Интеллектуальная система анализа информационных структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный областной университет

Интеллектуальная система анализа информационных структур

С.А. Митрофанов

Ю.М. Носков

В Федеральной целевой программе развития образования на 2006-2010 годы сформулирована стратегическая цель: обеспечение условий для удовлетворения потребностей граждан, общества и рынка труда в качественном образовании. Достижение этой цели немыслимо без широкого внедрения новых технологий обучения.

Обучение в современных условиях лавинообразного роста информации в мире требует оперативного отображения новейших достижений науки, техники и технологии в учебных ресурсах: учебниках, учебных пособиях, тестовых заданиях, описаниях лабораторных работ и т.д. Учебный ресурс должен быть подготовлен в сжатые сроки, иначе он может устареть к моменту выхода в свет. В то же время его подготовка должна быть выполнена качественно, с большим количеством примеров, что требует значительных трудозатрат. По оценке руководителя Департамента образования Великобритании Д. Лаурилларда, трудозатраты преподавателей только на подготовку учебных материалов в новых образовательных средах увеличиваются вдвое [1].

Поэтому актуальной является задача автоматизации процесса подготовки учебных ресурсов. Рассмотрению одного из подходов к решению данной проблемы посвящена данная статья.

Можно отметить, что существенная часть рабочего времени преподавателя, занятого подготовкой учебного ресурса, тратится на работу непосредственно за компьютером. Это особенно характерно для дисциплин, посвященных изучению приемов работы на компьютере, либо компьютерных технологий. К их числу относятся: информатика, основы программирования, компьютерная графика, основы искусственного интеллекта, базы данных, информационные системы и др.

Следовательно, значительная часть информации, которую нужно отобразить в подготавливаемом учебном материале, уже находится в запоминающих устройствах, или может быть получена автоматически. Обработка этих информационных объектов с использованием средств искусственного интеллекта даст возможность:

Создать фрагмент учебного пособия, описания лабораторной работы или тестового задания;

По формальным признакам проверить результат выполнения контрольного задания.

В обоих случаях Интеллектуальная система анализа информационных структур (ИСАИС) позволит освободить преподавателя от рутинной, нетворческой работы и повысить производительность его работы.

Итак, предлагаемая технология, если она ориентирована на решение первой из сформулированных выше задач, состоит из следующих этапов (рис. 1):

Рис. 1. Взаимодействие преподавателя и ИСАИС в режиме генерации учебного модуля

Преподаватель, работая за компьютером, выполняет некоторую последовательность действий, которая определенным образом связана с учебными задачами ближайшего, или более отдаленного периода. Эта последовательность автоматически записывается компьютером, не требуя от преподавателя практически никаких дополнительных усилий. Результат, полученный при записи, может представлять собой некоторую информационную структуру, записанную в текстовом, или бинарном файле. Такая структура данных содержит информацию, необходимую для подготовки учебного ресурса.

ИСАИС обрабатывает этот файл, результатом обработки, в зависимости от поставленной задачи, может явиться фрагмент учебного ресурса.

Преподаватель оценивает полученный результат и вносит необходимые коррективы. На этом этапе он работает совместно с ИСАИС, поясняя причины, по которым вводятся исправления в полученный фрагмент. Иначе говоря, происходит обучение системы преподавателем. Результатом такого обучения является повышение качества учебных ресурсов.

При решении второй из сформулированных задач технология ее решения (рис. 2) может быть описана следующим образом.

Рисунок 2. ИСАИС в режиме тестирования

Преподаватель, как и в первом случае, решая контрольную задачу, выполняет некоторую последовательность действий, и каждое его действие записывается компьютером. Получаемый в результате информационный объект будет записан в текстовом, или бинарном файле.

ИСАИС выполняет первичную обработку представленного ей информационного объекта, удаляя записи, соответствующие случайным, необязательным и ошибочным действиям. В результате обработки формируется образец для последующего анализа результатов, полученных обучаемыми.

Та же контрольная задача выполняется обучаемыми в той же самой программной среде и в результате получаются информационные объекты, описывающие действия каждого из обучаемых.

ИСАИС выполняет сравнение образцового информационного объекта и объектов, полученных в п. 3, и определяет уровень знаний и навыков обучаемых по соответствующему разделу учебной дисциплины.

Преподаватель совместно с ИСАИС анализирует и корректирует результаты. В процессе этой работы происходит обучение системы. Очевидно, что по мере накопления знаний в системе, необходимость выполнения данного этапа работ постепенно исчезает.

