ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Экспертная обучающая система

Содержание

Введение

 

В настоящее время в связи с бурным развитием интернет-технологий появляются все новые интерактивные сервисы для Internet и Intranet-сетей, как например, дистанционное обучение. Система дистанционного обучения является достаточно популярной формой образования в мире в тех странах, в которых достаточно высокий уровень развития средств коммуникации на базе вычислительной техники. Подготовка современных специалистов требует организации учебного процесса с использованием этих новых информационных технологий и с применением систем, основанных на знаниях – экспертных систем (ЭС).

Применение ЭС для оценки уровня знаний обучаемых в системах тестирования определяет важный блок компьютерных программ – экспертно-обучающие системы (ЭОС).

Экспертно-обучающие системы – это компьютерные программы, имеющие основные компоненты ЭС, но у которых дополнительно расширена компонента объяснения. Такие системы основываются как на знаниях экспертов ПО, так и на знаниях экспертов по методике обучения. Кроме того, они имеют компоненту адаптации изложения учебного материала к обучаемому в зависимости от его подготовленности. И как минимум имеется несколько стратегией обучения, уровень детализации которых зависит от активности обучаемого в диалоге с системой [3].

Использование ЭОС в качестве тестирующего средства для определения качества знаний ученика, студента также имеет огромное значение в обучении. Поскольку при таком тестировании на ученика не воздействует субъективный фактор, то есть итоги тестирования не зависят от личностных особенностей экзаменатора и тестируемого. А учителю использование единых тестов позволяет объективно оценить уровень подготовки учеников.

 

1. Актуальность темы

В связи с широким распространением использования компьютеров возрастает роль компьютерного обучения, методика которого повышает интеллектуальные способности обучаемого и самостоятельность принятия решения. А такие качества наиболее востребованы в условиях конкурентоспособной экономики и способствуют образовательно-профессиональному росту. Имеются проблемы создания эффективных систем обучения, также как и создание новых форм и способов представления учебного материала, поиска новых педагогических приемов и средств преподавания [1]. Одним из направлений повышения эффективности обучения, усвоения информации и сокращения затрат на сам процесс обучения является разработка и использование автоматизированных экспертных обучающих систем. В данное время есть множество терминов, обозначающих автоматизированную экспертную обучающую систему, которые, по сути, являются аналогичными [2].

Самые популярными из них являются системы дистанционного обучения, компьютерная обучающая система и другие. Для объяснения всего смысла перечисленных выше терминов можно привести следующее определение. 
      Экспертно обучающая система (ЭОС) – это комплекс программно-технических и учебно-методических средств, построенных на основе знаний экспертов предметной области (квалифицированных преподавателей, методистов, психологов), осуществляющая и контролирующая процесс обучения. Назначение такой системы состоит в том, что она, с одной стороны помогает преподавателю обучать и контролировать учащегося, а с  другой стороны учащемуся самостоятельно обучаться [4].

 

 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка компьютерной экспертной обучающей системы, которая поможет повысить количество усвоенных знаний и эффективность восприятия информации, а также сократить время на изучение предмета, в том числе и время, затраченное преподавателем на представление информации и привитие практических навыков у студентов. 

Основные задачи исследования:

  1. Разработка онтологической модели ЭОС;
  2. Разработка структуры ЭОС; 
  3. Обоснование и выбор компьютерных средств реализации; 
  4. Внедрение активных компонент в ЭОС (игры, интерактивные системы, прямой доступ к общению, например, через Skype с руководителем); 

Объект исследования: экспертно обучающая система.

Предмет исследования: модели, структуры и функции ЭОС.

Научная новизна состоит в  новом подходе к проектированию ЭОС, основанном на моделировании деятельности обучаемого и применении методов искусственного интеллекта.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Моделирования процессов обучения.
  2. Проектирования структуры ЭОС для Internet и Intranet.

