RUАгентно-ориентированное проектирование виртуальной кафедры университета
Авторы: Жабская Т.Е., Федяев О.И.
Источник: Донецкий национальный технический университет
Рис. 1. Схема организации индивидуального обучения студентов на основе агентно-ориентированного подхода
Рис. 1. Схема организации индивидуального обучения студентов на основе агентно-ориентированного подхода
МАC = (А, Е, R, ORG, ACT, COM, EV),
где А - множество агентов, способных функционировать в некоторых средах E, находящихся в определённых отношениях R и взаимодействующих друг с другом, формируя некоторую организацию ORG, обладающих набором индивидуальных и совместных действий ACT (стратегий поведения и поступков), включая возможные коммуникативные действия СOM, и характеризуется возможностями эволюции EV.
Основное свойство агентов связано с его автономностью, т. е. способностью функционировать самостоятельно. Кроме того агентно-ориентированная декомпозиция позволяет снизить сложность создания программных систем, гарантировать их надежность и упростить их сопровождение.
Рис. 2. Взаимосвязь моделей при агентно-ориентированном проектировании процесса обучения
Воспроизведение функций кафедры ВУЗа является сложной задачей, которую в соответствии с методологией Gaia, естественно рассматривать как организацию множества действительно существующих и взаимодействующих ролей: лектор, ассистент, лаборант, студент [7].
Разработанные агентно-ориентированные модели позволили системно перейти от этапа постановки задачи к этапу программной реализации компьютерной среды с элементами квазиреального общения между субъектами учебного процесса изучения дисциплин кафедры [8].
Поскольку программным агентам делегируется выполнение полномочий субъектов образовательного процесса, то они должны имитировать взаимодействия, которые в определённой степени соответствуют их профессиональной деятельности. Для имитации профессиональной деятельности каждый программный агент должен обладать знаниями о порученных должностных обязанностях, знаниями об агентах, с которыми возможно общение, а также правилами, определяющими его поведение в плане выполнения своих обязанностей. Из характера образовательного процесса следует, что кроме реактивности, автономности, активности и коммуникабельности, архитектура программного агента должна иметь внутренние механизмы мотивации, которые задаются ментальными свойствами, такими как убеждения, обязательства, способности и правила поведения. Из существующей классификации для создаваемой системы больше подходит архитектура, основанная на классических принципах искусственного интеллекта, т. е. архитектура интеллектуального агента на основе продукционных правил. Полученные модели агентов могут быть реализованы различными способами. Для моделирования ментальных свойств агентов, необходимых для решения задачи обучения, была выбрана BDI-архитектура, основанная на знаниях. В качестве инструментария, реализующего эту архитектуру агентов, использовалась АО среда разработки JACKTM Intelligent Agents (JACK) [9].
Убеждения агента реализованы в виде Java объектов и конструкции BeliefSet языка JACK. С целью упрощения проекта и возможности повторного использования кода для реализации функциональных аспектов деятельности агентов использовались его способности.
По разработанным в среде JACK визуальным моделям агентов сгенерирован скелет программного Java кода для агентов и их ментальных свойств. Программный код для планов агентов был доработан в части реализации основных методов рассуждений. Здесь были заложены функциональные знания, необходимые агенту для обработки событий. Физические компоненты агентов представлены в виде классов с определёнными отношениями между ними.
В итоге были созданы программные агенты для компьютерной обучающей системы (виртуальной кафедры), в которой воспроизводится квазиреальная учебно-методическая деятельность преподавателей и студентов. С помощью агента-визуализатора можно записывать и воспроизводить динамику взаимодействия агентов. На рис. 3 показана последовательность передаваемых сообщений при изучении студентом лекции и тестировании уровня усвоения им лекционного материала.
Рис. 3. Поток передаваемых сообщений между агентами виртуальной кафедры при изучении студентом лекции и тестировании знаний
Взаимодействие между виртуальными участниками учебного процесса по ментальности напоминает реально существующий диалог. В дальнейшем основное внимание будет уделено повышению уровня реализации ментальности, необходимой для полного и качественного выполнения учебно-методических обязанностей программными агентами.
