Моделирование и реализация адаптивной обучающей системы

Моделирование и реализация адаптивной обучающей системы

С.В. Пивнева, Тольяттинский государственный университет, доцент,

tlt. swetlana@rambler. ru С.С. Сытник, Тольяттинский государственный университет,

аспирант

Аннотация

В статье рассматривается разработка и реализация модели адаптивной обучающей системы с интеллектуальными компонентами. Описывается интеграция алгоритмов представления знаний, технологий и средств построения адаптивных управляющих средств в единую инструментальную среду обучения и контроля уровня знаний обучаемого.

Введение

В настоящее время все больше и больше внимания уделяется разработке эффективных учебно-методических ресурсов. К таким ресурсам можно отнести различные электронные образовательные ресурсы, включающие в свой состав электронные учебники, системы контроля знаний и т.д., и интеллектуальные обучающие системы.

Подобные средства обучения позволяют реализовать концепцию удаленного обучения и повысить эффективность учебной деятельности за счет индивидуализации обучения. Казалось бы, реализовать связку «один ученик и много учителей» в современных условиях образования практически невозможно. Однако, имеющийся опыт создания и использования компьютерных обучающих систем показал, что современные информационные технологии позволяют индивидуализировать процесс обучения и добиться высоких результатов [1]. Компьютерное обучение является альтернативой традиционным методам обучения, основанным на лекциях, практических и лабораторных занятиях. Различные исследования подтверждают факты эффективности компьютерного обучения, несмотря на то, что начальные затраты на организацию компьютерного обучения выше чем на традиционные технологии обучения.

Целью работы является разработка модели адаптивной обучающей системы с интеллектуальными компонентами. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи работы: • подбор инструментов программной реализации обучающих систем,

оценка их эффективности и возможного применения в рамках задач

интеллектуализации обучения;

• разработка модели адаптивного обучения позволяющей модифицировать учебный материал в зависимости от текущей успеваемости обучаемого;

• разработка модели обучаемого, позволяющей проводить оценивание, классификацию и хранение как текущих, так и заключительных знаний обучаемого;

• интеграция алгоритмов представления знаний технологий и средств построения адаптивных управляющих средств в единую инструментальную среду обучения и контроля уровня знаний обучаемого.

Разработка модуля интеллектуальной проверки ответа.

Учитывая, что разработка модели обучения ведется для обучающей системы по математике, целесообразно использовать модуль интеллектуальной проверки ответа. Под интеллектуальностью, подразумевается способность системы указывать на ошибку пользователя в веденном им ответе. Исходя из спецификации предметной области, задача «проверки ответов» сводится к задаче «проверка формул». Данный модуль будет использоваться при разработке режима №2.

Выделим 2-а основных алгоритма сопоставления формул.

1) Некоторые ошибки и неточности можно отсечь еще на визуальном уровне, что дает быструю реакцию на введенный некорректный ответ. Примером может служить ошибка, соответствующая сообщению «Не хватает операнда».

2) Следующий тип ошибок ошибки в алгебраической части формулы. При обнаружении данного вида ошибок, наиболее подходящим обрабатываемым типом данных является дерево.

Для сравнения двух формул сначала обе формулы - формула которую сравниваем и s2- с которой сравниваем (эталон)) подвергаются обработке. Последовательно удаляются все пробелы, если они есть, и строка формулы переводится в инфиксную запись.

Например: была запись префиксная cosx, стала инфиксная 1~x Затем, обе формулы проверяются на скобки, если в любой из двух есть лишняя скобка, то на этом сравнение останавливается, и система выдает соответствующее сообщение. После этого создаются деревья.

Если пользователем было введено некорректное выражение, то система выдаст соответствующее сообщение.

Все ошибки делятся на две группы. Общие и ошибки в алгебраической части формулы.

Поиск ошибок в алгебраической части начинается, только если ошибок общего типа не найдено.

