Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы проектирования АОС 9
1.1. Обзор существующих АОС 9
1.2. Характеристика проблемы автоматизации проектирования АОС . 16
1.3. Нерешенные теоретические вопросы формализации процесса обучения 23
1.4. Пути решения проблемы и задачи диссертационной работы 29
Выводы к главе 1 33
Глава 2. Теоретические вопросы проектирования АОС 34
2.1. Принципы и основные понятия семиотического моделирования .34
2.2. Типовые модели электронного учебника, обучаемого и процесса передачи знаний 39
2.3. Средства тестового контроля и управления мультиагентным процес сом обучения 44
2.4. Типовые структура АОС и типовые процедуры проектирования АОС 51
2.5 Лингвистические и психологические аспекты функционирования АОС 60
Выводы к главе 2 65
Глава 3. Разработка типовых модулей учебно-исследовательской САПР АОС 67
3.1. Структура, функции и виды обеспечения САПР АОС 67
3.2. Алгоритм декомпозиции электронного учебника 74
3.3. Синтез гипертекстов и интерфейсов преподавателя и обучаемых 82
3.4. Генерация алгоритмов адаптивного мультиагентного обучения 89
3.5. Создание тренажеров и рейтинговой системы 99
Выводы к главе 3 106
Глава 4. Разработка АОС и электронного учебника по курсу "Разработка САПР" 109
4.1. Структура дисциплины 109
4.2. Разработка глоссария и понятийной структуры курса 113
4.3. Построение матриц логических и частотных связей дискретов связей и умений 117
4.4.Технология обучения в мультиагентной АОС 123
4.5. Алгоритм выставления оценки 128
4.6. Испытание АОС в учебном процессе и анализ эффективности 137 Выводы к главе 4 141
Заключение 143
Список использованных источников
- Характеристика проблемы автоматизации проектирования АОС
- Типовые модели электронного учебника, обучаемого и процесса передачи знаний
- Синтез гипертекстов и интерфейсов преподавателя и обучаемых
- Построение матриц логических и частотных связей дискретов связей и умений
Характеристика проблемы автоматизации проектирования АОС
В настоящее время все возрастающие темпы быстрой смены технологий и объемы разработки прикладного программного обеспечения заставляют искать новые подходы и методы, позволяющие в сжатые сроки проектировать функционально-полные обучающие системы. Традиционные технологии автоматизации функций и задач проектирования обучающих систем являются итерационными, требующими участия специалистов разных профессиональных областей на различных этапах создания АОС (программисты, специалисты в конкретной предметной области, психологи и т.д.). Вследствие автономности отдельных этапов разработки и внедрения АОС, разработка конечного программного продукта, а полученные результаты не в полной мере удовлетворяют требованиям заказчиков [29].
Кроме того, вследствие меняющихся социально-экономических и производственных условий, а также изменения требований представлений пользователей о возможностях имеющихся средств и своих потребностях, возникает проблема адоптации и развития уже готовых систем, что в рамках традиционных технологий бывает невозможно сделать.
Анализ предшествующего опыта показывает, что при создании обучающих программ по различным учебным дисциплинам возникает круг проблем, общих для всех авторов и разработчиков [3]. Среди них основными являются: - материально-техническая база для создания и эксплуатации компьютерных обучающих комплексов; - проблема стандартизации с точки зрения учебных модулей и технической реализации; - проблема преемственности как в предметной области, так и на этапах компьютеризации. - унификации в использовании терминологии и обозначений; - проблема учета психолого-педагогических требований; - проблемы значительных временных затрат и трудоемкости создания АОС.
Разнообразные подходы, связанные с универсализацией обучающих систем, призванные смягчить остроту данной проблемы, не всегда ускоряют различные этапы проектирования и конструирования их [4], а так же не решают коренное противоречие традиционных технологий разработки АОС - системного подхода к проектированию АОС.
В работе рассматривается подход к автоматизации проектирования АОС как единой информационно-образовательной технологии, направленной на проектирование различных автоматизированных обучающих систем. АОС представляется как информационная система, и все принципы и процедуры проектирования информационных систем (рис. 1-1), могут быть использованы для проектирования АОС.
Таким образом, АОС представляет собой достаточно сложный объект дидактического и системотехнического проектирования со всеми этапами проектирования сложных информационных систем - от научных изысканий до создания опытного образца, его испытания и последующих коррекций.
Разработка АОС должна носить системный характер и вписываться в общий процесс разработки учебно-методической поддержки учебного процесса. Системный подход к проектированию АОС - это совокупность информационного наполнения, средств и методов проектирования, методики создания типовых программных модулей и основных моделей [44].
