Концептуальная Структура для Интеллектуальных Обучающих Систем, размещаемых в Интернет

Концептуальная Структура для Интеллектуальных Обучающих Систем, размещаемых в Интернет

Аннотация

В сети Интернет существует инфраструктура, создающая уникальные возможности для общения и сотрудничества. В области образования эта инфраструктура обеспечивает взаимодействие между экспертами и преподавателями в различных областях знаний при разработке новых методов обучения, а также возможность обмена дидактическим материалом между преподавателями. Интернет представляет собой огромное хранилище информации, которую можно использовать, как системно (по порядку), так и бессистемно (хаотично), что позволяет создавать обучающие системы с самыми разнообразными педагогическими стратегиями. Однако, если природа процесса обучения и возможности образовательных технологий не будут тщательно взвешены и проанализированы в процессе создания обучающей системы, свобода и гибкость Интернет приведут к огромным потерям времени, усилий и средств.

Проектирование Интеллектуальных Обучающих Систем (ИОС) с самого начала страдала от того факта, что методология создания основного программного обеспечения не разрабатывалась специально для обучения и не обладала всеми необходимыми атрибутами для поддержки интеллектуального обучения. ИОС с одной стороны наследуют мощную функциональность в точках сходимости своих целей и возможностей используемой методологии, а с другой – "разрыв контекстов" в точках расхождения цели учебных заданий, выполняемых в ИОС, с целью методологии.  Традиционная разработка ИОС обыкновенно основывалась на парадигме Экспертных Систем (ЭС), однако все более популярной среди разработчиков становится Гипертекстовая парадигма. ИОС, разработанные на основе только ЭС или только Гипертекста будут представлять собой системы типа "слабый инструктор" и "слабый конструктор", чья "слабость" является результатом "разрыва контекстов". Данная работа рассматривает перспективы развития ИОС, указывает на некоторые негативные атрибуты обеих этих парадигм и представляет концептуальную структуру, учитывающую необходимость уменьшения "разрыва контекстов", а также набор положительных сторон обеих рассматриваемых парадигм.

Предпосылки 

За последние годы существенно возросло значение Интернет. Значительное число Обучающих систем было создано в Интернет; большинство из них являются, по сути, Гипертекстовыми программами поиска информации. Также было сделано несколько попыток создать в Интернет ИОС, но эти системы отличаются от традиционного подхода к ИОС и основываются скорее на парадигме Гипертекста, чем на ЭС. Эдвард Фейгенбаум (Edward Feigenbaum) в работе Harmon & King (1985) дает следующее определение термину "Экспертные Системы": "Интеллектуальная компьютерная программа, использующая знания и процедуры логического вывода для решения достаточно сложных проблем, требующего серьезной человеческой экспертизы". Bielawski & Lewland (1991) объяснили этот термин так: "Экспертные Системы – это компьютерные программы, использующие знания и опыт для моделирования работы человека-эксперта в узкой области знаний. Напротив, Гипертекст или Гипермедиа обеспечивают работу для интуитивного, нелинейного подхода к информационной и программной навигации, что более реалистично отражает интеллектуальное поведение".

Парадигма ЭС вполне очевидно разрабатывалась для использования человеческой экспертизы и для замены человека-эксперта машиной, чтобы оказать практическую помощь при анализе и оценке проблемы, например, при постановке медицинского диагноза или определении срока и необходимости продления кредита. Гипертекстовая парадигма создавалась для обеспечения пользователя широким набором информации из различных источников. Обе эти парадигмы обладают серьезными ограничениями относительно организации учебного процесса, поскольку ни та, ни другая не создавались изначально в целях обучения. В данной работе представлена концептуальная структура Интернет-основанной ИОС, в которой делается попытка объединить положительные стороны обеих парадигм. Основное внимание уделяется процессу получения большинством обучаемых необходимых знаний. Схема структуры представлена в другой работе (Patel & Kinshuk, 1997).

Неадекватность обеих парадигм

Angelides & Gibson (1993) в своей работе серьезно критикуют ЭС. Они упоминают две базовые характеристики ЭС, снижающие их полезность для обучающих систем. Во-первых, разделение знаний, представление знаний и механизм логического вывода распределены в строго иерархическом порядке. Во-вторых, поскольку все связи в системе осуществляются путем логических умозаключений, в ЭС ощущается нехватка четких информационных связей, в то время, как Гипертекстовый подход облегчает четкое иерархическое и неиерархическое пересечение информации.