Введение
Учебный процесс в техническом ВУЗе обеспечивается его подразделениями с жесткой иерархической структурой (ректорат, факультеты, кафедры). На нижнем кафедральном уровне обучение профессионально ориентировано, распределено в пространстве, регламентировано по времени, динамично по содержанию и поэтому, как процесс подготовки инженерных кадров, является сложным для создания современных компьютерных средств распределённого обучения. Установленные в настоящее время правила получения образования не позволяют своевременно реагировать на изменение требований рынка, в полной мере учитывать индивидуальные возможности и желания студентов в освоении дисциплины за ускоренное время (экстерном), предполагают обязательное личное присутствие преподавателя на всех этапах передачи и контроля усвоения знаний, жесткую привязку студентов к расписанию занятий. Студенту не всегда разрешают учиться по индивидуальному графику, поскольку без общения с преподавателем, несмотря на полноценное учебно-методическое обеспечение, практически сложно получить хороший уровень знаний по предметам. Современная тенденция в инженерном образовании характеризуется внедрением индивидуальных образовательных схем, в полной мере отвечающих быстрым изменениям конъюнктуры рынка. Поэтому классические схемы централизованного управления образованием с жёсткой структурой должны позволять трансформироваться в более гибкие схемы [1-4]. В статье рассматривается задача построения новой модели процесса обучения студентов дисциплинам, которая на основе сохранения близких к реально существующим взаимоотношениям между участниками учебного процесса и предоставления возможности автономного и распределённого выполнения учебно-методических обязанностей позволит повысить децентрализованность и индивидуальность работы всех участников процесса обучении на кафедральном уровне.Организация процесса обучения на основе агентно-ориентированного подхода
В учебном процессе, выполняемом кафедрой, участвуют следующие субъекты: профессорско-преподавательский состав кафедры (заведующий кафедрой М, лекторы L1, L2,…, Ln, ассистенты Р1, Р2,…, Рk), лаборанты (Y1, Y2,…Ym), студенты (Х1, Х2,…,Хn). На каждом отрезке времени (семестре) студенты изучают предусмотренные учебным планом специальности дисциплины (D1, D2,… Dm). Изучение каждой дисциплины включает прослушивание лекций (Lect1, Lect2, …Lectk), выполнение лабораторных работ, возможно выполнение курсовой работы и сдачу экзамена (зачёта). Для успешной учебы студентам необходимо посещать лекции и общаться с преподавателями на практических и лабораторных занятиях, т. е. существуют установленные взаимодействия и взаимоотношения между субъектами учебного процесса. Учебный процесс может быть описан следующими компонентами: УП = (S, K, R, Аct, I, T, U) где S ={М, (Х1, Х2,…,Хn), ((L1,L2,…Lm),(Р1, Р2,…, Рk)), (Y1, Y2,…Yl)} – множество субъектов учебного процесса; K – среда (кафедра), в которой функционирует данный процесс; R – отношения, установленные для субъектов учебного процесса (горизонтальные: лектор-ассистент, лектор-диспетчер; вертикальные: студент-лектор, студент-ассистент, студент-диспетчер); Аct – множество действий, выполняемых субъектами; I – множество установленных видов общения и взаимодействий между субъектами; T – расписание учебных занятий; U – состояние выполнения студентом учебного плана (журналы успеваемости, экзаменационные ведомости, учебно-методические карты дисциплин). Учебный процесс на кафедре (К) выполняется посредством действий (Act) и взаимодействий (I) между конкретными субъектами (Xi, Li, Pi, Yi), определяемыми кафедрой отношением R (например, лектор-дисциплина-студент, лектор-ассистент), происходящих по строгому расписанию (Т). Кафедра, как среда для проведения учебного процесса, может накладывать различные ограничения, например, в виде дефицита аудиторий. Таким образом, учебный процесс как объект моделирования является распределённым и динамичным. Ставится цель создать такую компьютерную среду обучения (виртуальную кафедру К?), в которой сохраняются все необходимые для учёбы отношения (R) и устраняются жёсткие пространственно-временные ограничения в виде расписания занятий (Т) (рис.1): УП = {S, K?, R, Act, I, U}. Такая среда может быть успешно построена на основе агентно-ориентированного подхода, использующего принципы распределённого искусственного интеллекта [5].
