Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния перспектив и тенденций развития системы дистанционного обучения 10
1.1. Технические средства обучения в образовании. Системы автоматизированного контроля. Обучающе-контролирующие системы. Мультимедийные технологии. Обучающие компьютерные системы (интерактивность, активное участие обучаемого, моделирование, архитектура: подходы и классификация). Дистанционное Образование.. 10
1.1.1 Технические средства обучения в образовании. Системы автоматизированного контроля. Обучающе-контролирующие системы 10
1.1.2. Мультимедийные технологии. Обучающие компьютерные системы (интерактивность, активное участие обучаемого, моделирование, архитектура: подходы и классификация) 12
1.1.3 Дистанционное (заочное) Образование 16
1.2. Искусственный интеллект. Определение. Подходы, Искусственный интеллект и образование 20
1.2.1 Искусственный интеллект. Определение 20
1.2.2 Аспекты ИИ 21
1.2.3 Искусственный интеллект и образование , 24
1.3. Экспертные системы. Определение. Области применения. Эволюция. Классификация. Основные компоненты экспертной системы. Области применения. Экспертные системы в образовании. Экспертные системы обучения 24
1.3.1 Экспертные системы. Определение. Области применения. Эволюция 24
1.3.2 Классификация. Основные компоненты экспертной системы 26
1.3.3 Экспертные системы, особенности и применение. Выбор типа экспертной системы 36
1.3.3.1 Экспертные системы. Главное достоинство и назначение 36
1.3.3.2 Выбор типа экспертной системы 37
1.3.3.2.1 Отличие ЭС от других программных продуктов 37
1.3.3.2.2 Отличительные особенности. Экспертные системы первого и второго поколения 39
1.3.3.2.3 Критерий использования ЭС для решения задач 41
1.3.3.2.4 Ограничения в применении экспертных систем 42
1.3.3.2.5 Преимущества ЭС перед человеком - экспертом 43
1.3.3.2.6 Экспертная Система Обучения 46
1.4. База знаний системы. Сравнительный анализ. Классификация. Принципы построения. Выбор типа Базы Знаний для проектируемой экспертной системы обучения. Реализация 50
1.4.1. База знаний системы 50
1.4.2 Выбор модели БЗ 58
1.4.3 Нейронные сети. Классификация 60
1.4.3.1 Основные понятия и определения 60
1.4.3.2 Модели нейронных сетей 61
1.4.3.2.1 Модель Маккалоха-Питтса 61
1.4.3.2.2 Модель Розенблата 63
1.4.3.2.3 Модель Хопфилда 65
1.4.3.2.4 Модель сети с обратным распространением , 66
1.4.3.3 Интерпретация в данной экспертной системе 69
1.5 Интернет. Эволюция. Интернет как информационная среда. Области применения в образовании. Экспертные системы обучения и Интернет. Экспертная система обучения с базой знаний удалённого доступа 73
1.5.1 Интернет. Эволюция 73
1.5.2 Области применения в образовании 76
1.5.3 Экспертные системы обучения и Интернет 77
1.5.3.1 Обмен информацией в Internet/Intranet с использованием WWW-технологии 77
1.5.3.1.1 Основные компоненты WWW-технологии „
1.6 Обзор и краткая характеристика программы математики начальной школы на Кипре. Основные разделы. Начальный курс математики и логики 80
1.6.1 Обзор и краткая характеристика программы математики начальной школы на Кипре 80
1.6.2 Основные разделы 80
1.6.3 Начальный курс Математики 82
1.6.3.1 Курс математики и логики 83
1.6.3.2 Начальный курс математики и логики 84
1.7 Выводы и Постановка задачи 86
2. Принципы построения системы 89
2.1 Основные алгоритмы. Метрика. Методика построения Экспертной Системы Обучения 89
2.1.1 Основные алгоритмы , 89
2.1.1.1 Модель ученика (МУ) 90
2.1.1.2 Модель учителя-педагога (МУП) 91
2.1.1.3 Алгоритм работы экспертного модуля (ЭМ) 91
2.1.2 Метрика 93
2.1.3 Методика построения экспертной системы обучения 101
2.2 Экспертный модуль (ЭМ) 105
2.3 Архитектура программного обеспечения экспертной системы 109
2.3.1.ЛЕЕ и.NET ПО
2.3.1.1 JavanpoTHB .NET ПО
2.3.1.2 Java как орудие конкурентной борьбы 111
2.3.1.3 Что такое .NET 114
2.3.1.4 Microsoft и Sun: под знаком меча 118
3. Методы и средства реализаций системы 119
3.1 Сущность тестирования. Виды тестирования. Тесты Зрительно - пространственных представлений. Пример теста Зрительной памяти 119
3.1.1 Сущность тестирования 119
3.1.2 Виды тестирования 120
3.1.3 Тесты Зрительно - пространственных представлений 120
3.1.4 Пример теста зрительной памяти 122
3.2 Обзор и краткая характеристика технических средств начальной школы на Кипре. Предлагаемая конфигурация технических средств пользовательской части ЭСО, способы хранения и представления дидактического материала. Подключения к Интернет 122
3.2.1 Обзор и краткая характеристика технических средств начальной школы на Кипре ' 122
3.2.2 Предлагаемая конфигурация технических средств пользовательской части ЭСО. Способы хранения и представления дидактического материала 124
3.2.2.1.Технические средства компьютерного класса
3.2.2.2 Конфигурация технических средств системы .
