Интеллектуальные системы принятия педагогических решений

Г.О.Тажигулова, Г.А. Абдыгаликова

Задачи принятия решений являются самыми распространенными в организационном управлении, научных исследованиях, расчетно-конструкторской и любой другой профессиональной деятельности в автоматизированных системах управлении (АСУ), а также в организации учебно-воспитательного процесса вуза. Многие задачи принятия решений повторяются, являясь стереотипными, и их решение осуществляется легко и незаметно для людей, интуитивно. Лишь в особых случаях, это, как правило, связано с ответственностью перед самим собой или окружающими, люди осознают всю сложность задачи принятия решений.

Возрастающая роль человека в преобразованиях окружающего мира, повышение ответственности за свою деятельность, постоянно увеличивающийся объем информации о мире и динамика ее изменения поставили как основную задачу формализации знаний о процессах принятия решений, прежде всего в профессиональной деятельности людей. Знания людей представляют собой проверенный практикой результат познания действительности, являющемся верным ее отражением в их мышлении в виде «картины мира». Мышление как познавательная способность человека является средством формирования «картины мира», а сама «картина мира» — ее результатом. Это проявляется в таких мыслительных процессах, как предвосхищение, понимание и др. Однако знания, используемые в этих процессах, рассматриваются как «прошлый опыт». В результате мышления формируются также и новые знания, но, будучи полученными, они тут же автоматически переходят в разряд «прошлого опыта». Таким образом, основной формой повествования знаний является «прошлый опыт», который хранится в памяти человека [1]. В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям памяти: процессов запоминания, хранения, воспроизведения, забывания информации человеком, а также выявлению когнитивных структур, в виде которых человек хранит информацию об окружающем его мире, результаты этих исследований находят отражение в формализации знаний человека в интеллектуальных системах.

Каждая из интеллектуальных систем соотносится с определенной частью реального мира — сферой деятельности человека, выделенной и описанной в соответствии с некоторыми целями и называемой предметной областью. Это описание представляет собой: совокупность сведений обо всех объектах, явлениях, фактах и процессах, выделенных с точки зрения рассматриваемой деятельности; описание отношений между выделенными элементами; описание всех возможных воздействий на элементы и отношения между ними в результате осуществления деятельности.

В рамках предметной области осуществляется такая деятельность, которая воплощается в задачах пользователей АСУ, реализующих их цели. Особенностью предметных областей пользователей является их рекурсивность. Предметная область пользователя, для которого другой пользователь является объектом деятельности, включает в себя сведения о его предметной области.

Интеллектуальные системы обычно ориентированы на выполнение заданных функций в соответствующей им сфере деятельности человека. В рамках АСУ предметные области могут быть независимыми, пересекаться или включаться друг в друга.

Для обозначения сведений о предметной области используется обобщенное понятие — данные. Состояние предметной области считается определенным, если известны данные об объектах и процессах соответствующей части реального мира. Данные об объектах и процессах представляются в знаковой форме. В зависимости от типа знаковой системы данные могут быть представлены в виде естественно - или искусственно-языковых, графических, речевых, жестомимических образов, а также в другой форме, например при использовании индексных знаковых систем в виде показаний приборов.

Представление или описание предметной области с использованием знаковых систем называют формализацией знаний. Для формализации знаний о реальном мире может оказаться достаточным использовать такие конструкции естественного языка, которые позволяют однозначно именовать объекты и описывать процессы в виде системы понятий. Система понятий задается через их определения, которые могут строиться по следующей схеме: понятие подводится под более общее (родовое) понятие, а затем указываются его специфические (видовые) признаки. Возможна другая схема, когда понятия соотносятся как часть и целое и т. д. Таким образом, в определении устанавливается совокупность связей между понятиями, носящих характер логических отношений. Каждая такая пара связанных между собой элементов является логическим способом формализации знаний, называемых суждением или утверждением [1].

