Экспертные системы тестирования
Назначение и архитектура экспертных систем, их применение в сфере образования. Экспертные системы тестирования, принципы их функционирования. Инструментальные средства создания приложения и разработка программы тестирования. Описание программы, листинг.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.05.2012 |
| Размер файла | 706,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
По способу учета временного признака экспертные системы могут быть статическими, квазидинамическими или динамическими.
Статические системы решают задачи при неизменяемых в процессе решения данных и знаниях, динамические системы допускают такие изменения. Статические системы осуществляют монотонное непрерываемое решение задачи от ввода исходных данных до конечного результата. Статические ЭС разрабатываются в предметных областях, в которых база знаний и интерпретируемые данные не меняются во времени. Они полностью стабильны. Пример: Диагностика неисправностей в автомобилях.
Динамические системы предусматривают возможность пересмотра в процессе решения полученных ранее результатов и данных. Динамические ЭС могут работать в сопряжении с датчиками объектов в режиме времени с непрерывной интерпретацией поступаемых данных. Пример: управление гибкими производственными комплексами, мониторинг в реанимационных палатах и т.д.
Квазидинамические ЭС интерпретируют ситуацию, которая меняется с некоторым фиксированным интервалом времени (например, микробиологические ЭС, в которых снимаются лабораторные измерения с технологического процесса один в 4 - 5 ч и анализируется динамика полученных показателей по отношению к предыдущему измерению).
По видам используемых данных и знаний экспертные системы классифицируются на системы с детерминированными (четко определенными) знаниями и неопределенными знаниями. Под неопределенностью знаний (данных) понимается их неполнота (отсутствие), недостоверность (неточность измерения), двусмысленность (многозначность понятий), нечеткость (качественная оценка вместо количественной).
По числу используемых источников знаний экспертные системы могут быть построены с использованием одного или множества источников знаний. Источники знаний могут быть альтернативными (множество миров) или дополняющими друг друга (кооперирующими).
В соответствии с перечисленными признаками классификации, как правило, выделяются следующие основные классы экспертных систем, таблица 4.
Таблица 4 - Основные классы экспертных систем
|
Анализ |
Синтез |
|||
|
Детерминированность знаний |
Классифицирующие |
Трансформирующие |
Один источник знаний |
|
|
Неопределенность знаний |
Доопределяющие |
Многоагентные |
Множество источников знаний |
|
|
Статика |
Динамика |
Примечание - [составлено автором]
Классы экспертных систем, классифицирующие экспертные системы. К аналитическим задачам прежде всего относятся задачи распознавания различных ситуаций, когда по набору заданных признаков (факторов) выявляется сущность некоторой ситуации, в зависимости от которой выбирается определенная последовательность действий. Таким образом, в соответствии с исходными условиями среди альтернативных решений находится одно, наилучшим образом удовлетворяющее поставленной цели и ограничениям.
Экспертные системы, решающие задачи распознавания ситуаций, называются классифицирующими, поскольку определяют принадлежность анализируемой ситуации к некоторому классу. В качестве основного метода формирования решений используется метод логического дедуктивного вывода от общего к частному, когда путем подстановки исходных данных в некоторую совокупность взаимосвязанных общих утверждений получается частное заключение.
Доопределяющие экспертные системы. Более сложный тип аналитических задач представляют задачи, которые решаются на основе неопределенных исходных данных и применяемых знаний. В этом случае экспертная система должна как бы доопределять недостающие знания, а в пространстве решений может получаться несколько возможных решений с различной вероятностью или уверенностью в необходимости их выполнения. В качестве методов работы с неопределенностями могут использоваться байесовский вероятностный подход, коэффициенты уверенности, нечеткая логика. Доопределяющие экспертные системы могут использовать для формирования решения несколько источников знаний. В этом случае могут использоваться эвристические приемы выбора единиц знаний из их конфликтного набора, например, на основе использования приоритетов важности, или получаемой степени определенности результата, или значений функций предпочтений и т.д.
Для аналитических задач классифицирующего и доопределяющего типов характерны следующие проблемные области:
Интерпретация данных - выбор решения из фиксированного множества альтернатив на базе введенной информации о текущей ситуации. Основное назначение - определение сущности рассматриваемой ситуации, выбор гипотез, исходя их фактов. Под интерпретацией понимается определение смысла данных, результаты которого должны быть согласованными и корректными. Пример: Обнаружение и идентификация различных типов океанских судов - SIAP; экспертная система анализа финансового состояния предприятия.
Диагностика - выявление причин, приведших к возникновению ситуации. Требуется предварительная интерпретация ситуации с последующей проверкой дополнительных фактов (например, выявление факторов снижения эффективности производства). В своём роде это обнаружение неисправностей в некоторой системе, т.е. поиск отклонений от нормы, как в технических, так и в живых организмах. Пример: диагностика и терапия сужения коронарных сосудов - ANGY;
диагностика ошибок в аппаратуре и математическом обеспечении ЭВМ - система GRIP
Коррекция - диагностика, дополненная возможностью оценки и рекомендации действий по исправлению отклонений от нормального состояния рассматриваемых ситуаций.
Трансформирующие экспертные системы. В отличие от аналитических статических экспертных систем синтезирующие динамические экспертные системы предполагают повторяющееся преобразование знаний в процессе решения задач, что связано с характером результата, который нельзя заранее предопределить, а также с динамичностью самой проблемной области.
В качестве методов решения задач в трансформирующих экспертных системах используются разновидности гипотетического вывода:
генерации и тестирования, когда по исходным данным осуществляется генерация гипотез, а затем проверка сформулированных гипотез на подтверждение поступающими фактами;
предположений и умолчаний, когда по неполным данным подбираются знания об аналогичных классах объектов, которые в дальнейшем динамически адаптируются к конкретной ситуации в зависимости от ее развития;
использование общих закономерностей (метауправления) в случае неизвестных ситуаций, позволяющих генерировать недостающее знание.
