Введение к работе
Актуальность темы Ключевым условием повышения роли и степени воздействия интеллектуальных видов деятельности, при переходе мирового сообщества от индустриального этапа к информационному является глобальная информатизация общества в целом и образования - в частности Этим объясняется то особое внимание, которое уделяют в последние годы правительства, национальные и международные организации использованию новых информационных и коммуникационных технологий в образовании На современном этапе развития России образование, в его неразрывной, органичной связи с наукой, становится все более мощной движущей силой экономического роста, повышения конкурентоспособности народного хозяйства, что делает его одним из важнейших факторов благосостояния страны
Дистанционные формы обучения в России до настоящего времени не применялись в широком масштабе из-за ряда причин - в основном из-за недостаточного развития и широкого распространения технических средств, новых информационных и телекоммуникационных технологий В настоящее время созданы технические предпосылки для широкого использования дистанционного обучения в образовании Однако наметилось отставание реализации целей ДО (дистанционного образования) от возможностей, предоставляемых техническими средствами Препятствием для широкого внедрению систем ДО также, является отсутствие достаточно проработанных методик его организации, включая структурные, методические и организационные решения
В настоящее время модели представления знаний являются предметом исследований и разработок в среде узких специалистов, в основном программистов и математиков, в то время как потребность в таких моделях ощущается практически во всех предметных областях Это объясняется необходимостью построения образовательных систем, структура которых неразрывно связана с формами представления знаний, определяемых в свою очередь особенностями предметной области Про- водящиеся исследования по представлению и извлечению знаний в области образования актуальны также потому, что многие научные дисциплины являются непосредственно взаимосвязанными Среди них психология, логика, лингвистика, биология, информатика, медицина, а также - теория образования и обучения во всех научных дисциплинах (уровень детализации, достигаемый в программах на основе СС (семантических сетей), выявляет недостатки традиционного образования и делает очевидными пробелы преподавания) Также, интерес к задачам представления и извлечения знаний стимулируется широкими перспективами для практического использования результатов теоретических исследований читающие автоматы, системы ИИ (искусственного интеллекта), а также роботы, способные распознавать, анализировать и выполнять сложные действия в различных ситуациях
Актуальны также, исследования в области распознавания образов и «понимания естественного языка», где исследователи интересуются анали-
(
зом и генерацией отображения текстов, их представлением, выявлением знаний, необходимых для понимания текстов, т е семантических, прагматических знаний и многое другое
Несмотря на актуальность и положительные стороны процесса информатизации обучения детей с применением новых информационных технологий (ИТ), известны или постепенно вырисовываются проблемы, для решения которых требуются комплексные подходы Обусловлено это тем, что задачи принятия решений по тем или иным критериям постоянно возникают в нашей жизни и от качественного их решения во многом зависит успех того или иного проекта
Цель диссертационной работы: разработка моделей и алгоритмов для решения задач автоматизации дистанционного приобретения, представления и использования знаний в образовательной среде и реализации информационной системы, используя современные технологические подходы
Для достижения цели необходимо решались следующие задачи
Провести анализ современных информационных технологий и существующих подходов дистанционного приобретения, представления и использования знаний в образовательной среде,
Провести исследование, обосновать архитектуру технических средств и выбрать проблемно-ориентированное (инструментальное) программное обеспечение, для использования ИТ дистанционного приобретения, представления и использования знаний в единой образовательной среде,
Построить модели, алгоритмы и ИТ интеллектуального обучения в образовательной среде, обеспечивающие построение инструментальных средств для методического, математического и программного обеспечения автоматизированной информационной системы для дистанционного приобретения, представления и использования знаний,
Разработать программную реализацию автоматизации дистанционного приобретения, представления и использования знаний в образовательной среде,
Провести апробацию и внедрение результатов исследования в реальном образовательном процессе
Методы исследования Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, базирующиеся на изучении и анализе теории научных и практических разработок в области психологии и поведения человека, работы человеческой памяти, представления знаний в ИС и методах их извлечения Для реализации задач были использованы современные технологические подходы в области Веб - программирования, такие как JavaScript, ColdFusion, HTML и XML, а также в области ИИ, теории графов, методов математического моделирования и программирования Общей методологической основой является системный анализ