Для формализации знаний могут быть использованы искусственные знаковые системы — формальные языки. При этом вводятся абстрактные языковые конструкции, которым ставятся в соответствие объекты и процессы реального мира. Тем самым осуществляется описание знаний в виде формальных моделей данных. Произвольный формальный язык, используемый для описания предметной области, базируется на конкретном наборе первичных абстрактных конструкций, которые определяют или описывают данные и изменяют их.

Обобщая, можно сделать вывод, что формализация знаний — это представление их в виде некоторым образом организованных данных о предметной области.

Эти данные отражают закономерности, существующие в предметной области, и позволяют установить новые факты, не зафиксированные в ней на данный момент времени, однако потенциально возможные и являющиеся моделью знаний пользователей о реальном мире.

Чтобы отличать данные о реальном мире, представленные в виде неорганизованных естественно-языковых конструкций или логически не связанных между собой понятий или абстрактных формально-языковых конструкций от организованных данных, принято для обозначения последних применять термин «формализованные знания» или просто «знания». При этом выделяют три особенности знаний, отличающих их от данных: интерпретируемость, связанность (классифицирующая связанность) и ситуативность. Все три особенности предполагают такую организацию данных о предметной области, при которой предусмотрено явное описание системы, лежащей в основе их формализации.

Формализация знаний является частью деятельности человека в предметной области по реализации своих целей. Являясь составной частью интеллектуальных систем, предназначенных для поддержки этой деятельности, знания существуют в декларативной и процедуральной формах.

Основное отличие процедуральных знаний от декларативных состоит в том, что формальная система процедуральных знаний, заданная в явной форме, содержит описание процедур изменения данных. В формальной системе декларативных знаний описание такой процедуры отсутствует. В связи с этим для описания процедуральных и декларативных знаний используются различные типы формальных систем.

Знания обладают свойством рекурсивности, которое проявляется в возможности рассматривать явное описание системы, лежащей в основе их формализации, как данные для следующего этапа формализации с помощью другой системы.

Общедоступным является описание предметной области на естественном языке. В этом случае пользователи АСУ в каждый момент времени, опираясь на свои знания естественного языка, умеют установить истинность его конструкций по отношению к реальному миру. Совокупность конструкций естественного языка, определяющих все истинные в этот момент времени объекты и процессы реального мира, составляет описание предметной области в виде естестенно-языковых данных, например в виде текстов, и может являться конечным результатом процесса формализации знаний.

Сегодня характерной особенностью информатизации образования являются разработка автоматизированных информационно-управляющих систем, поддерживающих все многообразие возможных форм организации учебно-воспитательного процесса и перестройка содержания всей системы образования, изменение методической основы обучения, освоение каждым педагогом всего спектра методических и организационных форм обучения, поддерживаемых соответствующими программными средствами и технологией формализации знаний.

Технология формализации знаний требуют совершенствования содержания подготовки, обновления состава учебных дисциплин. Большинство преподавателей осознают тот факт, что компьютер является наиболее адекватным техническим средством обучения, с помощью которого поддерживается деятельностный подход к учебному процессу во всех его звеньях: потребность (в учении) - мотив - цель - условия - средства - действия. Педагогу предстоит в стремительно изменяющихся условиях актуализировать содержание предмета, продуктивно организовать образовательный процесс, решать воспитательные задачи [2]. Несмотря на традиционно сложившееся мнение, что классические, фундаментальные курсы не подвержены таким изменениям, какие происходят в содержании, например, предмета Информатика, тем не менее, в настоящее время актуальность интеллектуализации информационных технологий требует конструктивного вклада педагогического труда в совершенствование учебного процесса.

Для повышения эффективности педагогического труда разработано интеллектуальная система принятия решений ПАРМП (персональное автоматизированное рабочее место педагога). При этом реализованы дидактические закономерности наглядности обучающих методик, системности, открытости и полноты реализуемых минимальной конфигурацией функций ПАРМП.

Разработанная нами интеллектуальная система принятия решений включает в себя три взаимосвязанных модуля: организационно-методический; тестирующая среда; навигационно-обучающий.

