О некоторых подходах к модернизации образовательных систем с использованием интеллектуальных методов и моделей

Шихнабиева

Тамара

Шихгасановна

доктор педагогических наук, профессор

О некоторых подходах к модернизации образовательных систем с использованием интеллектуальных методов и моделей

Аннотация: для эффективного функционирования информационных систем, используемых в образовании, необходимо решить ряд проблем, связанных с представлением, обработкой и использованием знаний. Для доступа и эффективного использования знаний необходима их классификация и структуризация. В работе предложены некоторые подходы к совершенствованию и разработке обучающих систем на основе достижений системного анализа, кибернетики, синергетики.

Ключевые слова: образовательные технологии, дистанционное обучение, семантическая сеть, адаптивная семантическая модель, автоматизированная обучающая система.

Известно, что информатизация общества - это социальный процесс, который обеспечивает активное использование постепенно расширяющегося интеллектуального потенциала общества с применением средств информационных и коммуникационных технологий.

Следует отметить, что методы обучения и развития, социальные и профессиональные требования, связанные с построением развитого общества, в значительной степени зависят от уровня использования информационных и коммуникационных технологий в образовательном процессе.

Современные информационные технологии и стремительное расширение разнообразия сетевых образовательных услуг вызвали поток инноваций по реорганизации существующих образовательных систем всех уровней образования. Как следствие, меняется характер и динамика взаимодействия между учащимися и учителями. Это существенным образом влияет на выбор методов, форм и технологий обучения.

В сегодняшней практике сложилось определенное противоречие: стало очевидным, что получение знаний по базовому курсу информатики недостаточно для современного учителя. Информационные и коммуникационные технологии развиваются гораздо быстрее, чем возможности их использования в образовательных целях. Для разрешения сложившейся проблемной ситуации необходимо организовать непрерывное использование информационных и коммуникационных технологий при преподавании

смежных дисциплин, а также непрерывное повышение квалификации специалистов в области информатики.

Обучение с использованием информационных ресурсов Интернет и Интранет является катализатором в становлении новой, прогрессивной теории преподавания и учения, ориентированной на развитие личности учащегося, способного реализовывать свои собственные, в том числе и образовательные проекты и стремящегося к самоусовершенствованию на протяжении всей жизни.

Новые механизмы передачи информации оказали существенное влияние на все стороны образовательной системы. Как следствие, возникает острая необходимость в анализе особенностей применения закономерностей общей теории обучения - дидактики в условиях широкого использования информационных технологий и распределенных в пространстве и времени процессов сетевого обучения.

Функции преподавателя и учащегося в образовательной информационной среде также претерпевают коренные изменения по сравнению с традиционной учебной средой. В учебных средах с использованием информационных и коммуникационных технологий учащийся работает в собственном темпе и без постоянного непосредственного контакта с преподавателем. В данном случае преподаватель из основного носителя и транслятора знаний превращается в советника и консультанта учащегося. Препо-

даватель управляет процессом обучения, имея в своем распоряжении мощный инструмент -компьютер, с его возможностями доставки, хранения, обработки всех видов информации, для демонстрации учебной информации, тренировки и самоконтроля. Учащийся, в свою очередь, получает мощное технологическое средство поддержки самостоятельного интеллектуального труда и доступа к информационной среде, не ограниченного пространством и способом передачи. Учащемуся становятся доступными знания о содержании и методе обучения, которые до сих пор были прерогативой преподавателя.

Интенсивная работа в условиях информационного комфорта активизирует познавательную деятельность учащихся и усиливает творческие компоненты труда преподавателя. Средства информационных и коммуникационных технологий в обучении освобождают преподавателя от множества функций, ставших рутинными в его повседневной деятельности.

Однако для оптимизации использования новых широких возможностей информационной среды настоятельно требуются теоретическое осмысление и технологическая поддержка решения ряда практических задач, связанных с реорганизацией учебного процесса. В связи с этим одной из актуальнейших дидактических задач становится задача эффективного использования информационных и коммуникационных технологий для управления учебным процессом со стороны самого учащегося. Реализация именно такой методической идеи представляется сегодня наиболее перспективной в контексте мировой и отечественной практики обучения.

Следует отметить, что общая задача оптимизации процесса обучения на практике сводится к ряду частных подзадач. Среди них прежде всего следует назвать:

> уточнение тезауруса образовательной информационной среды,

> разработку методик личностно-ориентиро-ванных технологий сетевого обучения,

> оценку дидактической эффективности и оптимизацию структуры и формы учебно-методических материалов,

> отработку методик и технологических средств управления учебным процессом, и др.

