Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ научно-методических подходов к проблеме представления знаний 13
1.1 Проблема представления знаний в гносеологии, когнитивной психологии и теории искусственного интеллекта 14
1.2 Психолого-дидактические основы использования моделей представления знаний в обучении 32
1.3 Применение моделей представления знаний для автоматиза ции процесса обучения. Классы АОС 50
1.4 Выводы Q1
Глава 2. Методика изучения профильного курса "Формализация знаний и экспертные системы" 63
2.1 Особенности профильных спецкурсов по информатике 63
2.2 Содержательные линии пропедевтического курса "Основы логической грамотности" 66
2.3 Исходные положения методической системы курса "Формали зация знаний и экспертные системы" 73
2.4 Методика изучения раздела "Экспертные системы" 82
2.5 Методика изучения раздела "Модели представления знаний".88
2.6 Методика изучения раздела "Предметная область. Построение базы знаний ЭОС по геометрии" 107
2.7 Педагогический эксперимент 123
Заключение 135
Список литературы 137
Приложение 1 151
Приложение 2 154
- Проблема представления знаний в гносеологии, когнитивной психологии и теории искусственного интеллекта
- Психолого-дидактические основы использования моделей представления знаний в обучении
- Особенности профильных спецкурсов по информатике
Введение к работе
Актуальность исследования. Сегодня общепринято, что инфор мация и ее высшая форма - знания являются решающим фактором, оп ределяющим развитие общества в целом. В национальном докладе Российской Федерации на II Международном конгрессе Юнеско отме чалось, что "для того, чтобы гигантские объемы информации и зна ний, создаваемых в ходе современной информационной революции, были эффективно использованы для решения реальных проблем и пре- » одоления реальных трудностей, России необходимо на деле осуществить интенсивную, согласованную, реально выполнимую информатизацию общества". Осуществление информатизации общества требует особой государственной политики России в области информатизации образования, одним их приоритетных направлений которой является совершенствование базовой подготовки учащихся по информатике и новым информационным технологиям (НИТ). Отличительной особенностью современной концепции преподавания информатики в образовательных учреждениях является признание высокого развивающего ^ потенциала информатики и придание ей статуса фундаментальной дисциплины. В значительной мере этому способствовали работы А. П. Ершова, А. А. Кузнецова, В. С. Леднева, А. Г. Гейна, А. И. Сенокосова, В. М. Монахова.
В проекте государственного образовательного стандарта, разработанного творческим коллективом под руководством А. А. Кузне-цова, подчеркивается теоретическая и прикладная значимость информатики, которая с одной стороны должна обеспечивать формирование у учащихся основ научного мировоззрения и способствовать развитию их мышления, а с другой - подготовить школьников к практическому использованию НИТ в своей профессиональной деятельности, вооружить их связанными с использованием компьютера новыми средствами и методами познавательной деятельности.
Исходя из этого возникает необходимость рассмотреть два взаимосвязанных аспекта современной концепции преподавания информатики: изучение фундаментальных основ предмета и использование современных компьютерных технологий обучения.
В педагогической науке и школьной практике накоплен определенный теоретический потенциал и практический опыт применения компьютерных технологий. Это теоретические исследования в области программированного обучения В. П. Беспалько, Т. А. Ильиной, С. Г. Шаповаленко и др., исследования Кузнецова Э. И., Буняе-ва М. М., Жданова С. А., связанные с определением психолого-педагогических и дидактических требований к разработке и использованию обучающих курсов в учебном процессе школы и вуза. Существенное влияние на разработку концепции автоматизированного обучения оказали работы психологов Н. Ф. Талызиной, Д. Б. Элькони-на. В. В. Давыдова, Ж. Пиаже, В. В. Рубцова, П. Я. Гальперина, Е. И. Машбица. Вопросам исследования моделей и методов управления процессом автоматизированного обучения и разработки компьютерных обучающих систем посвящены работы А. М. Довгялло, А. Я. Савельева, Л. А. Растригина, Е. Н. Пасхина, С. И. Кузнецова, Л. В. Зайцевой, Н. П. Брусенцова и др.