Многоагентные системы. Для таких динамических систем характерна интеграция в базе знаний нескольких разнородных источников знаний, обменивающихся между собой получаемыми результатами на динамической основе, например, через "доску объявлений" на рисунке 4.
Примечание - [составлено автором]
Рисунок 4 - “Доска объявлений”
Для многоагентных систем характерны следующие особенности:
Проведение альтернативных рассуждений на основе использования различных источников знаний с механизмом устранения противоречий;
Распределенное решение проблем, которые разбиваются на параллельно решаемые подпроблемы, соответствующие самостоятельным источникам знаний;
Применение множества стратегий работы механизма вывода заключений в зависимости от типа решаемой проблемы;
Обработка больших массивов данных, содержащихся в базе данных;
Использование различных математических моделей и внешних процедур, хранимых в базе моделей;
Способность прерывания решения задач в связи с необходимостью получения дополнительных данных и знаний от пользователей, моделей, параллельно решаемых подпроблем.
Для синтезирующих динамических экспертных систем наиболее применимы следующие проблемные области:
Проектирование - определение конфигурации объектов с точки зрения достижения заданных критериев эффективности и ограничений. Состоит в подготовке спецификаций на создание "объектов" с заранее определёнными свойствами. Пример: проектирование бюджета предприятия или портфеля инвестиций; синтез электрических цепей - SYN.
Прогнозирование - предсказание последствий развития текущих ситуаций на основе математического и эвристического моделирования. Логически выводят вероятные следствия из заданных ситуаций. В прогнозирующей системе обычно используется параметрическая динамическая модель, в которой значение параметров "подгоняются" под заданную ситуацию. Пример: предсказание погоды - система WILLARD; прогнозы в экономике - ECON, прогнозирование трендов на биржевых торгах.
Диспетчирование - распределение работ во времени, составление расписаний, например, планирование графика освоения капиталовложений.
Планирование - выбор последовательности действий пользователей по достижению поставленной цели. Нахождение планов действий, относящихся к объектам, способным выполнять некоторые функции, а также используются модели поведения реальных объектов. Пример: планирование промышленных заказов - ISIS; планирование эксперимента - MOLGEN, планирование процессов поставки продукции.
Мониторинг - слежение за текущей ситуацией с возможной последующей коррекцией. Основная задача мониторинга - непрерывная интерпретация данных в реальном масштабе времени и сигнализация о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы. Для этого выполняется диагностика, прогнозирование, а в случае необходимости планирование и коррекция действий пользователей, например, мониторинг сбыта готовой продукции. Пример: помощь диспетчерам атомного реактора - REACTOR; контроль аварийных датчиков на химическом заводе - FALCON.
Управление - мониторинг, дополненный реализацией действий в автоматических системах, например, принятие решений на биржевых торгах.
Обучение - диагностируют ошибки при изучении какой - либо дисциплины с помощью ЭВМ и подсказывают правильные решения. Кроме того, они планируют акт общения с обучаемым в зависимости от успехов обучаемого с целью передачи знаний. Пример: система PROUST - обучение языку Паскаль
Классификация по степени интеграции с другими программами.
Автономные ЭС работают непосредственно в режиме консультаций с пользователем для специфически "экспертных" задач, для решения которых не требуется привлекать традиционные методы обработки данных (расчёты моделирование и т.д.)
Гибридные ЭС представляют программный комплекс, агрегирующий стандартные пакеты прикладных программ (например, математическую статистику, линейное программирование или системы управления базами данных) и средства манипулирования знаниями.
Несмотря на большую выгодность гибридных ЭС их создание и разработка является более сложной задачей нежели автономных ЭС.
1.5 Инструментальные средства разработки экспертных систем
Различают следующие типы инструментальных средств разработки ЭС:
1. языки программирования;
2. языки представления знаний (языки инженерии знаний);
3. средства автоматизации разработки (проектирования);
4. оболочки ЭС.
Указанные типы инструментальных средств перечислены в порядке убывания эффективности, требуемой квалификации пользователя и трудозатрат, необходимых для создания ЭС. Действительно, при использовании инструментальных средств первого типа в задачу разработчика входит программирование всех компонентов ЭС на языке довольно низкого уровня. Использование инструментальных средств второго типа позволяет значительно повысить уровень языка, что, как правило, приводит к некоторому снижению эффективности. Инструментальные средства третьего типа позволяют разработчику не программировать все или часть компонентов ЭС, а выбирать их из заранее составленного набора. При применении инструментальных средств четвертого типа разработчик ЭС полностью освобождается от работ по созданию программ, так как берет готовую пустую ЭС.
Поэтому прототипы ЭС создаются с помощью оболочек или средств автоматизации разработки, т.к. основная цель на этой фазе - минимизация трудозатрат, а промышленные или коммерческие ЭС - на языках представления знаний или языках программирования, обеспечивающих более высокую эффективность.
Оболочки ЭС ориентированы на работу с пользователем-непрофессионалом в области программирования. Основным свойством оболочек является то, что они содержат все компоненты ЭС в готовом виде и их использование не предполагает программирования, а сводится лишь к вводу в оболочку знаний о проблемной области. Каждая оболочка характеризуется фиксированным способом представления знаний, организации вывода и функционирования компонентов, которые будут использоваться во всех приложениях, где будет применяться оболочка.
Желание предоставить разработчику ЭС разнообразные средства для учета особенностей приложения привело к объединению в рамках одной системы различных методов решения задач, представления и интерпретации знаний. В их состав могут входить средства модифицирования функционирования оболочки, набор компонентов, позволяющих конструировать собственные оболочки, средства комплексирования компонентов в виде языка высокого уровня, развитый графический интерфейс с пользователем. Подобные средства называют средствами автоматизации разработки (проектирования) ЭС. Они обычно позволяют представлять предметную область в виде сложной структуры, состоящей из произвольного числа понятий. Необходимость выбора средств, анализа их возможностей, модификации их функционирования и т.д. требует от пользователя специальных знаний в области ИИ.