Опишем основные аспекты проектирование АОС с позиции системного подхода:
1) любая дисциплина должна содержать ядро и возможности расширения -основой для функционирования моделей АОС является система обработки и подготовки текстовой компоненты образовательного ядра, проектирование этой системы является стержневым направлением при проектировании АОС и базисом для построения надстроек в виде различных сервисных систем;
2) основные объекты проектирования представляют собой иерархию модулей и алгоритмов обучения, подбор которых позволит сформировать специализированную часть; в случае отсутствия какого-либо модуля его можно добавить в комплекс;
3) каждый компонент подобного комплекса должен обладать свойством модульности и технологичности; это требование позволяет практически реализовать качественное обучение;
4) естественно, что каждый из модулей должен обладать полнотой обеспечения, включающей помимо классических составляющих (программы, метод, рекомендации, учебник, задачник) компьютерное программное обеспечение (электронные учебники, справочники, тестовые системы и т.п.) и специальные практикумы, организующие работу в условиях самообучения.
Системный подход представляет собой метод решения проблемы проектирования, состоящий из следующих основных стадий: - постановка проблемы; - анализ проблемы и нахождение вариантов решения; - разработка (синтез) оптимального решения; - реализация оптимального решения; - оценка эффективности варианта решения.
Таким образом, процедура разработки конкретной АОС разбивается на несколько стадий. На первой стадии определяется конечная цель, которая включает перечень знаний, навыков и умений, которыми должен обладать обучаемый после окончания того или иного курса. На соответствующих уровнях разработки определяются специфические цели каждого занятия и упражнения [59].
Типовые модели электронного учебника, обучаемого и процесса передачи знаний
Системные требования к представлению учебных знаний в АОС существенно выше по сравнению с аналогичными требованиями к ЭУ. АОС базируется не на "учебном материале", а на формальной модели системы знаний - информационной модели. Система знаний, как и любая другая система, должна иметь модель элементного состава, модель структуры связей между элементами системы и ее среды, модель цели (функции) системы. Наличие тройки Элементный состав, структура, цель (функция) можно обнаружить практически в любом представлении учебных знаний, однако эта стихийная системность не может привести к моделям системы знаний, адекватным целям АОС.
В качестве основных элементов в предлагаемой информационной модели рассматриваются понятия, отобранные и включенные в образовательный стандарт. Едва ли существуют более удобные претенденты на роль элементов информационной модели, чем научные понятия. Разработка информационной модели может начинаться с выделения понятийного состава электронного курса [21].
Анализ контодентовой сети всех понятий дисциплины приведет к разбиению курса на смысловые модули - дискреты знаний и умений (ДЗУ) - подсистемы системы знаний, концентрирующиеся вокруг одного или нескольких близких понятий. Под дискретом знаний и умений (ДЗУ) понимается - результат декомпозиции дисциплин и информационный объект, имеющий самостоятельное смысловое представление в виде понятий и их определений, описательных моделей, теоретических и практических подходов к решению задач предметной области, примеров и упражнений. Предполагается, что формальные модели ДЗУ являются типовыми для любого электронного учебника.
Формирование ДЗУ можно начинать с создания семантической сети имен понятий, с помощью базиса теоретической информатики ПИК АД [20], визуализирующий сеть понятий. Эта сеть вместе со следующей за ней таблицей с определениями выходных понятий должна позволять проследить цепочку конто-дентовых определений от любого понятия до наибольшего по объему понятия система. В электронном варианте такие возрастающие цепочки понятий удобно читать по гипертекстовым связям. Усвоение нового понятия должно начинаться с имени понятия И и далее по цепочке: И— Д— К, где (как уже говорилось ранее) И - имя - обозначение понятия, Д - дент - содержание понятия, К - характеристики, свойства понятия. Таким образом понятие должно иметь адрес для нахождения ее в информационном пространстве, свое Имя, свой Дент и свой Конт, которые необходимы для построения модели обучаемого.
Формирование информационной модели начинается с выделения основных понятий ЭУ, и занесение их в таблицу, где будут указаны: имя, дент и конт понятия. (Пример - Приложение 1 (основные понятия дисциплины "Разработка САПР", раздела "Сетевое планирование и управление")).
Итак, получаем связи понятий, позволяющие установить четкую преемственность и взаимосвязь не только понятий и дисциплин но и отдельных тем.
При формировании информационной модели электронного учебника необходимо придерживаться некоторых правил:
1. Внутренняя интерпретируемость. Каждое понятие входящее в ДЗУ должно иметь уникальное имя, по которому информационная система находит ее, а также отвечает на запросы, в которых это имя упомянуто.
