Диагностика динамических параметров учебной деятельности по конструированию звуковых объектов

ПСИХОЛОГИЯ

Л.Н. Дроздова, И.П. Дьячук, В.С. Кудрявцев

ДИАГНОСТИКА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ ЗВУКОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Управление, диагностика, учебная деятельность, звуковой объект, базовые когнитивные функции мозга.

Проблема диагностики не только результатов, но и процесса научения решению задач никогда не теряла своей актуальности. Когда речь идет о научении, то имеется в виду самостоятельная учебная деятельность обучающегося. Научение решению проблем всегда связано с освоением той или иной деятельности. Решение математических задач требует умения осуществлять алгоритмическую деятельность и соответствующий уровень развития алгоритмического мышления [Дьячук и др., 2008]. При конструировании пространственных объектов у обучающегося развивается функция пространственного воображения и зрительного синтеза [Дроздова и др., 2009]. Проблемы научению письменной речи обусловлены особенностями функционирования второй сигнальной системы обучающегося, которые отражаются в вербальной деятельности или письменной речи [Дьячук, Солодовников, 2008]. Особый интерес представляют научение и диагностика учебной деятельности по конструированию звуковых или музыкальных объектов. В настоящей работе описана система управления учебной деятельностью на основе автоматического регулирования информации о расстоянии до цели, а также рассмотрена диагностика динамических параметров процесса конструирования музыкальных объектов из фрагментов.

Компьютерные системы управления поиском решения задач разработаны на основе автоматического регулятора информации о расстоянии до цели и получили название системы «Tr@cK». Они реализуют биологическую обратную связь (БОС) со структурами мозга, ответственными за различение текущего и целевого состояний задачи [Дроздова, Дьячук 2009]. БОС представлена в виде отображения на мониторе информации о расстоянии до цели (информационное управление) и в виде системы датчиков 10 уровней, отображающих значение целевой функции обучающегося или коэффициента обратной связи между обучающимся и управляющим центром.

На основе информации о расстоянии до цели обучающийся осуществляет саморегуляцию деятельности, принимая решения о выполнении тех или иных действий. На рис. 1 приведены графики зависимости L(t), полученные при обработке данных протоколов функционирования системы автоматического регулирования информации о расстоянии до цели в процессе научения решению задач обучающимися.

б

Рис. 1. График зависимости «расстояния до цели» L от времени t: а - обучающийся № 1; б - обучающийся № 2

Независимо от выбора стратегии поиска решения задачи автоматическое регулирование информации о расстоянии до цели позволяет обучающимся достигнуть целевое состояние задачи. Так, на рис. 1а приведена траектория действий обучающегося № 1, который поиск решения задач осуществлял в уме. Действия и операции им производятся с мысленными моделями задачи. Опора на внутренний план предполагает, что обучающийся № 1 не нуждается в реакции (подкреплении) среды. На рис. 1б приведена траектория деятельности обучающегося № 2, который в качестве стратегии поиска решения задач использовал метод проб и ошибок. Предполагается, что обучающийся в своей деятельности опирается на сигналы среды, то есть нуждается во внешнем подкреплении своей деятельности.

В работе [Дьячук и др., 2009] показано, что решить проблему организации БОС возможно только на основе использования систем ИИ, в которых поиск решения задач состоит в нахождении алгоритма и написании соответствующей программы поиска допустимого пути в пространстве состояний из начального в целевое состояние. Встает вопрос: как использовать этот подход для организации процесса поиска решения задач не искусственного, а естественного разума? Возможности информационных технологий позволяют отобразить пространство состояний задачи в виде множества ситуаций и задать функцию определения преемника [Рассел, 2006] системой кнопок-действий. Нажатие кнопки соответствует тому или иному действию, которое переводит задачу из текущей ситуации в следующую. Последовательность действий рассматривается как путь, проходимый обучающимся в процессе поиска решения задачи. По мере научения путь приближается к оптимальному, т. е. его деятельность становится безошибочной.

Расстояние до цели Ь, измеряемое в количестве действий, является управляемым параметром поискового поведения обучающегося решению задач. Вывод на экран дисплея датчика «расстояние до цели» позволяет обучающимся корректировать поиск решения задачи, исправляя ошибочные действия до тех пор, пока не будет достигнута цель.

а

Второй датчик регулирует приближение деятельности обучающегося к оптимальной. Он выводит на экран монитора информацию о величине коэффициента обратной связи R между обучающимся и проблемной средой:

1 Р'л- 1.