Таким образом, в этом разделе рассмотрены общие сведения об экспертных системах, их назначение и архитектура, использование, приведены примеры известных классических экспертных систем, представлена классификация экспертных систем.
2. Компьютерные обучающие системы
2.1 Основные принципы новых информационных технологий обучения
Как уже неоднократно отмечалось, создание н совершенствование компьютеров привело и продолжает приводить к созданию новых технологий в различных сферах научной и практической деятельности. Одной из таких сфер стало образование - процесс передачи систематизированных знаний, навыков и умений от одного поколения к другому. Будучи само по себе мощной информационной сферой и владея опытом использования раздичных классических (не компьютерных) информационных систем, образование быстро откликнулось на возможности современной техники. На наших глазах возникают нетрадиционные информационные системы, связанные с обучением; такие системы естественно называть информационно-обучающими.
С началом промышленного изготовления компьютеров первых поколений и их появленнем в образовательных учреждениях возникло новое направление в педагогике - компьютерные технологии обучения. Первая обучающая система Рlatо на основе мощной ЭBМ фирмы "Соntrol Data Соrроrаtіоn" была разработана в США в конце 50-х годов и развивалась в течение 20 лет. По-настоящему массовыми создание и использование обучающих программ стали с начала 80-х годов, когда появились и получили широкое распространение персональные компьютеры. С тех пор образовательные применения ЭВМ выдвинулись в число их основных прнменений наряду с обработкой текстов и графики, оттеснив на второй план математические расчеты.
С появлением примеров компьютерного обучения к созданию компьютерных обучающих программ приобщились десятки тысяч педагогов - специалистов в различных областях знания, чаще всего в технических науках. В разрабатываемых ими программах, опираясь в основном на интуицию и практический опыт, они воплощали свои представнения о преподавании конкретных дисциплин с помощью компьютеров. Педагоги-теоретики долгое время оставались в стороне от этого нового направления в обучеиии. В результате до сих пор отсутствует общепризнанная психолого-педагогическая теория компьютерного обучения; компьютерные обучающие программы продолжают создаваться и применяться без необходимого учета принципов и закономерностей обучения.
Благодаря своим конструктивным и функциональным особенностям современный персональный компьютер является уникальной по своим возможностям обучающей машиной. Он находит применение в обучении самым разнообразным дисциплинам и служит базой для создания большого числа новых информационных технологий обучения. Какие же особенности персонального компьютера так выгодно отличают его от прежде известных обучающих машин и технических средств обучения?
Это не столько какая-то одна возможность персонального компыотера, сколько сочетание:
интерактивного (диалогового) режима работы (действие человека - реакция компьютера-. - действие человека-реакция компьютераи т.д.);
"персональности" (небольшие размеры и стоимость, позволяющие обеспечить компьютерами целый класс);
хороших графических, иллюстративных возможностей (экраны распространенных модификаций имеют разрешающую способность 640x480 точек при 16 млн. цветовых оттенков - это качество хорошего цветного телевизора или журнальной иллюстрации);
простоты управления, наличия гибких языков программирования человеко-машинного диалога и компьютерной графики;
легкости регистрации и хранения информации о процессе обучения и работе учащегося, а также возможности копирования и размножения обучающих программ.
Технические возможности персонального компьютера, если компьютер используется как обучающее средство, позволяют
активизировать учебный процесс;
индивидуализировать обучение;
повысить наглядность в предъявлении материала;
сместить акценты от теоретических знаний к практическим;
повысить интерес учеников к обучению.
Активизация обучения связана с диалоговым характером работы компьютера и с тем, что каждый учащийся работает за своим компьютером. При традиционном классном обучении основное - это восприятие учащимися информации в устной форме, при этом ученику не часто приходится проявлять активность на уроке и учитель не в состоянии организовать и контролировать активную работу каждого обучаемого на его рабочем месте. Поэтому традиционное обучение, в основном, является пассивным - многие педагоги сетуют, что на уроке активно работают 20 - 30% учащихся. Если же обучение ведется в компьютерном классе, компьютер диалоговым характером своей работы стимулирует ученика к деятельности. и контролирует ее результаты.
Индивидуализация обучения при использовании компьютера также связана с интерактивным характером работы с компьютером и наличием компьютеров на рабочих местах: каждый ученик теперь может сам выбирать темп обучения, делать в работе паузы. Более глубокий и тонкий учет индивидуальных особенностей учащихся может осуществлять компьютерная программа, с помощью которой ведется обучение (педагогическое программное средство, сокращенно ППС). С помощью начального теста программа может определить уровень обученности ученика, и в соответствии с этим уровнем предъявлять теоретический материал, вопросы и задачи, а также подсказки и помощь. Обучение слабых учеников программа ведет на самом легком (базовом) уровне, изложение теоретических сведений максимально упрощено, вопросы и задачи облегчены, помощь имеет характер прямой подсказки. Обучение сильных учеников ведется на наиболее сложном уровне, теория излагается углубленно, предлагаются творческие задачи, требующие изобретательности и интуиции, а помощь имеет косвенный характер - намека или наводящего на правильный путь соображения. Между этими крайними случаями обучающая программа может учитыаать более тонкую традацию подготовленности учащихся.
Каждый ученик в процессе обучения сталкивается с трудностями индивидуального характера, связанными с наличием пробелов в знаниях или особенностями мышления. При обучении с помощью компьютера обучающая программа может диагностироватъ пробелы в знаниях ученика, его индивидуальные особенности и строить обучение в соответствии с ними.