3.2.3 Способы подключения к Интернет
4. Экспериментальное исследование системы
4.1. Краткая характеристика контингента тестируемых
4.2. Краткая характеристика проводившихся тестов
4.3 Полученные практические результаты
Заключение
Библиография
- Мультимедийные технологии. Обучающие компьютерные системы (интерактивность, активное участие обучаемого, моделирование, архитектура: подходы и классификация)
- Отличительные особенности. Экспертные системы первого и второго поколения
- Методика построения экспертной системы обучения
- Предлагаемая конфигурация технических средств пользовательской части ЭСО. Способы хранения и представления дидактического материала
Введение к работе
Несмотря на то, что первые экспертные системы (ЭС) появились в конце 60-х, и уже накоплен положительный опыт их применения в различных областях (например, в медицине, на производстве, в экономике и т.д.), не ослабевает научный интерес к вопросам, связанным с построением ЭС и их применением как в ранее изученных, так и в новых областях человеческой деятельности. В основном, по следующим основным причинам:
развитие искусственного интеллекта, как области знания;
развитие технологии и связанные с этим новые возможности - в первую очередь, высокая производительность и доступность современных средств вычислительной техники и связи;
Мультимедийные технологии. Обучающие компьютерные системы (интерактивность, активное участие обучаемого, моделирование, архитектура: подходы и классификация)
Роль информационных технологий (ИТ) в обществе чрезвычайно важна. Они занимают сегодня центральное место в процессе интеллектуализации общества, развития его системы образования и культуры [11].
Первые эксперименты по информатизации образования относятся к началу 60-х годов. Именно тогда появилось первое программное обеспечение, ориентированное на применение в учебном процессе. Сначала в форме автоматизированных учебных курсов (АУК), затем в форме автоматизированных обучающих систем (АОС), реализующих парадигму программированного обучения. "Интеллектуализация" АОС происходила под влиянием исследований в области искусственного интеллекта, в особенности экспертных систем.
Информатизация образования, в силу специфики самого процесса передачи знания, требует тщательной отработки используемых ТИ (технологий информатизации) и возможности их широкого тиражирования [12]. Кроме того, стремление активно применять современные информационные технологии в сфере образования должно быть направлено на повышение уровня и качества подготовки специалистов. "Отбор" применяемых в сфере образования ИТ должен предназначаться для реализации следующих задач: - поддержка и развитие системности мышления обучаемого; - поддержка всех видов познавательной деятельности человека в приобретении знаний, развитии и закреплении навыков и умений; - реализация принципа индивидуализации учебного процесса при сохранении его целост ности. Как известно, компьютер как средство обучения может использоваться только при наличии соответствующего программного обеспечения (ПО). Применение ИХ в образовании и обучении, в конечном счёте, заключается в разработке и использовании ПО учебного назначения [5,6]. Особенность этого вида программного продукта состоит в том, что он должен аккумулировать в себе, наряду с компьютерной программой как таковой, дидактический и методический опыт преподавателя-предметника, актуальность и правильность информационного наполнения по определённой учебной дисциплине, а также удовлетворять требованиям образовательного стандарта и реализо-вывать, в то же время, возможность его применения как для самостоятельной работы обучаемого, так и в учебном процессе.