К общим ошибкам относятся ошибки вида:

• У операции "п" нет операндов

• У операции "n" нет операнда слева

• У операции "n" нет операнда справа

• Недопустимая операция - деление на 0

• Лишняя скобка в формуле

Проверяется соответствие количества тех или иных операторов в одной формуле и в другой. Проходя по деревьям 2-х формул, проверяются 13 операторов и функций, а именно: '+'; '-' ; '*'; '/'; 'л'; '%'; sin; cos; exp; tg; ctg; ln; !

Например: эталон: x+y+3

введенный ответ: x-y*3

Система выведет следующие ошибки:

• Не хватает операций(функций) '+' в количестве: 2

• Лишние операции(функции) '-' в количестве 1

• Лишние операции(функции) '*' в количестве 1

Другими словами, это ошибки не сравнения формул, а ошибки, при которых даже не стоит и сравнивать формулы. Теперь опишем ошибки, которые распознает система в процессе детального сравнения формулы эталона и введенной формулы. Всего таких ошибок 9.

• Константа на месте переменной

• Константа на месте оператора/функции

• Константа не верна

• Переменная на месте константы

• Переменная на месте оператора/функции

• Переменная не верна

• Оператор/функция на месте переменной

• Оператор/функция на месте константы

• Неверный оператор/функция Например: эталон: x+y введенный ответ: 3+y

если например x+y а ответ 3+y

Система выведет следующее сообщение: 'Константа "3" на месте переменной "x"

При сравнении + и * выражения вида (x+y)*3 и 3*(y+x) считаются эквивалентными.

Разработанный анализатор формул используется во втором режиме обучения как вспомогательный механизм в процессе обучения. Перед прохождением тестирования, после изучения очередной темы, система будет предлагать пройти предварительное тестирование для собственного самоконтроля. При неверном ответе, система укажет на ошибку, тем самым дав ученику возможность скорректировать свои знания.

Разработка учебных курсов

На начальном этапе проектирования учебного курса планируемый для изучения учебный материал разбивают на отдельные учебные элементы.

Модель освоения учебного материала комплекса определяет последовательность его изложения в обучающей системе, варианты траекторий его изучения, логические связи. Так, как в системе функционирует 2-а режима, учебные курсы для каждого из режимов сформированы отдельно. В качестве учебного курса используется материал по теме «Производные». Весь учебный материал разобьем на 15 тем (например, приращение функции, геометрический смысл приращения, производная, и т.п.).

Разработка режима №1

Эта часть программы, предоставляет ученику возможность самостоятельного выбора темы или последовательности тем для изучения.

Режим ориентирован на самостоятельное обучение, он удобен в том случае, если ученик, будучи грамотным по всему курсу в совокупности, хочет изучить или повторить какую-то конкретную тему.

Система предоставит ему теоретический и проверочный материал по выбранной теме курса, а так же дает рекомендации по итогом прохождения тестовой составляющей обучения.

Структура 1-го режима представлена на рисунке 1.

Рис.1. Структура 1-го режима.

Разработка теоретического материала по темам курса

При подборе теоретического материала главными критериями были: понятность, наглядность, достаточно легкое в усвоении.

Также для первого режима для каждой темы был разработан дополнительный теоретический материал, который выдает система по необходимости после прохождения теста. Если ученик, не прочитав рекомендованный дополнительный материал, выйдет из системы, при повторном входе, система напомнит о неизученном дополнительном материале. Кнопка «Рекомендованная теория», будет мигать, пока ученик не ознакомится с материалом (рис. 2).

Учитывая, что данный режим в рамках самостоятельного обучения подразумевает свободную навигацию по курсу, система не может запретить изучение следующего материала ученику, получившему низкий балл по уже изученной теме.

Рис. 2. Рекомендованная теория

Система может только порекомендовать к изучению определенные темы курса и выдать дополнительный теоретический материал. Опять же читать, или не читать выданный материал ученик решает сам. Нужно отметить, что в случае, если ученик не прочитал дополнительный материал по одной теме, и, проходя обучение по другой, получает еще один дополнительный материал, то первый вторым не заменяется, а материалы накапливаются. При желании ученик может открыть вкладку «Рекомендованная теория» и из списка рекомендованных системой тем выбрать нужный (рис. 3). После изучения материала, пользователь может отметить тему как прочитанную, и она будет удалена из списка рекомендованных тем. Для возврата в главное меню, нужно нажать кнопку «Отмена».