Графические возможности дисплеев персональных компьютеров и гибкие языки программирования позволяют сделать компьютерное обучение очень наглядным. В самом деле, теперь на каждом рабочем месте ученика имеется телевизор - дисплей, на экране которого с помощью языка программирования можно без всякой кино - и видеосъемки показывать геометрические фигуры и построения, стилизованные изображения реальных объектов и т.п. - и все это как статически (т.е. неподвижно), так и динамически, в движении. С помощью компьютерной графики можно сделать зримыми или, как еще говорят, визуализировать такие явления и процессы, которые не могут быть увидены в действительности (тем более в условиях школьного класса), можно создать наглядный образ того, что на самом деле никакой наглядности не имеет (например, эффектов теории относительности, закономерностей числовых рядов и т.п.). На этой возможности компьютеров основывается, так называемая, когнитивная компъютерная графика - особое направление применения компьютеров в научных исследованиях, когда иллюстративные возможности компьютера используются для изучения различных закономерностей.
Всегда остро стоит вопрос о соотношении теории и практики применительно к научному знанию, обучению и т.д. (на это обращал внимание еще гетевский Мефистофель: "Суха теория, мой друг, но древо жизни вечно зеленеет"). Традиционное обучение является преимущественно теоретическим. Классно-урочная форма обучения исподволь, незаметно подталкивает каждого педагога в отдельности и всю систему образования в целом к усилению теоретической стороны обучения в ущерб практической. В самом деле, любому педагогу излагать теоретические знания у доски и требовать от учеников воспроизведения этого изложения значительно легче, чем организовывать ориентированную на практику работу учащихся. Если же вести обучение с помощью компьютера, оно приобретает практический уклон: диалоговый характер работы с компьютером, его вычислительные моделирующие возможности предрасполагают к обучению в форме решения задач (и к тому же задач практической направленности).
Важным условием успешного обучения является интерес учеников и изучаемому предмету, ходу обучения и его результату. Этот интерес связан со множеством факторов: содержанием изучаемого предмета, уровней его сложности, организацией процесса обучения, системой поощрений и наказаннй, применяемой учителем, личностными качествами самого учителя (его мастерством и интересом к предмету), системой ценностей ученика, его ближайшего окружения, родителей, взаимоотношениями в классном коллективе, социальным заказом в подготовке по направлению науки, представляемому данным предметом. В последнее десятилетие действует очень настоятельный социальный заказ в отношении всего, что связано с компьютерами (в подготовке специалистов по компьютерам и их применению, в развитии компьютерных технологий, в распространении компьютерной грамотности - умению использовать компьютер для решения разнообразных прикладных задач в различных сферах профессиональной деятельности).
Действию скрытого социального заказа мы обязаны появлением большого числа "компьютерных" талантов и дарований. Сфера деятельности, связанная с компьютером, непосредственная работа на компьютере сама по себе обладает привлекательными чертами, втягивает в себя людей. Существует даже особая категория людей ("хакеров"), увлекшихся сложными и тонкими вопросами управления компьютерами, программированием различных компьютерных эффектов. В некоторых случаях можно говорить даже о возникновении психологической зависимости человека от компьютера - настолько велико мотивирующее влияние компьютера.
Компьютерная технология повышает интерес к обучению предметам, не связанным с информатикой. Новое в организации учебного процесса с участием компьютера, само изменение характера работы ученика на уроке способствуют повышению интереса к учебе. В то же время, более тонкое использование возможностей компьютера позволяет, управлять мотивацией учеников во время компьютерного обучения. Здесь имеются в виду, в первую очередь, мотивирующие реплики обучающих программ, т.е. фразы, в которых обучающая программа оценивает работу ученика и стимулирует дальнейшее обучение. Эти фразы могут иметь неформальный характер с оттенком юмора и создавать теплую партнерскую эмоциональную атмосферу при работе с компьютером. Важное значение имеют элементы игры, состязательности в компьютерном обучении (например, подсчет очков и сравнение достижений различных учеников) или звуковые и зрительные эффекты (звучание музыкальных мелодий, мигание и цвета на экране дисплея).
Вот далеко неполный арсенал возможностей компьютера, делающих его очень перспективным для использования в учебном процессе обучающим средством.
Итак, компьютеры - эти уникальные по своим возможностям обучающие машины - установлены в классе. И тут выясняется, что не понятно, как к этим компьютерам подступиться, т.е. говорить о компьютерном обучении еще рано. Как быть, с чего начать переход к компьютерному обучению?
Ответ таков: "с подбора обучающих программ и продумывания организационных форм их применения, с разработки методик, использующих возможности компьютера в обучении". Нельзя рассматривать компьютер в обученни (да и в других сферах тоже) отдельно, сам по себе, в отрыве от
а) программного обеспечения - педагогических программных средств;
б) организационных форм использования компьютеров.
В настоящее время существует огромное множество обучающих программ по самым разным предметам, ориентированных на самые различные категории; учащихся, начиная контингентом детских садов и кончая персоналом атомных электростанций. Кроме того, каждая из программ предназначена только для одного типа компьютеров - а ведь этих типов великое множество - и не годится для других!
2.2 Типы обучающих программ
Основанием для классификации служат обычно особенности учебной деятельности обучаемых при работе с программами. Многие авторы выделяют четыре типа обучающих программ:
тренировочные и контролирующие;
наставнические;
имитационные и моделирующие;
развивающие игры.
Программы 1-го типа (тренировочные) предназначены для закрепления умений и навыков. Предполагается, что теоретический материал уже изучен. Эти программы в случайной последовательности предлагают учащемуся вопросы и задачи и подсчитывают количество правильно и неправильно решенных задач (в случае правильного ответа может выдаваться поощряющая ученика реплика). При неправильном ответе ученик может получить помощь в виде подсказки.