Lesgold (1994) заметил, что существует некоторый предел уровня экспертизы проводимой ЭС, например, 'Sherlock II' "не знает" как двигаться дальше, если его предположение о выходе из строя только одного устройства оказывается ложным. Кроме этих внутренних ограничений Экспертных Систем, существуют другие, вытекающие из контекста применения этой парадигмы к обучающим системам. Поскольку ЭС спроектированы для нахождения решения различных проблем, то они скорее выдают решение, вместо того, чтобы направить усилия обучаемого на активную работу на промежуточных этапах на пути к решению. ЭС обучает на промежуточных этапах в повествовательной форме, однако ЭС является "слабым инструктором", потому что для работы с ней от обучаемого требуется достаточная мотивация, чтобы обучаться, анализируя логическую цепочку, предоставляемую системой. Создание ЭС занимает много времени, ЭС имеют ограничения в уровне экспертизы, и им не хватает гибкости, в то время как Гипертекстовые модели предполагают значительно более быструю разработку, простую модификацию, частое обновление.

Giannoti & Ponta (1993) выделили следующие возможности гипермедиа-методов обучения: (а) обучение как дублирование, где гипермедиа может обеспечить текстовое или графическое отображение информации, структурные связи для управления, контекстовые связи для расширения поиска и ссылок, динамическое представление информации (анимация, звук, живое видео, другие внешние средства); (б) обучение с помощью тавтологии (зд.—логические законы), где порции учебного материала могут быть спроектированы для руководства обучаемым в процессе обучения с помощью гипермедиа; и (в) обучение с помощью динамических взаимодействий, когда компьютер более активен и информация не только поставляется оболочкой курса, но может быть изменена и дополнена обучаемым.

Свобода и гибкость, предоставляемые Гипертекстовыми системами зачастую приводят к тому, что пользователь теряется в бесконечных разветвлениях и не фокусирует внимание на главной цели, постоянно уходя в сторону по случайным ссылкам (Hammond, 1993). Успех "чистой" Гипертекстовой обучающей системы целиком зависит от мотивации обучаемого и его самодисциплины. Хотя Гипертекстовая парадигма и позволяет исследовать большие объемы информации и таким образом поддерживает "конструирование" знания, она является "слабым конструктором" с точки зрения преподавания, поскольку правильность (адекватность) сконструированного знания не может быть проверена обучающей программой. Luck (1993) отметил, что "Гипермедийные обучающие среды используются неверно с познавательной точки зрения, если их используют как обучающие программы". Гипертекстовой парадигме не хватает механизмов логического вывода, необходимых для оценки действий обучаемых. Чтобы свести воедино все "положительные " качества этих двух типов ИОС, необходимо получить некое объединение из ЭС и Гипертекстовой парадигм.

Интернет и обучение – достигнутые результаты.

В научной литературе известны многочисленные примеры попыток использования Интернет как средства обучения. Stanchev (1993) отметил пять атрибутов Интернет, дающие ей преимущества над обычными методами обучения: (1) связь между многими объектами, (2) независимость от места, (3) независимость от времени, (4) мультимедийное общение и (5) взаимодействие посредством компьютера. Хотя эти атрибуты присутствуют не только в Интернет, но, по крайней мере, первые три наиболее легко достижимы именно там. Эти атрибуты позволили разработать следующие концепции и системы:

Berns (1996) предложил концепцию Глобальное Обучение (Global Tutoring), предполагающую использование информационных технологий для индивидуального или группового обучения, во время которого обучаемый и преподаватель никогда не встречаются, взаимодействуя через электронные средства связи.

Lemone (1996) описал WebCourser, программу, автоматически составляющую курс обучения, на основе данных о пользователе; а также Web Recourse, программу, позволяющую преподавателю создать автоматически настраиваемый курс из заранее заготовленных частей (HTML документов, графических файлов и т.д.).

Nawarecki & Dobrowolski (1996) создали Интеллектуальную распределенную и децентрализованную (мульти-агентную) систему. Эта система позволяет различным обучаемым и преподавателям общаться друг с другом, поддерживая при этом интеллектуальное обучение, используя автономные агенты.