Рис. 1. Схема организации индивидуального обучения студентов на основе агентно-ориентированного подхода
Рис. 1. Схема организации индивидуального обучения студентов на основе агентно-ориентированного подхода
МАC = (А, Е, R, ORG, ACT, COM, EV),
где А - множество агентов, способных функционировать в некоторых средах E, находящихся в определённых отношениях R и взаимодействующих друг с другом, формируя некоторую организацию ORG, обладающих набором индивидуальных и совместных действий ACT (стратегий поведения и поступков), включая возможные коммуникативные действия СOM, и характеризуется возможностями эволюции EV.
Основное свойство агентов связано с его автономностью, т. е. способностью функционировать самостоятельно. Кроме того агентно-ориентированная декомпозиция позволяет снизить сложность создания программных систем, гарантировать их надежность и упростить их сопровождение.
Многоагентная модель интерактивного обучения студентов
Для разработки многоагентного приложения, автоматизирующего процесс обучения на кафедральном уровне, был проведен агентно-ориентированный (АО) анализ предметной области образовательного процесса по методологии Gaia [6]. С помощью этой методологии разработаны модели, необходимые для описания виртуальной кафедры и последующей программной реализации. Процесс обучения, в соответствии с методологией Gaia, описывается следующими моделями: моделью ролей, моделью взаимодействий, моделью агентов, моделью услуг, моделью связей. На рис. 2 показаны взаимосвязи и содержание моделей при агентно-ориентированном проектировании.
Рис. 2. Взаимосвязь моделей при агентно-ориентированном проектировании процесса обучения
Воспроизведение функций кафедры ВУЗа является сложной задачей, которую в соответствии с методологией Gaia, естественно рассматривать как организацию множества действительно существующих и взаимодействующих ролей: лектор, ассистент, лаборант, студент [7].
Разработанные агентно-ориентированные модели позволили системно перейти от этапа постановки задачи к этапу программной реализации компьютерной среды с элементами квазиреального общения между субъектами учебного процесса изучения дисциплин кафедры [8].
Поскольку программным агентам делегируется выполнение полномочий субъектов образовательного процесса, то они должны имитировать взаимодействия, которые в определённой степени соответствуют их профессиональной деятельности. Для имитации профессиональной деятельности каждый программный агент должен обладать знаниями о порученных должностных обязанностях, знаниями об агентах, с которыми возможно общение, а также правилами, определяющими его поведение в плане выполнения своих обязанностей. Из характера образовательного процесса следует, что кроме реактивности, автономности, активности и коммуникабельности, архитектура программного агента должна иметь внутренние механизмы мотивации, которые задаются ментальными свойствами, такими как убеждения, обязательства, способности и правила поведения. Из существующей классификации для создаваемой системы больше подходит архитектура, основанная на классических принципах искусственного интеллекта, т. е. архитектура интеллектуального агента на основе продукционных правил. Полученные модели агентов могут быть реализованы различными способами. Для моделирования ментальных свойств агентов, необходимых для решения задачи обучения, была выбрана BDI-архитектура, основанная на знаниях. В качестве инструментария, реализующего эту архитектуру агентов, использовалась АО среда разработки JACKTM Intelligent Agents (JACK) [9].
Убеждения агента реализованы в виде Java объектов и конструкции BeliefSet языка JACK. С целью упрощения проекта и возможности повторного использования кода для реализации функциональных аспектов деятельности агентов использовались его способности.
По разработанным в среде JACK визуальным моделям агентов сгенерирован скелет программного Java кода для агентов и их ментальных свойств. Программный код для планов агентов был доработан в части реализации основных методов рассуждений. Здесь были заложены функциональные знания, необходимые агенту для обработки событий. Физические компоненты агентов представлены в виде классов с определёнными отношениями между ними.
В итоге были созданы программные агенты для компьютерной обучающей системы (виртуальной кафедры), в которой воспроизводится квазиреальная учебно-методическая деятельность преподавателей и студентов. С помощью агента-визуализатора можно записывать и воспроизводить динамику взаимодействия агентов. На рис. 3 показана последовательность передаваемых сообщений при изучении студентом лекции и тестировании уровня усвоения им лекционного материала.
Рис. 3. Поток передаваемых сообщений между агентами виртуальной кафедры при изучении студентом лекции и тестировании знаний
Взаимодействие между виртуальными участниками учебного процесса по ментальности напоминает реально существующий диалог. В дальнейшем основное внимание будет уделено повышению уровня реализации ментальности, необходимой для полного и качественного выполнения учебно-методических обязанностей программными агентами.