Рис. 3. Дополнительный материал по теме

Разработка правил для экспертной системы

Учитывая результаты исследования в области уровня усвоения материала, изложенные раньше, мною были разработаны рекомендации, которые выдает экспертной система пользователю. С помощью них система получает возможность помогать пользователю в процессе обучения, реагируя на его поведения, и выдавая ему комментарии, полезные для улучшения эффективности его обучения. Выдает система рекомендации на основе правил.

Данный режим предполагает не только комментирование результатов тестирование с выбором дальнейшего пути обучения, но при необходимости (низких результатах) выдает дополнительный материал. Под дополнительным материалом подразумевается иной, не выдаваемый раньше материал по той же теме, по которой ученик получил низкий балл. Этот материал должен быть максимально понятен, с большим количеством примеров и объяснений. Д t - это разность между, временем отведенным системой на прохождение теста и временем затраченным пользователем на прохождение теста. N кол-во задний в тесте. В последней графе таблицы, указано решение ЭС, по вопросу предоставления дополнительного учебного материала.

Разработка тестовых заданий

Тестовый материал был подготовлен на основе различных источников.

Весь тестовый материал разбит на 15 тем. На все вопросы теста имеется по 4 ответа. Из них только один правильный.

На каждый тест заложено экспертное время, за которое обучаемый должен успеть ответить на вопросы. Все отклонения от выделенного времени фиксируются системой для дальнейшей выдачи рекомендаций и дополнительного материала. Для разных возрастных групп, предусмотрены разные временные интервалы.

После завершения тестирования система выдаст пользователю его результат, рекомендации по дальнейшей корректировке обучения и, при необходимости, теоретический материал.

Разработка режима 2

Этот режим подразумевает обучение под руководством экспертной системы. Изначально ученику присваивается «нормальная стратегия» обучения. В процессе обучения эта стратегия будет корректироваться.

Все события, происходящие во время обучения, фиксируются в базе данных результатов ученика. На их основе формируется план следующего урока.

После того, как упражнение выполнено, экспертная система дает ученику советы, объясняет текущую учебную ситуацию и предлагает упражнение.

В любой момент ученик имеет возможность отклониться от предлагаемой ему последовательности упражнений, но этот факт, а также все, что происходит во время таких отклонений, фиксируется в базе данных результатов ученика и будет использовано в дальнейшем экспертной системой при принятии решений.

Описание процесса обучения в режиме 2

При описании проблем классического обучения «Один учитель -много учеников», были выявлены отрицательные стороны, которых можно избежать используя механизмы индивидуализации процесса обучения. Речь идет о сценариях обучения, которые должны формироваться в системе.

Упомянутые выше параметры усвоения материала описывают яркую картину неэффективности учебного процесса, в котором предлагается последовательный курс обучения с фиксированным теоретическим и тестовым материалом. Учитывая индивидуальные способности к усвоению материала, целесообразно разработать различные курсы обучения.

Здесь, очень важно было выбрать наиболее эффективный метод формирования учебного курса. Первый вариант включает в себя конечное множество возможных сценариев обучения. Каждый сценарий представляет собой некоторую фиксированную последовательность теоретического материала и тестовых заданий. Выбор сценария осу-

ществляется с учетом индивидуальных особенностей обучаемого, выявленных на начальном этапе тестирования.

Второй вариант - это использование интеллектуальных технологий, которые позволяют редактировать процесс обучения на каждом новом шаге работы системы. Другими словами, нет никаких заранее сформированных сценариев обучения. Есть только стратегии обучения, которые могут меняться в зависимости от поведения ученика. Такое построение последовательности курса обучения означает обеспечение обучаемого индивидуально спланированной последовательностью уроков и учебных заданий.

