Введение к работе
Актуальность. Научно-технический прогресе и связанный с
ним бистрий рост количества персональных ЭВМ (ПЭВМ) выдвинули в качестве одной на неотложных задач достижение необходимого уровня компьютерной подготовки работников всех сфер народного хозяйства страны. Е большей степени зтэ относится к учащейся молодежи - ученикам средних общеобразовательных іхі'.оз, учащимся ятсфеесионалмо-техиических училищ, сгудсетам вуоз и техникумов. Перед органами народного образования сста.тя 'сложная аадача обучения подрастающего поколения компьютерной грамотности и необходимость интенсивного" внедрения достижений информатики к вычислительной техники в учебные заведения. В связи с этим особую актуальность присо-ретавт гопросн шйектизиого і'спольаованмя ПЭВМ в учебном процессе и исследования по разработке эфЬект-идны" мо-т^гт и средств компьютерного обучения.
Во всем мире усиленно ведутся соответствующие работы в данной области. Однако до сих пор еще не сформировалось единого взгляда на применение средств вычислительной техники в сфере образования.
Первоначальное использование ЭВМ а учебном процессе характеризуется как период интенсивного развития идей программированного обучения и разработки автоматизированных o6yteuo-2ytx систем (ДОС), осноігьіваиїихся на этих идеях,
Разработчики ДОС исходили из предположения, что процесс обучения ілйікст быть осуиествлен путем хорошо организованней последовательности кадров обучающей и контролирующей инфор-.-.щии. Depv.uc эксперименты по использованию ЭВМ з учебном процессе нашли свое воплокекие в виде програм.* учебного назначения (ІТУН) с детерминированным сценарием обучения. Это такие системы, как ADAPT, PLATO, ЇЇСС1Т, СПОК ЕС, ДОС-Bio.. TenCORE и др. Данному классу ПУН присуши такие недостатки: низкий уровень адаптивности к индивидуальным особеккостям обучаемого; сведение задачи диагностики знаний обучаемого к задаче определения принадлежности его ответов к одному из классов эталонных ответов; большие трудозатраты на подготовку учебного материала дале при использовании авторских языков ГАЯ) {CourseVnter, ЯОК, ABC) и авторских снетеы (АС) (С.А.3., VAULT, EASE, ЛИТРА і.
.-2--.
Альтернативным подходом к процессу автоматизации обучения является создание так называемых учебных сред (УС). В <(анном классе ПУН реализуется концепция обучения через открытие. В словаре-справочнике "Компьютерная технология обучения УС определяется как программные системы, "предназначенные для предоставления обучаемому по крайней мере одной из следующих услуг; информационно-справочное обслуживание; инструментальное обслуживание; конструирование имитационных моделей} решение задач". Принципиальное отличие данного подхода от рассмотренного ранее заключается в том, что в данном случае к обучаемому относятся как к некоторой автономной системе, способной иметь свои цели. Данный подход поддерживает парадигму "учение". Для данного класса ПУН характерны следующие особенности: УС предоставляет обучаемому учебные материалы и другие ресурсы, необходимые для достижения учебной цели, поставленной ему поеподавателем либо им самим; отсутствие контроля дейсздй обучаемого. Основное назначение УС - создать благоприятную, "дружественную" среду шш "мир", "путешествуя" по которому обучаемый приобретает знания.
Исследования в облзсти психологии мышления, достижения
в области искусственного интеллекта (ИИ) и технологий прог
раммирования, появление относительно недорогих, но достаточ
но мощных персональных компьютеров расширили область приме
нения компьютеров в учебном процессе, позволили проверить на
практике новые концепции интеллектуализации компьютерного
обучен...; '"-'-.
В настоящее время в зтом направлении быстро развиваются и прогрессируют ПУН, поддерживающие теории обучения, базирующиеся ка модели обучаемого. Для них характерно свободноа и многоаспектное использование учебного материала, ведение диалога на основании вычисляемой модели обучаемого, истории взаимодействия обучаемого с системой и выводов теории обучения. Результаты экспериментов, проводимых в нашей стране и за рубежом, подтверждают плодотворность данного подхода при обучении сложной когнитивной, деятельности. В настоящее время широкое распространение получили системы ИИ, именуемые как системы, основанные на базах знаний (knowledge-based syslsmr , или экспертные системы (expert systems).
. Экспертные системы (ЭС) относятся к категории машинных программ, которые способны выполнять различные 'функции, а именно,получать, накапливать, корректировать знания из некоторой предметной области (ПО), предоставляемые в основном людьми-экспертами, выводить новые знания, решать на основе этих знаний практические задачи, например, в медицине, математике, химии, геологии, образовании и объяснять ход своего ревения. Набор фактов (знания) и.эвристические приемы (стратегии логического вывода) вводятся в компьютер; ЭС использует зти стратегии вывода для работы с хранимыми знаниями в соответствии с запросом пользователя, она может объяснить, как она "пришла" к тому или иному выводу. .; При разработке ЭС используются такие инструментальные средства: универсальные языки программирования (Си, Паскаль), языки искусственного интеллекта (Лися, Пролог), инструментальные среды и инструментальные экспертные системы (оболочки) (RuleMaster, Guru, BESS, BEST).