Современный этап применения компьютерной технологии обучения в учебном процессе заключается в использовании компьютера как средства обучения не эпизодически, а систематически, с первого до последнего занятия при любом виде обучения. В этом случае основная проблема заключается в методике компьютеризации курса, который предстоит освоить обучаемому. Возможна либо полная перестройка и ориентация на создание новых компьютеризованных курсов, либо реализация методики с частичной компьютерной поддержкой курса. Другими словами, речь идёт о форме компьютерной поддержки процесса обучения. В настоящее время практика использования компьютерных технологий в образовании обнаруживает две тенденции: - применение промышленных универсальных компьютерных программ, предназначенных для решения широкого круга практических и научных задач из различных предметных областей и адаптированных к учебным дисциплинам; - применение обучающих программ, специально разработанных для целей обучения и реализующих соответствующие методики, заложенные в них разработчиками. На сегодняшний день существует широкий спектр программ - от простейших контролирующих до сложных мультимедийных продуктов. Далее мы будем анализировать два направления обучающих программ, специально разработанных для целей обучения и реализующих соответствующие методики, заложенные в них разработчиками: 1. Интерактивные Мультимедийные Технологии (ИМТ) 2. Экспертные Системы Обучения (ЭСО) Мультимедийные технологии. Обучающие компьютерные системы (интерактивность, активное участие обучаемого, моделирование, архитектура: подходы и классификация) Интерактивные Мультимедийные Технологии - распределенная мультимедийная обучающая среда, вьшосящая процесс обучения (соответственно требующая материальных ресурсов) за пределы индивидуальных учебных классов. Новые разработки в теориях обучения и совместной работы делают живую диалоговую связь неотъемлемым компонентом интерактивных мультимедийных технологий (ИМТ) будущего, которые смогут удовлетворить требования к образованию в следующем столетии. Использование в интерактивных вычислениях числовых и символьных данных было общей чертой технологий для нескольких десятилетий. Следующим шагом стало появление настольных печатных и сканирующих устройств около десяти лет назад. Сегодня стало обычным использование мультимедийных данных в реальном времени, то есть аудио-видео и анимации. Они используются в таких современных приложениях, как, например, компьютерная речевая почта, настольная видео-продукция и подготовка документов. В настоящее время все производители компьютеров стараются оптимизировать как операционную систему, так и аппаратное обеспечение для работы с мультимедийными данными в реальном времени. Интерактивные Мультимедийные Технологии в образовательных школах Использование ИМТ меняет традиционные взгляды на процесс обучения, в котором технология становится средством повышения его эффективности и более успешного усвоения материала. [18]. Компьютерные средства обучения особенно эффективны при самостоятельной работе студентов и для заочной формы обучения. Взгляд на технологии обучения, для которых разработаны концептуальные компьютерные инструментальные средства, позволяет подойти к изучению диалога как между учениками, так и между учеником и учителем. Изучение диалога в контексте деятельности имеет важное значение при изучении математики.
