Змістовий компонент методики навчання майбутніх учителів інформатики знання-орієнтованих інформаційних системи, зокрема систем штучного інтелекту

Размещено на http://allbest.ru

Державний заклад «Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К. Д. Ушинського»

Змістовий компонент методики навчання майбутніх учителів інформатики знання-орієнтованих інформаційних системи, зокрема систем штучного інтелекту

Черних Володимир Володимирович кандидат педагогічних наук,

старший викладач кафедри прикладної математики та інформатики

м. Одеса

Анотація

В даній статті висвітлюється актуальна проблематика формування змістовного компоненту методичної системи навчання майбутніх учителів інформатики знання-орієнтованих інформаційних систем, зокрема й систем штучного інтелекту. В статі виділено, що змістовний компонент в даній методичній системі націлено на практичне використання, включаючи дослідження ролі знань-орієнтованих інформаційних систем, зокрема систем штучного інтелекту, у процесі навчання майбутніх учителів інформатики та прикладного використання знання-орієнтованих інформаційних систем та систем штучного інтелекту для вирішення прикладних професійних задач.

Стаття ретельно аналізує сутність змістового компонента методики, де приділяється особлива увага важливості використання інноваційних підходів у навчанні майбутніх учителів інформатики. Здійснено глибокий аналіз впливу знань-орієнтованих інформаційних систем та систем штучного інтелекту на формування глибокого розуміння предмету та розвиток критичного мислення у здобувачів освіти. Детально висвітлено роль використання знання-орієнтованих інформаційних систем та систем штучного інтелекту для індивідуалізації навчального процесу та створення оптимальних умов для розвитку кожного здобувача освіти.

У статті зазначено, що важливим є обов'язкове подальше проведення наукових досліджень та впровадження зазначених змістових компонентів у методику навчання майбутніх учителів інформатики. Крім того, особливо підкреслено необхідність розробки нових педагогічних стратегій та використання сучасних технологій з метою подальшого покращення освітнього процесу.

Ключові слова: Змістовий компонент, методична система навчання, майбутні вчителі інформатики, знання-орієнтовані інформаційні системи.

Abstract

Content component of the methodology for teaching future computer science teachers knowledge-oriented information systems, including artificial intelligence systems

Chernykh Volodymyr Volodymyrovych PhD in Pedagogy, Senior Teacher at the Department of Applied Mathematics and Informatics, State Institution "South Ukrainian National Pedagogical University named after K. D. Ushynsky", Odesa

This article highlights the actual problems of forming the content component of the methodological system for teaching pre-service computer science teachers knowledge-oriented information systems, including artificial intelligence systems. The article highlights that the content component of this methodological system is aimed at practical use, including the study of the role of knowledgeoriented information systems, including artificial intelligence systems, in the process of teaching future computer science teachers and the applied use of knowledgeoriented information systems and artificial intelligence systems to solve applied professional problems.

The article thoroughly analyses the essence of the content component of the methodology, with special attention paid to the importance of using innovative approaches in the training of pre-service computer science teachers. An in-depth analysis of the impact of knowledge-based information systems and artificial intelligence systems on the formation of a deep understanding of the subject and the development of critical thinking in students is carried out.

The role of using knowledge-oriented information systems and artificial intelligence systems to individualise the educational process and create optimal conditions for the development of each student is highlighted in detail.

The article notes that it is important to conduct further research and introduce these content components into the methodology of teaching pre-service computer science teachers.

In addition, the necessity of developing new pedagogical strategies and using modern technologies in order to further improve the educational process is emphasised.

Keywords: Content component, methodological teaching system, pre-service teachers of informatics, knowledge-based information systems.

Вступ

Постановка проблеми. Практична спрямованість мети навчання майбутній учителів інформатики знання-орієнтованих систем, зокрема систем штучного інтелекту виражається в тому що важлива складова такого навчання полягає у вивченні типової структури системи штучного інтелекту, як прикладу знання-орієнтованої інформаційної системи; формуванні у здобувачів освіти компетентностей з роботи зі знаннями (отримання, збирання, опрацювання, структурування, формування баз знань); формуванні компетентностей зі створення та використання знання-орієнтованих інформаційних систем, зокрема експертних систем, на основі середовища розробки CLIPS задля розв'язання задач професійної сфери.

Саме така практична спрямованість спонукає до детальної розробки практичної частини курсу, яку в рамках поточного дослідження пропонуємо розглядати як набір лабораторних робіт, які, в свою чергу, умовно, можна розділити на дві категорії: роботи, що спрямовані на розвиток загальних навичок роботи зі знаннями та роботи, в рамках виконання яких здобувач освіти набуває навичок проектування та розробки бази знань та механізму логічного виведення знання-орієнтованої системи в середовищі розробки CLIPS.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Питання підготовки майбутніх вчителів інформатики до використання засобів штучного інтелекту, експертних та знання-орієнтованих систем стало предметом досліджень багатьох науковців, зокрема: М. І. Жалдака [1], [2], Н. В. Морзе [3], Ю. С. Рамського [4], Ю. В. Триуса [5], [6], О. М. Спіріна [7], [8], С. О. Семерікова [9], В. Ю. Бикова [10] та ін.