Angelides & Gibson (1993) описали PEDRO, Гипертекстовую ИОС. PEDRO – программа, обучающая испанской грамматике "продвинутых" обучаемых, путем проверки их знания правильных и неправильных глаголов. Программа основана на Гиперкартах (HyperCards), которые предлагаются обучаемому на основании  его предыдущих результатов.

Результаты опытов, описанные в литературе, однако, предостерегают, что для создания обучающей системы в Интернет требуется больше, чем просто хороший инструментарий для создания web-страниц;  должны быть использованы результаты, полученные в процессе эволюции CAL (Computer assisted learning – компьютерное обучение) и ИОС.  Для разработки полезного учебного материала в Интернет, по-прежнему необходима команда специалистов в данной предметной области, в области психологии обучения и в области информатики (Vanneste et. al., 1996).

ИOC – необходимость массовой разработки приложений

Yum & Crawford (1996) предполагают, что "спасение" ИОС зависит от привлечения рядового пользователя к процессу разработки ИОС. Они приводят в качестве примера операционные системы, базы данных, и WWW, успех которых был достигнут, в основном, благодаря тому, что рядовой пользователь получил возможность разрабатывать свои приложения и интегрировать их в эти среды. Они спрашивают, возможно ли поставить разработку ИОС на массовую основу.

В литературе не упоминается ни одна ИОС, которая позволяла бы учащемуся и учащему сообществам вносить свою лепту в усовершенствование ИОС, без того, чтобы начинать весь процесс с самого начала. У большинства преподавателей нет времени, возможностей или достаточного понимания программных и аппаратных технологий для разработки своих собственных ИОС. Им необходимо "изначальное" программное обеспечение, которое они могли бы приспособить для своих потребностей. Предлагаемая структура – усилие, направленное в этом направлении.

Предлагаемая структура

Предлагаемая структура предназначена для экономичного создания полезных ИОС, внедряемых в реальную образовательную среду для использования большим количеством обучаемых, чтобы оправдать продолжение исследований и усилий по усовершенствованию результатов в данной области. Эта концептуальная структура основана на следующих пяти принципах:

Контекст ИОС: Будучи основным в предлагаемой структуре, этот принцип выделяет различные контексты ИОС. Во-первых, центральную роль преподавателя – обязательного участника процесса создания программы и ее основного пользователя, кроме того, возможности и ограничения применяемых образовательных технологий, а также природу предмета изучения и составляющие его знания. Например, Patel & Kinshuk (1996a), указали, что легче учиться на ошибках в том случае, когда обучение ориентировано на действия, и не требует высокого уровня абстрагирования, делая тем самым операционный тип знаний более подходящим для интерактивной Обучающей Системы на базе компьютера.

Принцип Экспертной Системы: Обучение включает в себя больше, чем просто представление информации; необходима проверка действий обучаемого с динамичной обратной связью в процессе обучения для избежания ошибочных выводов, а также отложенная обратная связь для периодической оценки знаний обучаемого. Парадигма Экспертной системы позволяет очень четко разделить знания и их обработку, увеличивая возможность многократного проведения такого процесса.

Принцип Гипертекста: Гибкость, представляемая механизмом, основанным на ссылках, дает возможность преподавателю связать соответствующие Интеллектуальные Обучающие Апплеты для построения большей Обучающей Системы. Это позволяет создать Лист Апплетов, который можно копировать и изменять, создавая больше апплетов, и связывать (линковать) их в различные Обучающие Системы. Традиционные средства просмотра мультимедиа могут быть использованы для организации сопутствующих комментариев.

Объектная ориентация: Знание рассматривается как сеть некоторых сущностей. Обучающие Апплеты создаются на основе этих сущностей, создавая тем самым высокую степень соответствия между структурированием знания и принципом Объектно-ориентированного программирования, используемого в таких языках, как, например, Java.

Взаимодействие Человек—Компьютер: Обучаемый не должен с трудом добираться до решения и не должен пытаться решать сверхтяжелые задачи. Система должна поддерживать простой инстинктивный интерфейс, обладающий возможностью более четкой детализации при изучении деталей, например, компоненты формул.