Отличительные особенности. Экспертные системы первого и второго поколения
Экспертиза может проводиться только в одной конкретной области. Так, программа, предназначенная для определения конфигурации систем ЭВМ, не может ставить медицинские диагнозы. 2. База знаний и механизм вывода являются различными компонентами. Действительно, часто оказывается возможным сочетать механизм вывода с другими базами знаний для создания новых ЭС. Например, программа анализа инфекции в крови может быть применена в пульмоноло 40 гии путём замены базы знаний, используемой с тем же самым механизмом вывода. 3. Наиболее подходящая область применения - решение задач дедуктивным методом. На " пример, правила или эвристики выражаются в виде пар посылок и заключений типа "если - то". 4. Эти системы могут объяснять ход решения задачи понятным пользователю способом. Обычно мы не принимаем ответ эксперта, если на вопрос "Почему " не можем получить логичный ответ. Точно так же мы должны иметь возможность спросить систему, основанную на знаниях, как было получено конкретное заключение. 5. Выходные результаты являются качественными (а не количественными). 6. Системы, основанные на знаниях, строятся по модульному принципу, что позволяет по степенно наращивать их базы знаний. Компьютерные системы, которые могут лишь повторить логический вывод эксперта, принято относить к ЭС первого поколения. Однако специалисту, решающему интеллектуально слож ную задачу, явно недостаточно возможностей системы, которая лишь имитирует деятельность че ловека. Ему нужно, чтобы ЭС выступала в роли полноценного помощника и советчика, способно го проводить анализ нечисловых данных, выдвигать и отбрасывать гипотезы, оценивать достовер ность фактов, самостоятельно пополнять свои знания, контролировать их непротиворечивость, де лать заключения на основе прецедентов и, может быть, даже порождать решение новых, ранее не рассматривавшихся задач. Наличие таких возможностей является характерным для ЭС второго поколения, концепция которых начала разрабатываться 9-10 лет назад. Экспертные системы, относящиеся ко второму поколению, называют партнёрскими, или усилителями интеллектуальных способностей человека. Их общими отличительными чертами является умение обучаться и разви ваться, т.е. эволюционировать. В экспертных системах первого поколения знания представлены следующим образом: 1) знаниями системы являются только знания эксперта, опыт накопления знаний не преду сматривается. 2) методы представления знаний позволяют описывать лишь статические предметные об 41 ласти. 3) модели представления знаний ориентированы на простые области. Представление знаний в экспертных системах второго поколения следующее: 1) используются не поверхностные знания, а более глубинные. Возможно дополнение предметной области. 2) ЭС может решать задачи динамической базы данных предметной области. 1.3.3.2.3 Критерий использования ЭС для решения задач. Существует ряд прикладных задач, которые решаются с помощью систем, основанных на знаниях, более успешно, чем любыми другими средствами. При определении целесообразности применения таких систем нужно руководствоваться следующими критериями: 1. Данные и знания надёжны и не меняются со временем. 2. Пространство возможных решений относительно невелико. 3. В процессе решения задачи должны использоваться формальные рассуждения. Существуют системы, основанные на знаниях, пока ещё не пригодные для решения задач методами проведения аналогий или абстрагирования (человеческий мозг справляется с этим лучше). В свою очередь, традиционные компьютерные программы оказываются эффективнее систем, основанных на знаниях, в тех случаях, когда решение задачи связано с применением процедурного анализа. Системы, основанные на знаниях, более подходят для решения задач, где требуются формальные рассуждения. 4. Должен быть по крайней мере один эксперт, который способен явно сформулировать свои знания и объяснить свои методы применения этих знаний для решения задач. В таблице 1.2 приведены сравнительные свойства прикладных задач, по наличию которых можно судить о целесообразности использования для их решения ЭС.
Методика построения экспертной системы обучения
Специфика методики построения экспертной системы обучения определяется, во-первых, особенностями предметной области, во-вторых, структурой экспертной системы. Эти моменты должны быть конкретизированы на стадии Технического задания, в котором следует отразить следующие основные моменты: курс для преподавания которого строится экспертная система, включая ? наименование курса ? основные подразделы ? дидактический материал подразделов, включая как текстовую и графическую, так и аудио-видео-информацию упражнения и задачи, которые должны выполняться и решаться обучаемым в диалоговом режиме ? контрольные тесты, которые позволят оценить как степень усвоения дидактического материала, так и индивидуальные особенности восприятия обучаемого ? отдельно следует определить информацию, которая будет использована при уточнении базы знаний экспертной системы (самообучение) выбор программно-аппаратных средств реализации экспертной системы Как указывалось ранее, предлагаемая в настоящем исследовании система предназначена для организации дистанционного обучения (distance learning). При этом, в качестве коммуникационной среды, ввиду низкой стоимости и широкой доступности, представляется целесообразным использовать Интернет. Наличие централизованной базы знаний системы предполагает наличие сервера и использование технологии «клиент-сервер».
