Технология разработки экспертно-обучающих систем, ориентированных на обучение точным дисциплинам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Аксенов, Максим Владимирович

• Аксенов, Максим Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аксенов, Максим Владимирович

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по теме исследования.

1.1 Теоретические основы процесса обучения.

1.1.1 Обучение как вид деятельности.

1.1.2 Уровни усвоения знаний.

1.1.3 Деятельностный подход к обучению.

1.1.4 Дидактические принципы компьютерного обучения.

1.1.5 Обратная связь.

1.2 Классификация обучающих систем.

1.2.1 Классификация, предложенная П.Брусиловским.

1.2.2 Инструментальные оболочки и конечные курсы.

1.3 Анализ известных обучающих систем.

Глава 2. Символьные преобразования математических выражений.

2.1 Внутреннее представление математических выражений.

2.2 Стандартный вид бинарных деревьев.

2.3 Неформальное описание алгоритма символьных преобразований.

2.4 Требования к алгоритму символьных преобразований.

2.5 Алгоритм символьных преобразований.

Глава 3. Принципы разработки обучающих систем.

3.1 Структура ЭОС "Formula Tutor".

3.2 Хранилище объектов предметной области.

3.3 Продукционная база знаний.

3.4 Грамматика для генерации заданий.

3.5 Генератор заданий.

3.6 Шаблоны заданий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология разработки экспертно-обучающих систем, ориентированных на обучение точным дисциплинам»

Анализируя развитие государств, которые принято относить к передовым, нетрудно предположить, что в экономической сфере XXI век будет ознаменован "экономикой знаний". Уже сейчас понятно, что роль любого государства в мире определяется не столько природными, сколько интеллектуальными ресурсами [М1]. Таким образом, подготовка высокообразованных специалистов приобретает все более важное значение. Однако ситуация в сфере образования далека от идеальной. Причем это относится не только к нашей стране [В 1], но и к странам с более стабильной и успешной экономикой [П1]. Проблема современного образования состоит в том, что оно на протяжении многих лет оставалось неизменным на фоне стремительных изменений в других сферах деятельности современного общества, эволюция образования отстает от эволюции общества [П1].

Одним из способов решения возникших проблем образования является вовлечение в образовательный процесс различных технических средств, и в первую очередь использование компьютерного обучения [П2].

Использование компьютерных обучающих систем предоставляет следующие возможности:

1. использование изобразительных возможностей, позволяющих сделать содержимое более наглядным, понятным, занимательным;

2. возможность снабдить учебный материал динамическими рисунками, использование которых позволяет учащемуся экспериментировать, рассматривать изучаемое явление с разных сторон;

3. возможность моделировать;

4. возможность быстро и эффективно тестировать или каким-либо другим образом проверять знания учащихся;

5. возможность организовывать самостоятельную работу учащихся в удобном для них темпе, давать подсказки, справки и многое другое;

6. использование гипертекстовых ссылок, позволяющее мгновенно отыскать нужное понятие, в считанные доли секунды "перелистать" многие страницы изучаемого текста;

7. организовать виртуальную лабораторную работу, которую по тем или иным причинам невозможно провести в реальной обстановке;

8. осуществлять индивидуальный подход к обучаемому.

Исследования в области обучающих систем являются в настоящее время чрезвычайно популярным и интенсивно развивающимся видом научной деятельности. На наш взгляд на это есть две причины. Во-первых, это интерес к использованию на практике технологий искусственного интеллекта, всегда существовавший в академической среде. Во-вторых, бурное развитие Internet-технологий, предоставившее разработчикам обучающих систем новые мощные средства разработки, которых не существовало раньше. Такая популярность этой области научных исследований привела к тому, что в настоящее время существует большое количество научных трудов по данной теме, разработаны десятки обучающих систем. Однако, несмотря на такое обилие информации и достаточно большое число разработанных систем, эту область знаний нельзя назвать полностью исследованной. Действительно, проведены исчерпывающие исследования процесса обучения, но касаются они в основном теоретических аспектов и мало помогают в разработке реальных обучающих систем. Большинство обучающих систем, разработанных в академической среде, - это типичные "лабораторные" системы, никогда не использовавшиеся в реальном процессе обучения. Остальные, такие как AHA и ELM-ART использовались для проведения в нескольких относительно небольших занятиях. Коммерческие обучающие системы являются, по сути, гипертекстовыми документами и не могут претендовать на то, чтобы называться полноценными обучающими системами.