Основа предлагаемой структуры и возможные пути ее применения

Концепция структуры появилась в результате разработки четырех различных Интеллектуальных Обучающих Инструментов (ИОИ), созданных в рамках проекта Бизантиум (Byzantium), организованного совместными усилиями шести различных университетов. ИОИ представляют собой системы со смешанной инициативой (mixed initiative) и перекрывающимся (оверлейным) типом модели обучаемого. В работе Patel & Kinshuk (1996b) обсуждаются структура и функциональность ИОИ. ИОИ такого типа были внедрены в учебный процесс ряда вузов.

Развитие ИОИ обеспечило необходимую информацию для формулирования методологии создания "конструктора обучающих систем широко назначения".  Этот конструктор с помощью интерактивного диалога с преподавателем способен создать Интернет-основанный Интеллектуальный Обучающий Апплет (ИОА) по любой математической дисциплине (Patel & Kinshuk, 1996c). ИОА, разработанные различными преподавателями, объединяются в большие хранилища, которые могут быть различным образом связаны с помощью ссылок в ИОС различной конфигурации. На Рис. 1 показана схема такой Интернет-основанной ИОС и ее связи с различными ИОА.

Сайт учителя (1)



ИОА1

			Сайт учителя (2)



ИОА2

								СТУДЕНТ





Полученные данные

Ссылки на

ИОА









Ссылки на управление
 детализацией интерфейса

Промежуточные переменные



Полученные 		Полученные от непосредственно	других ИТА



Выход





Интерфейсные утилиты (такие как Печать, Звук и т.д.)







Управление общей

навигацией и калькулятором

Окно Диалога и Обратной связи





Возможность связывания различных ИОА в ИОС, конфигурируемую учителем, позволяет расширить структуру до более сложных приложений, однако описанная методология нуждается в экспериментальном подтверждении и апробации в Интернет.

Резюме предлагаемого нововведения

Предлагаемая структура использует как способность Гипертекста иерархично и неиерархично связывать информацию, так и механизм логического вывода Экспертных Систем. База знаний предлагаемой ИОС распределена между несколькими Апплетами. Хотя в самих Апплетах структура знаний иерархична, связь между знаниями из различных ИОА обладает неиерархичной природой. Индексация ИОС и ИОА поможет при поиске ИОА, необходимых для создания конкретной ИОС. Очень важно использовать ссылки с явной информацией для связи необходимых ИОА, т.к. такие ссылки позволяют упорядочить базу знаний.

Предлагаемая реализация ИОС обладает чрезвычайно гибкая структурой. Однажды созданная, ИОС может быть скопирована и модифицирована для создания новой. Управление знаниями производится таким же образом. Т.о. процесс создания ИОС становится более быстрым и простым. Механизм логического вывода в таких ИОС позаимствован у экспертных систем, хотя процесс и был разбит на более мелкие компоненты (более мелкие модули управления логическим выводом, встроенные в различные ИОА) для сохранения эффективности и гибкости системы.

Заключение

Не смотря на то, что были потрачены годы исследований и большое количество материальных ресурсов, для большинства ИОС так не был разработан какой бы то ни было  стандарт, позволяющий упростить их создание и использование в реальном учебном процессе. В данной работе определены две основные причины этого. Во-первых, методологии, положенные в основу разработки ИОС создавались без учета мнения педагогов-предметников, и потому не могли обладать всеми необходимыми атрибутами для выполнения реальных целей обучения. Во-вторых, создалось впечатление, что разработка ИОС отошла от реальных потребностей обучаемых и преподавателей. В основном, разработки определялись доступностью самых современных технологий или теми интеллектуальными задачами, решение которых хотели найти исследователи. При этом забывались такие факторы, как среднее время, необходимое начинающему курс обучаемому для получения знаний по управлению системой, среднее количество обучаемых в группах, изучающих различные науки, ресурсы доступные среднему обучаемому этим дисциплинам, а также феноменальное количество времени, затрачиваемое преподавателем на оценку работы обучаемого.

Интернет предлагает огромное количество многообразной и многоформатной информации, но, основанные на Гипертексте, поисковые устройство не обеспечивают сами по себе никакого механизма для структуризации процесса обучения. Структуризация должна обеспечиваться "живым" преподавателем через оценки. Такие оценки могут лишь дополнить отложенную обратную связь. Поэтому обучающая система, основанная только на Гипертексте, зависит от мотивации обучаемого. Тем не менее, Гипертекст – это очень мощный инструмент и в соединении с традиционным принципом Экспертных Систем, объектной ориентацией и учетом Человеко-компьютерного взаимодействия, как это предложено в описанной структуре, он может послужить базой для Интернет-основанной расширяемой ИОС.