Как было показано выше, знания обычно могут быть представлены в виде системы фактов. Факты являются элементами системы, но не являются простым набором, так как должны быть определены их взаимосвязи, что в совокупности образует правила. Как было показано выше, факты могут быть представлены точками многомерного пространства, в котором каждая координата описывает конкретное свойство объекта (ученика или педагога). В этом случае взаимосвязи представляются метрикой (функцией расстояния), определённой соответствующим образом. Поэтому технически система может быть реализована на основе любой СУБД (системы управления базами знаний) реляционного типа, начиная с простейших (например, MS Access) и заканчивая СУБД высокой производительности (Oracle, Ingress, Sybase, DBII и т.д.). Выбор конкретного типа СУБД определяется единственно размерностью задачи, определяющей объём хранимой информации, и частотой запросов. Объём хранимой информации зависит от - Предполагаемого количества обучаемых Количества учебных курсов Количества среднего количества контрольных тестов на 1 курс и количества учебных модулей курса
Так, например, при ожидаемом количестве обучаемых около 10,000, 20 учебных модулей и контрольных тестов на автоматизируемый учебный курс, максимальный объём хранимой информации (в байтах) может быть рассчитан следующим образом:
Такой объём информации может быть обработан даже простейшими СУБД класса MS Access, MS VisualFox Pro и т.д. В тоже время, если ожидаемая частота запросов достаточно велика, может потребоваться более производительная система (например, Oracle 8i или аналогичная по характеристикам). При этом следует исследовать возможность применения таких операционных систем как FreeBSD и Linux, что может оказаться экономически более выгодным, так как эти операционные системы могут распространяться свободно.
Выбор аппаратных средств определяется теми же факторами плюс типом выбранной СУБД. Так для большинства из перечисленных выше СУБД имеются версии для компьютеров, построенных на основе процессоров Intel, следует рассмотреть возможность их использования. В большинстве случаев их производительность, определяемая как около 800МВ/сек для шины PCI, может оказаться вполне достаточной. - Построение основных элементов экспертной системы: Модель учителя/педагога
Как было показано выше, экспертная система предусматривает возможность динамического построения/уточнения модели учителя/педагога. Поэтому, в принципе, нет абсолютной необходимости в предварительном построении этой модели. В этом случае требуется постоянное наличие эксперта в период самообучения системы. Поэтому целесообразно предусмотреть некоторое количество типовых сценариев (в виде наборов: ответы ученика - решение учителя), что упростит работу системы в период первоначального обучения. - Модель ученика строится динамически для каждого ученика отдельно, на основе его прогресса и успеваемости. Учебные модули Как было показано выше, учебный модуль - это часть программного обеспечения, которая работает непосредственно с обучаемым или конечным пользователем системы, т.е., по сути, является пользовательским интерфейсом. Принимая во внимание специфику конечного пользователя системы (ученики начальных классов средней школы), пользовательский интерфейс должен удовлетворять определённым требованиям: быть дружественным, т.е. предоставлять возможность неквалифицированному пользователю взаимодействовать с системой быть интуитивным, т.е. пользователь должен быть в состоянии «догадаться» о значении того или иного элемента и быть в состоянии взаимодействовать с системой без предварительной подготовки Так как предполагается, что не все пользователи смогут бегло читать, текстовая информация должна быть сведена к минимуму, что предполагает отличные от традиционных (чтение сообщений системы и ввод данных с клавиатуры) способы ввода-вывода информации. В этой связи особый интерес представляет использование мультимедийной среды с возможностью речевого вывода информации, использования графических элементов, анимации, мультипликации, аудио- и видео- фрагментов, а также таких способов ввода информации, как перемещение курсора, навигация с помощью устройств графического ввода (мышь, джойстик и т.д.). Помимо всего прочего, ввиду того, что предполагается дополнение банка учебных модулей системы, средства разработки пользовательского интерфейса должны быть известны массовому слабо квалифицированному пользователю, либо должны существовать кросс-средства достаточно высокого уровня. Всё это предъявляет особые требования к инструментальным средствам разработки пользовательского интерфейса. В настоящем случае представляет существенный интерес использование Microsoft Internet Explorer как оболочки и программной среды для разработки пользовательского интерфейса. Этому способствует ряд факторов, выгодно отличающих Internet Explorer от аналогичных программных средств (Netscape Navigator, Mosaic, Opera) и т.д.
Предлагаемая конфигурация технических средств пользовательской части ЭСО. Способы хранения и представления дидактического материала
Современные методы представления информации в компьютерах включают в себя не просто текст, но и картинки, видео, звуковые фрагменты, так называемые мультимедийные приложения.