Целью данной работы является разработка технологии создания обучающих систем, которые предполагается использовать при обучении дисциплинам, связанным с символьными преобразованиями математических выражений. Кроме того, данная технология должна позволять создавать оболочки обучающих систем, то есть пользователи таких систем должны получить возможность создавать собственные обучающие курсы и изменять имеющиеся.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературы по теме исследования. В первом разделе описываются теоретические основы процесса обучения и особенности этого процесса при его автоматизации. В данном разделе показана важность построения процесса обучения на основе деятельностной модели обучения. Далее рассматриваются дидактические принципы обучения и то, как эти принципы трансформируются при переходе к компьютерному обучению. Особое внимание уделено диалогу обучаемого и обучающей системы. Второй раздел главы посвящен обзору работ, связанных с обучающими системами. В нем рассмотрена классификация обучающих систем, предложенная Питером Брусиловским и основанная на технологиях, используемых при разработке обучающих систем. В процессе описания классификации приводится и обзор самих технологий. Приведен также еще один способ классификации, построенный на том, какие инструментальные средства система предоставляет своим пользователям. В главе приведены примеры обучающих систем и проанализированы их слабые и сильные стороны (AHA, семейство ELM, ADE, VET, WITS, CyberProf, WLEM), более подробное описание систем приведено в приложении 1. В заключение приводится краткое описание построенной на изложенных в диссертации принципах экспертно-обучающей системы (ЭОС) "Formula Tutor".

Основное содержание выполненного диссертационного исследования представлено во второй и третьей главах. Во второй главе приведено описание моделей и алгоритмов символьных преобразований математических выражений. Рассмотрено представление математических выражений в виде бинарных деревьев, метод построения таких деревьев, алгоритмы их сравнения и преобразования, приведено описание стандартного вида бинарных деревьев и алгоритмы преобразования деревьев к стандартному виду. Задание набора символьных преобразований осуществляется с помощью шаблонов символьных преобразований, также рассмотренных в этой главе.

В третьей главе описывается технология разработки обучающих систем, ориентированных на обучение точным дисциплинам. Изложение технологии ведется на примере их использования в ЭОС "Formula Tutor". Каждый раздел главы соответствует одному из компонентов системы, при этом каждый раздел содержит теоретический материал, на основе которого строился данный компонент, а также описание программной реализации данного компонента в виде диаграмм UML (Unified modeling language -Унифицированный язык моделирования) и их неформального текстового описания.

В заключении сформулированы основные результаты, а также возможные пути дальнейшего развития разработанных методик.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Аксенов, Максим Владимирович

Заключение

В результате диссертационного исследования была разработана методика построения обучающих систем для использования при обучении дисциплинам, связанным с преобразованиями математических формул. В процессе работы над диссертацией были получены следующие результаты:

1. разработана модель символьных преобразований математических выражений и алгоритмы, реализующие эту модель;

2. предложена модель, позволяющая разработчикам обучающих курсов задавать необходимые им символьные преобразования. Данная модель использует шаблоны символьных преобразований;

3. разработаны алгоритмы сравнения математических выражений, представленных в виде бинарных деревьев;

4. предложена технология создания параметризованных заданий, использующая объектную модель предметной области и механизмы формальных грамматик;

5. предложена модель распределения обязанностей при генерации заданий между компонентами системы;

6. на основе полученных выше результатов была реализована ЭОС "Formula Tutor". Система обладает следующими свойствами: a. позволяет разработчикам обучающих курсов создавать обучающие курсы, использующие символьные преобразования математических выражений, а также модифицировать уже имеющиеся курсы; b. для сравнения ответа, полученного системой, с ответом, введенным обучаемым, разработчик обучающего курса может задать классы эквивалентных математических выражений; c. при работе с системой каждый обучаемый получает индивидуальное задание; d. в случае возникновения затруднения в процессе решения задания или при неправильном решении задания обучаемый может обратиться за помощью к системе; e. система способна адаптироваться к текущему уровню знаний обучаемого.

Предложенные технологии могут получить дальнейшее развитие при проведении следующих исследований:

1. разработка более совершенных механизмов адаптации к уровню знаний обучаемого;

2. поиск наиболее оптимального представления учебного задания и учебной информации на экране компьютера;

3. исследования в области моделирования интерактивного взаимодействия обучающей системы и обучаемого.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аксенов, Максим Владимирович, 2004 год

1. А4. Андреев А. А. Дидактические основы дистанционного обучения. http://www.iet.mesi.ru/br/ogl-b.htm

2. А6. Ахо А., Сети Р., Ульман Д. Компиляторы: принципы, технологии и инструменты. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003.

3. Б1. Беспалько В. П. Программированное обучение. Дидактические основы. М. 1970.

4. Б2. Богоявленский Д. Н., Менчинская Н. А. Психология усвоения знаний в школе. М.: Изд-во АПН РСФСР, 1959.

5. БЗ. Беспалько В. П. Элементы теории управления процессом обучения. Описание целей и способы их достижения в обучении. М. 1970. Б4] Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон A. UML. Руководство пользователя. М.: ДМК Пресс, 2003.