Организационно-методический модуль включает в себя: цели и задачи; методические рекомендации; формы отчетности и контроля; порядок организации и взаимодействия с преподавателем.

При создании ПАРМП основными компонентами являются ТЕСТИРУЮЩАЯ СРЕДА и статистическая база образовательного процесса, включающая журнал группы с учетом посещаемости и контроля знаний в виде специальных отметок и оценок знаний. База (таблица) - глоссарий дисциплины, включающая список основных терминов по разделам изучения, время сформированности, понятийного привыкания к термину. Например, определитель системы – элемент глоссария, изучаемый в линейной алгебре. Окончательная сформированность понятия происходит после изучения векторной алгебры и аналитической геометрии.

Тестирующая среда включает в себя подсистему авторизации доступа к системе и набор тестов для проведения контроля знаний. Тесты выполняются трех видов: предварительного контроля доступа; промежуточного тестирования; итогового тестирования. Тесты предварительного контроля предназначены для определения степени подготовки обучаемого к электронным практическим и лабораторным занятиям. Тесты промежуточного тестирования предназначены для контроля усвоения основных этапов учебно-тренировочной практики. Тесты итогового тестирования предназначены для оценки результата выполнения всех заданий.

База специальных отметок и оценок включает в себя: отметки аттестации буквенном выражении от F, соответствующей оценке два, до А, соответствующей оценке пять. Отметки выполнения задания + (плюс) и невыполнения задания – (минус).

Навигационно-обучающий модуль включает три блока: блок выполнения заданий; блок кратких теоретических сведений; блок типового программного обеспечения.

Блок выполнения заданий представляет собой последовательность взаимосвязанных практических заданий, соответствующую определенному алгоритму, выявляемому в процессе моделирования предметной области. Каждое задание заканчивается конечным набором отчетных документов и контрольным (промежуточным) тестом.

Блок кратких теоретических сведений готовится в объеме, необходимом для выполнения практического задания. Из блока выполнения задания обучаемый в любой момент времени может обратиться к теоретическому материалу для выполнения задания. Это реализуется посредством гиперссылок.

Коллективом преподавателей были подготовлены сначала 300 вопросов (первая база), которые затем были дополнены ещё 500 вопросов (вторая база). Оценивая трудоемкость создания базы в процентах, нужно отметить, что на создание первой базы было затрачено 60%, второй – 40%. Были выявлены следующие проблемы: значимость коллективного вклада всех преподавателей, требование интеллектуализации базы на основе современных педагогических разработок.

На первом этапе базы вопросов, созданные каждым преподавателем, были объединены в единую базу. Темы вопросов были разделены, то есть каждый преподаватель создавал вопросы по конкретной теме. В основном темы не пересекались. Однако, было замечено, что у каждого преподавателя свой стиль, и созданная им база отражает своеобразие педагогического опыта преподавателя. Несмотря на это, собранная база так же имела собственный стиль – общую направленность коллектива педагогов. Таким образом, возникла необходимость на основе современных педагогических разработок, выработать некоторые рекомендации для создания универсальной базы тестовых вопросов. Так как каждый преподаватель работает над созданием базы тестов индивидуально, то возникла идея создания персонального универсального педагогического средства. При разработке учебно-методических средств, при планировании занятий, при применении различных форм контроля знаний создание заданий, детальная разбивка тем на вопросы, а затем сборка их в варианты, это работа, требующая большого педагогического мастерства и одновременно включающая в себя множество рутинных операций. На практике такая работа выливается в многократное переписывание, перенабивку текста. Следовательно, необходимо программное средство, которое автоматизировало бы часть операций по подготовке тестовых вопросов, т.е. необходима ТЕСТИРУЮЩАЯ СРЕДА. В процессе работы над ТЕСТИРУЮЩЕЙ СРЕДОЙ, при обсуждении различных педагогических проблем, в ходе диспутов и анализа традиционных и новаторских методик, была выработана единая концепция минимальной конфигурации программного средства. Основным преимуществом, разработанной ТЕСТИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ является гибкость, простота, неограниченная возможность её совершенствования благодаря реализации принципа открытой среды. Идея обработки статистической информации на основе таблиц данных не нова, первые программы были направлены на решение различных экономических, статистических задач с помощью реализации входной и выходной информации в виде таблиц. Однако с помощью таблиц трудно, а иногда и невозможно реализовать широкий класс многих научных задач. Именно это классически принятое мнение, по-видимому, способствовало решению задач автоматизации тестирования в другом ключе. Задачи автоматизации рабочих мест также решаются в основном в классическом ключе трудоемкого создания программных средств в зависимости от типа реализуемых задач. Используя специфику предмета педагогики, анализируя аспекты всестороннего и гармоничного развития личности, самый широкий вклад в идею создания программных средств автоматизации педагогического труда внесли современные интеллектуальные информационные технологии.