Научная новизна Разработаны методы, модели, алгоритмы и программное обеспечение для реализации информационной системы дистанци-
онного приобретения, извлечения и использования знаний, обладающие следующей научной новизной
Метод формирования элементов в Web документе, позволяющий, в отличие от рекомендаций консорциума W3C, провести детализацию объекта вплоть до атома, что обеспечивает описание объекта в необходимых при обучении видах, и представление каждого документа в виде семантической сети, относящегося к отдельно взятому объекту,
Метод формирования запроса при поиске ресурсов в сети, основанного на использовании словарного определения семасиологии и позволяющего, в отличие от существующих, находить ресурс с максимально возможным приближением к искомому результату, повышая, тем самым, его информативность,
Алгоритм семантического поиска в сети, который, в отличие от существующих алгоритмов, основанных на сравнении ключевых слов в мета-тэгах со словами в строке поиска, позволяет осуществлять поиск между узлами «дерева» документа,
Метод определения новых, не имеющие места ассоциаций между Web документами, что позволяет ЭВМ «самообучаться» за счет нахождения и установления связи с новыми гиперссылками
Практическая значимость работы заключается в разработанных предметно-ориентированных моделях, алгоритмах и программном обеспечении, реализующих в структуре ИС автоматизированные ИТ дистанционного приобретения, представления и использования знаний в образовательной среде
Предложенная ИС, в отличие от таких продуктов как «Специалист», «Net - школа», «КОМПЬЮТЕРиЯ», «Кирилл и Мефодий - школа» и других, работающих локально, может масштабироваться, образовывая местные, региональные единые образовательные информационные пространства (ЕИП) без значительных материальных затрат
Результаты внедрения. Разработанная ИС внедрена в реальный образовательный процесс в гимназии №9 города Воронежа, а также в учебный процесс ВИВТ Эффект от внедрения - социальный
На защиту выносятся:
Концептуальная модель ЕИП представления, приобретения и использования знаний в образовательной среде,
Методы, модели и алгоритмы представления, приобретения и использования знаний в образовательной среде,
Результаты вычислитетьного эксперимента, апробации и внедрения представления, приобретения и использования знаний в образовательной среде
Апробация работы. Основные результаты и положения исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях VIII Международная электронная научная конференция «Новые технологии в образовании», г Воронеж, 2004 год, Межрегиональный молодежный фестиваль «Информационно-коммуникационные технологии в школе Фестиваль уро-
ков Уроки фестиваля», г Воронеж, 2005 год, IV межрегиональная научно-практическая конференция «Информатизация учебного процесса и управление образованием Сетевые и Интернет-технологии», г Воронеж, 2005 год, V региональная научно-методическая конференция «Информатика проблема, методология, технологии», г Воронеж, 2005 год, IV Всероссийская научно-техническая конференция «Теория конфликта и ее приложения», г Воронеж, 2006 год, Региональная конференция «Современные информационные технологии в дистанционном образовании», г Воронеж, 2007 год
Публикации По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна статья из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве, и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1] - Метод семантического поиска информации в ИС, [5] - Применение новых информационных технологий для преподавания информатики, [6] - Конфликты при использовании адаптивных компьютерных обучающих систем, [7] - Информационные системы в образовании, [8] - Информационная технология представления, извлечения и использования знаний в образовательной среде, [9] - Интеллектуальные информационные системы, [10] - Интеллектуализация управления и информационный мониторинг в образовательных системах
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы Диссертация состоит из 130 страниц, 47 рисунков Библиография включает 114 наименований
Диссертационная работа выполнена на кафедре информационных систем Воронежского института высоких технологий в рамках госбюджетной НИР по теме «Моделирование информационных технологий, разработка и совершенствование методов и моделей управления, планирования и проектирования технических, технологических, экономических и социальных процессов и производств» (№ г р 01 2005 2305)
За неполный год своего существования язык XML привлек к себе уже достаточно много внимания со стороны разработчиков и пользователей Интернет Сегодня количество приверженцев этой новой технологии возрастает также стремительно, как и число сообщений об очередных взятых ею преградах на пути к всеобщему признанию