Можно отметить, что первая из перечисленных процедур технически является одинаковой для обоих вариантов. Для ее выполнения - записи действий преподавателя можно использовать уже имеющиеся программные средства, либо специализированные программы. Многие профессиональные программные пакеты, являющиеся объектами изучения, имеют в своем составе макрорекордеры, предназначенные для автоматической записи действий пользователя. С помощью этих программ можно во многих случаях получить информационный объект, вполне пригодный для обработки системой ИСАИС.

Рассмотрим теперь данную технологию применительно к различным учебным дисциплинам для подготовки учебных ресурсов различных видов.

Информатика. В данной учебной дисциплине значительное внимание уделяется практическому изучению программ пакета Microsoft Office. Данный пакет имеет встроенный макрорекордер, автоматически отслеживающий действия пользователя. Рекордер доступен из любой программы пакета. Текст программы на макроязыке, полученный автоматически, может быть обработан с помощью ИСАИС и в результате можно получить фрагмент учебного материала. Например, при изучении раздела «Работа с таблицами в программе Microsoft Word» преподаватель может построить таблицу и одновременно получить примерно такой фрагмент программы на макроязыке:

ActiveDocument.Tables.Add Range:=Selection.Range, NumRows:=5, NumColumns:= _

4, DefaultTableBehavior:=wdWord9TableBehavior, AutoFitBehavior:= _

wdAutoFitContent

With Selection.Tables(1)

If .Style <> "Сетка таблицы" Then

.Style = "Сетка таблицы"

End If

.ApplyStyleHeadingRows = True

.ApplyStyleLastRow = True

.ApplyStyleFirstColumn = True

.ApplyStyleLastColumn = True

End With

«Необученная» ИСАИС преобразует данный фрагмент в следующий текст упражнения:

Добавьте к текущему документу таблицу из 5 строк и 4 столбцов. Свойства таблицы задайте по умолчанию. Установите значение параметра «Выравнивание» = «По ширине страницы». Отформатируйте таблицу, применив шаблон «Сетка таблицы» ко всем ее элементам. Примените стиль к первой строке. Примените стиль к последней строке. Примените стиль к первому столбцу. Примените стиль к последнему столбцу.

Преподаватель удалит из полученного текста последние 4 фразы и предъявит полученный текст системе. В результате диалога модуля обучения системы и преподавателя к базе знаний будет добавлено следующее правило:

Правило

Если исходный текст содержит фрагмент:

.ApplyStyleHeadingRows = True

.ApplyStyleLastRow = True

.ApplyStyleFirstColumn = True

.ApplyStyleLastColumn = True

То в результирующем документе удалить предложения:

Примените стиль к первой строке.

Примените стиль к последней строке.

Примените стиль к первому столбцу.

Примените стиль к последнему столбцу.

Объяснение: Указанные значения параметров (True) означают, что вся таблица форматируется на основе заданного шаблона. Если некоторые из этих значений равны False, то нужно явно указать способ форматирования соответствующих элементов таблицы (но это уже другое правило).

Конец правила.

Основы программирования. Компьютерная программа, подготовленная и отлаженная преподавателем в качестве примера, уже содержит информацию о том, что и в какой последовательности нужно выполнять обучаемому. Задачей ИСАИС в данном случае является обработка текста программного модуля. В результате будет получен текст соответствующего упражнения на естественном языке. В этот текст ИСАИС добавляет из своей базы знаний необходимые комментарии, поясняющие, зачем выполняется данная операция, как она связана с общей задачей, почему необходимо ее выполнить, каким альтернативным методом можно решить задачу и чем данным метод лучше, или хуже используемого в упражнении. Как известно, модуль объяснений является неотъемлемой составной частью любой современной интеллектуальной системы.

В качестве примера рассмотрим следующую учебную задачу: Создать приложение, работающее в среде Windows. Предусмотреть обработчики событий «Нажатие на кнопку». При нажатии на кнопку Button1 должен выводиться наибольший общий делитель, а при нажатии на кнопку Button2 - наименьшее общее кратное двух чисел, значения которых вводит пользователь. Для поиска наибольшего общего делителя использовать алгоритм Евклида, а для вычисления наименьшего общего кратного - формулу: NOK = M*N/NOD(M,N), где NOD(M,N) - наименьшее общее кратное чисел M и N. Среда программирования - Borland Delphi, язык - Object Pascal.

function TWinForm.nod: integer;

var

x,y: integer;

begin

x:=op1;

y:=op2;

while x<>y do

if x>y then x:=x-y

else y:=y-x;

Result:=x

end;

Диалог модуля обучения «необученной» системы (С) с преподавателем (П) может содержать следующие вопросы и ответы.

