Метод формування змісту інженерних дисциплін на основі використання імітаційних моделей діяльності експертів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 37.0

МЕТОД ФОРМУВАННЯ ЗМІСТУ ІНЖЕНЕРНИХ ДИСЦИПЛІН НА ОСНОВІ ВИКОРИСТАННЯ ІМІТАЦІЙНИХ МОДЕЛЕЙ ДІЯЛЬНОСТІ ЕКСПЕРТІВ

Лазарєв М.І.

В умовах різкого збільшення інформаційних потоків по багатьом напрямкам науки, техніки і технології та зростаючих вимог до термінів, якості та повноти представлення предметних областей все більш актуальною стає задача об'єктивного формування змісту інженерних дисциплін [1].

Основними джерелами знань про предметні області інженерних дисциплін є такі:

– навчальна та навчально-методична література;

– науково-технічна література та документація, включаючи електронні версії (монографії, статті, доповіді, звіти по науково-дослідним та дослідно-конструкторським роботам, огляди науково-технічної літератури, технічні описи та інструкції, реферативні журнали, експрес-інформації, Web-сторінки, тощо);

– експерти-спеціалісти у відповідних сферах науки, техніки та технології.

При формуванні змісту інженерних дисциплін з точки зору постановки задачі є такі два варіанти:

1) існує розроблена система вимог (цілей) до формування змісту навчальних дисциплін (наявність, наприклад, освітньо-кваліфікаційної характеристики або дидактичних цілей);

2) нова навчальна дисципліна розробляється одночасно з розробкою освітньо-кваліфікаційної характеристики і дидактичні цілі розроблюються паралельно з формуванням змісту навчальної дисципліни.

Незважаючи на різку відмінність цих варіантів по постановці задачі, методика формування змісту навчальних дисциплін в цих двох випадках має спільну основу - роботу з літературою та роботу з експертами. Ця основа також справедлива для одержання як декларативних, так і процедурних знань.

На сьогодні розроблена досить велика кількість методів одержання знань про предметні області як на основі аналізу літературних джерел, так і за допомогою експертів [2-5]. Пропонується класифікація цих методів, яка представлена на рис.1.

Проблема одержання знань про предметні області поки що не піддається повній формалізації, тому практично всі існуючі методи одержання знань є не в повній мірі формальними методами роботи з експертами. Це справедливо навіть в тому випадку, коли мова йде про формальний аналіз літературних джерел, бо ці джерела створюються такими ж експертами.

Основна проблема одержання знань від експертів заключається в тому, що досить великі об'єми знань, вмінь та навиків, якими володіє експерт, знаходяться на різних рівнях засвоєння. Декларативні знання знаходяться на мовно-речовому рівні, а процедурні знання (вміння та навики) - відповідно на перцептивному та сенсорному рівнях. Ця обставина об'єктивно призводить до того, що експерт, як правило, занижує реальний об'єм своїх знань. Для одержання від експерту повного об'єму його знань необхідно розробляти спеціальні методи.

Метою роботи є розробка методу одержання від експерта декларативних та процедурних знань про предметні області інженерних дисциплін.

Декларативні знання можна одержати від експерту за допомогою методів вербалізації - опитування, інтерв'ю, анкетування. В основі одержання від експерту процедурних знань-навиків лежать методи спостереження та протоколювання. Процедурні знання-вміння визначаються як за допомогою методів вербалізації, так і за допомогою методів спостереження та протоколювання.

Загальним правилом роботи з експертом по одержанню знань про предметні області є документування його діяльності на всьому протязі роботи.

Аналіз методів одержання від експертів знань про предметні області.

Згідно з класифікацією рис.1 по своїй суті методи одержання знань від експертів про предметні області поділяються на прямі і непрямі. До прямих методів відносяться методи як усного, так і письмового опитування експертів: різного роду інтерв'ю (загальні, фокусовані, моделювання сценаріїв) та анкетування. Основним завданням методів опитування та анкетування є одержання від експертів декларативних знань в вербальній формі (усно чи письмово) обов'язково з документуванням результатів.

Процедурні знання від експерта можна одержати за допомогою методів спостерігання: протоколювання, відеозапису, процедурного моделювання.

Дамо коротку характеристику основним прямим методам одержання знань від експертів.

Позитивними рисами методу інтерв'ю є можливість одержання від експерту знань різного ґатунку узагальнення - як найбільш загальних, так і конкретних. Недоліком існуючих методів інтерв'ю є відсутність методів розробки самих інтерв'ю, які б адекватно враховували особливості діяльності експерта по формуванню системи знань. Крім того в існуючих методах інтерв'ю недостатньо розроблена методика ідентифікації семантичних відношень між поняттями.

Існуючі методи спостерігання дозволяють зафіксувати дії експерту, але основна проблема полягає в подальшому аналізі цих дій. При такому аналізі необхідно провести декомпозицію "видимої" частини діяльності експерта та ідентифікувати "скриті" від безпосереднього спостерігання складові компоненти дій експерта. Методика такого аналізу на сьогодні розроблена недостатньо.

