следующие этапы:

• — описание свойств объектов предметной области, качественных и количественных характеристик объектов и процессов;
• — выявление понятий;
• — определение связей между понятиями;
• — определение зависимостей на множествах свойств и характеристик объектов и процессов.

При обучении понятиям в современных автоматизированных системах основное внимание уделяется представлению фактического материала, описанию свойств и отношений, строгому определению понятий, которые ученик должен понять и запомнить. При этом широко используются средства мультимедиа, различные способы визуализации, игровые формы представления материала. Однако основной процедурой, выполнение которой требуется от обучаемого, остается запоминание. Автоматизированные системы обучения лишь облегчают процесс запоминания материала курса и мало используют творческую компоненту обучения, когда ученик самостоятельно формирует понятия и «открывает» связи между ними.

В связи с этим, актуальной проблемой автоматизированного обучения является разработка технологии обучения понятиям и создание интеллектуальных обучающих систем, активизирующих творческую компоненту обучения.

В данной работе предлагается технология для создания ИОС, основной целью которых является обучение понятиям предметной области в интерактивном режиме, включая тестирование знаний обучаемого. Эта технология реализована в виде инструментальной среды, основными функциями которой являются: извлечение знаний эксперта, формализация понятий предметной области, создание базы знаний, генерация тестовых вопросов, формирование когнитивной модели обучаемого, оценка знаний обучаемого, формирование стратегии обучения [5].

Основной задачей первичного обучения является знакомство с понятиями предметной области. Для формализации понятий предлагается использовать метод анализа формальных понятий (Formal Concept Analysis) [5]. Формальное понятие (концепт) представляется как двойка, где объем некоторое множество объектов предметной области, содержание множество свойств, которыми обладают все эти объекты. Для выявления понятий составляется формальный контекст для соответствующего фрагмента предметной области, который представляется как бинарная таблица. Множество формальных понятий упорядочено отношением частичного порядка и образует полную решетку концептов.

Для тестирования знаний обучаемого автоматически генерируется набор тестов по решетке концептов. Тесты генерируются как в открытой, так и в закрытой форме. Основной проблемой составления закрытых вопросов является выбор дистракторов. Для выбора дистракторов предлагается использовать элементы концептуальной решетки, наиболее близкие к тестируемому понятию. По ответам ученика составляется концептуальная решетка, отражающая систему понятий предметной области в представлении ученика. Эта решетка сравнивается с эталонной моделью предметной области. Различия между эталонной моделью и когнитивной моделью обучаемого используются для выработки стратегии дальнейшего обучения.