ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Експертна навчальна система

Зміст

Вступ

В даний час у зв'язку з бурхливим розвитком інтернет-технологій з'являються все нові інтерактивні сервіси для Internet і Intranet-мереж, як на приклад, дистанційна освіта. Система дистанційного навчання є досить популярною формою освіти у світі в тих країнах, в яких досить високий рівень розвитку засобів комунікації на базі обчислювальної техніки. Підготовка сучасних спеціалістів і вимагає організації навчального процесу з використанням цих нових інформаційних технологій та із застосуванням систем, заснованих на знаннях - експертних систем (ЕС).

Застосування ЕС для оцінювання рівня знань учнів в системах тестування визначає важливий блок комп'ютерних програм - експертно-навчальні системи (ЕНС).

Експертно-навчальні системи - це комп'ютерні програми, які мають основні компоненти ЕС, але у яких додатково розширена компонента пояснення. Такі системи ґрунтуються як на знаннях експертів ПЗ, так і на знаннях експертів за методикою про вивчення. Крім того, вони мають компоненту адаптації викладу навчального матеріалу до студента залежно від його підготовленості. І як мінімум є кілька стратегій навчання, рівень деталізації яких залежить від активності учня з системою [3].

Використання ЕНС в якості тестуючих засобів для визначення якості знань учня, студента також має величезне значення в навчанні. Оскільки при такому тестуванні на учня не впливає суб'єктивний фактор, тобто підсумки тестування не залежать від особистісних особливостей екзаменатора та тестової. А вчителю використання єдиних тестів дозволяє об'єктивно оцінити рівень підготовки учнів.

 1. Актуальність теми

У зв'язку з широким розповсюдженням використання комп'ютерів зростає роль комп'ютерного навчання, методика якого підвищує інтелектуальні здібності учня і самостійність прийняття рішення. А такі якості найбільше затребувані в умовах конкурентоспроможної економіки і сприяють освітньо-професійному зростанню. Є проблеми створення ефективних систем навчання, також як і створення нових форм і способів подання навчального матеріалу, пошуку нових педагогічних прийомів і засобів викладання [1]. Одним з напрямків підвищення ефективність навчання, засвоєння інформацією і скорочення витрат на сам процес навчання є розробка і використання автоматизованих експертних навчальних систем. На даний час є безліч термінів, що позначають автоматизовану експертну навчальну систему, які, по суті, є аналогічними [ 2 ].

Найкращі популярними з них є системи дистанційного навчання, комп’ютерна навчальна система і інші. Для пояснення всього сенсу перерахованих вище термінів можна навести наступне визначення.

Експертна навчальна система (ЕНС) - це комплекс програмно-технічних та навчально-методичних засобів, побудованих на основі знань експертів предметної області (кваліфікованих викладачів, методистів, психологів), що здійснює і контролює процес навчання. Призначення такої системи полягає в тому, що вона, з одного боку допомагає викладачеві навчати та контролювати учня, а з іншого боку учню самостійно навчатися [4].

 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою дослідження є розроблення комп'ютерної експертної навчальної системи, яка допоможе підвищити кількість знань і ефективність сприйняття інформації, а також скоротити час на вивчення предмета, в тому числі і час, витрачений викладачем на подання інформації та прищеплення практичних навичок у студентів.

Основні завдання дослідження:

  1. Розробка онтологічної моделі ЕНС;
  2. Розробка структури ЕНС;
  3. Обґрунтування і вибір комп'ютерних засобів реалізації;
  4. Впровадження активних компонент в ЕНС (ігри, інтерактивні системи, прямий доступ до спілкування, наприклад, через Skype з керівником);  

Об'єкт дослідження: експертна навчальна система.

Предмет дослідження: моделі, структури і функції ЕНС.

Наукова новизна полягає в новому підході до проектування ЕНС, заснованому на моделюванні діяльності учня і застосуванні методів штучного інтелекту.

У рамках магістерської роботи планується здобуття актуальних   наукових результатів   за наступними напрямками:

  1. Моделювання процесів навчання.
  2. Проектування структури ЕОС для Internet і Intranet.

Планованими результатами роботи: прототип експертної навчальної системи, яка дозволить поліпшити якість навчання і скоротити час навчання.

 3. Огляд наукових досліджень.

Оскільки питання дослідження експертних навчальних систем і підвищення ефективності навчання в цій системі є важливою частиною вирішення складних завдань за допомогою експертних систем. ЕНС були широко досліджені як зарубіжними, так і вітчизняними фахівцями.