Теперь конкретнее о формализации этих стратегий и шаблонов, которые взаимодействуют в системе.

Если уровень усвоения материала относительно временной шкалы разделить на тройку «быстро», «нормально» и «медленно», то и стратегии можно разбить на аналогичные группы.

Под стратегией подразумевается совокупность настроек процесса обучения: какой материал выдавать ученику, в каком количестве, в каком виде, какое время выделять на его изучение. Важно отметить, что стратегия определяется на каждом шаге обучения, после каждой контрольной точки (этап тестирования).

Разработка учебного курса

С учетом разного уровня знаний пользователей целесообразно разработать теоретический урок так, что бы «сильному» ученику не было скучно, а «слабому» было все понятно. Поэтому для каждой из стратегий был разработан соответствующий теоретический материал

Для 1-ой стратегии материал излагается с упором на формулы и решения, для 2-ой стратегии материал подобран более подробный, с дополнительными объяснениями, для 3-ей стратегии предусмотрено еще более подробное представление материала с большим количеством примеров, объяснений.

При подборе теоретического материала главными критериями были: понятность, наглядность, легкость усвоения. Весь учебный материал разбит на 10 тем.

Разработка тестовых заданий

В соответствии с теоретическим материалом разрабатывался тестовый материал. Учитывая разный уровень знаний обучаемых, их подготовленность были разработаны 3-и уровня тестирования. Каждый уровень соответствует стратегии обучения. В зависимости от стратегии определяется количество вопросов теста, их сложность.

Для каждого теста предусмотрено экспертное время, в течение которого обучаемый должен успеть ответить на вопросы. Все отклонения

от выделенного времени фиксируются системой для дальнейшей выдачи рекомендаций и дополнительного материала. Для разных возрастных групп предусмотрены разные временные интервалы.

Разработка правил формирования стратегий.

После изучения каждой темы системе требуется определить уровень усвоения материала и скорректировать при необходимости план следующего урока.

Перечислим факторы, влияющие на формирование стратегии. Указанные выше результаты, выявляющие зависимость возрастной характеристики от уровня усвоения информации, позволяют включить возраст в множество факторов формирующих стратегию.

Для имеющихся трех стратегий (быстрая, нормальная, медленная: 1,2,3 - соответственно) были разработаны правила их формирования. Начнем с определения параметров.

На формирование стратегии обучения влияют следующие факторы:

• количество ошибок,

• время, затраченное на тест,

• использование дополнительных возможностей при прохождении теста,

• возраст обучаемого.

Ошибки были поделены на три группы. В таблице 3 количество ошибок обозначается М, п - это кол-во заданий в тесте. Дt - это разность между временем, затраченным на прохождение теста, и временем назначенном экспертной системой для прохождение теста. S-это количество обращений к справочной литературе.

Формирование шаблонов.

Как уже было упомянуто выше, после каждого этапа тестирования, корректируется стратегия и определяется шаблон обучения. Определяется он на основе стратегии, которая была присвоена на предыдущем этапе и стратегией присвоенной на текущем этапе.

Присвоив стратегии порядковый номер, разработаем шаблоны, которые будут соответствовать процессам изменения стратегий обучения. В графе «условия формирования шаблона» приведены изменения, которые возможны при пересмотре стратегий в каждый конкретный моменте обучения.

Экспертная система.

Сформировав шаблоны процесса обучения, система выбирает тактику для дальнейшего обучения. Реакции ЭС на поведение ученика представлены в таблице 1.

Табл. 1. Реакции системы на поведение ученика

Номер шаблона Комментарий

• Учебный материал усваивается. ЭС: Продолжить обучение по текущей стратегии.

