ТЕХНОЛОГИЯ ОБУЧЕНИЯ ПОНЯТИЯМ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМАХ

 

Таран Т.А. Сирота С.В.

 

Abstract: The technology of creation of intelligent tutoring systems which are oriented to teach knowledge is suggested. It is supposed the acquisition of expert’s knowledge by using of the Formal Concept Analysis method, then construction by these concepts the test questions which are used for verification of the pupil's knowledge with the expert’s knowledge. Then the further tutoring strategy is generated by the results of this verification.

 

Введение

Попытки автоматизировать процесс обучения начались более 30 лет назад и в настоящее время продолжаются, порождая большое количество компьютеризированных курсов по различным предметам. В последнее время основные усилия разработчиков направлены на создание интеллектуальных обучающих систем (ИОС). Успехи в этой области, однако, ограничены тем, что создаваемые ИОС в очень незначительной степени используют то многообразие методов и средств ис­кусствен­ного интеллекта, которое наработано к настоящему времени [1]. Другой причиной недостаточной «интеллектуальности» ИОС является слабая проработка возможностей формализации самого педагогического процесса и механизмов взаимодействия ученика с компьютером. В настоящее время основные направления использования компьютерной технологии обучения в учебном процессе подчинены следующим целям:

-        индивидуализация обучения;

-        выработка практических навыков и тренировка;

-        контроль и оценка знаний.

Выделяют две основные направленности процесса обучения [2, 3]: обучение понятиям и формирование умений (навыков).

При формировании умений и навыков создаются проблемные ситуации, в которых обучаемый должен выполнить некоторую последовательность действий, основываясь на своих знаниях. Чаще всего обучаемому предлагается последовательность все более усложняющихся задач. В современных ИОС именно этому этапу обучения уделяется основное внимание.

При обучении понятиям выделяются следующие этапы:

-        описание свойств объектов предметной области, качественных и количественных характеристик объектов и процессов;

-        выявление понятий;

-        определение связей между понятиями;

-        определение зависимостей на множествах свойств и характеристик объектов и процессов.

При обучении понятиям в современных автоматизированных системах основное внимание уделяется представлению фактического материала, описанию свойств и отношений, строгому определению понятий, которые ученик должен понять и запомнить. При этом широко используются средства мультимедиа, различные способы визуализации, игровые формы представления материала. Однако основной процедурой, выполнение которой требуется от обучаемого, остается запоминание. Автоматизированные системы обучения лишь облегчают процесс запоминания материала курса и мало используют творческую компоненту обучения, когда ученик самостоятельно формирует понятия и «открывает» связи между ними.

В связи с этим, актуальной проблемой автоматизированного обучения является разработка технологии обучения понятиям и создание интеллектуальных обучающих систем, активизирующих творческую компоненту обучения.

В данной работе предлагается технология для создания ИОС, основной целью которых является обучение понятиям предметной области в интерактивном режиме, включая тестирование знаний обучаемого. Эта технология реализована в виде инструментальной среды, основными функциями которой являются: извлечение знаний эксперта, формализация понятий предметной области, создание базы знаний, генерация тестовых вопросов, формирование когнитивной модели обучаемого, оценка знаний обучаемого, формирование стратегии обучения [5].

Основной задачей первичного обучения является знакомство с понятиями предметной области. Для формализации понятий предлагается использовать метод анализа формальных понятий (Formal Concept Analysis) [5]. Формальное понятие (концепт) представляется как двойка <объем, содержание>, где объем - некоторое множество объектов предметной области, содержание - множество свойств, которыми обладают все эти объекты. Для выявления понятий составляется формальный контекст для соответствующего фрагмента предметной области, который представляется как бинарная таблица <объект, свойство>. Множество формальных понятий упорядочено отношением частичного порядка и образует полную решетку концептов.

Для тестирования знаний обучаемого автоматически генерируется набор тестов по решетке концептов. Тесты генерируются как в открытой, так и в закрытой форме. Основной проблемой составления закрытых вопросов является выбор дистракторов. Для выбора дистракторов предлагается использовать элементы концептуальной решетки, наиболее близкие к тестируемому понятию. По ответам ученика составляется концептуальная решетка, отражающая систему понятий предметной области в представлении ученика. Эта решетка сравнивается с эталонной моделью предметной области. Различия между эталонной моделью и когнитивной моделью обучаемого используются для выработки стратегии дальнейшего обучения.