 3.1. Огляд міжнародних джерел

Перша навчальна система Plato на основі потужної ЕОМ фірми «Control Data Corporation »була розроблена в США в кінці 50-х років і розвивалася протягом 20 років. По-справжньому масовими створеннями і використаннями навчальних програм стали з початку 80-х років, коли з'явилися й одержали широке поширення персональні комп'ютери. З тих пір освітні застосування ЕОМ висунулися до числа їхніх основних застосувань поряд з обробкою текстів і графіки, відтіснивши на другий план математичні розрахунки.

Також була заснована в 1972 році компанія ECSI і з тих пір зарекомендувала себе як провідного постачальника послуг для освітньої галузі.   Компанія спеціалізується на розробці продуктів і послуг для підвищення досвіду навчання для учнів та їх батьків.   ECSI в даний час обслуговує понад 1300 шкіл, коледжів і університетів по всій країні, пропонуючи широкий спектр повністю налаштованих, інтуїтивно зрозумілих систем навчання [8].

3.2. Огляд національних джерел

До сучасних навчальним систем відносяться системи TrainingWare, eLearning Server 3000 v2.0, eLearningOffice 3000, IBM   Workplace   Collaborative   Learning і HyperMethod 3.5 компанії ГіперМетод, яка є найбільшим російським розробником готових рішень і програмного забезпечення в області мультимедіа, експертного навчання та електронної комерції [5].

4. Експертні навчальні системи

Експертна навчальна система (ЕНС) - це комп'ютерна програма, побудована на основі знань експертів предметної області (кваліфікованих викладачів, методистів, психологів), що здійснює і контролює процес навчання. Призначення такої системи полягає в тому, що вона, з одного боку допомагає викладачеві навчати і контролювати учня, а з іншого - Учню самостійно навчатися [5].

Основними компонентами ЕНС є:

  1. база знань;
  2. машина виводу;
  3. модуль вилучення знань;
  4. модуль навчання;
  5. система пояснення;
  6. модуль тестування.

 

У цій моделі верхня частина ЕНС успадкована від ЕС, а нижня являє собою блоки, що забезпечують процес навчання і тестування.

База знань - це депозитарій модулів знань. Модуль знання експертних систем являє собою формалізоване, за допомогою деякої методу подання знань (система продукції, фрейми, семантичні мережі, обчислення предикатів 1-го порядку) відображення об'єктів предметної області, їх взаємозв'язків, дій над об'єктами.

Робота з базою знань передбачає наступні стадії:

  1. Витяг знань з експертів;
  2. Формалізація знань;
  3. Доступ, обробка модулів знань.

У процесі навчання знання експертів можуть бути передані кого навчають у вигляді порції інформації (текстової, графічної, мультимедійної), а також знання, засновані на досвіді, які не можуть бути передані безпосередньо кого навчають, а купуються їм у хід є самостійної діяльності [6].

Для передачі знань експертів широко використовують розвинену технологію гіпертексту - від традиційних програм по створенню допомоги (help) до сучасних інструментів створення і підтримки Web-сайтів (наприклад Dreamweaver MX).

На відміну від ЕС для побудови бази знань ЕОС залучаються не тільки експерти-викладачі, а й використовуються знання про педагогічні прийомах і стратегіях навчання і про психологічні особливості особистості. Тому модулі знання формуються багатьма експертами. І тут слід враховувати погодженість думок експертів і проводити тонке налаштування бази знань, що враховує компетентність експертів. Звичайно, ці труднощі можна обійти, якщо є експерт, який поєднує в собі знання фахівця з предметної області, знання про тактику і стратегію навчання та володіє психологічними прийомами навчання, тобто високо кваліфікований викладач.

Компонент навчання являє собою комплекс програмних модулів, що реалізують різні механізми виведення для досягнення педагогічної мети у навчанні. ЕНС на відміну від інших комп'ютерних засобів навчання володіють інтерактивністю: мають діалог з учнем, що дуже привабливо для останнього [7].

Побудова діалогу будується на основних психологічних принципах навчання:

  1. дружній інтерфейс;
  2. вихід з діалогу в будь-якій момент;
  3. своєчасна та мотивована допомогу.

Кожне питання, що задається навчають, необхідно старанно продумати, при необхідності передбачити більш розгорнутий питання з метою кращого розуміння його.

У результаті дослідження було показано що багато компонентів створення ЕНС залежать від результату навчання, тому для створення бази знань ЕС необхідний фахівець який має відмінні знання з предметної області, а також впевнене володіє прийомами навчання [9].