При переходе к организации знаний в БЗУ вводится информация о некоторой протоструктуре понятий, которая представляет собой П = Ah I, D,C„,Af , где П-понятие, информационный адрес Aj - ДЗУ в котором впервые встречается определение этого понятия, /-имя понятия, D - дент понятия, С„ - тип связи, Aj— физический адрес в БЗУ. Все эти атрибуты могут играть роль имен для тех машинных слов, которые соответствуют строкам таблицы. По ним можно осуществлять поиск нужной информации. Каждая строка таблицы будет экземпляром протоструктуры.
2. Структурированность. Понятия должны обладать гибкой структурой. Для них должен выполняться "принцип матрешки", т.е. рекурсивная вложи-мость одних понятий в другие. Каждое понятие может быть включено в состав любого другого, и из каждого понятия можно выделить некоторые составляющие его понятия. Другими словами, должна существовать возможность произвольного установления между отдельными информационными единицами отношений типа "часть - целое", "род - вид" или "элемент - класс". Структурировать понятия помогает К - конт понятий, выделением характеристик и свойств понятий.
Синтез гипертекстов и интерфейсов преподавателя и обучаемых
Алгоритм построения сетевого гипертекста включает следующие процедуры:
1. Разбиение содержания дисциплины, на отдельные ДЗУ, целостная система которых совпадает с ее полным содержанием, выделение основных понятий курса;
2. Проектирование информационной модели курса с разделением понятий на три уровня (препедевтика, базис, надстройка); 3. Разработка частотной матрицы и матрицы логических отношений с целью выделения ведущих понятий и их логических взаимосвязей;
4. На основании выделенной понятийной структуры построение сетевого графа учебной дисциплины;
5. Разработка сетевого гипертекста учебной дисциплины; Рассмотрим технологию проектирования сетевого гипертекста учебной дисциплины в виде ориентированного графа, вершины которого отражают основные понятия и положения учебной дисциплины, ее научные методы, ДЗУ, а ребра - логическую сеть дисциплины.
Основным элементом предложенного сетевого гипертекста является гипертекстовая база знаний, которую можно представить в виде следующих элементов: 0={B,Os,T}, где, В - множество понятий, составляющих ядро дисциплины; Os - множество понятий, образующих основной модуль дисциплины; Т - расширенный модуль, включающий понятия расширенного теоретического материала, узко направленных на различные учебные темы;
Множество весов семантических отношений терминов семантической модели М (Oi,Oj)=(m}2, ni32,---,mij) вычисляется на основе семантического анализа проведенного ранее. Суть построения сетевого гипертекста заключается в следующем:
1. из выделенных средствами теории графов ведущих понятия и ДЗУ составляется базовый модуль дисциплины, который, собственно, и образует ядро гипертекста (В =(bi,b2...bi);
2. следующий уровень курса проектируется как равномерно расширяющийся относительно первого круг знаний, полностью отвечающий требованиям и стандартам учебной дисциплины (Os =Osi,Os2, ...,Osj);
3. третий уровень представляет собой систему взаимно пересекающихся кругов T={Tl,T2,...,Th},Th=(ti,t2,...,tk), каждый из которых включает систему знаний, последовательно расширяющуюся относительно второго уровня и максимально отвечающую интересам, способностям конкретного обучающегося.
Организация изучения курса в виде радиально-концентрической модели сетевого гипертекста (рис.3-10), в центре которого находится базовые понятия и ДЗУ составляющие ядро гипертекста, а от него радиально расходится сеть вариантов курсов, эквивалентна нелинейному структурированию данного курса на основе трех его системных модулей: базового, основного и расширенного.
Содержание базового модуля составляют фундаментальные знания, включающие основные понятия и положения дисциплины, ее ведущие научные методы и системы упражнений на выработку навыков решения этими методами соответствующих практических задач, сформированные на основе информационной модели и матриц логических и частотных связей с самыми высокими весовыми коэффициентами понятий. Таким образом, базовый модуль позволяет сформировать у учащихся в определенном смысле логически завершенную первую ступень знаний в виде системной модели фундаментальных основ научной дисциплины.
Вторую ступень составляет содержание основного модуля дисциплины, которое полностью отвечает требованиям государственного стандарта к данной дисциплины.
Расширенный модуль включает дополнительный теоретический материал, к которому учащийся может обратиться для углубленного изучения тем; специально разработанные разделы дисциплины, материал которых должен удовлетворить личностные интересы и творческие запросы учащегося; упражнения и задачи, имеющие повышенный уровень сложности.
При таком структурировании дисциплины учебный материал варьируется естественным образом по степени сложности, уровню проблемности, по соотношению общих и частных вопросов. Обязательный учебный материал выделяется либо как самостоятельный вариант (базовый модуль), либо как самостоятельная часть в рамках ее возможных приращений (основной и расширенные модули).