Непрямі методи (багатомірне шкалювання, ієрархічна кластеризація, побудова зважених мереж і ранжування дерев вибору) дозволяють частково доповнити прямі методи і частково усувають їх недоліки. Однією з основних проблем при аналізі знань експертів є формалізація якісних характеристик. Адекватним математичним апаратом, що дозволяє формально описати якісні характеристики є нечіткі множини і змінна Заде [6], а також методи багатомірного шкалювання. В якості приклада розглянемо розроблений Ч.Осудом метод семантичного диференціалу [3]. Цей метод використовується для виміру різниць в інтерпретації понять експертами. Поняття в вербальній або невербальній формі, яке ідентифікується експертом, повинно ним зафіксуватися в одній з дискретних шкал. Кордони шкали задаються полярними значеннями ознаки поняття. Простір шкали між полярними значеннями сприймається експертом як континуум градацій виявлення ознаки. Вся шкала розбивається, як правило, на сім інтервалів (від -3 до +3). Кількісні дані, які одержані на основі використання методу семантичного диференціалу утворюють так званий семантичний профіль поняття, яке ідентифікується експертами.

В результаті використання методу семантичного диференціалу для оцінки одного поняття групою експертів, або багатьох понять одним експертом одержують числові таблиці виду "поняття-ознака". На основі цих таблиць можна проводити аналіз багатомірних угруповань понять та їх ознак. Такий аналіз бажано проводити з використанням сучасної комп'ютерної техніки та відповідного програмного забезпечення.

В якості прикладу використання методу семантичного диференціалу для формування системи знань дисципліни "Електротехніка" на рис.2 представлене шкалювання поняття "Розрахунок перехідних процесів в електричних ланцюгах методом Ейлера" по фактору ефективності.

Рис.2. Шкалювання поняття "Розрахунок перехідних процесів в електричних ланцюгах методом Ейлера" за фактором ефективності

Іншим прикладом методів багатомірного шкалювання є метод репертуарних решіток Г.Келлі [3]. Основу цього методу складає виявлення індивідуально-особистих конструктів сприйняття понять експертом. Опис конструкту зручніше всього провести в біполярних поняттях. В цьому випадку конструкт є те, чим два чи кілька об'єктів подібні між собою і відмінні від третього об'єкту чи об'єктів. Це дає можливість сформувати матрицю взаємовідношень між конструктами і використати для виявлення понять і відношень методи багатомірного факторного та кластерного аналізу.

Метод репертуарних решіток суттєво відрізняється від методу семантичного диференціалу. Тут використовуються не зовні задані ознаки, а конструктти, які створюються самими експертами.

Методи ієрархічної кластеризації, побудова зважених мереж та ранжування дерев вибору являє собою різновиди методів багатомірного шкалювання. Ці методи відрізняються між собою способом представлення інформації та кількістю об'єктів зрівняння.

Велику групу складають методи одержання колективних знань експертів. Їх можна розділити на дві принципово відмінні групи: методи колективної роботи експертів та методи індивідуально-колективної роботи експертів. Кожна з цих двох груп має свої переваги та недоліки. Методи колективної роботи експертів (метод комісії, метод суду, метод мозкової атаки, метод Делфі, метод прогнозного графу В.М.Глушкова, система ПАТТЕРН) реалізують контакт між експертами при знаходженні загального погляду. В ході колективного обговорення експерти можуть змінювати початкову думку. Перевагами методів колективної роботи є збагачення експертів інформацією колег і, як наслідок, більш вірогідніше знаходження правильного рішення проблеми. Але ця перевага має і зворотній бік - під впливом інформації від колег експерт може відмовитись від свого правильного варіанту. До методів індивідуальної роботи експертів належать метод вирішуючих матриць, метод педагогічного консиліуму та метод групових експертних оцінок. Відмінною особливістю цих методів є відсутність безпосереднього спілкування експертів. Але результати роботи інших експертів повідомляються. Завдяки цьому звужується початковий діапазон рішень і одержане колективне рішення буде надійнішим в порівнянні з індивідуальними.

На основі проведеного аналізу можна зробити наступні висновки:

- існуючі методи одержання знань не враховують психологічні процеси діяльності експерту;

- існує об'єктивна необхідність розробки ефективних експертних методів формування систем знань інженерних дисциплін на основі діяльнісної теорії.

Інформаційні моделі діяльності експертів по формуванню систем декларативних та процедурних знань.

Системи декларативних знань інженерних дисциплін найбільш адекватно відображає модель у вигляді ієрархічної семантичної мережі понять. Приклад моделі представлення фрагменту декларативних знань дисципліни "Інформаційні технології" приведена на рис.3. При такому способі представлення декларативних знань формування змісту навчальної дисципліни (розділу, теми) є задачею визначення системи понять та відношень між ними. Системи процедурних знань з позиції діяльнісної теорії є насамперед системи дій. Найбільш адекватними моделями представлення процедурних знань є імітаційні моделі діяльності на основі продукційних систем з фреймовою організацією ієрархічної структури дій [3]. Приклад організації фрагменту процедурних знань дисципліни "Інформаційні технології у галузі" у вигляді імітаційної моделі діяльності приведений на рис.4. процедурний знання експерт кластеризація

Системи як декларативних, так і процедурних знань необхідно формувати при довільній формі представлення первинної інформації - текстової, графічної, вербальної, відеозапису тощо. Виконати таку задачу в повному обсязі може тільки людина - експерт у відповідній галузі знань. Одним з напрямків вирішення проблеми одержання знань від експерта пропонується застосування методу на основі використання імітаційних моделей діяльності експерта по формуванню систем знань.