Современные компьютерные технологии обучения в настоящее время развиваются в двух основных направлениях: - совершенствование качества компьютерных программ, предназначенных для традиционной системы образования, основанной на процессе передачи готовых знаний и выработке определенного набо- pa умений и навыков. При этом компьютер используется для улучшения способа представления готовых знаний и усиления контроля за их усвоением (В. В. Лаптев, А. В. Карпенко, Е. В. Ашкинузе, Ю. С. Брановский и др.); - создание принципиально новых интеллектуальных обучающих систем, соответствующих системе образования информационного общества (В. А. Петрушин, В. С. Николов, С. М. Мазурина, М. Ю. Фе-досенко). При этом классическая формула образования "Познание окружающего мира посредством освоения готовой информации" все * чаще изменяется на новую - "Познание окружающего мира посредством его компьютерного проектирования, моделирования, конструирования и исследования".
В связи с реализацией второго направления актуальной является разработка и внедрение в обучение экспертных обучающих систем (ЭОС), под которыми понимаются программные системы, реализующие управление учением на основе знаний экспертов - психологов, педагогов, методистов. Основанная на их применении обучающая технология предполагает использование адекватных способов предс-fc тавления знаний о том, чему обучать, как обучать и кого обучать.
Успех ЭОС был обусловлен появлением специальных формализмов для представления знаний (ПЗ): семантических сетей, фреймов, продукционных и логических моделей и др. При дальнейших исследованиях выяснилось, что каждый из этих формализмов обладает своими недостатками, во избежание которых во многих ЭОС использовал-ся синтез различных систем ПЗ. Однако проблема разработки универсального и эффективного языка и метода ПЗ остается все еще нерешенной, следовательно, исследования в этой области являются актуальными.
С другой стороны, применение ЭОС в обучении приводит к необходимости разработки методических систем обучения, опирающихся на их использование и формирующих у учащихся умения систематизировать, структурировать свои знания, анализировать задачу, самостоятельно делать выводы, строить доказательства в той или иной предметной области. Здесь важная роль принадлежит мировоззренческой функции информатики, состоящей в формировании научных представлений о мире. Особое внимание заслуживает содержательная линия, связанная с методами и средствами адекватного описания ;* объектов и явлений для их использования с помощью ЭВМ, к числу которых можно отнести средства информационно-логического моделирования и модели представления знаний. Как отмечается в работах зарубежных специалистов (Джонассен, Lippert, Smiph, Starfield и др.) использование учащимися моделей представления знаний и экспертных систем в качестве инструментов познания приводит к более глубокому пониманию и усвоению содержания любого школьного предмета, что подчеркивает общенаучный характер знаний по информатике. Необходимы дополнительные исследования для проверки эффек- ^ тивности использования названных инструментов познания в обучении.
Пока же, несмотря на то, что в соответствии с современной концепцией структуры предметной области информатики в ее фундаментальные основы входят такие разделы теоретической информатики как: информация и знания, семантические аспекты интеллектуальных процессов и информационных систем; информационные системы искусственного интеллекта; методы представления знаний; - теория и методы разработки и проектирования информационных систем и технологий, они входят в содержание действующего курса информатики лишь фрагментарно и не являются объектами целенаправленного изучения.
Это объясняется недостаточной соответствующей подготовкой учителей информатики, малым количеством часов, отводимых в целом на изучение базового курса информатики в учебных планах, отсутствием методического и программного обеспечения. Вместе с тем, в настоящее время в системе образования растет число инновационных школ, реализующих концепцию развивающего обучения, использующих новые информационные технологии в обучении в рамках выбранного профиля или множества профилей, например, школы с медицинским уклоном, педагогические лицеи, лингвистические гимназии, физико-математические школы, а также многопрофильные гимназии, в которых осуществляется профессиональная подготовка учащиеся старших классов. В учебных программах этих школ и гимназий наряду с традиционными предметами, содержание которых определяется образовательными стандартами, появляются новые предметы, связанные со спецификой учебного заведения - профильные курсы по выбору. При этом актуальной проблемой становится разработка содержания и методики преподавания подобных курсов. В диссертационном исследовании речь будет идти о двух взаимосвязанных курсах "Основы логической грамотности" и "Формализация знаний и экспертные системы".