Целью диссертационной работы является: .'«-. - разработка методов и средств эффективного использования экспертных систем в учебном процессе, а именно, создание и обобщение опита применения инструментальных ЭС в процессе обучения различным предметам на основе следующей идеи: обучаемому (пользователю оболочки ЭС) предоставляется возможность работать с оболочкой ЭС в режиме эксперта, наполнпЗДе-го её своими знаниями и создающего своп собственную экспертную систему по изучаемому материалу,
- разработка методики и технологии проектирования пользовательского интерфейса оболочек ЭС учебного назначения.
Для достижения этих целей в диссертационной работе, ставятся и решаются следующие задачи:
-
анализ' современных методов и средств разработки программ учебного назначения..Акцентирование внимания на тех из них, которые соответствуют целям работы;
-
разработка структуры и принципов построения программных, средств, в среде оболочки экспертной системы BESS для обучения в некоторой предметной области;
-
разработка методики применения инструментальной ЭС для обучения в некоторой предметной области;
-
разработка учебной оболочки ЭС с максимально дружественным пользовательским интерфейсом, реализованным в
- 4 -соответствии со стандартом CUA (Common Users Access) фирмы IBM на пользовательский интерфейс для программных систем;
5) разработка автоматизированного учебного курса "Экспертные системы а обучении", состоящего из лекционных, практических и лабораторних занятий;
6) проведение экспериментального исследования эффективности предлагаемых методов и средств применения ЭС в учебном процессе.
Научная новизна диссертации заключается в следующем і
-
Предложен новый подход к применению экспортных систем в обучеиш), состоящий в том, что обучаемому предлагается построить свою экспертную систему в среде оболочки ЭС п заранее выбранной предметной области. Как показывает опыт, данное решение максимально способствует активизации мыслительной деятельности учащегося. Если созданная им экспертная система правильно работает, то есть* все основания полагать, что учебішй материал освоен учеником 'хорово.
-
Определен и исследован новый класс ПУ1Г- экспертные системы, используемые в учебном процессе во предлагаемой нами технологии.
-
Разработана методика применения обол кк экспертных систем как для подготовки пользователей инструментальных экспертных систем - экспертов, .так и для целей обучения 3 некоторой лредметной области.
-
Выбраны и обоснованы методы представления и алгоритмы обработки знаний в экспертной системе, как иовом классе ПУН, ориентированном на обучение пользователей инструментальных экспертных систем.
Б. Предложен новый стандартизированный подход к проек
тировании пользовательского интерфейса оболочек ЭС учебного
назначения '
б. Разработан демонстрационный -прототип учебной оболочки ЭС BELS, сочетающей в себе возможности текстовых редакторов,' электронных таблиц, информационно-поисковых систем и элементы систем гипермедиа. Холочіїа разработана в рамсах предложенного технологического подхода к проектирование пользовательского интерфейса учебных программ, основанного на стандарте фирмы IBM - SAA (System Application Architecture). Для нее характерны следующие свойства:
- s>: : ' .;
представление информации в удобном для восприятия виде; '.""-.'.- . '
большая защищенность от несанкционированных или -неправильных действий, что позволяет непрофессиональным пользователям избегать "рискованных" ситуаций;
простота и удобство работы.
7. Разработан автоматизированный учебный курс "Эксперт
ные системы в обучении", прошедший апробацию во многих стра
нах мира и государствах СНГ, Учебный курс основывался пол
ностью на предложенной нами методике применения ЭО в обуче
нии. При обучении данному курсу была подтверждена дидакти
ческая эффективность, предложенной 'методики использования
инструментальных экспертных систем для целей обучения. Для
проведения ванятий использовалась оболочка ЭС BESS, разрабо
танная в Научно-учебном центре Института кибернетики
им.В.М.Глушкова АН Украины. .
Практическая ценность. Работа выполнена в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ по темам В.Г.Е. 405.07 "Разработка и создание программных систем для центров с интенсивной технологией обучения" и 6.2.3.05 " Интеллектуализация ". Разработан я апробирован автоматизированный учебный курс "Экспертные системы в обучении". Предложена методика проектирования пользовательского интерфейса оболочек ЭС учебного назначения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Информатика 00-х" Белорусского Центра информатики ШЕСКО/АСПРО (Минск, 1991); семинарах стран СНГ: Института программных систем АН Украины (Кибернетический центр) "Инструментальные средства программирования" (Одесса, 1992) и "Новые информационные технологии и инструментально-технологические средства поддержки принятия решений" (пос.Кацивели, Крым); I Украинской научно-методической конференции "Новые информационные технологии обучения в учебных заведениях Украины" (Одесса, 1992), республиканской научно-методической конференции "Научно-практические аспекты повышения качества подготовки учителей математики и информатики в условиях перестройки народного образования Казахской ССР" (Алма-Ата, 1991), областной
- 6 - '
научно-практической-конференции "Проблемы компьютеризации" (Кустанай, 1988), семинарах Института кибернетики им.В.Ы.Гдушкова АН Украины. Полученные результаты иалояены в четырех главах диссертации, приложениях и опубликованы в статьях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация собтоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 151 названия и 2 приложений; изложена на 147 страницах машинописного текста (в том числе 22 рисунка и 5 таблиц).