Удосконалення змісту професійної підготовки майбутніх учителів інформатики в контексті соціального замовлення має бути орієнтованим на формування у майбутніх учителів інформатики готовності до використання знання-орієнтованих інформаційних систем у професійній діяльності. У зв'язку з цим постає проблема удосконалення процесу підготовки майбутніх учителів інформатики, в якому особливе місце повинно відводитися вивченню знання-орієнтованих інформаційних систем та їх застосуванню в різних галузях діяльності, зокрема, в навчальному процесі.

Мета статті полягає у системному розгляді та аналізі змістового компоненту методики навчання, спрямованої на підготовку майбутніх учителів інформатики; ретельному вивченні та визначенні важливих аспектів методичного підходу, які сприяють ефективному формуванню компетентностей учителів інформатики, а також висвітленні практичних аспектів використання зазначених систем для підвищення якості освіти та адаптації до вимог сучасного інформаційного суспільства.

Виклад основного матеріалу

Кожна лабораторна робота має певну структуру, та може бути умовно розділена на наступні частини: теоретичну, в рамках якої стисло викладено основні аспекти лекційного матеріалу, необхідного для виконання тієї чи іншої лабораторної роботи; контрольнооцінювальний блок запропонованої методики навчання майбутніх учителів інформатики знання-орієнтованих інформаційних систем частково набув реалізації у вигляді контролюючої частини, до складу якої входять питання для самоконтролю, необхідні знання для відповіді проходили актуалізацію у теоретичній частині; завдання для самостійного виконання -- наступна частина в якій здобувачу освіти пропонується розв'язати задачу відповідно до теми лабораторної роботи; запропонований в кінці кожної роботи список літератури містить в собі перелік літературних джерел для особистого опрацювання здобувачем освіти у рамках його самостійної роботи під час навчання за означеним курсом.

Варто зауважити, що в рамках теоретичної частини лабораторної роботи розглядаються задачі які подібні до задач для самостійного виконання. Крім того, практичні завдання збудовано так, щоб можливість вдалого виконання кожної наступної лабораторної роботи була у залежності від того, наскільки вдало було виконано здобувачем освіти завдання з попередніх лабораторних робіт.

Метою першої лабораторної роботи «Визначення інтелектуальності задачі» є навчити відрізняти множину інтелектуальних задач від множини задач неінтелектуальних. Задля досягнення такої мети, в рамках теоретичної частини, здобувачу освіти пропонується згадати такі основні поняття як «інтелект», «алгоритм», «інтелектуальна задача», розглянути приклади інтелектуальних та неінтелектуальних задач. У разі успішного проходження контролюючої частини (відповіді на запитання для самостійного контролю) здобувачу освіти пропонується перейти до розв'язання завдання для самостійного виконання. В рамках першої лабораторної роботи пропонується провести розподіл зі списку запропонованих задач на категорії інтелектуальних та неінтелектуальних задач. Основна складність такого завдання полягає у необхідності проведення аналізу способів реалізації кожної із запропонованих задач зі списку на предмет можливої наявності алгоритмічного розв'язання та можливості «переходу» з часом задачі з класу інтелектуальних до класу неінтелектуальних.