В информационных технологиях интеллектуальные технологии рассматриваются как вопросы создания экспертных систем, реализации задач компьютерной логики и лингвистики, восприятия информации и модели обучения и др. Используя принципы программной инженерии для создания информационной среды реализации интеллектуальных технологий при создании средств автоматизации педагогического труда, была выдвинута гипотеза о возможности создании этой среды с помощью СУБД (систем управления базами данных). То есть попытка использования техники применения таблиц к решению сложной задачи автоматизации рабочего места педагога. При этом следует обратить внимание на два важных момента- аргумента возможности такого решения. Во-первых, за несколько последних десятилетий технология СУБД значительно изменилась благодаря внесению в неё элементов искусственного интеллекта. Во-вторых, необходимо использовать новаторский опыт каждого педагога в решении задач совершенствования образовательного процесса дисциплин с учетом специфики изучаемых предметов. При создании ТЕСТИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ нами использовался опыт создания различных технологий научных исследований и внедрения задач обработки экономической и статистической информации. Заставить СУБД работать в качестве тестора означало на семьдесят процентов решить задачу автоматизации АРМП (автоматизированного рабочего места педагога). Получение электронных журналов с помощью СУБД - это классическая задача, для решения которой СУБД и предназначена. Обработка статистической информации также одна из функций СУБД. Используя таблицы для создания информационной среды тестирования, необходимо было выделить основные поля записей. Для этого при проектировании было разработано множество нотаций и использовался объектно-ориентированный подход. Все полученные результаты в виде решенных малых задач и сформулированных гипотез использовались в дальнейшем и влияли на модель ПАРМП (персонального автоматизированного рабочего места педагога). Основными принципами создания информационной среды ПАРМП являются системность, открытость, избыточность функций, широкое использование известных интеллектуальных информационных технологий на основе менеджмента педагогическими решениями. Минимальная конфигурация ПАРМП позволяет решать базовые задачи без дополнительного вложения программных разработок для педагогов – пользователей. В то же время, обладая минимальными знаниями основ баз данных, педагог может настроить и до неузнаваемости изменить ПАРМП.

Программирование в прикладных пакетах существенно снижает время на создание программного обеспечения, использование ПАРМП выводит тестирование на качественно другой уровень. Связано это с тем, что к вопросам создания тестов подключается педагогический опыт каждого преподавателя. Преподаватель может детально запланировать процедуру тестирования, внести творческий инновационный компонент, использовать статистический анализ для повышения уровня компетентности обучаемых. ПАРМП предназначено для всех уровней образования, его можно использовать и в школе, и в ВУЗЕ. Независимо от формы обучения (дневная, заочная, дистанционная) оно может использоваться не только педагогом, но и студентом, любым обучаемым для тестирования и создания собственных таблиц и журналов.

Для принятия педагогических решений при планировании образовательного процесса по содержанию и сущности применялась инженерно-психологическая модель принятия оперативных решений. Для такой модели на первом репродуктивном уровне преобразовательной деятельности определяются локальные задачи, реализуется это в разработке вопросов и вариантов тестирования. Второму комбинаторному уровню преобразовательной деятельности соответствует создание вопросов с параметром на основе базовых вопросов, созданных коллективом преподавателей. Такой подход позволяет творчески переосмыслить результаты коллективного труда преподавателей и внести свой индивидуальный компонент в готовую базу данных. Третьему продуктивному уровню деятельности соответствует неформальное решение преобразования ПАРМП с помощью создания дополнительных таблиц и полей, модификации имеющихся. В качестве вспомогательной информации преподаватель создает глоссарий предмета изучения, или использует некоторые готовые макеты глоссария.