Несмотря на то, что XML очень молод и отдельные компоненты этого языка находятся еще в стадии доработки, уже сегодня появляются новые языки, созданные на основе XML, возникают многочисленные Web-сервера, использующие эту технологию для организации хранящейся на них информа-
ции Мир Интернет вокруг нас в очередной раз преображается, и мы можем стать участниками этого процесса уже сегодня
Ссылка на сущность на уровне элемента <А href ="http Welement xml"> Связь на уровне элементов
Из приведенного кода видно, что XML возможно применять не только как отдельный документ, как рекомендует консорциум W3C, но и в теле HTML Единственное ограничение - теги XML не должны повторять имена тегов HTML во избежание конфликта имен При этом расширение файла HTML сохраняется, также как и мета-теги То есть, при совмещении XML и HTML документов сохраняется возможность индексации и поиска по ключевому слову - сущности корневого тега документа, а не извлечение данных из отдельного XML документа
Новизна предлагаемого метода заключается в использовании словарного определения семантики и семасиологии Поскольку языковой единицей, несущей определенный смысл, является слово, то справедливо задаться вопросом «Зачем из каждого отдельного документа XML создавать базу данных, если искусственный интеллект подразумевает схожесть с человеческим разумом, где семантика естественного языка определяется совокупностью языковых единиц (слов в предложении)?» То есть, представим совокупность XML документов, как показано на рисунке 5
Движение
Рис 5 Совокупность XML документов
Основываясь на модели семантической сети Куиллиана, и согласно рисунку 5, в рамках размещаются понятия, определяющие классы, к которым мо'-ут относиться объекты или понятия (например -движение, положение в пространстве и другое), а также - свойства (космический, морской и другое) В мета-теги вносятся сущность корневою тега (корабль, галактика), а также падежные разновидности объекта и/или понятия представляющие класс, что обеспечивает поиск по точному соответствию с ключевым словом, имею-
щим падежное окончание Навигация по внутренним сущностям документа производится при помощи HTML тегов Стрелки от рамок, указывающие на набор кружков - ссылки URL на внешние сущности (описания от ікспертов), отвечают на вопросы «Что это такое9» и «Как это можно использовать9»
Теперь, формируя запрос по-новому на основе совмещенного документа HTML-XML, работа ИС приближается к подобию работы разума, в нашем случае - к системе с искусственным интеллектом Лучшим вариантом, при таком подходе, является чтение запроса справа налево В этом случае произойдет исключение «лишних» ассоциаций и поиск пройдет более быстро, что нетрудно увидеть, абстрагируя на основе рисунка 6
Корабль
оороздит
просторы
Рис 6 «Идеальный» вариант чтения запроса
Теперь ЭВМ может осуществлять «самостоятельный» поиск нужных ассоциаций Учитывая, что в рамках определены классы, к которым могут относиться объекты или понятия (например - движение, положение в пространстве и другое), а также - свойства (космический, морской и другое), программа может определить несколько возможных путей поиска и установление ассоциаций между языковыми единицами, исходя из предложенной ранее структуры XML документа
Рис 7 Исходные связи XML документов
Согласно рис 7 имеется три документа XML, со связями между внутренними сущностями Но известные связи на внешние сущности определены как корабль - первый элемент второго документа, первый элемент второго документа - просторы, просторы - бороздит То есть, предположим, что связь корабль > бороздит, пока, для ИС не «известна» В этом случае становится возможным автоматически установить связь корабль > бороздит несложным действием вида
If (xi + yn) and (yn + z„) and ( ^ yn) then (xn + yn)
или, выражаясь терминами из сетевых технологий
если домен А - доверяет домену В,
домен В - доверяет домену С,
тогда домен А может доверять домену С
Технология доверительных отношений доменов давно известна и надежно «работает» в Интернет Здесь же мы применяем ее для решения приобретения, представления и использования знаний В «конечном виде» мы получаем следующее (Рис 8)
Рис 8 Результирующая связь документов
Новация в данном подходе определяется очевидностью результата сравнительного анализа между принципами поиска в современных действующих поисковых системах, в которых для более точного поиска информации необходимо конкретизировать запрос, «сжимая» его В предлагаемом варианте ситуация полярно противоположная Исходя из постулата «Чем больше в предложении слов - тем большая его информативность» выводим, что для более точного поиска, основанного на семантике предложения, запрос должен быть как можно более информативным
Возвращаясь к нашему примеру, становится понятным, что имея документы Корабль, Бороздит (концепт - движение), Просторы (концепт - пространство), Вселенной (концепт - космос) мы можем, загрузив при помощи поискового механизма документ Корабль, далее, получить все остальные данные динамически Для этого необходимо инициировать динамическое открытие нового окна, используя сценарий выборки любых данных из других документов и, наконец, разместить их в динамически создаваемое сценарием окно результата То есть, новация использования алгоритмов JavaScript при семантическом поиске неустановленных отношений (ассоциаций) между концептами реализованными в виде документов XML, выглядит как на рисунках 9и10
