Содержание к диссертации
Введение . 4
1. Состояние и исследования в области разработки б диалоговых ТСО и их входных устройств 10
1.1. Обобщенная функциональная схема ДТСО и схемы входных устройств ДТСО 10
1.2. Классификация входных устройств ДТСО .
1.3. Необходимость и место ДТСО с конструированным вводом ответов . . 24
1.4. Известные математические методы анализа учебного процесса и диалоговых технических средств обучения
1.5. Применение ЭВМ для решения задач ввода и классификации учебной информации 41
1.6. Постановка задачи §1
2. Алгоритм ввода и анализа информации. Математическая модель входных устройств ДТСО 54
2.1. Алгоритмы ввода информации в ДТСО 54
2.2. Алгоритмы работы блока принятия решений для выборочного и численного ответов 59
2.3. Входные устройства ДТСО с конструированным вводом ответов учащегося 57
2.4. Математическая модель входного устройства ДТСО и проверка ее адекватности 77
2.5. Обучение устройств ввода и анализа ответов б(формирование образов ответов во ВЛУ ДТСО). до
3. Методика построения ВЛУ автономных ДТСО с конструированным вводом ответов 95
3.1. Граничные условия работы входных устройств ДТСО 96
3.2. Сжатие информации во входных устройствах б ДТСО с клавиатурой со сменным значением клавиш 108
3.3. Возможности и ограничения входных устройств ТСО со сменным значением клавиш 115
3.4. Способы задания порога и способы распознавания ответов 127
3.5. Входные устройства ДТСО с учетом очередности ввода групп элементов ответов 133
4. Методика построения ВЛУ ДТСО на базе ЭВМ б(микропроцессоров) 144
4.1. Алгоритм формирования ХЭШ-кодов и закон распределения адресов слов 144
4.2. Устройство формирования кодов типа "автоматический словарь" 150
4.3. Количественные характеристики 160
4.4. ДГСО с автоматическим формированием адреса. .175
4.5. Сопоставительный анализ ХЭШ-методов 179
5. Практические результаты 186
5.1. Внедрение разработок 186
5.2. Пример кодирования задания 194
Заключение 202
Литература 204
Список обозначений и сокращений 219
Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросам повышения качества профессиональной и идеологической подготовки специалистов,выпускаемых ВУЗами страны, уделено серьезное внимание в решениях ноябрьского 1982. и июньского 1983 г. Пленумов ЦК КПСС.
Ранее, в Постановлении ЦК КПСС и Совета министров СССР "О дальнейшем развитии высшей школы и повышении качества подготовки специалистов (газета "Правда" 12 июля 1979г.)указывается на необходимость принятия мер для дальнейшего повышения качества подготовки выпускников вузов. При выработке путей решения задач, вытекающих из Постановления Всесоюзного совещания работников вузов в Москве (февраль 1980г.) было отмечено, что одним из эффективных средств, призванных индивидуализировать процесс обучения, сократить время подготовки, освободить преподавателей от непроизводительного труда, является применение автоматизированных обучающих систем (АОС), работающих, в основном, в диалоговом режиме. Данная работа посвящена исследованию некоторых проблем, связанных с обработкой информации, вводимой в технические средства обучения (ТСО), диалогового типа, являющихся элементами АОС.
Работа выполнялась в соответствии с Координационным планом АН СССР на I976-1980 г.г. по разделу "Кибернетика" - тема I.12.3,1. - "Сложные человеко-машинные системы. Исследование возможности создания человеко-машинных систем, включающих в себя развитую систему диалогов, основанных на естественном языке" и является частью комплексной программы по созданию автоматизированной обучающей системы МЭИ. (Тема 1.4.3,1. Координационного плана Минвуза СССР на I981-1985 г.г.). Она базируется на исследованиях автора, проведенных в МУЛ МЭИ в течение I963-1983 г.г.
В основу работы легли следующие предпосылки.
Для целей обучения применяются как устройства на базе универсальных ЭВМ, так и специализированные диалоговые ТОО (ДТСО), которые могут использоваться автономно и как терминалы в системе АОС на базе ЭВМ. Все ДТСО содержат в своем составе блоки ввода и вывода, решающие блоки и блоки отображения, а при обучении с их помощью предоставление следующих фрагментов учебной программы определяется информацией, введенной учащимся. От того, насколько полно вводимая учащимся информация отражает семантику его запроса или ответа, зависит эффективность процесса обучения. Большинство специализированных ДТСО, нашедших широкое применение в нашей стране и за рубежом, реализуют выборочный метод ввода ответов, при котором теряется информация о наличии у учащихся навыков формулировать свои ответы. ЮО на базе ЭВМ с дисплеями в диалоговом режиме позволяет реализовать любой метод ввода, включая конструированный. Но массового применения такие системы не получили из-за большой стоимости (10 15 тыс. руб. на I рабочее место), большого объема памяти эталонов (150-600 дв.разрядов на I вопросный кадр), большого времени ввода конструированных ответов (до 4г-х 6-й мин.) и сложности программного обеспечения. Поэтому актуальной является задача разработки методики построения ДТСО, реализующих наряду с выборочным, конструированный метод ввода ответов, имеющих на порядок меньшую стоимость, минимальное время ввода ответов и простое программирование учебных программ.