Наступні чотири лабораторні роботи («Формування правил продукції», «Створення семантичної мережі», «Робота з фреймами», «Формування формальних моделей») стосуються різних моделей подання знань, а саме у вигляді правил продукції (продукційної моделі), семантичної мережі, фреймової та формальної (логічної) моделей. Досягнення мети зазначених лабораторних робіт здійснюється шляхом навчання здобувачів освіти основних принципів побудови моделей подання знань, розкритті переваг та недоліків кожної моделі, проведенню порівняльної характеристики кожної з моделей; окреслено логічний зв'язок між запропонованими моделями та можливість переходу від однієї моделі подання знань до іншої в залежності від тематики задачі, що потребує розв'язання. У теоретичній частині здобувачам освіти пропонується ознайомитись з основними принципами складання таких моделей на прикладах побудови цих моделей для реально існуючих знанняорієнтованих інформаційних систем, наприклад, в роботі, що присвячена створенню правил продукції наведено фрагмент правила, у вигляді продукції, діагностики захворювання за результатами загального аналізу крові, що використовується у реальній знання-орієнтованій системі медичного призначення MYCIN, так і використовуючи приклади із загально-побутової сфери, з якими людина стикається у повсякденні (сімейні відносини, відвідування кафе, придбання товарів у крамниці, тощо), використовуються міжпредметні зв'язки, на прикладі інформатики та фізики за мети ілюстрації створення формальних (логічних) моделей закону всесвітнього тяжіння та схеми архітектури персонального комп'ютера. Блок завдань для самостійного виконання пропонує здобувачам освіти побудувати необхідні у кожній лабораторній роботі моделі зазначених предметних областей. Так, у вигляді продукційної моделі, набору правил у вигляді ЯКЩО <...> ТО <...>, пропонується представити «правила зведення мостів», відповідно до тексту популярної та відомої з середини XVIII століття пісні “London Bridge is Falling Down”, при цьому вибір завдання не є випадковим, бо, по-перше, переслідувалася ідея проілюструвати можливість використання продукційних моделей задля подання знань будь-якої предметної області; по-друге, наведене завдання було ілюстрацією наведення простих зрозумілих прикладів, які могли б бути використані здобувачами освіти після завершення навчання у власній педагогічній діяльності. Задля побудови семантичної мережі здобувачам освіти пропонується ознайомитись із вільно розповсюджуваним програмним середовищем Explain, яке представляє собою векторний редактор для створення ментальних карт у вигляді графічного зображення системи пов'язаних між собою об'єктів, подій та явищ. Тематична область завдання, що пропонується до розв'язання -- «Всесвітня історія» (здобувачам освіти пропонується, відповідно до наведеної історичної довідки, сформувати, використовуючи інструменти середовища Explain, у вигляді семантичної мережі відомості про організацію структури органів влади у Франції за часи Третьої республіки (1875 1790 рр.), що дає наочний приклад можливості та необхідності використання міжпредметних зв'язків з метою підвищення якості професійної підготовки майбутніх учителів інформатики. В рамках лабораторної роботи, пов'язаної з формуванням фреймової моделі, в якості предметної області розглянуто ситуацію, відому кожному здобувачу освіти -- відповідь на запитання викладача під час заняття.

Здобувачу освіти пропонується відтворити дану ситуацію у вигляді фреймової моделі, що може бути представлена у вигляді набору таблиць відповідної структури, наведеної у теоретичному розділі лабораторної роботи та у завданні-прикладі. У вигляді формальної (логічної) моделі пропонується відтворити правила гри у шахи, вказавши назви фігур, їхні позиції на дошці на початку гри та способи ходу, визначити важливі ігрові ситуації.

Наступні дві лабораторні роботи («Пошук в глибину», «Пошук в ширину») стосуються стратегій реалізації пошуку рішень: алгоритми пошуку у глибину (Depth-first search, DFS) та у ширину (Breadth-first search, BFS). Метою даних робіт є навчити здобувачів освіти алгоритмам пошуків в глибину та в ширину, навчити доцільного вибору алгоритму пошуку в залежності від змісту поставленої задачі та аналізувати ефективність обраної стратегії, навчити складати дерево станів у відповідності до результатів пошуку. У якості навчальних прикладів у рамках запропонованих робіт розглядається суто пошукова задача (пошук у глибину, DFS) та задача з пошуку рішення для гри «П'ятнашки», яка, у свою чергу, зводиться до перелічення всіх можливих станів ігрового поля після пересування комірок, починаючи від запропонованого стану до стану, що позначає завершення гри (пошук у ширину, BFS). Також у теоретичній частині проілюстровано переваги та недоліки кожного з наведених алгоритмів пошуку, проілюстровано ситуації «тупикового» або нескінченого пошуку для алгоритму пошуку у глибину та ситуацію «комбінаторного вибуху» у випадку з алгоритмом пошуку у ширину. В якості завдання для самостійного виконання, під час вивчення пошуку у глибину, пропонується розв'язати задачу пошуку виходу з лабіринту, з умовою створення дереву графів, яке дає змогу у графічному вигляді відтворити всі можливі маршрути лабіринту, включаючи маршрут, що приводить до виходу. Завдання для самостійного виконання лабораторної роботи, що стосується пошуку в ширину полягає у пошуку рішення для варіації на тему задачі комівояжера з пошуку оптимального за довжиною маршруту між певними населеними пунктами.

Мета лабораторної роботи «Формування нечітких функцій належності» -- навчити здобувачів освіти формувати нечіткі функції належності нечітких множин. Задля реалізації поставленої мети здобувачам освіти пропонуються для розгляду функції належності реальних нечітких множин та приклади їх використання. У теоретичній частині роботи містяться відомості про виникнення понять «нечітка логіка» та «нечітка множина», наведено класифікацію функцій належності та особливості їхнього створення, використовуючи прямі та непрямі методи побудови функцій належності; кожна з функцій належності ілюструється зрозумілими прикладами. У завданні для самостійного контролю здобувачам освіти пропонується побудувати графіки функції належності відповідно до низки нечітких висловів, наприклад, «середня швидкість автомобіля», «недостатній рівень доходів», «яскравість освітлення в приміщенні». Варто зауважити, що під час виконання даної лабораторної роботи викладачеві пропонується використовувати, зазначений у попередньому підрозділі, метод порівняння. Також слід зазначити, що, не зважаючи на обов'язкову самостійність у виконанні завдання лабораторної роботи та складання звіту про її виконання, варто організовувати заняття у груповій формі. Проведення роботи з розв'язання задач у груповій формі сприяє розвитку особистості здобувача освіти: стимулює до співпраці (моделює діяльність у команді експертів задача яких -- розробка та наповнення бази знань знання-орієнтованої інформаційної системи), формування комунікативних та рефлексивних навичок, зокрема має суттєвий вплив на розвиток когнітивного компонента ІКТ-компетентності, дає змогу поєднати фронтальну та індивідуальну форми навчальної діяльності.