С.: Зачем здесь используется функция?

П.: Получаемый результат используется в обработчиках событий «Нажатие на кнопку Button1» и событий «Нажатие на кнопку Button2».

С.: Поясните.

П.: Без использования функции пришлось бы один и тот же код переписывать в этих обработчиках дважды.

С.: Я не могу сформулировать правило.

П.: Правило. Если описание алгоритма содержит повторяющиеся фрагменты, То рассмотрите возможность использования функций, или процедур. Достоинства: 1. Сокращение объема кода (более компактная запись). 2. Увеличение надежности программы. Недостаток: Время работы программы увеличивается, поскольку компьютер должен выполнить дополнительные команды вызова процедуры (функции) и возврата из нее. В современных быстродействующих компьютерах этот недостаток не является существенным в подавляющем большинстве случаев. Альтернативный метод: повторная запись одного и того же кода в программе. Конец правила.

С.: В моей базе знаний имеется общая форма конструкции if…then…else. В Вашей записи отсутствуют ключевые слова begin, end. Объясните.

П.: Если после ключевого слова then, или else алгоритм содержит только одну операцию, то пара begin, end может быть пропущена.

При достаточно высоком уровне знаний система сама сформулирует (дополнит) соответствующее правило.

Аналогичным образом будут сформулированы и другие правила. В результате такого обучения интеллектуальная система будет самостоятельно анализировать тексты программ, и создавать на их основе учебные ресурсы.

Компьютерная графика. Подготовка тестовых заданий по компьютерной графике. Современные графические редакторы, изучаемые в данной учебной дисциплине, содержат средства протоколирования действий пользователя. Так, в программе 3D Studio MAX имеется соответствующий рекордер. Следовательно, при подготовке к занятию преподаватель может выполнить несколько упражнений в среде данного программного средства с включенным рекордером. Полученные автоматически тексты сохраняются в файлах и используются в двух целях:

На их основе можно получить текст упражнения.

Для контроля выполнения соответствующих заданий. При выполнении данной функции применяется модуль анализа текстовых фрагментов системы.

Рассмотрим в качестве примера следующее упражнение, выполняемое при изучении темы «Булева операция исключения».

Задание, составленное преподавателем. Моделировать стену с оконным проемом. Порядок моделирования следующий:

Восстановите исходное состояние программы, выполнив операцию Reset.

Создайте модели двух прямоугольных параллелепипедов; сохраните имена, присвоенные программой по умолчанию: Box01 и Box02. Вспомогательный объект Box02 должен пересекать Box01 для того, чтобы после его удаления получилось сквозное отверстие.

Переместите Box02 так, чтобы он находился там, где нужен проем.

Выделите Box01.

Выполните булеву операцию исключения, указав в качестве OperandB объект Box02.

Преподаватель выполнил данное упражнение при включенном макрорекордере и получил следующий текст на языке MAXScript (в фигурных скобках добавлены номера пунктов задания для соответствующих операций):

actionMan.executeAction 0 "40005" -- File: Reset File -{1}

max reset file

Box lengthsegs:1 widthsegs:1 heightsegs:1 length:266.355 width:343.925 height:-28.0374 mapcoords:on transform:(matrix3 [1,0,0] [0,0,1] [0,-1,0] [0.467285,0,1.40187]) isSelected:on - {2}

Box lengthsegs:1 widthsegs:1 heightsegs:1 length:78.5047 width:103.738 height:-47.6635 mapcoords:on transform:(matrix3 [1,0,0] [0,0,1] [0,-1,0] [-7.47663,-2.45111e-007,5.60748]) isSelected:on - {2}

max move

select $Box02

move $ [0,-7.47073,0] - {3}

max select

select $Box01 - {4}

macros.run "Objects Compounds" "Boolean" -- {5}

boolObj.createBooleanObject $ -- {5}

boolObj.SetOperandB $ $Box02 4 2 -- {5}

ИСАИС преобразует данный фрагмент в следующий текст упражнения (курсивом отмечены существенные отличия от текста, написанного преподавателем):

Восстановите исходное состояние программы, выполнив операцию Reset;

В окне проекции Front создайте модель прямоугольного параллелепипеда следующих размеров: длина 266.355 ширина 343.925 и высота -28.0374. Точка привязки должна иметь координаты: [0.467285,0,1.40187].