Планируемыми результатами работы: прототип экспертной обучающей системы, которая позволит улучшить качество обучения и сократить время обучения.

 

3.     Обзор научных исследований.

Поскольку вопросы исследования экспертных обучающих систем и повышения эффективности обучения в этой системе являются важной частью решения сложных задач с помощью экспертных систем. ЭОС были широко исследованы как зарубежными, так и отечественными специалистами.

 

3.1. Обзор международных источников

Первая обучающая система Plato на основе мощной ЭВМ фирмы «Control Data Corporation» была разработана в США в конце 50-х годов и развивалась в течение 20 лет. По-настоящему массовыми создание и использование обучающих программ стали с начала 80-х годов, когда появились и получили широкое распространение персональные компьютеры. С тех пор образовательные применения ЭВМ выдвинулись в число их основных применений наряду с обработкой текстов и графики, оттеснив на второй план математические расчеты.

Также была основана в 1972 году компания ECSI и с тех пор зарекомендовала себя как ведущего поставщика услуг для образовательной отрасли. Компания специализируется на разработке продуктов и услуг для повышения опыта обучения для учащихся и их родителей. ECSI в настоящее время обслуживает более 1300 школ, колледжей и университетов по всей стране, предлагая широкий спектр полностью настроенных, интуитивно понятных систем обучения [8].

3.2. Обзор национальных источников

 

К современным обучающим системам относятся системы TrainingWare, eLearning Server 3000 v2.0,  eLearningOffice 3000, IBM Workplace Collaborative Learning и HyperMethod 3.5 компании ГиперМетод, которая является крупнейшим российским разработчиком готовых решений и программного обеспечения в области мультимедиа, экспертного обучения и электронной коммерции [5].

 

 4. Экспертные обучающие системы 

Экспертная обучающая система (ЭОС) – это компьютерная программа, построенная на основе знаний экспертов предметной области (квалифицированных преподавателей, методистов, психологов), осуществляющая и контролирующая процесс обучения. Назначение такой системы состоит в том, что она, с одной стороны помогает преподавателю обучать и контролировать учащегося, а с другой – учащемуся самостоятельно обучаться [5].

Основными компонентами ЭОС являются:

  1. база знаний;
  2. машина вывода;
  3. модуль извлечение знаний;
  4. модуль обучения;
  5. система объяснения;
  6. модуль тестирования.

 

Рисунок 1 –  Функциональная модель структуры ЭОС

(анимация: 8 кадров, 5 циклов повторения, 118 килобайт)

 

В этой модели верхняя часть ЭОС унаследована от ЭС, а нижняя представляет собой блоки, обеспечивающие процесс обучения и тестирования.

База знаний – это депозитарий модулей знаний. Модуль знания экспертных систем представляет собой формализованное, с помощью некоторого метода представления знаний (система продукций, фреймы, семантические сети, исчисления предикатов 1-го порядка) отображение объектов предметной области, их взаимосвязей, действий над объектами.

Работа с базой знаний предполагает следующие стадии:

  1. извлечение знаний из экспертов;
  2. формализация знаний;
  3. доступ, обработка модулей знаний.

В процессе обучения знания экспертов могут быть переданы обучаемому в виде порции информации (текстовой, графической, мультимедийной), а также знания, основанные на опыте, которые не могут быть переданы непосредственно обучаемому, а приобретаются им в ходе самостоятельной деятельности [6].

Для передачи знаний экспертов широко используют развитую технологию гипертекста – от традиционных программ по созданию помощи (help) до современных инструментов создания и поддержки Web-сайтов (например Dreamweaver MX).

В отличие от ЭС для построения базы знаний ЭОС привлекаются не только эксперты-преподаватели, но и используются знания о педагогических приемах и стратегиях обучения и о психологических особенностях личности. Поэтому модули знания формируются многими экспертами. И здесь следует учитывать согласованность мнений экспертов и производить тонкую настройку базы знаний, учитывающую компетентность экспертов. Конечно, эти трудности можно обойти, если имеется эксперт, который сочетает в себе знания специалиста по предметной области, знания о тактике и стратегии обучения и владеющий психологическими приемами обучения, то есть высоко квалифицированный преподаватель.