Проблемы создания эффективных систем обучения, поиска новых педагогических приемов и средств преподавания, особо обострились в последние десятилетия ХХ века после появления в массовом количестве персональных компьютеров, электронной почты и сети Интер-

нет. Средства информационных и коммуникационных технологий значительно увеличили объем доступной информации, качество и скорость работы с ней по сравнению с предшествующим периодом. Вместе с тем, цифровые технологии породили ряд проблем поиска нужной информации за «разумное время» в громадных базах данных современных информационных систем [1], что делает почти невозможным их использование в учебном процессе без предварительных настроек, создания специальных фильтров и систем поиска нужной информации для учебных и образовательных задач. Проблемы в современном образовательном процессе носят глобальный характер, т. к. в настоящее время нет ни одной развитой страны мира, которая бы не пыталась поставить перед собой задачи изменения системы образования с целью повышения ее эффективности.

Для реализации задач, стоящих перед современным образованием, нужна эффективная, гибкая, модульная система, базирующаяся на наиболее передовых технологиях и средствах обучения.

Одним из актуальных направлений исследований обучения с использованием информационных и коммуникационных технологий является анализ стиля обучения пользователя. Каждый стиль обучения накладывает условия на вид, структуру, форму и методы компоновки учебного материала. Иными словами, необходима личностная ориентированность представляемого учебного материала, что позволяет существенно повысить мотивацию и эффективность процесса обучения. В данном случае образовательная информационная среда адаптируется к каждому пользователю, обучающемуся в ней.

Отличительная черта современного этапа - поиск педагогами-исследователями способов применения формальных методов для описания процесса обучения с использованием аппаратов системного анализа, кибернетики, синергетики, с учетом, развитием и расширением понятий, принципов и достижений дидактики.

Процесс обучения с использованием информационных и коммуникационных технологий является одним из видов информирования, основой которого является семантический диалог [2]. В нашей работе мы рассматриваем обучение с использованием информационных и коммуникационных технологий как информационную семантическую систему, а учебный материал, подлежащий усвоению, - как семантическую информацию. Для рассматриваемой

О некоторых подходах к модернизации образовательных систем с использованием..

системы возникает необходимость решения проблемы формализации семантического диалога, обеспечивающая повышение эффективности ее функционирования.

Для успешного решения указанной проблемы необходимо решить две задачи: формализация процесса информирования и формализация семантической информации.

Формализация семантической информации предполагает решение одной из важных задач теории информационных семантических систем, а также искусственного интеллекта -представление знаний. В нашей работе учебный материал представлен в виде адаптивных семантических моделей (АСМ), в вершинах которых находятся понятия предметной области, а дуги означают различные связи между ними [3]. В виде адаптивных семантических моделей представлен непосредственно и сам процесс обучения.

Предлагаемый нами подход основан на структуре человеческих знаний, принципах разработки систем искусственного интеллекта и информационных семантических систем, каковым является процесс обучения. Он объединяет процедурный и декларативный подход к представлению знаний, базируется на теории семантических сетей и продукционных правил.

Преимуществом семантических сетей как модели представления знаний и непосредственно самого процесса обучения является наглядность описания предметной области, гибкость, адаптивность к цели обучаемого. Однако свойство наглядности с увеличением размеров и усложнением связей базы знаний предметной области теряется. Кроме того, возникают значительные сложности по обработке различного рода исключений. Для преодоления указанных проблем используют метод иерархического описания сетей (выделение на них локальных подсетей, расположенных на разных уровнях).

Такой подход к организации знаний при разработке обучающих информатике интеллектуальных систем позволяет значительно сократить время обучения и уменьшить объем памяти, занимаемой базой знаний и данных.

Модель в виде иерархической семантической сети, являясь логической структурой изучаемой предметной области, показывает также последовательность изложения учебного материала, что важно для молодых учителей.

На основе установленных типов понятий и видов связей можно построить модель рассматриваемой предметной области в виде многоуровневой адаптивной семантической сети. Сле-

дует отметить, что процесс подобной структуризации знаний достаточно трудоемкий. Однако это наглядная и более выразительная модель, отображающая логическую структуру учебного материала, которая позволяет одномоментно видеть все понятия и их взаимосвязи по изучаемой теме, что имеет немаловажное значение для систем обучения на основе информационных и коммуникационных технологий.

Известно, что обучающие технологии традиционно используются в системе образования в качестве средства передачи информации и обучения. В процессе обучения учащиеся постигают смысл сообщений, хранящихся в компьютерах, и «взаимодействуют» с обучающей технологией. При таком использовании компьютера мышление обучаемых ограничивается и контролируется обучающей системой. Отсюда следует, что необходимо расширить возможности компьютера в плане представления информации. При создании адаптивно-семантической модели учебного материала обучаемые используют персональный компьютер в качестве инструмента представления своих знаний.

Использование компьютера в качестве инструмента построения знаний вовлекает обучаемых в процесс формирования знаний, что способствует их пониманию и усвоению, а не только воспроизведению в памяти того, что получено от преподавателя.

Отметим также, что выразительность и образность семантических сетей является важным их преимуществом, позволяющим легче выявить и показать логические отношения в учебном материале.