• Уровень усвоение материала падает. ЭС: Если время обучения t(общее)>= 60 мин. - Предложить ученику завершить урок. Следующий этап обучения начать с повторения предыдущего материала. Выдача доп.материала ->тестирование Если время обучения t(общее)<60 мин - Предоставить доп. материал по пройденной теме, продолжить обучение по выбранной стратегии

• Ученик устал. Учебный материал усвоен плохо. ЭС: Полностью повторить предыдущий материал или закончить урок. Тему считать не пройденной. Следующий этап обучения начать с повторения предыдущего материала. Выдача доп.материала ->тестирование

• Уровень обучения растет ЭС: Повысить уровень обучения на п+1

• Уровень усвоение материала падает. ЭС: Если время обучения t(общее)>= 60 мин. - Предложить ученику завершить урок. Следующий этап обучения начать с повторения предыдущего материала. Выдача доп.материала ->тестирование Если время обучения t(общее)<60 мин - Предоставить доп. материал по пройденной теме, продолжить обучение по выбранной стратегии

• Уровень обучения растет ЭС: Повысить уровень обучения на п+2

• Уровень обучения растет ЭС: Повысить уровень обучения на п+1

Учитывая, что в данном режиме обучения в качестве тестирования используется адаптивный механизм на основе иерархической модели контроля знаний, опишем правила формирования тестовых заданий, условий перехода от вопроса к вопросу и реакций системы на поведение пользователя. Основная задача при проектировании модуля тестирования - обеспечение валидности контроля знаний. Поэтому при разработке был создан не единый монолит вопросов различных типов, а не-

сколько множеств вопросов, каждое из которых относится к определенной теме. Если обучаемый неправильно ответил на вопрос, то появляется возможность определить, знает он тему в целом, или же его пробел в знаниях касается только одного сегмента темы. Для этого формируется множество дополнительных вопросов по той же теме.

Если время обучения ученика ^общее)>= 60 мин. и его результаты обучения очень низкие, система предложит ученику завершить урок. Следующий этап обучения система начнет с повторения предыдущего материала. Заметим, что материал будет выдаваться уже другой, но по той же самой теме. Подразумевается, что будет выдаваться материал более «низкой» стратегии.

4.7. Вывод сообщения пользователю

В зависимости от результатов тестирования система будет выдавать на каждом этапе обучения свои рекомендации, которые ученик должен выполнять для повышения эффективности процесса обучения.

Сообщения системы, формируются в зависимости от шаблона обучения. Другими словами, в зависимости от «улучшения» или «ухудшения» своей стратегии ученик получает соответствующие сообщения. Эти сообщения приведены ниже в таблице 2.

Табл. 2. Сообщения выдаваемые пользователю.

Номер Сообщение

4. Поздравляем с успешным изучением урока!

5. *Если время обучения t(общее)>= 60 мин. - Вы допустили п - ошибок. На сегодня обучение лучше завершить. Следующий этап обучения начнется с повторения предыдущего материала. *Если время обучения t(общее)<60 мин - Вы допустили п - ошибок. Пожалуйста, будьте внимательнее при выборе ответа на вопрос. Изучите, пожалуйста, внимательно еще раз материал по данной теме.

6. Пожалуйста, будьте внимательнее при выборе ответа на вопрос. Изучите, пожалуйста, внимательно еще раз материал по данной теме.

7. Поздравляем с успешным изучением урока!

8. *Если время обучения ^общее)> = 60 мин. - Вы допустили п - ошибок. На сегодня обучение лучше завершить. Следующий этап обучения начнется с повторения предыдущего материала. *Если время обучения t(общее)<60 мин - Вы допустили п - ошибок. Пожалуйста, будьте внимательнее при выборе ответа на вопрос. Изучите, пожалуйста,

внимательно еще раз материал по данной теме.

9. Поздравляем с успешным изучением урока!

10. Поздравляем с успешным изучением урока!

4.8. Дополнительные возможности режима

Данный режим предоставляет ученику дополнительные возможности, направленные на улучшения процесса обучения.