Программы 2-го типа (наставнические) предлагают ученикам теоретический материал для изучения. Задачи и вопросы служат в этих программах для организации человеко-машинного диалога, для управления ходом обучения. Так если ответы, даваемые учеником, неверны, программа может "откатиться назад" для повторного изучения теоретического материала.
Программы наставнического типа являются прямыми наследниками средств программированного обучения 60-х годов в том смысле, что основным теоретическим источником современного компьютерного или автоматизированного обучения следует считать программированное обучение. В публикациях зарубежных специалистов и сегодня под термином "программированное обучение" понимают современные компьютерные технологии. Одним из основоположников концепции программированного обучения является американский психолог Б.Ф. Скиннер.
Главным элементом программированного обучения является программа, понимаемая как упорядоченная последовательность рекомендаций (задач), которые передаются с помощью дидактической машины или программированного учебника и выполняются обучаемыми. Существует несколько известных разновидностей программированного обучения.
1. Линейное программированное обучение. Основатель - Б.Ф. Скиннер, профессор психологии Гарвардского университета, США. Впервые выступил со своей концепцией в 1954 г. При ее создании Скиннер опирался на бихевиористскую психологию, в соответствии с которой обучение основано на принципе S-R, т.е. на появлении некоторых факторов (S - stimulus) и реакции на них (R - reaction). По этой концепции для любой реакции, соответственно усиленной, характерна склонность к повторению и закреплению. Поощрением для обучаемого является подтверждение программой каждого удачного шага, причем, учитывая простоту реакции, возможность срвершения ошибки сводится к минимуму.
Линейная программа в понимании скиннера характеризуется следующими особенностями:
дидактический материал делится на незначительные дозы, называемые шагами, которые обучаемые преодолевают относительно легко, шаг за шагом;
вопросы, содержащиеся в отдельных рамках программы, не должны быть очень трудными, чтобы обучаемые не потеряли интереса к работе;
обучаемые сами дают ответы на вопросы, привлекая для этого необходимую, информацию;
в ходе обучения учащихся сразу же информируют о том, правильны или ошибочны их ответы;
все обучаемые проходят по очереди все рамки программы, но каждый делает это в удобном ему темпе;
во избежание механического запоминания информации одна и та же мысль повторяется в различных вариантах и нескольких рамках программы.
2. Разветвленная программа. Автор концепции разветвленного программирования - Норман А. Кроудер. Разветвленная программа основана на выборе одного правильного ответа из нескольких данных, она ориентирует на текст многократного выбора. По мнению автора, выбор правильных ответов требует от обучаемых больших умственных способностей, нежели припоминание какой-то информации. Непосредственное подтверждение правильности ответа он считает своеобразным типом обратной связи.
Вопросы, в понимании Кроудера, имеют целью
проверить, знает ли ученик материал;
в случае отрицательного ответа отсылать обучаемого к координирующим и соответственно обосновывающим ответ порциям информации;
возможность закрепления основной информации с помощью рациональных упражнений;
увеличение усилий обучаемого и одновременную ликвидацию механического обучения через многократное повторение информации;
формирование требуемой мотивации обучаемого.
Если основой линейной программы является стремление избежать ошибок, то разветвленная программа не направлена на ликвидацию ошибок в процессе обучения; ошибки Кроудер трактует как возможность обнаружить недостатки в знании обучаемых, а также выяснить, какие проблемы обучаемые уяснили недостаточно благодаря этому о его программе можно было бы сказать, что она сводится к "управлению процессом мышления", в то время как линейная программа основана на "управлении ответами".
Постепенно оба классических типа - линейное и разветвленное программированное обучение - уступили место смешанным формам.
По своей методической структуре педагогическое программное средсгво (ППС), реализующие программированный подход, характеризуются наличием следующих блоков:
блока ориентировочной основы действий (ООД), содержащего текстово-графическое изложение теоретических основ некоторого раздела автоматизированного курса;
контрольно-диагностического блока, контролирующего усвоение ООД и управляющего обучением;
блока автоматизированного контроля знаний, формирующего итоговую оценку знаний учащегося.
Известно несколько видов организации программ наставнического типа, называемых также алгоритмами программированного обучения.
1. Последователъно-подготовителъный алгоритм. Начальный элемент задания относительно прост, он подготавливает выполнение второго, более сложного, а тот в свою очередь, третьего и т.д. Заключительные элементы имеют достаточно высокий уровень сложности.
2. Параллелъно-подготовителъный алгоритм. Начальные элементы заданий независимо один от другого подготавливают выполнение следующего за ним комплексного элемента высокого уровня.
3. Последователъно-корректирующий апгоритм. Начальные элементы задания имеют высокий уровень сложности, а каждый последующий элемент корректирует выполнение предыдущего, указывая, например, на противоречия, к которым приводят неправильные ответы.
Параллельно-корректирующий алгоритм. Обучаемому предлагается комплексный элемент высокого уровня, последующие элементы играют роль наводящих (подсказывающих), причем с разных позиций, независимо один от другого.
Алгоритм переноса. Приводятся два массива элементов А (N) и В (N). Ими могут быть понятия, отношения, действия, характеристики и т.д. Требуется установить логическое соответствие между ними.
Аналитический алгоритм. Предлагаются элементы А (N). Необходимо установитъ принадлежность каждого из них к одному из классов В (K).
Синтезирующий алгоритм. Элементы массива А (N) уже разбиты на подгруппы. Задача обучаемого - установить критерий, по которому осуществлялась классификация.
8. Алгоритм упорядочения. Элементы массива А (N) необходимо упорядочить по некоторому указанному критерито В (К). Этот алгоритм требует для своего выполнения комплексной умственной деятельности.
Большинство инструментальных систем предоставляют преподавателю возможность составлять обучающие и контролирующие задания с различными типами ответов
1. С выборочным ответом. Обучаемому предлагается задание (вопрос) и набор (меню) готовых ответов, из которых он может сделать выбор правильного, по его мнению, ответа (утверждения).
