О методологии структуризации знаний в области информатики на основе адаптивных семантических образовательных моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дагестанский государственный педагогический университет

О методологии структуризации знаний в области информатики на основе адаптивных семантических образовательных моделей

Т.Ш. Шихнабиева

г. Махачкала

В настоящее время существует много различных подходов к преподаванию информатики, в процессе проектирования и реализации которых формируется язык информатики, выявляются основные понятия курсов, определяются содержание и структура обучения. В связи с существующим в настоящее время большим количеством учебных и методических пособий отбор содержания обучения и методов его изложения представляет достаточно сложную и, несомненно, актуальную проблему для учителей и преподавателей информатики.

Известно, что информатика - это динамично развивающаяся предметная область: совершенствуется аппаратная часть ПК, появляется новое программное обеспечение, соответственно пополняется новыми понятиями содержание предмета. Причем, современные компьютеры становятся более интеллектуальными, основой функционирования которых является семантический диалог.

В связи с пополнением содержания курса, совершенствуется и методика ее преподавания. Поэтому в связи с изменениями системы целей образования по информатике, введением новых тем и вопросов для изучения, уточнением содержания основных ее разделов возникает необходимость более четкого структурирования и классификации понятий в процессе анализа и проектирования учебных курсов.

Кроме того, быстрое развитие ИТ и сети Интернет, в последнее время породило ряд проблем, связанных с быстрым ростом объемов слабо структурированной, дублирующей информации, подлежащей хранению и обработке, что ограничивает возможность смыслового поиска необходимой информации и доступ к ней. Над решением перечисленных проблем работают многочисленные коллективы ученых и специалистов во всем мире, в частности, консорциум W3C, где реализуется концепция Семантического Web [1].

Как показывает изучение электронных образовательных средств, используемых при обучении информатике, многие из существующих электронных курсов являются замкнутыми системами с жесткими моделями, не всегда позволяющими адаптировать к конкретному уровню знаний обучаемого.

При разработке систем, основанных на знаниях, возникает ряд проблем (рис. 1), основными из которых являются: что представлять (состав знаний) и как представлять знания (модель представления знаний). В свою очередь указанные проблемы подразделяются на конкретные подпроблемы, связанные с архитектурой обучающей системы, методологией обучения, учета потребностей и целей пользователя и др.

Эффективное решение указанных проблем возможно при проектировании систем обучения на основе интеллектуальных адаптивных семантических моделей. Отличительной особенностью этих систем является глубокая структуризация изучаемых понятий предметной области и их представление в виде иерархической модели [2, стр.92], наличие таких интеллектуальных качеств как идентификация знаний обучаемого, его личностных характеристик и способностей, адаптация процесса обучения к индивидуальным особенностям обучаемого, что позволяет индивидуализировать и повысить качество обучения.

Традиционная система обучения информатике на разных ступенях стремится дать обучаемым как можно больше фактического материала. При таком подходе оценка качества знаний производится посредством учета количества фактов (понятий, элементов знаний), которыми оперирует обучаемый, и точностью их воспроизведения. Поскольку изучаемые понятия предметной области взаимосвязаны, следует одно из другого и т.д., в стороне остаются связи, отношения между понятиями и правила логического вывода конкретных понятий из более обобщенных категорий предметной области. Такого рода обучение приводит к формализму знаний. Особенно велико значение отношений, связей и последовательности элементов учебного материала при обучении на основе компьютерных технологий, что предполагает использование семантического подхода при разработке системы обучения информатике [3].

Рис.1. Проблемы, возникающие при разработке систем знаний.

В нашем динамично развивающемся мире качество подготовки специалистов во многом определяется качеством учебных пособий, используемых им при обучении [4]. Кроме того, известно, что научить человека учиться и “добывать” знания обычно гораздо труднее, чем просто дать ему эти знания. Нередко форма представления учебного материала не позволяет легко усмотреть всю сложность взаимосвязей его элементов, поэтому в ходе обучения возникают трудности. Учебный материал необходимо представить в такой форме, чтобы его легко было увидеть в нескольких планах, включая самые подробные со всеми деталями и более общие, когда блоки видны как неделимые элементы более обширной системы или теории.

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

Указанные свойства системы обучения информатике реализованы с использованием эвристических моделей представления знаний. В отличие от логических моделей эвристические модели имеют разнообразный набор средств, передающих специфические особенности той или иной предметной области. образование информатика знание

Остановимся конкретно на некоторых понятиях семантической сети, в качестве модели которой мы выбрали для представления знаний и непосредственно самого процесса обучения информатике.

Неформально под семантической сетью понимается сеть с помеченными вершинами и дугами. На более строгом уровне семантическая сеть состоит из множества символов [В. Лозовский, 1982 ]:

A = { A1, . . . . . , Ar} , которые называют атрибутами. Схемой или интенсионалом некоторого отношения Ri в атрибутивном формате будем называть набор пар:

INT (Ri) = { . . . <Aj DOM (Aj) > . . . } ,

где Ri - имя отношения; ni - целое положительное число - его местность;

Aj A, j = 1, . . . ni - атрибуты отношения Ri ,

DOM (Aj ) - множество значений атрибута Aj отношения Ri ; домен Aj .

Объединение всех доменов W - базовое множество модели - набор объектов, на которых задаются отношения Ri , m - число различных отношений. Экстенсионалом отношения Ri называют множество:

EXT (Ri) = { . . . Fk . . . }, k= 1 . . . pi,

pi - кардинальность множества EXT (Ri),

Fk EXT (Ri) - факты отношения Ri , записываемые в виде:

Fk = (Ri .. . . Aj , нijk DOM (Aj).