Если при обычной методике обучения еще можно обойтись рассмотрением только глобальных структур, то при обучении с использованием информационных и коммуникационных технологий связь и последовательность элементов учебного материала оказывается стержневой проблемой. Использование адаптивных семантических моделей в качестве инструмента построения структуры знаний позволяет передать взаимодействие с компьютером в ведение самих обучаемых, что дает им возможность самостоятельно представлять и выражать свои знания. В процессе создания адаптивных семантических моделей обучаемые должны анализировать структуры своих собственных знаний, что помогает им включать новые знания в структуры уже имеющихся знаний. Результатом такого процесса является эффективное использование приобретенных знаний.

Итак, представление учебного процесса в виде адаптивных семантических моделей позволяет обеспечивать

> индивидуальный темп обучения при реализации обратной связи;

> деятельностный подход при выборе решения задачи с учетом учебных ситуаций;

> связь новых понятий с существующими понятиями и представлениями, что улучшает понимание;

> осуществление глубокой обработки знаний, что повышает способность применять знания в новых ситуациях.

Приведенные выше сведения, соображения и рекомендации позволили систематизировать и обобщить основные методологические положения по представлению и контролю знаний в обучающих системах с использованием адаптивных семантических моделей.

1. Для представления и контроля знаний в системах обучения в качестве основных обеспечивающих эти задачи моделей целесообразно использовать адаптивные семантические модели, учитывая их возможности по более адекватному описанию взаимодействия различных понятий и разделов учебных дисциплин и их адаптацию к быстрому изменению содержания этих дисциплин и уровню знаний обучаемых.

2. Адаптивные семантические модели обеспечивают глубокую структуризацию изучаемых понятий и явлений предметной области, которая может быть представлена наглядно в виде сложных иерархических моделей, способных идентифицировать знания обучаемых и их способности, в полной мере использовать достижения современных систем искусственного интеллекта.

3. Основными этапами структуризации знаний при разработке адаптивных семантических моделей в большинстве случаев можно считать:

> определение входных и выходных данных;

> составление словаря терминов;

> выявление объектов и понятий;

> выявление связей между понятиями;

> выявление метапонятий и детализация понятий;

> построение пирамид знаний;

> определение отношений между понятиями;

> определение стратегии принятия решений.

4. При построении пирамид знаний должны использоваться наглядные материалы: рисунки, схемы, диаграммы, графики и др.; уровни пирамиды знаний чаще всего возникают в сознании обучаемых в виде наглядных образов.

5. Одним из основных методов структуризации знаний является психосемантика, которая позволяет исследовать структуры сознания через реконструкцию индивидуальной системы знаний, выявляя категориальные структуры сознания экспертов.

6. В связи с тем, что свойство наглядности адаптивных семантических моделей при использовании многоразмерных баз знаний и усложнением связей между ее объектами теряется, целесообразно использовать многоуровневые адаптивные семантические модели, в которых понятия и объекты предметной области располагаются на нескольких уровнях.

7. Основными источниками содержательной информации для образовательных АСМ должны являться:

> государственные образовательные стандарты;

> типовые (примерные) учебные планы;

> рекомендуемая Минобрнауки России учебная и учебно-методическая литература;

> материалы научно-методических, научно-практических конференций и выставок, обеспечивающих опережающее обучение студентов.

8. Разработку образовательных АСМ по конкретным учебным дисциплинам рекомендуется проводить в следующей последовательности:

> классификация понятий в предметной области;

> выделение общих свойств и признаков, присущих каждому уровню понятий;

> выделение отличительных признаков каждого уровня понятий;

> установление связей между понятиями, относящимися к одному уровню;

> выделение межуровневых и межпредметных связей.

9. Контроль знаний обучаемых на основе АСМ должен предполагать смысловую обработку их ответов и сравнение знаний обучаемых с данными образовательной адаптивной семантической модели, при этом может использоваться сеть запроса учебной информации и обеспечивается активизация учебной деятельности студентов и повышение объективности контроля их знаний.

10. Процедура синтеза тестов для контроля знаний обучаемых должна обеспечивать максимально возможную информацию о предметной области в ответах обучаемых при минимально возможном числе тестов.

О некоторых подходах к модернизации образовательных систем с использованием.

Литература

1. Шуклин Д. Е. Cerebrum: Сетевая объектно-ориентированная система управления базой знаний. / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shuklin.com/ai/ht/ru/ cerebrum/ , свободный (загрузка).

2. Соломатин Н. М. Информационные семантические системы. М. : Высшая школа, 1989. - 179 с.

3. Шихнабиева Т. Ш., Ахмадова Г. Ф. Об использовании адаптивных семантических моделей в экспертных системах экологического мониторинга // Научно-технический журнал «Мониторинг: наука и технологии», № 2, 2010. - С.61-67.