Таким образом, проблема исследования определяется, с одной стороны, необходимостью дать учащимся инструмент представления, формализации своих знаний, что позволит более глубоко и эффективно усвоить понятия и закономерности конкретного учебного предмета, а с другой - отсутствием методики изучения средств представления знаний в школьном обучении информатике. _ Цель исследования состоит в обосновании и разработке мето^ дической системы профильного курса по информатике "Формализация знаний и экспертные системы", а также в разработке содержания пропедевтического курса "Основы логической грамотности".
Объектом исследования является процесс обучения учащихся старших классов на профильных курсах по информатике.
Предмет исследования составляют содержание и методы обучения учащихся моделям представления знаний и их использованию для формализованного описания базы знаний обучающей системы по геометрии в рамках профильного курса по информатике; содержательные линии пропедевтического курса.
В качестве гипотезы исследования нами выдвигается следующее предположение: если рассмотреть модели представления знаний в качестве средства формализации знаний и разработать методику их изучения на примере конкретной предметной области - геометрии, то это позволит развить теоретическое мышление учащихся, сформи-ровать у них навыки структурирования своих знаний, что обеспечит более глубокое и эффективное усвоение содержания курса.
Для достижения цели и проверки гипотезы были выдвинуты следующие задачи: изучить состояние проблемы представления знаний в обучении по литературным источникам с целью выявления общедидактических и методических подходов к ее решению; проанализировать, опираясь на источники, возможность использования средств представления знаний для автоматизации процесса обучения и построения экспертных обучающих систем; - провести сравнительную характеристику моделей представле ния знаний; - разработать основные содержательные линии пропедевтичес кого курса "Основы логической грамотности", соответствующее ме тодическое и программное обеспечение; - провести отбор содержания профильного курса по информати ке, разработать систему понятий курса, методические рекомендации по изучению моделей представления знаний и использованию языка представления знаний для формализации школьного курса геометрии; * - экспериментально проверить эффективность предложенной методики в ходе изучения профильного курса информатики и гипотезу исследования;
В процессе работы над диссертацией для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы применялись следующие методы исследования: - анализ философской, психолого-педагогической, технической и методической литературы; - анализ программ, пособий и рекомендаций по школьнму кур- ^ су информатики и факультативным занятиям по информатике; сравнительный анализ автоматизированных и экспертных обучающих систем, различных систем представления знаний; эксперимент с учащимися многопрофильной гимназии при ПГПУ имени В. Г. Белинского.
Методологические основы: фундаментальные исследования в об-ласти искусственного интеллекта (Поспелов Д. А., Элти Дж., Осу-га С), разработок автоматизированных обучающих систем (Петру-шин В. А., Пасхин Е. Н.); психолого-педагогические основы теории обучения (деятельностная концепция обучения Гальперина П. Я.,
Рубинштейна С. Л., фазы представления знаний согласно генетической эпистемологии Ж. Пиаже), психология и философия теории познания (Л. С. Выготский, Б. Ф. Ломов, А. М. Коршунов), информационно-логическое моделирование в курсе информатики (Белошап-ка В.К., Лесневский А. С, Бешенков А. С, Григорьев С. Г., Линькова В. П.).
Научная новизна исследования заключается в том, что впервые была предложена методика обучения учащихся средствам представления знаний, разработан язык представления знаний на основе семантических сетей и продукций. Модели представления знаний и экспертные системы предложено рассматривать в качестве инструментов познания.
Теоретическая значимость исследования заключается в разработке теоретических основ методики изучения данных средств. Показано, что модели представления знаний являются эффективным средством для формализации и структуризации предметных знаний. По результатам педагогического эксперимента сделан вывод о том, что формирование деятельности моделирования и формализации оказывает существенное влияние на развитие теоретического, абстрактного уровня мышления.