Компонент обучения представляет собой комплекс программных модулей, реализующих различные механизмы вывода для достижения педагогической цели в обучении. ЭОС в отличие от других компьютерных средств обучения обладают интерактивностью: имеют диалог с обучаемым, что очень привлекательно для последнего [7].

Построение диалога строится на основных психологических принципах обучения:

  1. дружественный интерфейс;
  2. выход из диалога в любой момент;
  3. своевременная и мотивированная помощь.

Каждый вопрос, задаваемый обучаемому, необходимо тщательно продумать, при необходимости предусмотреть более развернутый вопрос с целью лучшего понимания его.

В результате исследования было показано  что многие компоненты создания ЭОС зависят от результата обучения, поэтому для создания базы знаний ЭС необходим специалист который имеет отличные знания по предметной области, а также уверено владеет приемами обучения [9].

 

5. Клиент-серверная технология  экспертной обучающей системы для сетей Internet и Intranet

 

Архитектура клиент-сервер состоит из следующих  компонентов: 

сервер, выполняющий запросы клиента; клиент, предоставляющий интерфейс пользователя, посылающий запросы к серверу и получающий ответы от него; сетевое коммуникационное программное обеспечение, осуществляющее взаимодействие между клиентом и сервером. Использование клиент-серверной технологии дает определенные преимущества при построении ЭС: база знаний хранится на сервере и, следовательно, необходимость ее обновления производится однократно;
база знаний может быть доступна другим приложениям; а преимущество для экспертно-обучающих систем (ЭОС) заключается еще в том, что можно хранить контент на сервере и на нем отслеживать статистику обучения.
Клиент-серверные ЭС и ЭОС для сетей Internet/Intranet позволяют расширить возможности их применения в дистанционном образовании.
Компьютерные обучающие системы позволяют, как разрабатывать прототипы ЭС, так и  может быть использована для адаптированного тестирования и обучения студентов по локальной сети.
Основными компонентами ЭОС являются следующие: редактор БЗ; машины логического вывода (прямой, обратный, косвенный вывод, формула Байеса); подсистема объяснения; анализатор теста; модуль преподавателя; компонента обучения [10].

Основная задача экспертных обучающих систем – это предоставления возможности приобретения студентом знаний, умений, навыков по разработке БЗ и созданию прототипов ЭС самостоятельно, а также для обучаемого тестирования.

Имеется по крайне мере пять важных причин, которые препятствуют реализации клиент-серверных (распределенных) ЭС:

  1. Конструктивные элементы компонент ЭС не обособленны друг от друга.
  2. БЗ – это не база данных, для которых существуют мощные СУБД (Oracle, InterBase, MySQL и так далее) использующие SQL запросы.
  3. Многопользовательский доступ к БЗ для редактирования просто не допустим.
  4. Логический вывод и специфика создания БЗ (различные способы представления знаний) не способствует необходимости объединения их в единую систему. Для Symantec Web разработан ряд языков описаний,     Web-сервисов, но до сих пор нет никаких предложений по реализации логического вывода.
  5. Программное обеспечение инструментальных средств для построения ЭС и БЗ является эксклюзивным и дорогостоящим.

Можно, конечно, разместить ЭС на Web-сервере для загрузке на клиентскую машину по ссылке download и обновлять ее на сервере, но это не клиент-серверное решение [11].

Аналогично, можно утверждать и об использовании трехзвенной архитектуры клиент-сервер (Сервер – CORBA – Клиент), когда БЗ размещается на сервере приложений и представляется в виде правил    бизнес - решений.