 5. Клієнт-серверна технологія   експертної навчальної системи для мереж Internet і Intranet

 Архітектура клієнт - сервер складається з наступних компонентів: сервер, виконує запити клієнта; клієнт, що надає інтерфейс користувача, який посилає запити до сервера і отримує відповіді від нього; мережеве комунікаційне програмне забезпечення, яке здійснює взаємодію між клієнтом із сервером. Використання клієнт - серверної технології дає певні переваги при побудові ЕС: база знань зберігається на сервері і, отже, необхідність її оновлення проводиться одноразово; 

база знань може бути доступна іншим додаткам; а перевага для експертно-навчальних систем (ЕНС) полягає ще в тому, які можна зберігати контент на сервері і на ньому знаходити статистику навчання. 
Клієнт - серверні ЕС і ЕНС для мереж Internet / Intranet дозволяють розширити можливості їх застосування в дистанційному утворенні. 
Комп'ютерні навчальні системи дозволяють, як розробляти прототипи ЕС, так й   може бути використана для адаптованого тестування та навчання студентів по локальній мережі. Основними компонентами ЕНС є наступні: редактор БЗ; машини логічного висновку (прямий, зворотний, непрямий висновок, формула Байєса); підсистема пояснення; аналізатор тесту; модуль викладача; компонента навчання [10].

Основна задача експертних навчальних систем - це надання можливості придбання студентом знань, умінь, навичок з розробки БЗ і створенню прототипів ЕС самотужки, а також для учня тестування.

Є п'ять важливих причин, які перешкоджають реалізацію
клиент-серверних (розподілених) ЕС:

  1. Конструктивні елементи компонент ЕС не відокремлено один від одного.
  2. БЗ - це не база даних, для яких існують потужні СУБД (Oracle, InterBase, MySQL і так далі) використовують SQL запити.
  3. Багатокористувацький доступ до БЗ для редагування просто не допустимо.
  4. Логічний висновок і специфіка створення БЗ (різні способи представлення знань) не сприяє необхідність об'єднання їх в єдину систему. Щоб Symantec Web розроблено ряд мов описів,     Web-сервісів, але до цих пір немає жодних пропозицій щодо реалізації логічного висновку.
  5. Програмне забезпечення інструментальних засобів для побудови ЕС і БЗ є ексклюзивним і дорогим.

Можна, звичайно, розмістити ЕС на Web-сервері для завантаження на клієнтську машину за посиланням download і оновлювати її на сервері, але це не клієнт-серверне рішення [11].

Аналогічно, можна стверджувати і про використання триланкової архітектури клієнт-сервер (Сервер -CORBA - Клієнт), коли БЗ розміщується на сервері додатків та представляється у вигляді правил бізнес - рішень.

Також не підходить технології "тонкого клієнта" (БЗ, логічний висновок, система пояснення розташовуються на сервері, а діалог з ЕС підтримується як на сервері, так і на клієнті) і "товстого клієнта" (БЗ, логічний висновок, система пояснення розташовуються на клієнтській машині, а діалоговий інтерфейс підтримується клієнтом і сервером).

Зауважимо, що БЗ ЕС є інтелектуальною власністю і не може бути доступна для вільного використання. А учбові БЗ слід розміщувати на Web-сервері, щоб будь-яке користувач можуть проаналізувати, як працює ЕС та удосконалити свої знання про предметної області.

Не слід забувати про навантаження на сервер в пікових ситуаціях. Жоден провайдер не віддасть сервер тільки для функціонування ЕС, оскільки реакція користувача при консультації або пояснення не передбачувана. А це найважливіші моменти функціонування ЕС (консультації можуть тривати від хвилин до декілька годин) [12].Зовсім інша справа розробка ЕНС для мереж Internet / Intranet.

ЕНС - це комп'ютерна система, побудована на основі знань експертів предметної області (кваліфікованих викладачів, методистів, психологів), що здійснює і контролює процес навчання. Призначення такої системи полягає в тому, що вона, з одного боку допомагає викладачеві навчати і контролювати студентів, а з іншого - студентам самостійно навчатися.

Основними компонентами ЕНС є наступні: БЗ; машина виводу; модуль навчання; система пояснення; модуль навчає тестування.

Як правило, БЗ містить:

Психодіагностичні правила для ідентифікації психологічних типів учнів.

Дидактичні прийоми для навчання. Правила представляють собою накопичені знання викладачів по оцінювання знань учнів.

Правила навчання змінюють послідовність пропонованих завдань контенту. Ця послідовність є функцією багатьох змінних: психологічний тип якого навчають, рівень навчання, поточний відповідь учня, рівень складності завдання, кількість проходження навчання [13].