Список литературы

Angelides M. C. & Gibson G. (1993). Pedro - The Spanish Tutor : A Hypertext-based Intelligent Tutoring System for Foreign Language Learning. Hypermedia, 5(3), pp205-230. 

Berns M. (1996). 'Global Tutoring' : An experiment in alternative learning. http://edie.cprost.sfu.ca/it/res-and-ref.html.

Bielawski L. & Lewand R. (1991). Intelligent Systems Design - Integrating Expert Systems, Hypermedia, and Database Technologies. John Wiley & Sons, New York.

Giannotti E. & Ponta D. (1993). Hypertext and Hypermedia as learning tools in science and technology. Computer Mediated Education of Information Technology: Professionals and Advanced Users (A-35) (Eds. Barta B. Z., Eccleston J. & Hambusch R.), Elsevier Science Pub. B.V. (North-Holland), pp335-339.

Hammond N. (1993). Learning with Hypertext: Problems, principles and Prospects, HYPERTEXT a psychological perspective (Eds. McKnight C., Dillon A. & Richardson J.), Ellis Horwood Ltd, pp54-55.

Harmon P. & King D. (1985). Expert Systems. Wiley Press. 

Kinshuk (1996). Computer aided learning for entry level Accountancy students. PhD Thesis, De Montfort University, England, July 1996. 

Lemone K. A. (1996). Retargetable Course Generation - A methodology for reusability in distance education. Position Paper for ITS'96 Workshop on Architecture and Methods for Designing Cost-Effective and Reusable ITSs, Montreal, Canada, June 10th 1996. 

Lesgold A. (1994). Ideas about feedback and their implications for intelligent coached apprenticeship. Machine-Mediated Learning, 4(1), pp67-80. 

Luck W. V. (1993). The structuring and testing of hypermedia learning environments. Computer Mediated Education of Information Technology : Professionals and Advanced Users (A-35) (Eds. Barta B. Z., Eccleston J. & Hambusch R.), Elsevier Science Publishers B.V. (North-Holland), pp49-55. 

Nawarecki E. & Dobrowolski G. (1996). Decentralized computer learning systems based on autonomous agent approach. Lecture Notes in Computer Science, 1108, pp105-113.

Patel A. & Kinshuk (1996a). Knowledge Characteristics: Reconsidering the Design of Intelligent Tutoring Systems, Knowledge Transfer - Proceedings of the Knowledge Transfer Conference, London, 1996 (Ed. A. Behrooz), pp190-197.

Patel A. & Kinshuk (1996b). Applied Artificial Intelligence for Teaching Numeric Topics in Engineering Disciplines. Lecture Notes in Computer Science, 1108, pp132-140. 

Patel A. & Kinshuk (1996c). Intelligent Tutoring Tools - A problem solving framework for learning and assessment. Proceedings of 1996 Frontiers in Education Conference - Technology-Based Re-Engineering Engineering Education (Eds. M. F. Iskander, M. J. Gonzalez, G. L. Engel, C. K. Rushforth M. A. Yoder, R. W. Grow & C. H. Durney), pp140-144. 

Patel A. & Kinshuk (1997). Intelligent Tutoring Tools on the Internet - Extending the Scope of Distance Education. 18th ICDE World Conference, June 2-6, 1997, Pennsylvania, USA. 

Stanchev I. (1993). From decision support systems to computer suported cooperative work. Computer Mediated Education of Information Technology : Professionals and Advanced Users (A-35) (Eds. Barta B. Z., Eccleston J. & Hambusch R.), Elsevier Science Publishers B. V. (North-Holland), pp287-295.

Vanneste P., Decker B. D., Chrzanowski M. & Warkentyne K. (1996) Panel discussion : The use of Internet in education. Lecture Notes in Computer Science, 1108, pp39-41.

Yum K. K. & Crawford J. R. (1996). On the feasibility of an interoperable tutorial machine to support the development and delivery of teaching. Position Paper for ITS'96 Workshop on Architecture and Methods for Designing Cost-Effective and Reusable ITSs, Montreal, Canada, June 10th 1996.