Такой вариант задания наиболее удобен для машинной реализации, так как ЭВМ анализирует лишь номер, по которому легко определяет правильность ответа. На первый взгляд задания с выборочным ответом имеют ряд недостатков, а именно: обязательное предъявление верного ответа, возможность его угадывания, а значит, ограничение мыслительной деятельности обучаемого. Эти недостатки существенно снижаются путем правильного, творческого и остроумного применения различных принципов составления таких заданий.
Вероятность угадывания правильного ответа сводится к минимуму следующими простыми приемами:
повторением аналогичного по смыслу вопроса в нескольких различных формах
увеличением числа элементов для выбора (при выборе из пяти ответов вероятность угадывания равна 0,2);
увеличение числа верных ответов до двух или до нескольких пар. Подбирать ответы в заданиях необходимо таким образом, чтобы они были правдоподобными и равнопривлекательными.
2. С частично-конструируемым ответом. Задания этого типа являются промежуточным и связующим звеном между заданиями с выборочным ответом и свободноконструируемым. Частично-конструируемый ответ составляется из частей, предложенных преп?давателем.
Эта форма используется для заданий по составлению определений законов, теорем, стандартных формулировок и т.д. В верный ответ входят, как правило, не все элементы задания, и порядок их выбора не является жестким.
3. Со свободно-конструируемым ответом. Задания такого типа являются наиболее предпочтительными для автоматизированного обучения и контроля. Они позволяют слушателю общаться с компьютером на естественном языке, имитируя диалог обучаемого и преподавателя. Задания со свободно-конструируемым ответом наиболее сложны для обучаемого, так как полностью исключают возможность угадывания и требуют значительной умственной работы перед вводом в компьютер ответа, набираемого на клавиатуре в свободной форме. В то же время резко возрастает сложность деятельности преподавателя - автора курса по формированию автономных ответов для анализатора инструментальной системы.
Эталон может содержать, как правило, не более 80 символов, включая пробелы. Ответ обучаемого на заданный вопрос сравнивается с текстом эталона и вырабатывается соответствующий признак ответа: "верный", "неверный", "предполагаемый" и т.д. Далее программа переходит к тому кадру сценария, который соответствует полученному признаку.
Таким образом, автор курса формирует кадры, предъявляемые обучаемому в зависимости от признака ответа, что создает иллюзию "понимания" системой смысла введенной фразы, так как при разных ответах на один и тот же вопрос обучаемый получает и различную реакцию компьютера.
В современных инструментальных системах реализованы следующие методы сравнения эталонного ответа с ответом обучаемого.
1. Анализ по ключевым словам. Этот метод анализа достаточно прост и универсален. Эталонный ответ, заранее введенный преподавателем, используется в качестве ключа, который сравнивается с ответом обучаемого на протяжении всеи строки. Ключом может быть один символ, слово или группа слов.
При использовании ключевых слов можно достичь достаточно хороших результатов. Но применять метод надо достаточно осторожно, так как возможности распознавания смысла с его помощью ограничены. Недостаток ключевого поиска выражается в том; что ответ не распознается при перестановках внутри ключа.
2. Синтаксический анализ с использованием символов частичной обработки ответа обучаемого. Этот метод анализа целесообразно использовать в том случае, когда требуется выполнить сравнение не по ключу, а по жесткому эталону. Лишний символ должен считаться ошибкой, пробелы не игнорируются. Выполняется как бы прямое (посимвольное) сравнение посимвольного ответа с эталоном. При совпадении всех символов ответа с символами эталона вырабатывается признак "верно".
Однако при работе обучаемых с курсом могут возникнуть ситуации, когда необ-ходимо, с целью более корректного толкования смысла ответа, сделать некоторые отступления от правил прямого сравнения. В подобных ситуациях метод синтаксического анализа предусматривает средства частичной обработки ответов обучаемого.
Символы частичной обработки ответа (спецсимволы), включенные в эталон от-вета, позволяют исключить, игнорировать в ответе обучаемого один или несколько символов (слов) при сравнении с эталоном. Все остальные символы, отличные от символов частичной обработки, в тексте обучаемого должны следовать в том же порядке, что и в эталоне ответа.
3. Логический анализ. Логический метод анализа дает возможность формирования ответа в свободно-конструируемой форме. В данном случае ответ может представлять собой фразу или предложение, в котором порядок слов строго не определен. В словах могут игнорироваться окончание или другие части.
Основным отличием данного метода анализа от анализа по ключевым словам является то, что исключается необходимость перечисления всех возможных последовательностей ключевых слов при рассмотрении многословных ответов, так как логический метод позволяет с помощью одного эталона проанализировать несколько вариантов ответов. Цель этой деятельности - преодоление чрезмерной заданности ответов обучаемого, что является общим недостатком многих ППС.
Недостатками такого рода программ являются:
снижение мотивации в ходе работы с программой;
возникновение "провалов" (пробелов) в знаниях, связанных с непроизвольным рассеянием внимания в процессе работы с программой, а также ослаблением системного связывания знаний при отсутствии их интонационного выделения;
сложность и высокая трудоемкость организации учебного диалога, а также диагностирующей и управляющей обучением части программы.
Ввиду чрезвычайно высокой трудоемкости написания программ такого рода на языках программирования и высоких требований к программистской квалификации разработчиков, они часто разрабатываются с использованием программных оболочек автоматизированных учебных курсов, имеющих свой язык программирования, интерфейс, рассчитанный на разработчика-непрограммиста.