п1' ~ 1

Здесь Р2 - —_ у- относительная частота неправильных действий обучающегося (п 2 1

п 0

- число неправильных действий, п 0" 1 - общее число действий, совершенных обучающим-

•1 ) Р1 -1 "1 ся при решения /-1 задачи), Pd ~у - относительная частота включения датчика ин-

п0

формации «расстоянии до цели» (d1"1 - число вывода датчика «расстояние до цели, при решения 1-1 задачи).

Для принятия решения о выводе датчика «расстояние до цели» система управления разыгрывает случайное число ^ в интервале от 0 до 1. Если выполняется неравенство

^ > 1 - 2Р2"1 , то датчик выводит информацию о расстоянии до цели. В противном случае датчик не появляется. Информация о достигнутом значении коэффициента обратной связи R1 сообщается обучающемуся при выполнении очередного 1-го задания при помощи датчика, состоящего из 10 дискретных уровней.

Коэффициент обратной связи R в процессе научения изменяется от 0.5 до 0. В начале процесса научения априори полагается, что относительная доля неправильных действий

Ро -П2 - 0.5

(п 2 - число неправильных действий, п 0 - общее число действий, совер-

п0

шенных при выполнении задания). По мере научения относительная частота неправильных действий уменьшается до 0.

Таким образом, в системе автоматического управления деятельностью обучающегося параметрами управления являются относительная частота появления датчика информации

о расстоянии до цели Pd ; коэффициент обратной связи Rl — Р2-1 Pd-1 . Кривая научения

определяется коэффициентом обратной связи К в зависимости от номера задания или от времени научения. Если обозначить уровень научения I, то кривая научения определится формулой:

Щ) - 1 - .

В результате функционирования системы автоматического регулирования учебных действий «Тг@сК» коэффициент обратной связи обучающегося с проблемной средой достигает минимального значения (уровень научения I достигает максимума). В случае полного исключения ошибочных действий К - 0 , а I -1 . Решения о выполнении тех или иных действий определяются только собственной системой управления обучающегося.

Задачи, решению которых должны научиться обучающиеся при прохождении заданий проблемной среды «Аудиальные пазлы», состоят в конструировании цельного музыкального произведения из разделенных фрагментов того же произведения.

Рабочее поле программы содержит окно отображения выбранного из списка фрагмента, кнопки пролистывания списка фрагментов. Также на поле находятся ячейки для выставления в них фрагментов. Кроме того, имеются кнопки прослушивания, обучающийся может прослушивать как отдельный фрагмент или оригинал произведения, так и набор фрагментов в установленном им порядке, он может остановить прослушивание в любой момент времени.

Система автоматического управления (САУ) включает в себя «Управляющее устройство + Обучающийся». Управляемой величиной данной системы является коэффициент обратной связи, который по мере научения стремится к нулю. САУ имеет информационное и мотивационное управление. Информационное управление представлено в виде датчика «расстояние до цели» и реализует биологическую обратную связь между психической (внутренней) и предметной (внешней) деятельностью.

Мотивационное управление реализовано в виде дискретной шкалы уровней от 1 до 10. Оно задает функцию ценности состояний обучающегося или коэффициент обратной связи. По мере исключения ошибочных действий уровень достижения или функция ценности состояния обучающегося увеличивается. Последний, 10 уровень соответствует безошибочному конструированию музыкального произведения из музыкальных пазлов.

Прослушивая фрагменты из списка с помощью кнопок пролистывания, обучающийся должен выбрать подходящий и установить его на рабочем поле в соответствующей ячейке. Задание считается выполненным, если в рабочей области сконструировано произведение правильным образом и, соответственно, нет свободных ячеек. Установленные фрагменты можно убирать с рабочего поля, например, если установка оказалась ошибочной.

Предлагаемая система автоматического управления деятельности по конструированию звуковых объектов является аудиальным аналогом САУ «Пространственные пазлы» [Дроздова и др., 2009].

Особенностью «Аудиальных пазлов» является то, что обучающийся, ориентируясь на датчик «расстояния до цели», использует визуальные органы чувств, а при изучении содержания фрагментов использует аудиальные органы чувств. Для того чтобы достичь конечного состояния, обучающемуся необходимо использовать содержание фрагментов. Таким образом, обучающемуся приходится переключать внимание с визуальных органов чувств на аудиальные, и наоборот, что существенно усложняет решение задачи (достижения цели).