А такой элемент современных компьютерных документов, как гипертекстовая ссылка, позволяет при необходимости обратиться в любое место документа за дополнительной информацией и, в то же время, при повторном изучении не перегружает исходный текст документа. По принципу гипертекста устроена WEB-служба всемирной информационной сети Internet, с помощью которой проводится «дистанционное обучение».
Конфигурация технических средств системы может быть достаточно разнообразна и зависит от выбора платформы и программных средств: Как было показано выше, система состоит из следующих основных компонентов: Сервер базы данных, предназначенный для работ с базой данных базы знаний экспертной системы Сервер приложений (application server), предназначенный для размещения на нём служб WEB (WEB services) экспертного модуля системы, Собственно WEB-сервер Рабочие станции конечных пользователей Сервер Базы Данных граммньм обеспечением. Как бьшо показано выше, единственным требованием к RDBMS является поддержка ANSI SQL и способность поддерживать работу баз данных заданного размера, который определяется количеством учащихся, учебных курсов, средним числом учебных модулей для каждого курса и т.д. Для проведения диссертационного исследования автор использовал находящийся в его распо-ряжении сервер баз данных Oracle 9і для операционной системы Red Hat Linux 7.3. Рекомендуемая конфигурация технических средств включает: Pentium 4, 1.8 GHz CPU Оперативная память (RAM): 512MB Intel RAIDS Контроллер жёстких дисков 3 жёстких диска 10000 rpm, каждый ёмкостью 38 GB, объединённые в страйп. Гибкий диск (FDD): 1.44 MB Устройство резервного копирования Проигрыватели компакт-дисков (CD-ROM Players): 52х Сетевой адаптер 100/10 MBit Монитор 15" Клавиатура «Мышка» Предлагаемая конфигурация достаточно надёжна, доступна по стоимости и поэтому реко „ мендуется автором диссертации. , Сервер приложений В качестве сервера приложений может быть использован любой компьютер, работающий с операционной системой Windows 2000 Professional и выше, со следующими установленными ком понентами: Сервер служб Интернет IIS 5 .NET Framework Рекомендуемые технические требования к серверу: Pentium 4, 1.8 GHz CPU Оперативная память (RAM): 512MB SCSI Жёсткий диск 10000 rpm, ёмкостью не менее 20 GB Гибкий диск (FDD): 1.44 MB Устройство резервного копирования Проигрыватель компакт-дисков (CD-ROM Players): 52х Сетевой адаптер 100/10 MBit Монитор 15" Клавиатура «Мышка» WEB Сервер В принципе, WEB сервер системы и сервер приложений могут быть размещены на одном и том же компьютере, однако для улучшения производительности, повышения надёжности и доступности системы предлагается использовать кластер WEB-серверов, на каждом из которых должно быть установлено следующее программное обеспечение: Одна из следующих операционных систем: Windows 2000 Professional или Windows 2000 server, Windows XP Professional Microsoft .NET framework Microsoft Internet Information Server 5 с установленным WWW-сервисом. Технические спецификации могут быть теми же, что и для сервера приложений: 127 Pentium 4,1.8 GHz CPU Оперативная память (RAM): 512MB SCSI Жёсткий диск 10000 rpm, ёмкостью не менее 20 GB Гибкий диск (FDD): 1.44 MB Устройство резервного копирования Проигрыватель компакт-дисков (CD-ROM Players): 52х Сетевой адаптер 100/10 MBit Монитор 15" Клавиатура «Мышка» Рабочие станции. В принципе, любой компьютер оборудованный звуковой картой, проигрывателем компакт-дисков и подключённый к Интернет, может быть использован в качестве рабочей станции конечного пользователя. В случае использования компьютеров на базе CPU Intel рекомендуемая конфигурация включает: Pentium 4,1.5-2.2 GHz CPU Оперативная память (RAM): не менее 256MB Жёсткий диск 7200 rpm, ёмкостью не менее 20 GB Гибкий диск (FDD): 1.44 MB Проигрыватель компакт-дисков (CD-ROM Players): 52х Сетевой адаптер 100/10 MBit Монитор 15"-17" Клавиатура «Мышка» Операционная система Windows ХР (Home Edition) или Windows ME