Представление понятий в ИОС

Для формализации предметной области используется метод анализа формальных понятий. Этот метод был предложен R. Wille [5, 6] и успешно применяется в настоящее время в задачах анализа данных и машинного обучения. Он заключается в следующем. На множестве объектов V и признаков A определено отношение I Í V ´ A, такое, что pIa, где pÎV, aÎA, тогда и только тогда, когда a есть признак объекта p. Тройка K = (V, A, I) называется формальным контекстом. Формальный контекст представим в виде бинарной матрицы, строки которой помечены именами объектов, а столбцы - значениями признаков. Определим соответствие [7]:

P¢ := {yÎA | xIy для всех xÎP}, где P Í V,

G¢ := {xÎV | xIy для всех yÎG}, где G Í A.

Тогда пара (P, G), удовлетворяющая условиям: P Í V, G Í A, P¢ = G, G¢ = P, называется формальным понятием (концептом) контекста K = (V, A, I). Множество объектов P составляет объем понятия, а множество всех свойств G, которыми они обладают, – его содержание. Каждый объект pÎP обладает всеми признаками из подмножества G. Таким образом, формальное понятие - это множество объектов из данной предметной области, каждый из которых обладает всеми признаками из некоторого подмножества свойств, присущих этим объектам.

Множество формальных понятий (P, G), где P Í V, G Í A, частично упорядочено отношением (P₁, G₁) £ (P₂, G₂), если P₁ Í P₂ и G₂ Í G₁, и образует полную решетку L(K), которая называется концептуальной решеткой контекста K [5]. Пара (P₁, G₁) называется подконцептом концепта (P₂, G₂), а пара (P₂, G₂) - надконцептом концепта (P₁, G₁).

Решетка концептов представима в виде линейной диаграммы, в которой каждому узлу соответствует концепт из данного контекста. Дуальный изоморфизм на решетке концептов отображает обратное соотношение между объемом и содержанием концептов: чем больше объем, тем меньше содержание.

Пример. В таблице 1 представлен формальный контекст «Строение автомобиля». Каждому понятию соответствует максимальная по вложению полная единичная подматрица контекста. Например, в таблице 1 формальному понятию {(ГРМ, клапан), (часть двигателя, часть ГРМ)} соответствует полная единичная подматрица, образованная соответствующими двумя строками и двумя столбцами. Диаграмма концептуальной решетки данного контекста представлена на рис. 1.

 

Таблица 1.                                         Контекст «Строение автомобиля»

 

	часть шасси	часть транс-миссии	часть колес	часть двигателя	часть рулевого упр.	часть ГРМ	часть клапана	часть пер.колес	часть задн. колес
Шасси	#
Трансмиссия		#
Колеса		#	#
Двигатель				#
Рулевое		#			#
ГРМ				#		#
Клапан				#		#	#
Передние колеса		#	#		#			#
Задние колеса		#	#						#

 

 

Рис. 1. Концептуальная решетка контекста «Строение автомобиля»

 

По решетке концептов легко определить, какие свойства соответствуют каждому объекту. Каждому узлу концептуальной решетки соответствует концепт (P, G) и приписано множество (возможно пустое) меток вида (p, q). На диаграмме метки p, расположенные  ниже узла, соответствуют всем объектам, выше узла - признакам. Помимо меток, приписанных данному узлу (если они есть), концепт включает все объекты, лежащие непосредственно ниже данного узла (нижних соседей), и все признаки, лежащие непосредственно выше узла (верхних соседей). Например, узел, помеченный именем объекта «рулевое управление» и признаком «часть рулевого управления» соответствует концепту {(рулевое управление, передние колеса), (часть рулевого управления, часть трансмиссии)}.

Важным свойством концептуальных диаграмм является отношение порядка на множестве концептов, которое позволяет находить зависимости на признаках. Пусть K = (V, A, I) есть формальный контекст и пусть X Í A, Y Í A. Тогда X ® Y, т.е. X влечет Y, если все объекты из P Í V, имеющие признаки из X, обладают также всеми признаками из Y, т.е. X¢ Í Y¢ (или Y Ê X¢¢). В этом случае концепт, содержащий X, находится непосредственно ниже концепта, содержащего признаки Y в концептуальной решетке.

Например, в контексте «Строение автомобиля» можно найти следующие  импликации:

1. Если объект является частью колес, то он является частью трансмиссии;

2. Если объект является частью рулевого управления, то он является частью трансмиссии;

3. Если объект является частью ГРМ, то он является частью двигателя;

4. Если объект является частью трансмиссии, частью колес и частью рулевого управления, то он является частью передних колес;

5. Если объект является частью клапана, то он является частью двигателя и частью ГРМ;

6. Если объект является частью передних колес, то он является частью трансмиссии, частью колес и частью рулевого управления;