Существует и продолжает разрабатываться большое количество инструментальных программ такого вида. Общим их недостатком является высокая трудоемкость разработки, затруднения организационного и методического характера при использовании в реальном учебном процессе школы. Организационные трудности связаны с тем, что такие программы невозможно использовать в структуре урока из-за больших различий в темпе обучения разных учащихся. Методические трудности проявляются в том, что многие педагоги нередко склонны не соглашаться с методическими решениями и ходами при изложении теоретического материала, предложенными разработчиками инструментальной программы. В работе хорошего учителя много творческих, авторских моментов, в важности которых часто не отдают себе отчета создатели программ.
Программы 3-го типа (моделирующие) основаны на графически-иллюстративных возможностях компьютера, с одной стороны, и вычислительных, с другой, и позволяют осуществлять компьютерный эксперимент. Такие программы предоставляют ученику возможность наблюдать на экране дисплея некоторый процесс, влияя на его ход подачей команды с клавиатуры, меняющей значения параметров.
Программы 4-го типа (игры) предоставляют в распоряжение ученика некоторую воображаемую среду, существующий только в компьютере мир, набор каких-то возможностей и средств их реализации. Использование предоставляемых программой средств для реализации возможностей, связанных с изучением мира игры и деятельностьго в этом мире, приводит к развитию обучаемого, формированию у него познавательных навыков, самостоятельному открытию им закономерностей, отношений объектов действительности, имеющих всеобщее значение.
Наибольшее распространение получили обучающие программы первых двух типов в связи с их относительно невысокой сложностью, возможностью унификации при разработке многих блоков программ. Если программы 3-го и 4-го типов требуют большой работы программистов, психологов, специалистов в области изучаемого предмета, педагогов-методистов, то технология создания программ 1 - го и 2-го типов ныне сильно упростилась с появлением инструментальных средств или наполняемых автоматизированных обучающих систем (АОС).
Основные действия, выполняемые программами первых двух типов:
предъявление кадра с текстом и графическим изображением;
предъявление вопроса и меню вариантов ответа (или ожидание ввода открытого ответа);
анализ и оценка ответа;
предоставление кадра помощи при нажатии специальной клавиши.
Они могут быть легко и унифицированно запрограммированы, так что разработчику обучающей программы остается ввести в компьютер только соответствующий текст, варианты ответов, нарисовать на экране с помощью манипулятора "мышь" картинки. Создание обучающей программы в этом случае выполняется совершенно без программирования, не требует серьезных компьютерных познаний и по силам любому педагогу-предметнику средней школы. Названия наиболее известных отечественных АОС: "Урок", "Адонис", "Магистр", "Stratum". Используются в Казахстане и зарубежные системы: "Linkway", "Теас?Саd" и др. Многие из этих систем имеют хорошие графические подсистемы и позволяют создавать не только статические картинки, но и динамические графические фрагменты в духе "мультимедиа" (речь об этом пойдет ниже).
Создание обучающей системы с использованием инструментальных программ обычно проходит четыре стадии.
1. Разработка сценария обучающей программы; на этой стадии педагог должен принять решение о том, какой раздел какого учебного курса он будет переводить в обучающую программу, продумать материал информационных кадров, такие вопросы и варианты ответов к ним, чтобы они диагностировали трудности, с которыми будут сталкиваться ученики при освоении материала, разработать схему прохождения программы, систему взаимосвязей между ее отдельными кадрами и фрагнентами.
2. Ввод в компьютер текстов отдельных кадров будущей программы, рисование картинок, формирование контролирующих фрагментов: вопросов, вариантов ответов к ним и способов анализа правильности ответов. На этои стадии педагогу потребуется минимальное владение функциями компьютера и возможностями ввода и редактирования, встроенными в инструментальную программу.
3. Связывание отдельных элементов обучающей программы в целостную диалоговую систему, установление взаимосвязей между кадрами, вопросами и помощью, окончательная доводка программы.
4. Сопровождение программы во время ее эксплуатации, внесение в нее исправлений и дополнений, необходимость которых обнаруживается при ее использовании в реальном процессе обучения.
Очевидно, что создание обучающих программ средствами - инструментальных систем поможет снять остроту главной проблемы компьютерного обучения - отсутствия в достаточном количестве и разнообразии качественных обучающих программ, так чтобы компьютерное обучение могло превратиться из жанра "показательных выступлений" на открытых уроках в действительно систематическое обученяе учебным дисциплинам или их большим разделам.
В качестве первого шага к компьютерным технологиям обучения нужно рассматривать тренирующие и контролирующие программы. Нет ничего проще (с этой задачей могут справиться даже учащиеся старших классов, изучающие информатику), чем подготовить контролирующую программу по любому разделу любого учебного курса На языке программирования ВАSIС или с использованием инструментальных программ. Использовать такие контролирующие программы можно систематичсски. Это не потребует кардинальных изменений в существующем учебном процессе и избавит учителя от непроизводительных, рутинных операций по проверке письменных работ, контролю знаннй учащихся, решит проблему накопляемости оценок. Из-за тотальности контроля учащиеся получат мощный стимул к обучению.
Следующая проблема компьютерного обучения связана с тем, что использование компьютера не вписывается в стандартную классно-урочную систему. Компьютер - это средство индивидуального обучения в условиях нелимитированного времени, и именно в этом качестве он должен использоваться. Соответствующие организационные формы учебного процесса и труда учителей еще предстоит найти и внедрить в практику. Важно, чтобы ученик при компьютерном обучении не был ограничен жесткими временными рамками, чтобы педагогу не надо было работать "на класс" в целом, а чтобы он мог пообщаться с каждым учеником, дать индивидуальную консультацию по работе с обучающей программой и по материалу, в ней содержащемуся, помочь преодолеть индивидуальные затруднения.