В окне проекции Front создайте модель прямоугольного параллелепипеда следующих размеров: длина 78.5047 ширина 103.738 и высота -47.6635. Точка привязки должна иметь координаты: [-7.47663,-2.45111e-007,5.60748].

Активизируйте инструмент Select and Move.

Выделите объект Box02.

Переместите выделенный объект по оси OY на расстояние -7.47073.

Активизируйте инструмент Select Object.

Выделите объект Box01.

Выполните булеву операцию исключения, указав в качестве OperandB объект Box02.

Из этого примера видно, что автоматический генератор текста для относительно простых упражнений может работать вполне удовлетворительно. С его помощью в некоторых случаях получается даже более качественное описание. В данном случае это получилось в пунктах 2 и 3 приведенного выше текста (Преподаватель в написанном им тексте не указал явно, в каком из окон проекций нужно строить объекты). В процессе обучения системы можно избавиться от излишней точности задаваемых размеров и координат. В нашем примере точность до 5 знаков после запятой является излишней, а число с плавающей запятой -2.45111e-007 (2,45*10^-7), несомненно, неотличимо от нуля. Не представляет особой сложности задача определения взаимного расположения двух и более моделей объектов (находится внутри полностью, или частично, пересекает, касается, не пересекает), а также задача замены отрицательных и положительных направлений перемещения на более привычные для человека слова «Вверх» и «Вниз».

Интеллектуальный анализатор в процессе анализа строки: move $ [0,-7.47073,0] задает вопрос: «Почему выбрана величина перемещения - 7.47073 по оси 0Y?» и получает ответ: «Это высота оконного проема относительно пола». В результате этого диалога пункт 6 автоматически сгенерированного задания получится более осмысленным:

Переместите выделенный объект вверх по оси OY на расстояние, соответствующее высоте оконного проема относительно пола.

Упражнения, выполненные обучаемыми в той же программной среде с включенным рекордером, дают в результате текстовые файлы, в которых содержится информация о последовательности выполнения. Задачей ИСАИС, работающей в режиме проверки контрольных заданий, является анализ степени соответствия образцового текста и текста, полученного обучаемым. Разумеется, эта задача отнюдь не сводится к простому сравнению двух текстов [2]. Соответствующая база знаний ориентирована на получение достоверной информации о ходе и результатах выполнения упражнения, или тестового задания. Подробный анализ данной задачи будет выполнен в отдельной работе.

Мы рассмотрели возможности использования ИСАИС только в одной графической программе. К сожалению, не всегда встроенный макрорекордер удается использовать без дополнительных программных средств. Например, популярный графический редактор Adobe Photoshop также содержит рекордер, однако, получаемый файл является бинарным, поэтому в ИСАИС необходимо включить компоненту преобразования - компилятор.

В заключение следует отметить, что ИСАИС ориентирована на генерацию текстовых фрагментов в унифицированном формате, базирующимся на языке XML, что позволяет использовать одни и те же текстовые файлы для различных целей: в качестве учебного пособия, справочника, комплекта тестовых заданий, и руководства для самостоятельной работы.

Выводы

Предложена технология подготовки учебных модулей, основанная на интеллектуальном компьютерном анализе автоматически генерируемых структурированных информационных объектов.

Многие современные программные средства, являющиеся объектами изучения в стандартных вузовских учебных дисциплинах, содержат встроенные средства записи действий пользователя и могут быть использованы для автоматического получения необходимой для обработки информации.

Предложена технология может быть использована также для тестирования обучаемых.

Применение этой технологии способствует повышению качества учебных материалов при существенно сокращении трудозатрат преподавателей.

Литература

информация обучение тестовый

1. Е.М. Разинкина. Объектно-адаптационный подход как средство построения информационной предметной среды. Материалы конференции «Информационные технологии в образовании».

2. http://www.ito.su/main.php?pid=26&fid=6070& PHPSESSID=fifs2temjgrmu87g3fl8gc0vn4.

3. Ю.М. Носков. Новый метод тестирования, используемый при изучении компьютерной графики//Педагогическая информатика, М.: -ИНИНФО, № 4, 2004, С. 94-98.

Размещено на Allbest.ru