Основою такого рішення служить те, що формування систем знань для експерта є діяльністю. Як і будь-яка діяльність вона підпорядковується основним положенням теорії діяльності [7], може бути змодельована і, як наслідок, бути керованою.

Були розроблені імітаційні моделі діяльності експертів по формуванню систем декларативних і процедурних знань про предметні області інженерних дисциплін. Ці моделі представлені відповідно на рис.5 та рис.6.

При розробці імітаційних моделей діяльності експерту враховувався той факт, що на формування систем знань суттєво впливають цілі та мотиви діяльності експерта. При одних цілях та мотивах може бути створена одна система знань про предметну область інженерних дисциплін, а при інших - зовсім інша. Цей факт був врахований при розробці імітаційних моделей діяльності експерта завдяки об'єднанню в імітаційних моделях цільової, мотиваційної та операційної структур діяльності експерта.

По своїй суті ці моделі являють собою алгоритми діяльності експерту по формуванню систем знань. Імітаційні моделі можуть бути використані експертами як у випадку першого варіанту постановки задачі, коли є попередньо розроблені системи дидактичних цілей, так і у протилежному випадку. Якщо відсутня попередньо розроблена система дидактичних цілей з тієї чи іншої інженерної дисципліни (це стосується досить розповсюджених в останній час випадків розробки новітніх дисциплін), то завдяки імітаційним моделям діяльності експерта можна одночасно формувати як систему знань, так і систему дидактичних цілей в режимі цілеутворення.

В існуючій класифікації методів одержання знань про предметні області (рис.1) метод імітаційного моделювання можна віднести до прямих методів одержання індивідуальних знань експерта. Але він також може бути ефективною основою для методів одержання колективних знань експертів.

Основні ускладнення, які можуть виникнути у експерта при формуванні системи знань, полягають в проведенні декомпозиції (обмеження) або агрегації (узагальнення) понять чи дій, а також визначенню відношень між ними. Для усунення цих ускладнень до імітаційних моделей діяльності експерта додаються відповідні допоміжні інформаційні матеріали з приведеними конкретними прикладами.

Практичне використання розробленого методу формування систем декларативних та процедурних знань інженерних дисциплін на прикладі таких дисциплін, як "Теоретична механіка", "Електротехніка", "Загальна хімічна технологія", "Інформаційні технології в галузі", "Комп'ютерна інженерна графіка" показало його достатньо високу ефективність. В порівнянні з традиційними методами опитування та спостерігання використання методу імітаційного моделювання діяльності експерту в 2-3 рази скоротило час формування моделей представлення декларативних та процедурних знань.

Висновки

1. Існуючі експертні методи одержання знань про предметні області не враховують психологічні процеси діяльності експерту, а тому характеризуються значними когнітивними труднощами та витратами часу.

2. Розроблений універсальний, інтенсивний експертний метод одержання декларативних та процедурних знань про предметні області інженерних дисциплін на основі використання імітаційних моделей діяльності експерта.

3. Практичне використання розробленого методу в порівнянні з традиційними методами опитування та спостерігання дозволяє в 2-3 рази скоротити час формування моделей представлення знань інженерних дисциплін.

Література

1. Гончаренко С.У. Інтеграція наукових знань і проблема змісту освіти //Постметодика. - 1998. - №2. - с. 2-8.

2. Выявление экспертных знаний /О.И.Ларичев, А.И.Мечетов, Е.М.Мошкович, Е.М.Фуремс. - М.: Наука, 1989. - 210 с.

3. Кокорева Л.В., Перевозчикова О.Л., Ющенко Е.Л. Диалоговые системы и представление знаний. - К.: Наук. думка, 1993. - 448 с.

4. Литвак Б.Г. Экспертная информация: методы получения и анализа. - М.: Радио и связь, 1982. - 184 с.

5. Черепанов В.С. Экспертные оценки в педагогических исследованиях. - М.: Педагогика, 1989. - 152 с.

6. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта /Под ред. Д.А.Поспелова. - М.: Наука, 1986. - 312 с.

7. Атанов Г.А. Деятельностный подход в обучении. - Донецк: ЕАИ-пресс, 2001. - 160 с.

Анотація

Проведена классификация и сделан анализ существующих экспертных методов получения знаний о предметных областях. Разработан метод получения декларативных и процедурных знаний о предметных областях инженерных дисциплин на основе использования имитационных моделей деятельности экспертов.

Classification was performed and the analysis of existing expert methods of knowledge gaining about application environment was made. The method of reception of declarative and procedural knowledge of application environment of engineering disciplines was developed on the basis of use of imitating models of activity of experts.

Размещено на Allbest.ru