Практическая значимость исследования состоит в том, что: разработано содержание пропедевтического курса "Основы логической грамотности" и соответствующие методические рекомендации, создано программно-педагогическое средство в его поддержку; разработано содержание профильного курса по информатике "Формализация знаний и экспертные системы", методика изучения моделей представления знаний и использования языка представления знаний для построения базы знаний ЭОС на примере геометрии; t На защиту выносятся:
Теоретическое обоснование методики изучения средств представления знаний в рамках профильного курса по информатике "Формализация знаний и экспертные системы".
Содержание пропедевтического курса "Основы логической грамотности".
Методическая система профильного курса по информатике "Формализация знаний и экспертные системы". * 4. Методические рекомендации по изучению моделей представления знаний и использованию языка представления знаний для формализации школьного курса геометрии.
Достоверность результатов исследования обеспечивается достоверностью используемых в работе выводов психологических и педагогических исследований, адекватностью используемых методов задачам исследования и подтверждается результатами проведенного педагогического эксперимента, объективными способами оценки результатов обучения. і Апробация основных положений и результатов исследования проводилась путем использования их в личном опыте работы в многопрофильной гимназии при ПГПУ имени В. Г. Белинского, выступлений на методических семинарах кафедры прикладной математики и информатики Пензенского педуниверситета, кафедры информатики и дискретной математики МПГУ, участия на Международных конференци-ях в Троицке (1994, 1995, 1996), Пензе (1996), в научно-практических конференциях ПГПУ и ПГТУ. По теме диссертации было опубликовано 10 работ.
Внедрение результатов исследования.
Разработанная в ходе исследования программа курсов "Основы логической грамотности" для учащихся 5-6 классов и "Формализация знаний и экспертные системы" для 10-11 классов, а также программно-педагогическое средство "Занимательные уроки логики" и методические рекомендации проведения занятий внедрены в работу многопрофильной гимназии при ПГПУ им. В. Г. Белинского.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, двух приложений и списка литературы.
Проблема представления знаний в гносеологии, когнитивной психологии и теории искусственного интеллекта
1. Гносеология и когнитивная психология.
Гносеология и когнитивная психология имеют общий предмет исследования - человеческое познание.
Определение знаний вне контекста искусственного интеллекта звучит следующим образом: "Проверенный практикой результат познания действительности, верное ее отражение в мышлении человека" [24].
С точки зрения гносеологии именно знания определяют модель окружающего мира человека. В когнитивной психологии в качестве ведущей детерминанты поведения человека полагается не стимул как таковой, а знание окружающей человека действительности, усвоение которого происходит в процессе психического отражения. Б. Ф. Ломов в [52] выделяет три основных уровня этого отражения:
- сенсорно-перцептивных процессов;
- представлений;
- речемыслительных процессов, понятийного мышления.
Сенсерно-перцептивный уровень генетически исходный. Этот уровень обеспечивает адекватность действий человека, их соответствие текущей ситуации исходя из его ощущений и восприятий.
Представления изучены значительно менее, чем ощущения и восприятия. С точки зрения теории отражения представление - это не их ослабленный образ, а образ предметов и явлений объективной реальности. Представление формируется в процессе восприятия и развивается в условиях материального взаимодействия человека с объектами. Как отмечает Б. Ф. Ломов, наиболее характерной особенностью представления является то, что в нем соединяется образность (наглядность) и в то же время обобщенность, которая выражается в схематизации образа. Другими словами в представлении отражаются не только отдельные предметы, но и типичные свойства значительных по объему групп предметов в виде когнитивных схем. Происходит как бы "сжатие" информации.
На третьем уровне отражаются существенные связи и отношения между предметами и явлениями окружающей действительности. Понятийное мышление реализуется и как процесс отражения, и как определенная деятельность, поскольку оно всегда связано с задачами, решение которых требует целенаправленного преобразования предметов. Это уровень оперирования абстракциями и обобщениями, зафик-# сированными в знаках и знаковых системах.
В реальной жизнедеятельности человека все перечисленные уровни психического отражения взаимосвязаны. На разных уровнях психическое отражение осуществляется в различных формах и их со четаниях, что в философии послужило основанием развития катего рий чувственного и рационального познания. Главной формой пси хического отражения на сенсорно-перцептивном уровне является об разная; на речемыслительном - понятийная (знаковая). Что каса щ ется представлений, то они реализуются в образной форме, однако, как отмечалось, в представлении есть моменты обобщения и схематизации.