Анализ динамики изменения количества ошибочных действий от задания к заданию (рис. 2) показывает, что число ошибок обучающегося № 1 резко уменьшается, в отличие от обучающегося № 2, у которого число ошибок не имеет тенденции уменьшения, а колеблется в некотором диапазоне.

а б

Рис. 2. График зависимости количества ошибочных действий п от номера

При анализе протоколов действий обучающихся № 1 и 2 можно сделать следующий вывод. Обучающийся № 1 прежде чем устанавливать пазлы на рабочее поле, длительное время их прослушивает и при установке совершает мало ошибочных действий.

а

б

Рис. 3. Время выполнения заданий T как функция его номера I: а - обучающийся № 1; б - обучающийся № 2

Обучающийся № 2 действует методом проб и ошибок, практически не пытаясь сконструировать звуковой объект в «уме». Можно предположить, что его характеризуют отсутствие «внутреннего» слуха и недостаток оперативной памяти. Сравнивая показатели времени, затраченного на выполнение каждого задания (рис. 3) видно, что у обучающегося № 1, уделяющего большое внимание прослушиванию, время выполнения задания резко уменьшается, тогда как у обучающегося № 2 время выполнения каждого задания не имеет тенденции резкого уменьшения, а колеблется в некотором диапазоне. Представляет интерес сопоставление структуры деятельности обучающегося с состоянием развития его базовых когнитивных функций мозга (рис. 4).

б

Рис. 4. Диаграммы обследования когнитивных вызванных потенциалов Р300

К таким функциям относятся: распознавание, дифференцирование, направленное внимание, объем оперативной памяти и скорость обработки информации. На рис. 4 представлены диаграммы обследования когнитивных вызванных потенциалов Р 300 для обучающегося № 1 - а и обучающегося № 2 - б.

а

В результате проведенной в ходе исследования компьютерной диагностики и сопоставления с результатами психофизиологического обследования обучающихся методом когнитивных вызванных потенциалов Р300 получено, что среди действующих методом проб и ошибок часто встречаются обучающиеся с нарушениями процессов опознания и диффе-ренцировки, снижением объема оперативной памяти, направленного внимания и скорости обработки информации (обучающийся № 2). Как правило, у них наблюдается недостаточная специфическая обучаемость музыке (рис. 4б и 5б). У обучающихся, которые пытаются сконструировать музыкальное произведение в «уме», показатели БКФМ соответствуют норме (рис. 4а, 5а).

а б

Рис. 5. График уровня самостоятельности обучающихся Z от номера выполняемого задания ¡, обучающихся № 1 - а и № 2 - б

Таким образом, системы автоматического регулирования учебной деятельностью «Тг@сК» позволяют получить данные об учебной деятельности обучающихся конструированию звуковых объектов. На основе анализа этих данных были выявлены три типа обучающихся.

Обучающиеся, активно использующие возможности прослушивания и пролистывания при выборе действия, что указывает на использование аудиальных органов чувств.

Обучающиеся, в незначительной степени использующие возможности прослушивания и пролистывания при выборе действия, что говорит о регидности познавательного контроля.

Обучающиеся с недостаточной обучаемостью деятельности по конструированию музыкальных объектов.

Библиографический список

1. Дьячук П.П., Пустовалов Л.В, Суровцев В. М. Системы управления поиском алгоритмических задач // Системы управления и информационные технологии. 2008. 3.2. (33). С. 258-263.

2. Дьячук П. П., Солодовников А. В. Динамическая информационная система управления и диагностики учебной деятельности обучающихся синтаксису русского языка // Современное образование: вызовы времени - новые подходы: материалы межд. науч.-метод. конф. Томск, ТУСУР, 31 января - 1февраля 2008. С. 139-140.

3. Дроздова Л.Н., Дьячук П.П., Дьячук И.П., Шадрин И. В. Компьютерная диагностика функции воображения и БКФМ // Педагогика развития: образовательные результаты, их измерение и оценка: материалы 15-й науч.-практ. конф. Красноярск: ИПК СФН, 2009. 268 с.

4. Дроздова Л.Н., Дьячук П. П. Способ организации биологической обратной связи с детектором ошибок мозга в процессе научения // Моделирование неравновесных систем-2009: материалы Всероссийского семинара. Красноярск, 9-11 октября 2009 г. ИВМ СО РАН, 2009 С. 80-82.

5. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход: пер. с англ. М.: Изд. Дом «Вильямс», 2006. 1408 с.