нijk - значение j - атрибута k - факта экстенсионала отношения Ri . Последовательность из двух элементов вида “атрибут - значение” называется атрибутивной парой. Порядок записи атрибутивных пар и фактов роли не играет. Все факты и атрибутивные пары внутри каждого факта попарно различны. Тогда семантическая сеть это совокупность:

{ . . . < INT (Ri) EXT (Ri) > . . . } для i =1 … m, записываемая в виде ассоциативной структуры данных. В семантических сетях используются самые разнообразные типы структур, но требование ассоциативности является характерным.

Из выше изложенного следует, что понятие семантической сети распадается на понятие экстенсиональной семантической сети (ЭСС), или базы данных (БД):

{ . . . EXT (Ri) . . . } и интенсиональной семантической сети:

{ . . . INT (Ri) . . . }, которое обычно кладется в основу базы знаний (БЗ). Для представления знаний и данных предметной области их объединяют в систему. На практике встречаются различные разновидности семантических сетей, в зависимости от смысла вершин и дуг.

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

Для проектирования систем обучения информатике, основанных на семантических моделях мы руководствовались теорией семантических сетей и других эвристических моделей представления знаний, а также основными научными подходами в получении знаний (конструктивный, аксиоматический и т.д.). Однако, как показывает личный опыт работы, изучение и анализ литературы и информационных источников, в том числе [1-5], основной проблемой при работе с большой базой знаний является проблема поиска знаний, релевантных решаемой задаче. В связи с тем, что в обрабатываемых данных может не содержаться явных знаний, классификация и структуризация знаний могут значительно ускорить процесс поиска, тем самым, осуществляя интенсификацию процесса обучения.

В дидактике отсутствуют устойчивые признаки классификации познавательных задач и структуризации знаний данной предметной области. С учетом специфики предмета “Информатика” и ее составляющих в качестве критериев структуризации понятий по информатике мы предлагаем: классификацию типов объектов (обобщенный, конкретный и агрегатный) и выделение некоторых фундаментальных видов связей между объектами. На основе предложенных методологических положений нами разработана интеллектуальная обучающая система в виде иерархической многоуровневой семантической модели (рис.2), где понятия в зависимости от их сложности распределены по уровням.

Рис.2.Мультиерархическая модель знаний по информатике.

Так, на самом верхнем уровне расположены классы понятий (на рис.2 понятие “сеть”), далее на уровень ниже размещены обобщенные понятия и на самом нижнем уровне - конкретные (элементарные) понятия. Число уровней иерархической модели знаний предметной области зависит от степени детализации понятий. Стрелки на рис.2 обозначают такие отношения между понятиями предметной области, как IS - A (это есть), PART - OF (является частью), MEMBER - OF (является элементом).

Такой подход к организации знаний при разработке интеллектуальных обучающих систем информатике позволяет значительно сократить время обучения, уменьшить объем памяти, занимаемой базой данных и знаний. Модель в виде иерархической семантической сети, являясь логической структурой изучаемой предметной области, показывает также последовательность изложения учебного материала.

В виде модели семантической сети представлен также непосредственно и сам процесс обучения, что позволяет учитывать индивидуальные особенности учащихся. Преимущества предлагаемой нами модели процесса обучения особенно значимы при контроле знаний обучаемых. Семантическая сеть подразумевает смысловую обработку информации компьютером, которая необходима при обработке ответов обучаемых.

При контроле знаний необходимо по заранее известным понятиям предметной области построить с помощью ПК семантическую сеть, и далее модель знаний обучаемого сравнивается с моделью в базе данных по искомой теме и тем самым осуществляется контроль знаний обучаемых. Для контроля знаний обучаемых можно использовать также и сеть запроса.

Такая организация контроля знаний способствует качественному обучению, поскольку обучаемые анализируют базовую структуру изучаемых понятий и представлений, связывая с ними новые понятия. Подлинная активизация познавательной деятельности обучаемых возможна лишь при целесообразной последовательности предъявления познавательных задач, а также при учете особенностей элементов задач. Поэтому нами проведена семантическая структуризация познавательных задач по информатике (рис.3).

Рис.3. Графическое представление структуризации учебных задач по информатике.

Как показал изучение данного вопроса классифицировать познавательные задачи можно по ряду критериев. В качестве критерия структуризации выбран алгоритм решения задачи (II уровень иерархической структуры электронного задачника). Программы для решения задач реализованы на языке программирования Turbo Pascal. Для решения определенного класса задач на ПК необходимо владеть определенной системой знаний языка программирования Turbo Pascal. На III уровне иерархической структуры электронного задачника размещены определенные понятия (правила синтаксиса, операторы, процедуры, функции и т.д.) языка программирования Turbo Pascal, необходимые для реализации того или иного алгоритма решения задачи.

Литература

1. Tim Berners - Lee, James Hendler, Ora Lassila. The Semantic Web, Scientific American, May 2001

2. Осуга С., Саэки Ю., Судзуки Х. и др. Приобретение знаний: Пер. с япон. М.: Мир, 1990. 304 с.

3. Т.Ш.Шихнабиева. О моделях обучения информатике// Педагогическая информатика. 2006. № 4. с. 88 -92.

4. В.В.Воеводин, Вл. В. Воеводин .Электронные образовательные средства: новые идеи //Математика в высшем образовании. 2003, № 1, стр. 11 - 19.

5. Шуклин Д.Е. Применение сетевой объектно-ориентированной базы знаний в моделировании экспертной системы на основе семантической нейронной сети // Искусственный интеллект. Донецк: Институт проблем искусственного интеллекта НАН Украини "Наука и образование" 2005. № 4 С.403-413

6. Статья поступила в редакцию журнала 20 декабря 2006 г.

Размещено на Allbest.ru