Гипертекст, как система связанных страниц, позволяет реализовать следующие функции: представление с помощью гиперссылок внутри- и межпредметных связей изучаемой дисциплины; оказание помощи и изучение предмета путем предоставления объяснения по конкретным вопросам; организация самостоятельной работы учащихся по повторению ранее изученного материала; дифференцированное обучение; создание тестовой системы проверки знаний для самоконтроля и итогового контроля.
Построение матриц логических и частотных связей дискретов связей и умений
Разработка матриц логических и частотных связей ДЗУ необходима для структурирования учебного материала. Матрица частотных связей помогает выделить различные уровни частости встречаемости понятий. Наиболее часто встречаемое понятие будит иметь самый высокий приоритет в отношениях очередности изучения учебного материала. А матрица логических отношений позволяет выявить взаимосвязи между понятиями. Построение электронного учебника "Разработка САПР" основывается на обеих матрицах.
Частотная матрица.
Формирование частотной матрицы начинается с выделения основных понятий, жестко связанных с ДЗУ (Технология построения матрицы частотных связей описана в параграфе 3.2). Каждому понятию присваивается порядковый номер. Затем номера понятий и ДЗУ вносятся в матрицу, причем порядковые номера понятий вносятся в первый столбец, а пронумерованные ДЗУ (D =(di,...,d)2)) в первую строку матрицы ("Сетевое планирование и управление" состоит из 12 ДЗУ). Далее начинается заполнение матрицы единицами, если Oj понятие встречается в j-ом ДЗУ и в противном случае пустыми ячейками.
Пример матрицы логических связей для раздела "Сетевое планирование и управление" приведен в таблице .... Матрица логических отношений.
Для построения матрицы логических отношений вводится определение отношения дефинитивности между понятиями (технология построения матрицы логических связей описана в параграфеЗ.2). Пусть имеется конечное множе ство понятий О относящихся, например, к разделу «Сетевое планирование и управление»: 0 ={Оі,02,...,Оіз}, где і - количество понятий. Отношение R0 между понятием О/ О и понятием ОтЄО называется отношением дефинитивно-сти, если понятие От нельзя понять без изучения понятия Ok: OkR0Om .
Построение матрицы логических связей, позволяет установить порядок изучения учебного материала. Для этого порядковые номера понятий О] О із записываются в порядке уменьшения их частости. В нашем случае эта последовательность начинается с понятия 4 - О4 (событие), т.к. его частость равна 8-ми, а затем следуют понятия с порядковыми номерами 3 - Оз (работа, операция) и 2 - О2 (время), их частости q = 0,12 и т.д. Если частости понятий совпадают, то выбор производится экспертом, исходя из логической структуры ЭУ.
Номера ДЗУ, в которых понятия О і - О із встречаются впервые указываются над порядковыми номерами этих понятий. Например, понятие с порядко вым номером 4-0 первый раз встречается в первом ДЗУ, поэтому этот ДЗУ нужно изучить в первую очередь. Понятие с порядковым номером 3 - 03 впервые встречается во втором ДЗУ, значит, его нужно будет изучить вторым. Понятие с номером 2 - 02 первый раз встречается в первом ДЗУ, но он уже изучен и поэтому над понятием 2 - ( указывается номер второго ДЗУ и т.д.
В принципе, с точки зрения логики изложения, безразлична очередность понятий 10,11,12, т.к они впервые вводятся в ДЗУ 6, и потом появляются в ДЗУ 7 и 8. Поэтому на вид схемы порядка изучения материала оказывают влияние не только матрицы частости и логических связей но и субъективные факторы: вкусы разработчика комплекса, его интуитивные представления, склад мышления и т.д.
Ребра семантической сети показывают опорные связи между понятиями, так ребро связывающее понятия 5 с понятием 13, указывает, на то, что критический путь нельзя рассчитать без резерва времени.
Кроме того, матрица логических отношений позволила обнаружить ошибку в порядке изучения материала: понятие с порядковым номером 9 - "средняя продолжительность операции" необходимо изучить перед понятиями 6 - "наиболее ранний срок наступления события" и 7 -"наиболее поздний срок наступления события", т.к. их нельзя понять без изучения понятия 9 - 09 (см. Приложение 5).
Семантическая сеть раздела "Сетевое планирование и управление" является основой для создания сетевого гипертекста. Благодаря семантической сети появилась возможность устанавливать логические связи между понятиями электронного учебника в виде ссылок и выстраивать индивидуальный сценарий работы обучаемого.
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования мультиагентных обучающих систем