Итак, усвоение знаний осуществляется в процессе психического отражения по следующей схеме:
восприятие - представление —понятийное мышление.
Как развивались способы представления знаний? Майкл 0 До-элл выделяет три фазы этого развития:
Фаза 1: все объекты и операции представлены в уме (взаим-, но-однозначное соответствие).
Фаза 2: объекты представлены с помощью инструмента, операции по-прежнему выполняются в уме.
Фаза 3: представление объектов и выполнение операций происходит с помощью инструмента.
Можно приблизительно классифицировать эти фазы в терминах генетической эпистемологии Ж. Пиаже:
Фаза сенсорно-моторного представления знаний.
На этой стадии представление знаний, полученных в результате сенсорно-моторной активности человека, происходит только в его мозге. Метод обучения заключается в постоянном действии и тренировке, в постоянных повторениях без фиксации. Его лучше всего иллюстрирует процесс приобретения ремесленниками профессиональных навыков. Тот факт, что большое место в школьном обучении отводится играм, свидетельствует о том, что данная фаза продолжает сохранять свое значение.
Психолого-дидактические основы использования моделей представления знаний в обучении
Проблема использования моделей представления знаний в обучении входит в общее русло проблемы знаково-символических средств (ЗСС), применяемых в обучении. Поэтому возникает необхо-димость изучить состояние последней по литературным источникам.
Существуют различные подходы к определению знака и символа, их соотношения. Мы будем придерживаться семиотического подхода, согласно которому знак обозначает содержание, символ раскрывает его (изображает, выражает отношение к нему).
Что касается классификации ЗСС, то мы принимаем классифика цию, предложенную Н. Г. Салминои, в которой они делятся на два больших класса [125]: : : I класс. Естественные языки и непосредственно производные от них ЗСС, являющиеся прямым переводом звукового языка (например, азбука Морзе).
II класс. ЗЗС, не имеющие прямой связи с естественным языком.
К ЗСС первого класса относятся обозначения терминов реальных явлений и событий с помощью четко выделенного алфавита, синтаксиса (буквенно-цифровая символика), а также иконические средства, обозначающие явления путем воспроизведения отдельных сторон реальности, например пиктограммы, язык жестов.
Среди неязыковых ЗСС особо выделим пространственные трехмерные, использующиеся для раскрытия существенных связей, структуры явлений в науке и пространственные двумерные - для выделения существенного в научном познании (схемы, /диаграммы, карты, графические модели).
Некоторые из ЗСС, (чаще всего второго класса) применяются для создания "идеализированной предметности" в научном познании и учебной деятельности. Разные виды ЗСС используются в реальной деятельности не изолированно, а комплексно.
Как известно, ни одна форма человеческой деятельности не может осуществляться без применения ЗСС, в том числе и учебная, которая предполагает употребление и освоение разных систем ЗСС. Однако проблема усвоения знаковых средств и оперирования ими пока не получила должной общетеоретической разработки в психоло го-педагогической литературе. Конкретные исследования в боль шинстве своем шли в плане решения прикладных, в частности инже нерно-психологических задач. Наибольший общепсихологический ин терес для нас представляют работы Л. С Выготского, который од ним из первых подошел к психике как своеобразной деятельности и в связи с этим усматривал в знаках особую - орудийную (инстру ментальную) функцию. Л. С. Выготский и А. Р. Лурия пришли к вы воду, что в процессе своего психического развития человек совер шенствует работу своего интеллекта главным образом за счет раз Ф вития особых технических, вспомогательных средств.мышления. Дру гими словами в структуре высших психических функций "определяющим цельм или фокусом всего процесса является знак и способ его употребления".
Далее можно отметить исследования по различным аспектам формирования символической функции в дошкольном и младшем школьном возрасте Ж. Пиаже и Н. -Ф. Талызиной, а также исследования В. В. Давыдова, М. В. Гамезо и др., касающиеся аспектов использования и формирования моделирования как одного из учебных дейс-, -твий, предполагающего . оперирования знаками.