Также не подходит технологии "тонкого клиента" (БЗ, логический вывод, система объяснения располагаются на сервере, а диалог с ЭС поддерживается как на сервере, так и на клиенте) и "толстого клиента" (БЗ, логический вывод, система объяснения располагаются на клиентской машине, а диалоговый интерфейс поддерживается клиентом и сервером).

Заметим, что БЗ ЭС является интеллектуальной собственностью и не может быть доступна для свободного использования. А учебные БЗ следует размещать на Web-сервере, чтобы любой интересующий пользователь могут проанализировать, как работает ЭС и усовершенствовать свои знания о предметной области.

Не следует забывать о нагрузках на сервер в пиковых ситуациях. Ни один провайдер не отдаст сервер только для функционирования ЭС, поскольку реакция пользователя при консультации или объяснении не предсказуема. А это важные моменты функционирования ЭС (консультации могут длиться от минут до несколько часов) [12].

Совсем другое дело разработка ЭОС для сетей Internet/Intranet.

ЭОС – это компьютерная система, построенная на основе знаний экспертов предметной области (квалифицированных преподавателей, методистов, психологов), осуществляющая и контролирующая процесс обучения. Назначение такой системы состоит в том, что она, с одной стороны помогает преподавателю обучать и контролировать студентов, а с другой - студентам самостоятельно обучаться.

Основными компонентами ЭОС являются следующие: БЗ; машина вывода; модуль обучения; система объяснения; модуль обучаемое тестирование.

Как правило, БЗ содержит:

Психодиагностические правила для идентификации психологических типов обучаемых.

Дидактические приемы для обучения. Правила представляют собой накопленные знания преподавателей по оценки знаний обучаемых.

Правила обучения изменяют последовательность предъявляемых заданий контента. Эта последовательность является функцией многих переменных: психологический тип обучаемого, уровень обучения, текущий ответ обучаемого, уровень сложности задания, количество прохождения обучения.

В связи с изложенным по поводу распределенных ЭС, для обучения и тестирования рекомендуется использовать технологию "толстого клиента", то есть, когда все компоненты ЭОС находятся на клиентской машине, а на сервер передаются результаты обучения и тестирования. И не надо опасаться зато, что результаты могут быть заменены, учитывая современные возможности шифрования протокола с удаленным сервером. Почему именно такая технология? Известно, что порядка 80% всей воспринимаемой человеком информации – это зрительная. Поэтому мультимедийные технологии (avi-файлы) являются приоритетными при обучении. Если их располагать и запускать на сервере – это огромная нагрузка на сервер и как, следствие, возрастает трафик до огромных размеров [13].

 

 

Выводы

ЭОС в отличие от других компьютерных технологий обучения имеют возможность реализовать процесс обучения по индивидуальной модели обучаемого. Обучение с помощью ЭС ориентировано на извлечение знаний самим обучаемым. А именно такие специалисты востребованы на современном рынке труда. Также ЭОС имеет свои достоинства и недостатки.

Основные недостатки, связанные с экспертными обучающими системами, можно разделить на психологические, связанные с отсутствием «живого» общения с преподавателем, высокими требованиями к самоорганизации и технические, которые обусловлены несовершенством контента, технологий и телекоммуникационной инфраструктуры.

Достоинства экспертных обучающих систем являются:

  1.  Географические и временные преимущества.
  2. Персонализация процесса обучения. Возможность обучения различных категорий людей, в том числе с ограниченными способностями.
  3. Расширение изучаемой информации и повышение интенсивности обучения.
  4. Оптимизация и автоматизация процесса передачи знаний.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче автоматизации экспертной обучающей системы. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Проанализированы существующие экспертные обучающие системы.
  2. Было произведено исследование автоматизированной экспертной обучающей системы.
  3. Рассмотрена Клиент-серверная технология  экспертной обучающей системы для сетей Internet и Intranet.

В соответствии с постановкой задачи, дальнейшим направлением исследования является выбор, разработка и адаптация экспертной обучающей системы, ее программная реализация и тестирование.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

 

Список источников

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.