Виконання лабораторної роботи «Операції над нечіткими множинами» має за мету навчити здобувачів освіти здійснювати операцій над нечіткими множинами. У теоретичній частині доступні відомості про логічні та арифметичні операції над нечіткими множинами, такими як включення, об'єднання, перетин, доповнення, різниця, алгебраїчний добуток, алгебраїчна сума, множення на число, диз'юнктивна сума, опукла комбінація нечітких множин, декартовий (прямий) добуток. Для кожної з вказаних операцій наведено математичну формулу, графічний вигляд, приклад. В якості завдання для самостійного виконання пропонується виконати певні дії над нечіткими множинами «висока заробітна плата» та «низька заробітна плата»; одна з задач, що має безпосередньо практичну спрямованість та є інтуїтивно зрозумілою -- задача пошуку розміру оптимальної заробітної плати, розв'язання якої потребує саме використання певних операцій над зазначеними вище нечіткими множинами. Вочевидь зв'язок між поточною та попередньою роботами. Також рекомендується групова форма проведення лабораторної роботи, задля формування «кола експертів» для створення нечітких множин та графічного відображення їхніх функцій приналежності. В рамка цієї роботи є доцільними міжпредметні зв'язки із дискретною математикою, комбінаторикою.

В якості мети лабораторної роботи «Нечітке логічне виведення» виділено необхідність навчити здобувачів освіти процедурі нечіткого логічного виведення шляхом ознайомлення з її теоретичними аспектами та особливостями використання, розглянути приклади завдань, в яких використовується механізм нечіткого логічного висновку. У теоретичній частині наведено відомості про складові системи нечіткого логічного висновку та етапи його реалізації: формування бази правил, фазифікація вхідних змінних, агрегування підумов, активізація попередніх висновків, акумулювання попередніх висновків, дефазифікація вихідних змінних. Проводиться стислий огляд кожного з етапів із використанням демонстраційних прикладів. В процесі ознайомлення з процесом дефазифікації здобувачам освіти пропонується ознайомитись з різними методами її проведення: методом центру ваги, методом центру площі, методами лівого та правого модального значення. Також пропонується до уваги здобувачів освіти декілька алгоритмів реалізації нечіткого логічного виведення, а саме: алгоритм Мамдамі, алгоритм Цукамото, алгоритм Ларсена, алгоритм Сугено. Завдання для самостійного розв'язання лабораторної роботи стосується розробки механізму нечіткого логічного виведення для системи керування температурою води в змішувачі як складової системи «розумного дому». Як і у попередніх двох лабораторних роботах у цій рекомендовано проводити виконання практичного завдання у груповій формі. Особливо така форма буде вдалою на етапі формування нечітких множин, що мають містити в собі знання про кут обертання крану для регулювання води та нечіткої множини, яка несе в собі нечітко задані температурні характеристики води («вода тепла», «вода прохолодна»). Варто також підкреслити логічний зв'язок між цією та двома попередніми лабораторними роботами. Цілком очевидна неможливість виконання цієї лабораторної роботи без вдалого виконання самостійних завдань попередніх двох. В рамках лабораторних робіт, які стосуються тематики нечітких множин, знайшов своєї реалізації такий когнітивний метод навчання як метод порівняння.

Лабораторні роботи з першої по десяту включно можна виділити в окремий тематичний блок, який, в свою чергу, відноситься до першого змістовного модуля навчальної дисципліни «Експертні системи», основна мета якого -- навчити здобувачів освіти базових понять теорії штучного інтелекту та знання-орієнтованих інформаційних систем, навчити основних принципів роботи механізму логічного виведення, в тому числі нечіткого логічного виведення та засобів його управління.

До наступного тематичного блоку, що, у свою чергу, відноситься до другого змістовного модуля, належить сім лабораторних робіт (з одинадцятої по сімнадцяту включно). Мета другого змістовного модуля навчальної дисципліни «Експертні системи» полягає у навчанні розробки та використання знання-орієнтованих інформаційних систем. Процес навчання розробки ЗОІС проходить з використанням вільно розповсюдженого середовища CLIPS. Варто також зазначити, що в рамках цих лабораторних робіт широко використовувалися такі методи навчання, як метод відкритих програм, проблемний метод навчання, крім того широкого використання набули, зазначені у попередньому підрозділі, когнітивні методи навчання.