При проведении урока с использованием компьютеров работа педагога проходит фазы планирования урока (определяется место урока в системе занятий по данной дисциплине, время проведения в кабинете электронно-вычислительной техники, тип урока и его примерная структура, необходимые для его проведения программные средства);
подготовки программных средств (наполнение оболочек контролирующих программ и обучающих систем соответствующими дидактическими материалами подбор моделирующих программ, размещение программных средств на соответствующем магнитном диске, проверка запускаемости программ);
проведения самого урока;
подведения итогов (внесение исправлений в обучающие программьг, архивироваие их для будущего использования, обработка результатов компьютерного тестирования, удаление лишних временных файлов с магнитных дисков).
Отдельное направление использования компьютера в обучении - интегрирование предметных учебных курсов и информатики. При этом компьютер используется уже не как средство обучения, а как средство обработки информации, получаемой при изучении традиционных дисциплин - математики, физики, химии, экологии, биологии, географии. С помощью инструментальных программ на компьютере можно решать математические задачи в аналитическом виде, строить диаграммы и графики, проводить вычисления в табличном виде, готовить текст, схемы и т.д. Компьтотер выступает при этом в качестве средства предметной деятельности, приближая стиль учебной деятельности на уроках к стандартам современной научной, технологической и управленческой деятельности.
Особые ожидания при таком использовании компьютера связываются с компьютерными телекоммуникациями, с возможностями локальных и глобальных компьютерных сетей. Весьма перспективной технологией обучения является метод групповых исследовательских проектов, моделирующих деятельность реального научного сообщества. Такая технология включает следующие моменты:
первоначальную мотивацию исследования; обнаружение какого-либо парадокса, постановку проблемной задачи;
поиск объяснения парадокса, построение гипотез;
проведение исследований, экспериментов, наблюдений и измерений, литературных изысканий с целью доказать или отвергнуть гипотезы, объяснения;
групповое обсуждение результатов, составление отчета, проведение научной конференции;
решение вопроса о практическом применении результатов исследований; разработку и защиту итогового проекта по теме.
Работа над проектом продолжается от двух недель до двух месяцев. На заключительных стадиях работы над проектом обычно возникают новые проблемные задачи, обнаруживаются новые парадоксы, т.е. создается мотивация для осуществления новых проектов.
Использование компьютера очень хорошо вписывается в эту технологию обучения, особенно если имеется возможность реализовать компьютерные телекоммуникации: обмениваться сообщениями по электронной почте с классами в других городах и даже странах, параллельно выполняющими такой же проект. Телекоммуникационная составляющая проекта позволяет резко повысить интерес учащихся к выполнению проекта, делает естественным использование компьютера для представления результатов наблюдений и измерений, способствует формированию информационной культуры учащихся. Проекты, построенные на сопоставлении местных условий, изучении в них общего и особенного, прививают учащимся глобальное видение мира. Учебные телекоммуникационные проекты чрезвычайно популярны в Соединенных Штатах. Сотни таких проектов для десятков тысяч классов во всех странах мира проводят ежегодно многие глобальные компьютерные сети учебно-научного назначения. Имеется опыт кспользования телекоммуникационных проектов и в российских условиях.
Содержание обучения по методу проектов является межпредметным, интегрированным, привлекающим знания из различных областей, как и проблемы, возникающие на практике. Обучение по методу проектов, кроме изучения конкретных разделов наук, позволяет достигать и другие педагогические цели:
Подобные документы
Создание сетевой системы тестирования с целью автоматизации процесса контроля знаний, оценивания результатов и создания тестовых заданий. Файлы проекта и их назначение. Описание алгоритмов и модулей программы. Работа с сетью, руководство пользователя.
контрольная работа [928,3 K], добавлен 23.12.2012Участники и инструментальные средства создания экспертной системы. Классификация, преимущества, сферы применения экспертных систем. Разработка блок-схемы алгоритма и программы на языке Турбо Паскаль для решения задачи по теме "Двумерные массивы".
курсовая работа [1,0 M], добавлен 18.01.2014Обзор существующих решений построения систем взаимодействия. Классическая архитектура клиент-сервер. Защита от копирования и распространения материалов тестирования. Задачи ИБ компьютерных систем тестирования и обзор современных способов их реализации.
курсовая работа [36,9 K], добавлен 26.04.2013Создание системы компьютерного тестирования для контроля знаний. Проблемы, возникающие при создании тестовой оболочки в среде Ren`Py. Разработка проектных решений по системе и её частям. Структура тестирования, вопросы и ответы тестирующей системы.
дипломная работа [501,6 K], добавлен 12.09.2016Разработка модели системы тестирования пользователей с применением технологии "клиент-сервер". Требования к программному изделию и документации. SADT диаграмма системы тестирования до и после автоматизации. Настройка SQL-сервера и установка программы.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 22.01.2013Обследование объекта, обоснование необходимости систем компьютерного тестирования. Анализ существующих разработок и обоснование выбора технологии проектирования. Создание системы компьютерного тестирования на основе случайного выбора в среде Visual Basic.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 18.08.2013Проектирование программы в среде Delphi для тестирования знаний студентов по программированию, с выводом оценки по окончанию тестирования. Разработка экранных форм и алгоритма программы. Описание программных модулей. Алгоритм процедуры BitBtn1Click.
курсовая работа [365,0 K], добавлен 18.05.2013Клиент-серверная архитектура проектируемой программы по проверке знаний студентов, структура базы данных. Разработка ее программно-интерфейсной реализации в среде Delphi. Установка и запуск приложения, информация для пользователя, листинг программы.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 20.06.2011Обеспечение универсальности функций тестирования при разработке программы для тестирования студентов. Бесплатное программное обеспечение. Анализ выбора среды программирования. Особенности среды Delphi и СУБД MySQL. Описание алгоритма и блок-схемы.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 01.02.2013Изучение стадий и этапов разработки программного обеспечения и эксплуатационных документов. Обзор создания архитектуры, распространения и поддержки системы приложения. Анализ проблем интерфейсов между программным обеспечением и операционной системой.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.04.2012