При создании ПАРМП использовалась модель многокритериального выбора в условиях неопределенности. С целью формализации процедур выбора, связанных с неколичественными измерениями использовались специальные функции принадлежности на базе нечетких множеств. Таким образом, были выбраны поля для таблиц базы ПАРМП минимальной конфигурации. Так как размытость свойственна сущности процессов восприятия, воспроизведения и переработки информации человеком при создании информационных технологий, в познавательной деятельности, то возможности искусственного интеллекта дополняются педагогическими решениями на основе использования вопросов и методов сборки их в варианты. Модель автоматизированной сборки в варианты находится в стадии разработки. Функции принадлежности реализованы системой ключей, присущей современным СУБД. В [2] приведена теоретическая модель контроля знаний использования различных обучающих ключей применением вариантов неправильного ответа по специальной методике. Эта модель была апробирована при проведении самостоятельных работ с опережающей методикой обучения. Анализ невыполненных в необходимом объеме заданий по каждому обучаемому и по группе обучаемых позволяет получить некоторые закономерности. Например, была выдвинута гипотеза о ступенях разрыва - о темах и разделах изучения, вызывающих затруднение всей группы обучаемых при первоначальном изучении раздела, темы или вопроса. Например, такими темами в математической подготовке являются интегральное исчисление и ряды. Разделение вопросов по уровню сложности является существенным компонентом для применения теории поэтапного формирования умственных действий П.Я. Гальперина. Вопросы делятся на три основных уровня сложности. Первый уровень – это базовые знания, второй уровень – это уровень сформированности знаний, отражающих как решает вопросы сам тестирующий, третий уровень сложности олимпиадный, предназначенный для студентом с высоким уровнем подготовки. Реализуя подход на самоактивизацию, самореализацию личности, предлагаемый А. Маслоу, при создании вопросов третьего уровня сложности преподавателю необходимо установить некоторые временные ограничения на выполнение задания в условиях неопределенности предпочтений. Студент может выбрать для решения сначала только легкие задания, в этом случае задания повышенной сложности окажутся невостребованными. Поэтому необходимо создать варианты, содержащие задания одинакового уровня сложности. Эти задания выполняются в обучающем режиме. Причем легкий вариант поможет студенту со слабым уровнем подготовки повысить мотивационный аспект, преодолеть боязнь вопросов, активизировать деятельностный компонент. Таким образом, модель позволяет установить взаимосвязь между теорией П.Я. Гальперина и А.Маслоу.

Использование интеллектуальной системы принятия педагогических решений позволяет не только учитывать специфику изучаемых дисциплин для совершенствования образовательного процесса, но и выявить новые универсальные закономерности, отражающие взаимосвязь различных педагогических теорий и конкретных педагогических проблем.

Список литературы:

1. Организация взаимодействия человека с техническими средствами АСУ. В 7 Кн. Кн. 6. Персональные автоматизированные информационные системы и дисплейные комплексы. Практ. пособие/Л. А. Соломонов, Ю. Н. Филиппович, В. Л. Шульгин; Под ред. В. Н. Четверикова. — М.: Высш. шк., 1990.— 143 с: ил.

2 В.В. Егоров, Г.О. Тажигулова, Г.А. Абдыгаликова. Совершенствование процесса организации предмета // Валихановские чтения -11. Сборник материалов международной научно-практической конференции.- Кокшетау, 2006. – С.7-8

3 В.В. Егоров, Г.А. Абдыгаликова. Поэтапное проектирование тестирования на основе практического применения в учебном процессе // Современный научный вестник, №4(5). - Белгород: Руснаучкнига, 2006. – С.43-45.