Основною метою першої лабораторної роботи другого тематичного блоку (одинадцята у загальному списку), яка має назву «Робота з фактами у середовищі CLIPS», є навчити створювати та обробляти факти, що у майбутньому мають сформувати базу знань знання-орієнтованої інформаційної системи, засобами середовища CLIPS. Задля реалізації зазначеної мети вирішуються наступні завдання: ознайомити з поняттям «факт», навчити синтаксису команд, що відповідають за додавання, зміну та вилучення фактів із бази знань, навчити працювати з шаблонами фактів.

У теоретичній частині наведеної лабораторної роботи, на прикладах з повсякденного життя, висвітлюються правила формування фактів для бази знань знання-орієнованої інформаційної систем. Крім того, у вигляді відкритої програми пропонується ознайомитися із процесом додавання та внесення змін у набір передумовлених фактів, формуванню шаблонів та додаванню і вилученню фактів за шаблоном. У якості завдання для самостійного виконання пропонується створити шаблон для запису фактів із зазначеними слотами та створенню в базі знань фактів відповідно до шаблону. освіта штучний інтелект інформатика студент

Наступна лабораторна робота «Робота з правилами в середовищі CLIPS» є логічним продовженням попередньої. Мета -- навчити роботі з правилами у знання-орієнтованих системах, використовуючи запропоноване середовище розробки CLIPS. Задля досягнення мети пропонується ознайомити здобувачів освіти із поняттям «правило», як складового компоненту, разом із фактами, «бази знань» знання-орієнтованої інформаційної системи, використовуючи приклади навчити синтаксису формування нових правил та додавання їх до бази знань, навчити використанню змінних у правилах. У рамках теоретичної частини лабораторної роботи здобувачі освіти отримують відомості про структуру правил у знання-орієнтованих інформаційних системах, зокрема таких, що створюють у запропонованому для навчання середовищі розробки; набувають знань про формування механізму логічного висновку (inference engine) та принцип його роботи. Крім того, пропонується на прикладі відкритого коду простежити порядок активації правил та потрапляння їх до так званої агенди. На цьому етапі варто підкреслити відмінність між декларативною на процедурною парадигмами програмування. В рамках теоретичної частини пропонується до розгляду приклад бази знань, що складається з чотирьох правил, при чому порядок запуску (активації) правил не залежить від того, яку позицію вони займають у програмному коді, а лише від виконання певних умов (в даному випадку наявності тих чи інших фактів у базі знань). На цьому етапі слід привернути увагу до того, що послідовність запису правил та їх потрапляння до менеджера правил (defrule manager) важлива лише в ситуації настання конфлікту за умови, що правила, які конфліктують, мають однаковий пріоритет (властивість salience). У якості завдання для самостійного розв'язання здобувачами освіти пропонується додати до програмного коду, створеного під час виконання попередньої лабораторної роботи, змін, у вигляді внесення до бази знань правил, що реалізують можливість пошуку виведення записів з бази знань у тому чи іншому вигляді, відповідно до створеного шаблону пошуку.

Мета лабораторної роботи «Методи вирішення конфліктів» полягає у навчанні вибору правильної стратегії розв'язання конфліктів, які можуть виникати під час роботи механізму логічного виведення. У теоретичній частині даної роботи, яка, в свою чергу, є логічним продовженням попередньої, за допомогою простих прикладів проілюстровано механізм виникнення конфлікту, який частіше за все представляє собою ситуацію, в якій база знань набуває такого стану, коли стають активними та потрапляють до агенди (agenda) два, або більше, правил. Крім того, особливу увагу приділено розгляду та детальному аналізу різних стратегій вирішення конфліктів (стратегія depth, стратегія breath, стратегія simplicity, стратегія complexity, LEX-стратегія, MEA-стратегія та стратегія random) на прикладі одного програмного коду, що дає змогу здобувачам освіти наочно побачити спільне та відмінне у кожній із стратегій, що запропоновані до вивчення. В рамках завдання для самостійного виконання здобувачам освіти пропонується створити початковий набір з декількох довільних фактів та сформувати набір правил відповідно до запропонованої схеми, вказавши при цьому значимість кожного з правил. Після формування бази знань запустити програму на виконання в покроковому режимі, обираючи перед запуском різні стратегії вирішення конфліктів. Під час трасування виконання програми здобувачі освіти повинні фіксувати зміни у вікні фактів (facts windows) та у агенді (agenda) з метою наступного порівняння та пояснення отриманих результатів у зазначених вікнах, відповідно до обраної стратегії розв'язання конфлікту.