В режиме тестирования ученику доступна опция «обращение к справочнику», причем для удобства использования он автоматически открывается на «нужной теме», т.е. на теме, по которой ученик в данный момент проходит тестирование. Это экономит время, которое ученик потратил бы на поиск нужной информации, но с другой стороны, не лишает его возможности по необходимости обратиться к материалам других тем. Во время обращения к справочнику время на прохождение теста не приостанавливается.

Также ученику доступна опция «Анализатор ответа». Не усвоив что-то в рамках темы, ученик может постоянно допускать одну и ту же ошибку. Анализатор ответа может указать на ошибку (если введенный ответ похож на правильный ответ), тем самым ученик может исправить свою ошибку, допущенную при невнимательности. Например, ученик невнимательно прочел материал, и в формуле, используемой для вычисления, перепутал знак. Воспользоваться этим модулем ученик может по собственному желанию.

Например, после ознакомления с теоретическим материалам, до прохождения теста, ученик может проверить себя и воспользоваться модулем анализатора ответа. В рамках модуля «Анализатор ответа» ученик имеет 5 попыток. При неудачном исходе система рекомендует:

• Если время обучения ^общее)>= 60 мин. - «На сегодня обучение лучше завершить. Следующий этап обучения начнется с повторения предыдущего материала».

• Если время обучения t(общее)<60 мин. - «Пожалуйста, будьте внимательнее при выборе ответа на вопрос. Изучите, пожалуйста, внимательно еще раз материал по данной теме». Выдача материала.

• При удачном исходе - возврат к тестированию.

Заключение

В ходе проведенных исследований были решены следующие задачи:

• разработка модели адаптивного обучения, учитывающей индивидуальные особенности обучаемого и позволяющей автоматически модифицировать учебный процесс в зависимости от его способностей и текущей успеваемости;

• разработка стратегией обучения как совокупности настроек процесса обучения:

a) уровень сложности материала, выдаваемого ученику,

b) объем выдаваемого материала,

c) время, выделяемое на его изучение;

• разработка модели обучаемого:

d) изучаемые темы,

e) результаты тестирования по каждой теме, 1) уровни обучения по каждой теме,

g) количество обращений к справочной литературе по каждой теме,

К) время, затраченное на тестирование по каждой теме;

• формирование шаблонов обучаемого и их применения для корректировки процесса обучения;

• разработка продукционных правил ЭС, которые на основе модели обучаемого формируют и корректируют стратегии обучения;

• разработка адаптивных механизмов тестирования:

О анализатор ответов обучаемого,

j) автоматический подбор группы вопросов (на основе стратегий

обучения и ответов обучаемого), к) автоматический подбор количества вопросов теста (на основе ответов обучаемого);

• разработка учебного материала

1) формирование блоков теоретического материала нескольких

уровней, соответствующих разным стратегиям обучения, т) формирование блоков тестов нескольких уровней, соответствующих разным стратегиям обучения, п) разработка дополнительного материала, используемого ЭС в случае низкого уровня обучения.

Литература

1. В.М. Глушань, В.В.Марков, Р.М. Романов «Компьютерные обучающие си-

стемы с адаптацией к психо-эмоциональному состоянию обучаемого», http://www.mgopu.ru/JOURNAL/15_g1ushan.doc

2. Цибульский Г.М., Герасимова Е.И., Ерошин В.В «Модели обучения автома-

тизированных обучающих систем» // Сетевой электронный научный журнал "Системотехника", 2004 г. http://systech.miem.edu.ru/2004/n2/Cibu1skiy.htm

3. Горбатюк Н.В. , Божич В. И. «Интеллектуальная система компьютерного

обучения»

4. В.Батищев, С.П.Котова, П.О.Скобелев. «Мультиагентный подход для разви-

тия системы дистанционного обучения.

5. Плещёв В.В. «Адаптивное образование в области программирования и баз

данных: методология и методическое обеспечение» // Вестник УГТУ-УПИ, 2005. № 6

6. Кудрявцев В.Б., Вашик К., Строгалов А.С., Алисейчик П.А., Перетухин В.В.

Компьютерная система обучения автоматного типа, М.: РГГ, 1996. С.111