6. Б5. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон A. UML: Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.

7. В8. Волкова И. А. Руденко Т. В. Формальные грамматики и языки. Элементы теории трансляции. М.: МГУ, 1999.

8. Г1. Гальперин П. Я. Основные результаты исследования по проблеме "Формирование умственных действий и понятий". М.: Педагогика, 1966. Г2] Гальперин П. Я. Методы обучения и умственное развитие ребенка. М.: Изд-во МГУ, 1985.

9. ГЗ. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного программирования. Паттерны проектирования. СПб.: Питер, 2003.

10. Е1. Ельцов А. В., Степанов В. А., Федорова Н. Б. Оптимизация учебного процесса на основе использования современных средств обучения физике. Вестник Рязанского государственного педагогического университета им. С. А. Есенина. № 1 (7) 2002, с. 118-128.

11. Е2. Епишева О. Приемы учебной деятельности в обучении математике. Материалы газеты "Математика" (приложение к газете "1 сентября") № 38 1999.

12. J11. Леонтьев А. Н. Обучение как проблема психологии // Вопросы психологии. №1 1957, с. 17-26.

13. Ml. Микони С. В. Модели и базы знаний: Учебное пособие. СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2000. М2] Мышбиц Е. И. Психологические основы управления учебной деятельностью. М.: Педагогика, 1988.

14. HI. Нильсон Н. Искусственный интеллект. Метода поиска решений. М.: Мир, 1973.

15. Н2. Нильсон Н. Принципы Искусственного Интеллекта. М.: Радио и связь, 1985.

16. П1. Паперт С. Образование в просвещенном обществе. Новые технологии в школьном образовании в России. Компьютерные инструменты в образовании. № 1 2001 с. 3-8.

17. П2. Пасхин Е. Н. Автоматизировнные систамы обучения. М.: Издательство МГУ, 1987.

18. ПЗ. Полат Е. С. Дистанционное обучение. // Педагогические иинформационные технологии в образовании № 4,http://scholar.urc.ac.ru/pedjournal/numero4/pedag/polat.html

19. PI. Ренделл Б., Рассел Л. Реализация АЛГОЛа 60. М.: Мир, 1967.

20. С1. Соловьев В. А. Дидактический анализ проблематики электронногообучения. IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies,

21. Казань: КГТУ, 2002, с. 212-216.

22. C2. Страуструп Б. Язык программирования С++. М.: Бином, СПб.: Невский диалект, 2001.

23. Т1. Талызина Н. Ф. Управление процессом усвоения знаний. М.: Издательство МГУ, 1984.

24. Э1. Эльконин Д. Б. Избранные психологические труды. М.: Педагогика, 1989.

25. A3. Assad A.M., Hubler A.W. CyberProf: An Intelligent Human-Computer Interface for Asynchronous Wide Area Training and Breakching. 4th International World Wide Web Conference.

26. B4. Brusilovsky P., Schwarz E., Weber G. ELM-ART: An intelligent tutoring system on World Wide Web// Intelligent Tutoring Systems. Lecture Notes in

27. Computer Science, Vol. 1086, Frasson C., Gauthier G., Lesgold A. (eds.), Berlin: Springer Verlag, p. 261-269.

28. D2. De Bra P., Stash N., AHA! A General-Purpose Tool for Adaptive Websites. Proceedings of the World Wide Web Conference, Poster Session, May 2002, p. 381-384.

29. Fl. Fukuhara Y., Ishiuchi S., Koike Y., Maruyama M., Nakabayashi K., Touhei H., An Intelligent Tutoring System on World-Wide Web: Towards an Integrated Learning Environment on a Distributed Hypermedia, Proc. of ED-MEDIA95, June 1995, p. 488-493.

30. J4. Johnson W.L., Rickel J. Task-Oriented Collaboration with Embodied Agents in Virtual Worlds// Embodied Conversational Agents, J. Cassell, J. Sullivan, and S. Prevost (eds.). Boston: MIT Press, 2000.

31. M3. Multisilta J., Pohjolainen S. Using Hypermedia in Teaching Linear Algebra. //Proc. of the fifth SIAM Conference on Applied Linear Algebra, Lewis J. (ed.), Philadelphia, 1994.

32. Okazaki Y., Watanabe K., Kondo H. WWW Based ITS for Guiding Differential Calculations: Individualized Tutoring Mechanism in the WWW Framework //Proc. of International Symposium on Educational Revolution with Internet (ERI'96), p. 65-71, December 1996.

33. SI. Specht M., Weber G. User Modeling and Adaptive Navigation Support in WWW-based Tutoring Systems // User Modeling, Jameson A., Paris C., Tasso C. (eds.), Wien: Springer-Verlag, p. 289-300.