Мета лабораторної роботи «Робота з умовними елементами CLIPS», що пов'язана з використанням умовних елементів у записі правил, які додаються до бази знань, полягає у навчанні особливостей використання умовних елементів та їхньої класифікації. В рамках теоретичної частини лабораторної роботи пропонуються відомості про доступні для використання під час написання програм в середовищі CLIPS умовні елемент та наведено приклади ситуацій їх використання. Варто зауважити, що окрім відомих з процедурних мов програмування умовних елементів or, and, not проводиться навчання таких умовних елементів, як exists (використовується для перевірки наявності хоча б одного збігу об'єкта з деяким заданим зразком), forall (надає можливість визначити що деяка задана умова може виконуватися для всіх умовних елементів), logical (вказує на те, що існування деякого певного факту залежить від існування іншого факту, або групи фактів, тобто то видалення одного факту призводить до автоматичного видалення факту (групи фактів), пов'язаних з ним логічно). У якості завдання для самоконтролю в рамках даної лабораторно-практичної роботи пропонується, використовуючи умовні елементи, створити фрагменту бази знань про правила переливання крові відповідно до групи крові донора та реципієнта і перевірити працездатність сформованого фрагменту шляхом додавання до бази знань фактів про групу крові уявних донора та реципієнта.

У лабораторній роботі «Формування вхідних даних для розробки експертної системи» здобувачам освіти пропонується ознайомитись з проблемою формування вхідних даних для розробки знання-орієнтованої інформаційної системи. Мета даної роботи -- навчити формувати вхідні дані, навчити формуванню основних елементів бази знань, сформувати практичні навички зі створення передумовлених фактів. Теоретична частина даної лабораторної роботи містить відомості про інтегрований до середовища CLIPS менеджер передумовлених фактів та правил (deffacts manager та defrule manager) та особливості роботи з ним. У якості наочного прикладу формування вхідних даних знання-орієнтованої системи здобувачам освіти пропонується ознайомитись із задачею діагностики несправності автомобіля. Варто зазначити, що процес формування вхідних даних потребує від розробника певного занурення у предметну область задачі, яка потребує розв'язання та проведення консультацій з експертом у даній предметній області задля правильного формування бази знань.

В рамках теоретичної частини на прикладі системи діагностики несправності автомобіля здобувачам освіти пропонується готовий результат опитування механіка-експерта стосовно можливих станів систем автомобіля, опис проявів можливих несправностей та рекомендацій щодо їх усунення. В якості завдання для самостійного виконання здобувачам освіти надається змога обрати індивідуальну задачу із запропонованого списку. Звіт з лабораторної роботи подається у вигляді набору правил (записаних у вигляді ЯКЩО <... > ТО <¦¦¦>) та набору передумовлених фактів, які, в свою чергу, є логічно пов'язаними з правилами. Задачі, для розв'язання яких пропонується сформувати вхідні дані, є, здебільшого, загально-побутового характеру, тому не потребують від здобувачів освіти витрачати багато додаткового часу на вивчення предметної області до якої відноситься та чи інша задача. Однак, варто зауважити, що основною складністю при розв'язанні задач, запропонованих у даній лабораторній роботі, є саме процес формування фактів, які відтворюють можливі значущі стани чи ситуації, що можуть виникати при традиційному розв'язанні задачі, оскільки правила, що забезпечують роботу механізму логічного виведення, ґрунтуватимуться саме на цих фактах.

Наступна лабораторна робота «Реалізація елементів експертної системи» є логічним продовженням попередньої роботи. Її мета -- навчити здобувачів освіти формувати базу знань знання-орієнтованої системи засобами середовища розробки CLIPS та навчити використанню конструкції, яка використовується для запису функцій (deffunction). У теоретичній частині цієї роботи містяться відомості про п'ятикомпонентну конструкцію deffunction, прикладів її оформлення, відомості про найчастіші помилки, що можуть виникати під час створення функцій. Крім того, відповідно до методу відкритих програм, здобувачам освіти пропонується ознайомитись з елементами програмного коду знання-орієнтованої інформаційної системи діагностики несправностей автомобілів, правила та факти якої були представлені здобувачам освіти у теоретичному розділі попередньої лабораторно-практичної роботи. На запропонованому програмному коді здобувачам освіти надається можливість вивчити синтаксис запису правил бази знань та особливості використання конструктора deffunction в рамках реалізації додаткової задачі зі створення текстового інтерфейсу. В якості завдання для самостійного виконання здобувачам освіти пропонується, використовуючи сформовані під час виконання попередньої лабораторної роботи, розробити елемент бази знань засобами середовища CLIPS відповідно до проблематики задачі, яку було обрано під час виконання попередньої лабораторної роботи. З метою оптимізації навчального часу, здобувачам освіти, під час роботи над завданням для самостійного виконання, пропонується готовий програмний код формування текстового інтерфейсу у вигляді запитань із варіантом вибору відповіді. В якості звіту з виконання лабораторної роботи здобувач освіти має пред'явити розроблену у середовищі CLIPS базу знань та продемонструвати роботу механізму логічного виведення відповідно до обраної ним задачі для розв'язання.