У зв'язку з викладеним з приводу розподілених ЕС, для навчання і тестування рекомендується використовувати технологію "товстого клієнта", тобто, коли всі компоненти ЕНС знаходяться на клієнтській машині, а на сервер передаються результати навчання і тестування. І не треба побоюватися зате, що результати можуть бути замінені, враховуючи сучасні можливості шифрування протоколи з віддаленим сервером. Чому саме така технологія?Мультимедійні технології (avi-файли) є пріоритетними при навчанні. Якщо їх розташовувати і запускати на сервері - Це величезне навантаження на сервер і як, наслідок, зростає трафік до величезних розмірів [13].

 Висновки

ЕОС на відміну від інших комп'ютерних технологій навчання мають можливість реалізувати процес навчання за індивідуальною моделі учня. Навчання за допомогою ЕС орієнтоване на витяг знань самим учнем. А саме такі фахівці затребувані на сучасному ринку праці. Також ЕНС має свої переваги і недоліки.

Основні недоліки, пов'язані з експертними навчальними системами, можна розділити на   психологічні,зв'язані з відсутністю «живого» спілкування із викладачем, високими вимогами до самоорганізації та  технічні, які обумовлені недосконалістю контенту, технологій і телекомунікаційної інфраструктури.

Гідності експертних навчальних систем є:

  1. Географічні та тимчасові переваги.
  2. Персоналізація процесу навчання. Можливість навчання різних категорій людей, у тому числі з обмеженими здібностями.
  3. Розширення досліджуваної інформації та підвищення інтенсивності навчання.
  4. Оптимізація і автоматизація процесу передавання знань.

Магістерська робота присвячена актуальній науковій за дачі автоматизації експертної навчальної системи. У рамках проведених досліджень виконано:

  1. Проаналізовано існуючі експертні навчальні системи.
  2. Було проведено дослідження автоматизованої експертної навчальної системи.
  3. Розглянуто Клієнт-серверна технологія   експертної навчальної системи для мереж Internet і Intranet.

Відповідно до постановкою завдання, подальшим напрямком дослідження є вибір, розробка та адаптація експертної навчальної системи, її програмна реалізація і тестування.

Під час написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

1. Брукинг А. Экспертные системы. Принципы работы и примеры.: Пер. с англ. / А. Брукинг, П. Джонс; [ Под ред. Р. Форсайта. – М.: Радио и связь, 1987. – 224 с.

2. Бурдаев В. П. Использование технологий искусственного интеллекта для организации дистанционного обучения по дисциплине "Информатика и компьютерная техника"/ Бурдаев В. П. // Искусственный интеллект. - 2005. - №3 - С. 279 – 286.

3.Медведева С. Н. «Проектирование электронных курсов в инструментальной среде SunRav BookEditor»[электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v12_i2/pdf/1.pdf

4.  Кавун С. В. Системи штучного інтелекту. Навч. посібник. / С. В. Кавун, В. М. Коротченко. - Харків: Вид. ХНЕУ, 2007. - 320 с.

5. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему / Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат. 1991. — 286 с.

6.http://www.aaai.org – Американська асоціація штучного інтелекту American Association for Artificial Intelligence (AAAI).

7. Карпова И.П. Анализ ответов обучаемого в автоматизированных обучающих системах / И.П. Карпова // – Информационные технологии, 2001, № 11. – с.49-55.

8. Pusilovsky, P., Adaptive and Intelligent Technologies for Web-based Education.  In C. Rollinger and C. Peylo (eds.), Special Issue on Intelligent Systems and Teleteaching, Konstliche Intelligenz, 4, 19 – 25.

9.Бурдаев В.П. Клиент-серверная технология экспертной обучающей системы для сетей Интернет и Интранет. // Искусственный интеллект.  2008г. 364 -373.

10.  Амосов Н. М. Искусственный разум. - К.: Наукова думка,1969. - 156 с.

11. Андрейчиков А. В. Интеллектуальные информационные системы. /А. В. Андрейчиков, О. Н. Андрейчикова.: Учебник. - М.:Финансы и статитстика, 2004. - 424 с.

12. Атанов Г. А. Обучение и искусственный интеллект, или основы современной дидактики высшей школы. /Г. А. Атанов, И. Н. Пустынникова. - Донецк: ДОУ, 2002. - 504 с.

13.  Marvin Minsky. The Emotion Machine: Commonsense Thinking, Artificial Intelligence, and the Future of the Human Mind. 2007. – 332 с.