рост качества запроса при старом подходе
Направление чтения
Рис 9 Конкретизация запроса
рост качества запроса при новом подходе
Кооабль
Бооозлит
Корабль
Бооозлит
Поостооы
Корабль
Бооозлит
Вселенной
Напоавления чтения
Рис 10 Конкретизация семантики
Таким образом в главе показана возможность решения следующих вопросов
решение проблемы создания ИИС средствами чистого XML - не решить, но применяя XML как расширение HTML, в отличие от рекомендаций консорциума W3C, мы получаем возможность упрощения кода до уровня, когда эксперт самостоятельно может осуществлять ввод информации в ИИС,
это, как следствие, обеспечивает минимальные потери информации, при формализации знаний - вплоть до полного исключения возможных потерь,
принципиально новый подход при выборке информации обеспечивает не только получение быстрого и качественного результата, но и «указывает» эксперту недостатки в информативности о предмете изучения,
возможность установления новых отношений между документами, обеспечивая расширение семантической сети автоматически, воз-
можность представления знаний об объекте изучения не только детально, но и в разных видах, в зависимости от потребностей в процессе обучения,
принципиально новый подход при формировании запроса и механизм поиска информации позволяет организовать работу выбора информации подобно работе разума, что приближает ИС к искусственному интеллекту
В четвертой главе рассматривается реализация информационной системы для дистанционного приобретения, представления и использования знаний в образовательной среде
Структура ИС (Рис 11 ) представляет ЕИП, разделенное на две части, первая из которых - ИП для учащихся, вторая - для организации оказания образовательных услуг административно-преподавательским составом, а также для представления образовательного учреждения (ОУ) и сотрудничества с косвенными участниками образовательного процесса
Рис 11 Общий вид ИС для ЕИП образовательного учреждения
В ЕИП учащиеся получают контрольные вопросы и задания, вносят ответы и выполненные задания в ИС, проходят контрольное тестирование с занесением результатов в ИС, для ответов на вопросы и выполнения заданий -могут пользоваться библиотекой знаний как своего ОУ, так и библиотеками других образовательных учреждений через установленные с ними связи, а также учебными методическими материалами (УМК) и, при необходимости, Интернетом, просматривать оценки результатов по выполненным заданиям и ответам, пользоваться форумом, необходимым при реализации
коллективных проектов, а также при необходимости получения консультаций и указаний от преподавателя (эксперта), что является особенно необходимым, при использовании ИС дистанционно, знакомиться с объявлениями на электронной доске объявлений
Вторая часть ЕИП - ИП для работников ОУ и косвенных участников образовательного процесса Модульное исполнение дает возможность работать с ИС не только учащимся и преподавателям, но и всем категориям пользователей, имеющих отношение к процессу образования, таким как родители, органы управления образованием, и т д Обеспечивается, в отличие о г существующих ИС, открытость образования и качественное выполнение заказов на образовательные услуги не только со стороны государства, но и отдельных социальных институтов
Очевидно, что при реализации ИС в качестве элемента масштабируемого иерархического ЕИП обеспечивается возможность получения учащимися знаний не только из предметной области по изучаемой дисциплине, но и из сопутствующих предмету обучения областей знаний При включении в ЕИП средних учебных заведений - обеспечивается преемственность и унификация образования Обеспечивается контроль и мониторинг успеваемости учащихся, корректировка деятельности ОУ
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены в обучающем процессе по предмету информатика и ИКТ в МОУ гимназии № 9, города Воронежа в 2006 - 2007 учебном году, а также в учебный процесс ВИВТ
Основные результаты работы
Разработанные алгоритмы программного обеспечения информационной системы, обладающие научной новизной, позволяют
использовать метод формирования элементов в Web документе, позволяющий, в отличие от рекомендаций консорциума W3C, обеспечить детализацию объекта вплоть до атома, описывая объект в необходимых при обучении видах, и представлении каждого документа в виде семантической сети, относящегося к отдельно взятому объекту,
формировать запрос поиска ресурсов в сети, основанный на использовании словарного определения семасиологии и позволяющего, в отличие от существующих, находить ресурс с максимальным приближением к искомому результату, повышая его информативность,
предложенный алгоритм семантического поиска в сети, который, в отличие от существующих алгоритмов, основанных на сравнении ключевых слов в мета-тэгах со словами в строке поиска, позволяет осуществлять поиск между узлами «дерева» документа,