Развивая идеи Л. С. Выготского, В. В. Давыдов считает, что знание следует рассматривать, с одной стороны, как результат мыслительных действий, а с другой - как процесс получения этого результата. При этом знаки и знаковые модели, выступая в качестве содержательной формы, материализуют генетически исходные свя-зи, определяющие сущность познаваемого объекта, а в качестве средства мышления оптимизируют процесс усвоения знаний об объекте [323.
class2 Методика изучения профильного курса "Формализация знаний и экспертные системы" 63
Особенности профильных спецкурсов по информатике
В настоящее время в системе образования растет число инновационных школ, реализующих концепцию развивающего обучения, ис-пользующих.новые информационные технологии в обучении в рамках выбранного профиля или множества профилей, например, школы с медицинским уклоном, педагогические лицеи, лингвистические гимназии,/ физико-математические школы, а также многопрофильные гимназии , в которых осуществляется профессиональная подготовка учащихся, старших классов. В учебных программах этих школ и гимназий $ наряду С традиционными, предметами, содержание которых определяется; образовательными стандартами, появляются новые предметы, связанные со спецификой учебного заведения - профильные курсы по выбору. -. Целями организации таких спецкурсов являются расширение кругозора учащихся, развитие мышления, содействие профессиональ-& нойі}: ориентации учащихся. Кроме того они играют большую роль в совершенствовании базового школьного -образования по. предмету, так;.-как . позволяют производить поиск и экспериментальную проверку нового содержания, ."новых методов обучения, варьируя объем и сложность изучаемого; материала. Это. позволяет учителю проявить творческих подход к работе, однако проведение спецкурса требует 0 от негр высокого уровня профессиональной подготовки, а также разработки содержания и методики преподавания подобных курсов.
, Основное отличие спецкурса от.факультатива по информатике заключается в том, -что спецкурс организуется с целью непосредс твенной подготовки учащихся к выбранной специальности и как пра вило подчинен единой теме, в то время как факультатив представ- ляет собой систему тем, относительно слабо связанных между со бой.. Тем не менее и спецкурс и факультатив развивают некоторые Ш из "основных идей школьной информатики, понятий, методов. Отсюда следует, что спецкурс необходимо соотносить с основньм, курсом информатики. Для достижения такой связи используются разнообразные методические приемы: , - систематизация, когда соответствующая тема спецкурса изучается после того, как в основном курсе накоплен обширный материал по данной теме.; -последовательное развертывание теории, когда в основном курсе имеется начальный этап ее построения, не доведенный до обобщающих результатов;
: -развернутое описание и применение определенного метода; связь с другими школьными дисциплинами на основе применения методов информатики
Особое значение имеет тенденция к сближению, интеграции информатики и математики. Очевидным кажется тот факт, что изучение информатики базируется на математических знаниях и умениях учащихся и зависит от уровня развития их логического, мышления. С другой стороны, навыки алгоритмизации, детального разбора задачи на .элементарные действия (операции), приобретаемые учениками на
уроках информатики, оказываются необходимыми для успешного овла
дения математикой. , .
основными направлениями взаимосвязанного обучения математи ке и информатике являются:
- логико-алгоритмическое;
- математическое, информационное и компьютерное моделирова . ние;
- программирование.
Реализация первого направления должна осуществляться уже на. начальном (пропедевтическом) этапе изучения информатики в 5-6 классах как в урочной так и во внеклассной деятельности - кружках и факультативах и обеспечивать преемственность в отношении к спецкурсам по информатике в старших классах. Остальные два направления могут стать ведущими для профильных спецкурсов, ориентированных либо на изучение фундаментальных основ информатики, . профессионально-ориентированных и универсальных средств информа-. тизации,- либо на изучение систем и языков программирования. Как отмечает С. А. Бешенков, дифференциация содержания спецкурсов должна осуществляться не только по прикладным аспектам, но и по фундаментальньм областям информатики, которые должны составить .важный компонент содержания образования в рамках выбранной " "школьниками специализации.
Похожие диссертации на Методика обучения учащихся средствам представления знаний в рамках профильного спецкурса по информатике