Мета лабораторної роботи «Використання експертної системи для навчання» -- навчити здобувачів освіти розробляти та використовувати бази знань знання-орієнтованих інформаційних систем для вирішення задач, що можуть виникати під час їхньої майбутньої професійної діяльності. Задля досягнення зазначеної мети пропонується ознайомити здобувачів освіти із ситуаціями з професійної діяльності, розв'язання яких можливе із залученням знання-орієнтованих інформаційних систем, навчити використовувати процедуру опису глобальних змінних defglobal. Теоретична частина даної лабораторної роботи містить відомості про особливості використання процедури defglobal та рекомендації щодо уникнення найпоширеніших помилок при її використанні. Крім того, в якості прикладу задачі зі сфери професійної діяльності майбутнього учителя інформатики, розв'язання якої можливе із використанням знання-орієнтованих інформаційних систем, пропонується задача діагностики процесу формування в учнів початкової школи ІКТ-компетентності та ключових компетентностей, що входять до її складу. Здобувачам освіти пропонується до розгляду анкета, яку було складено у вигляді відкритого тесту, яка може бути використана для проведення одного з етапів оцінювання якості та рівню сформованості ІКТкомпетентності учнів. В якості задання для самостійного контролю здобувачам освіти пропонується, використовуючи анкету, що наведена у теоретичній частині лабораторної роботи, розробити базу знань та механізм логічного виведення власної знання-орієнтованої системи, використовуючи середовище розробки CLIPS. Рекомендовано, з метою, підвищення рівня якості виконання даної лабораторної роботи, запропонувати здобувачам освіти виконувати завдання об'єднавшись у групи. У якості звіту з даної роботи має бути представлено сформовану базу знань, відповідно до відомостей з теоретичної частини та продемонструвати роботу механізму логічного виведення.

Висновки

Визначено, що специфіка навчання майбутніх вчителів інформатики знання-орієнтованих інформаційних систем полягає у тому, що зазначені інформаційні системи розглядаються, як об'єкт та як засіб навчання, що, у свою чергу, обумовлює запозичення до методики їх навчання деяких компонентів зі спеціальної методики навчання технологій розробки прикладного програмного забезпечення, програмуванню та методики навчання інформатичних дисциплін технічного профілю.

Глибока теоретична та практична підготовка з питань знанняорієнтованих інформаційних систем надає можливість майбутнім вчителям інформатики не тільки використовувати знання-орієнтовані інформаційні системи, зокрема системи штучного інтелекту, у власній педагогічній діяльності, але й проектувати та створювати власні системи для управління навчанням, інформаційного моделювання з предметної галузі, планування та об'єктивного оцінювання результатів навчальної діяльності учнів.

Література

1. Жалдак М. І. Модель системи соціально-професійних компетентностей вчителя інформатики / М. І. Жалдак, Ю. С. Рамський, М. В. Рафальська // Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія № 2 Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання : зб. наук. праць. К. : НПУ імені М. П. Драгоманова, 2009. № 7(14). С. 3-10.

2. Жалдак М. І. Інформатизація навчального процесу має сприяти поглибленню і розширенню бази знань основи творчої діяльності майбутнього фахівця [Електронний ресурс] / М. І. Жалдак // Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія 2 : Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання. 2016. № 18. С. 3-6.

3. Морзе Н. В. Підвищення рівня інформаційно-комунікаційної компетентності науково-педагогічних працівників ключова вимога якості освітнього процесу / Н. В. Морзе, О. П. Буйницька // Інформаційні технології і засоби навчання. 2017. Т. 59, вип. 3. С. 189-200.

4. Рамський Ю. С. Основи нечіткої логіки важливий компонент фахової підготовки майбутніх вчителів інформатики / Ю. С. Рамський, І. А. Твердохліб // Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія 2 : Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання. -- 2016. -- № 18. -- С. 6 12.

5. Триус Ю. В. Інформаційно-аналітична система управління навчальним процесом ЗВО / Ю. В. Триус, І. В. Стеценко, І. В. Герасименко, В. Г. Гриценко // Інформаційні технології в освіті. -- 2011. -- Вип. 9. -- С. 40-49.

6. Триус Ю. В. Аналіз особливостей використання програмного забезпечення при підготовці фахівців у галузі інформаційних технологій / Ю. В. Триус, І. В. Герасименко, Л. В. Журба // ScienceRise. Pedagogical Education. -- 2017. -- № 6. -- С. 29-35.

7. Спірін О. М. Науково-методичний та координаційний супровід розвитку інформ. освітньо-наукового простору Укр. / О. М. Спірін, Т. Л. Новицька, Л. А. Лупаренко // Комп'ютер у школі та сім'ї. 2015. № 5. С. 11-17.

8. Спірін О.М. Підготовка наукових кадрів вищої кваліфікації з інформаційно-комунікаційних технологій в освіті / О.М. Спірін, Ю.Г. Носенко, А.В. Яцишин // Наук. часопис НПУ ім. М.П. Драгоманова. Серія 2 : Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання. 2017. № 19. С. 25-34.