использовать метод определения новых, не имеющие места ассоциаций между Web документами, что позволяет ЭВМ «самообучаться», за счет нахождения и установления связи с новыми гиперссылками
В свою очередь это - позволяет
в отличие от известных моделей и алгоритмов ИС - не только управлять процессом образования и анализировать его результаты, но и организовать в единой системе такие формы обучения как дистанционное, экстернат, домашнее обучение (например - для детей инвалидов с детства),
внедрять ИС, которая в отличие от таких продуктов как «Специалист», «Net - школа», «КОМПЬЮТЕРиЯ», «Кирилл и Мефодий - школа» и других, работающих локально, а также масштабировать для образования местных, региональных иерархических образовательных информационных пространств, без значительных материальных затрат,
модульное исполнение дает возможность работать с ИС не только учащимся и преподавателям, но и всем категориям пользователей имеющих отношение к процессу образования, таким как родители, органы управления образованием, и т д ,
универсальность - отличительная возможность использовать ИС, практически, в образовательных учреждениях любого профиля и любого уровня, что позволяет проводить унификацию преподавания в различных учебных заведениях одного уровня, обеспечить преемственность для продолжения обучения в ОУ более высокого уровня,
в отличие от существующих обучающих систем, основанных на репродуктивном методе обучения, в ИС применяется эвристика обучения, реализован принцип уровневой дифференциации, при котором учащийся исходя из интересов, возможностей и уровня подготовки, на основе ранее полученных знаний, осуществляет выбор очередности ответов, выстраивая индивидуальную траекторию развития учащегося,
в отличие от принятых методов проверки знаний, при репродуктивном методе обучения, обеспечена полнота проверки усвоенного материала, а не случайная выборка через устные ответы или контрольные работы, тесты,
при использовании ИС в обучающем процессе имеется возможность автоматизированного определения потери информативности образовательного курса в целом, а также определения учебных тем, которые учащиеся усвоили с наименьшим показателем,
разработанная ИС внедрена в реальный образовательный процесс в гимназии №9 города Воронежа, а также в учебный процесс ВИВТ Эффект oi внедрения - социальный
Основные публикации по теме диссертации
Статьи, опубшкованные в изданиях, определенных ВАК РФ
1 Вороньков В С Метод семантического поиска информации в ин
формационных системах /ВС Вороньков // Вестник Воронежского государ
ственного технического университета - Том 3 -№12 -Воронеж ВГТУ, -
2007-С 122-126
Статьи и материалы конференций
2 Вороньков В С Тестирующие программы для оперативного кон-
троля знаний по информатике /В С Вороньков, И В Черкасова, Г В Быкадо-рова // Новые технологии в образовании Сборник трудов VIII международной научно-практической конференции - Воронеж ВГПУ, - 2004 - С 6-7
Вороньков В С Анализ качества базового образования и Интернет технологии /ВС Вороньков, И В Черкасова, Г В Быкадорова // Информационно-коммуникационные технологии в школе Материалы межрегиональной конференции Интернет и мы - Воронеж ВОИПКРО -2005 -С 7-13
Вороньков В С Система оперативного контроля знаний по информатике /ВС Вороньков, Т Г Гаула, Г В Быкадорова // Информатика проблемы, методология, технологии Материалы V региональной научно-методической конференции - Воронеж ВГУ - 2005 - С 58-62
Вороньков В С Применение новых информационных технологий для преподавания информатики /ВС Вороньков // Информатизация учебного процесса и управления образованием Сетевые и Интернет-технологии Материалы IV межрегиональной научно-практической конференции - Воронеж ВОИПКРО - 2005 - С 23-27
Вороньков В С Конфликты при использовании адаптивных компьютерных обучающих систем /ВС Вороньков // Теория конфликта и ее приложения Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции -Воронеж Научная книга -2006 -С 154-157
Вороньков В С Информационные системы в образовании /ВС Вороньков // Моделирование систем и информационные технологии - Воронеж Межвузовский сборник научных трудов - Вып 4 - 2007 - С 94-98
Вороньков В С Информационная технология представления, извлечения и использования знаний в школьной образовательной среде /ВС Вороньков // Вестник Воронежского Института высоких технологий -Выпуск № 2 - Воронеж - 2007 - С 62-65
Вороньков В С Интеллектуальные информационные системы /ВС Вороньков// Интеллектуальные информационные системы Труды Всероссийской конференции - Воронеж Журнал РАЕН, ГОУ ВГТУ, МГТУ им НЭ Баумана, СП-б ГЭУ, АНОО ВИВТ -2007 -С 57-61
Вороньков В С Интеллектуализация управления и информационный мониторинг в образовательных системах /ВС Вороньков // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах Материалы VI Всероссийской конференции - Воронеж ВГТУ - 2008 - С 67-68
Подписано в печать 18 04 2008 Формат 60x84 1/16 Уч - изд л 1,0 Уел-печ 1 1 л Бумага писчая Тираж 100 экз Заказ №239
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
394006, Воронеж, ул 20-летия Октября, 84