Цели и задачи работы укрупненно можно свести к следующим:
- провести анализ состояния работ в области разработки и практического применения ДТСО;
- разработать математические модели и описания входных логических устройств (ВЛУ) известных ДТСО;
- разработать методы построения ВЛУ ДТОО о конструированным вводом ответов;
- провести анализ параметров ВЛУ ДТСО с конструированным вводом ответов;
- провести разработку, экспериментальную апробацию и внедрение разработанных с учетом нижеперечисленных критериев ДТОО;
- простой, поддающийся автоматизации алгоритм формирования эталонов;
- минимальный объем памяти эталонов;
- минимальное время ввода и время поиска эталонной информации;
- возможность реализовать линейные и разветвленные обучающие программы;
- возможность реализовать выборочный, численный и конструированный методы ввода ответов.
При создании методики разработки ВЛУ ДТСО с учетом выполнения перечисленных выше критериев возникает необходимость решить следующие задачи:
- найти математическую модель, адекватную известным ВЛУ ДТСО;
- найти математическое описание выборочного, численного и конструированного вводов ответов;
- исследовать алгоритмы работы блоков принятия решения . ВЛУ ДТСО для этих трех методов ввода;
- исследовать статистические характеристики языка ответов и по ним определить минимальное количество клавиш ввода;
- найти методы технических решений ВЛУ ДТСО, реализующих распознавание конструированных ответов с помощью простых диск-риминантных функций.
Методы исследования. Решение поставленных задач проведено путем разработки и исследования математических моделей с использованием теории информации, теории конечных автоматов, теории множеств, булевой алгебры и теории распознавания образов.
Научная новизна работы состоит в том, что найдены и исследованы методы построения ШУ ДТСО, основанные на использовании более коротких (по сравнению с кодами букв и слов) кодов образов ответов. При этом:
- предложены математические описания алгоритмов трех возможных методов ввода ответов (выборочного, численного и конструированного) , описание трех возможных методов ввода эталонов, а также логический способ записи алгоритмов классификации выборочных и конструированных ответов;
- разработана временная пороговая функция, отличающаяся
от обычной пороговой тем, что в качестве весового параметра используется временной параметр, равный I при правильном вводе элемента ответа и 0 - в противном случае. Разработан временной пороговый элемент (ВПЭ), реализующий такую функцию;
- разработан способ определения весовых коэффициентов диск риминантных функций для решения задачи классификации конструиро
ванных ответов по максимуму совпадения с эталоном. Разработаны
4 алгоритма классификации конструированных ответов по этому методу;
- разработан способ отображения структур подматриц с кодами очередностей элементов для классификации конструированных ответов, вводимых с помощью клавиатуры со сменным значением клавиш;
- разработан алгоритм формирования сжатых кодов слов (образов конструированных ответов) с использованием ХЭШ-кодов, отличающийся тем, что ХЭШ-коды формируются на основе языка кодов равновероятных групп за счет логической операции сложнния по модулю два кодов групп, соответствующих вводимому элементу со сдвигом на один разряд кода.
Установлено, что частота использования кодов, полученных по данному алгоритму,. подчиняется распределению Релея.
Практическая ценность полученных в данной работе результатов состоит в том, что:
- предложенные математические модели описания ВЛУ ДТСО позволяют проводить разработку и оптимизация? таких устройств с использованием современных методов математического программирования;
- предложенный метод построения ВЛУ ДТСО на ВПЭ, позволяет распознавать конструированные ответы с помощью конструктивно простых технических устройств - автономных ДТСО. Все : другие известные методы требуют для своей реализации АОО на базе ЭВМ;
- предложенный способ формирования ХЭШ-кодов на основе кодов равновероятных групп (а не кодов букв, как в известных способах) позволяет получить оптимальное использование адресов и, по крайней мере, на порядок сократить аппаратурные затраты при идентификации ответов учащихся. Этот способ может также использоваться для ускоренного поиска информации в памяти ЭВМ.
Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке ДТСО "Репетитор с конструированным вводом ответов", "Экзамена тор-12", РЭМ-4, РЭМ-5, внедренных в учебный процесс АЛИ и Азнефтехим г.Баку , а также в устройствах типа "РЭМС-I",серийное производство которых для стран СЭВ начато в НРБ в 1981г., и приборе "Информатор", (отмеченном дипломом международной выставки "Телекинотехника-80" и медалями ВДНХ), внедрение которых осуществляется в ОКБ Машиностроения (договор 55П) и п/о "Практика" (договор 75П).
Структура работы. В первой главе работы содержится обзор литературы по анализу функциональных схем ТОО, классификации ТОО, необходимости создания ТОО с конструированным вводом ответов, а также известные математические модели и вопросы, связанные с применением ЭВМ для решения задачи сравнения и распознавания ответов учащихся.
Во второй главе рассмотрены математическая модель ВЛУ ДТСО, методы ввода инфоршции в ДТСО, алгоритмы работы блока принятия решений для выборочного, численного и конструированного методов ввода ответов и применение предложенного метода записи алгоритмов работы входных устройств ТОО для анализа некоторых ДТСО,
В третьей главе рассматриваются методы синтеза входных устройств ДТСО с конструированным вводом ответа на временных пороговых элементах.
Четвертая глава посвящена методам сжатия семантической информации на основе ХЭШ-кодов и аппаратурной и программной реализации ВЛУ ДТСО на основе этого метода,
В пятой главе рассмотрены практические реализации и пример кодирования с использованием трех возможных методов ввода ответов и численном методе кодирования эталонов.
Диссертационная работа выполнялась в Межкафедральной учебной лаборатории новых методов и средств обучения Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.