9. Семериков С. О. Фундаменталізація навчання інформативних дисциплін у вищій школі: Монографія // Науковий редактор ак. АПН України, д пед.н., проф. М. І. Жалдак Кривий Ріг: Мінерал; К: НПУ ім. М. П. Драгоманова, 2009 340 с.: іл. Бібліогр.: С. 284 339.

10. Биков В. Ю. Проблеми та перспективи інформатизації системи освіти в Україні [Електронний ресурс] / В. Ю. Биков// Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія 2 : Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання. -- 2012. -- № 13. -- С. 3-18. -- Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nchnpu_2_2012_13_3

References

1. Zhaldak, M. І. (2009). Model' sistemi sodarno-profesynih kompetentnostej vchitelja mformatiki [Model of the system of socio-professional competences of the informatics teacher]. Naukovij chasopis NPU imeni M. P. Dragomanova. Serija № 2 Komp'juterno-orwntovani sistemi navchannja Scientific magazine of M. P. Drahomanov NPU. Series No. 2 Computer-oriented learning systems, 7(14), 3-10 [in Ukrainian].

2. Zhaldak, M. І. (2016). Informatizacqa navchal'nogo procesu тає sprijati pogliblennju і rozshirennju bazi znan' osnovi tvorcho'i dijarnosti majbutn'ogo fahrvcja [Informatization of the educational process should contribute to the deepening and expansion of the knowledge base the basis of the creative activity of the future specialist]. Naukovij chasopis NPU mem M. P. Dragomanova. Serija 2 : Komp&apos;juterno-orUntovani sistemi navchannja Scientific journal of the M.P. Drahomanov NPU. Series 2: Computer-oriented learning systems, 18, 3-6 [in Ukrainian].

3. Morze, N. V. (2017). P^^hen^a rivnja informacijno-komunikacijnoї kompetentnosti naukovo-pedagogmhnih pmcUm^ kljuchova vimoga jakosti osvhn'ogo procesu [Increasing the level of information and communication competence of scientific and pedagogical workers a key requirement for the quality of the educational process]. Informacijni tehnologi'i і zasobi navchannja Information technologies and training tools, 59, 3, 189-200 [in Ukrainian].

4. Rams'kij, Ju. S. (2016). Osnovi necdt^' log^ vazhlivij komponent fahovoї p^ote^d majbutrnh vchitehv mformatiki [Basics of fuzzy logic an important component of the professional training of future computer science teachers]. Naukovij chasopis NPU imeni M. P. Dragomanova. Serija 2 : Komp&apos;juterno-ormntovani sistemi navchannja Scientific journal of the M. P. Drahomanov National University of Science and Technology. Series 2: Computer-oriented learning systems, 18, 6 12 [in Ukrainian].

5. Trius, Ju. V. (2011). Informadjno-anahtichna sistema upravlmnja navchal'nim procesom ZVO [Information and analytical system of management of the educational process of higher education institutions]. Informacijni tehnologi'i v osviti Information technologies in education, 9, 40-49 [in Ukrainian].

6. Trius, Ju. V. (2017). Anahz osoblivostej vikoristannja programnogo zabezpechennja pri pMgotovd fahwdv u galuz! mformacynih tehnologq [Analysis of features of software use in the training of specialists in the field of information technologies]. ScienceRise. Pedagogical Education, 6, 29-35 [in Ukrainian].

7. SpUm, O. M. (2015). Naukovo-metodichnij ta koordinadjnij suprovM rozvitku mformacynogo osvhn'o-naukovogo prostoru Ukrami [Scientific-methodical and coordination support for the development of the informational educational and scientific space of Ukraine]. Komp&apos;juter u shkoli ta sim&apos;i -Computer in school and family, 5, 11-17 [in Ukrainian].

8. Spirin, O. M. (2017). Pidgotovka naukovih kadriv vishhoi kvalifikacii z informacijnokomunikacijnih tehnologij v osviti [Training of highly qualified scientific personnel in information and communication technologies in education]. Naukovij chasopis NPU im. M. P. Dragomanova. Serija 2 : Komp&apos;juterno-orUntovani sistemi navchannja Scientific journal of the M. P. Drahomanov NPU. Series 2: Computer-oriented learning systems, 19, 25-34 [in Ukrainian].

9. Semerikov, S. O. (2009). Fundamentalizacija navchannja informativnih disciplin u vishhij shkoli [Fundamentalization of teaching informative disciplines in higher education], K: NPU im. M. P. Dragomanova [in Ukrainian].

10. Bikov, V. Ju. (2012). Problemi ta perspektivi informatizatii sistemi osviti v Ukraini [Problems and prospects of informatization of the education system in Ukraine]. Naukovij chasopis NPU imeni M. P. Dragomanova. Serija 2 : Komp&aposjuterno-orwntovani sistemi navchannja Scientific journal of the M. P. Drahomanov NPU. Series 2: Computer-oriented learning systems, 13, 3-18. Retrieved from http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nchnpu_2_2012_13_3 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru