Применение методов искусственного интеллекта в теории и методике обучения будущих учителей информатики

Предыстория нашего обращения к методам искусственного интеллекта состоит в том, что мы изучили проблематику исследований, посвященных применению математического аппарата теории графов для моделирования как процесса обучения в целом (аспект программированного обучения), так и отдельных компонентов методической системы обучения, в частности - содержания обучения. Отметим, что существуют различные подходы к моделированию структуры содержания образования как сложной системы. Если говорить об общепедагогической постановке проблемы отбора и проектирования содержания образования, то следует отметить множество подходов, традиционных и относительно новых: системный («знаниевый»), деятельностный, личностно-ориентированный, культурологический и компетентностный.

В то же время практически отсутствуют исследования, в которых изучались бы вопросы системного представления о тех или иных подходах в учебных текстах. Вопрос о выборе тех или иных методов исследования для моделирования структуры содержания образования, безусловно, важен и актуален, однако не следует забывать и о корректном выборе объекта и предмета исследования и моделирования. Это может быть: а) логическая структура (содержания) учебного курса, которая в известной степени определяется целями и назначением курса; б) последовательность изложения, отражающая как специфику учебного курса, так и традиции методики преподавания наряду с особенностями предпочтений преподавателей; в) система понятий учебного курса, которая представляет логически непротиворечивые связи основных понятий со смысловой, или семантической, нагрузкой, не зависящие от порядка изложения. Моделью последнего из названных объектов и является тезаурус, в нашей терминологии - учебный тезаурус или тезаурус учебной дисциплины [1; 2; 3].

В научном исследовании для того, чтобы проводить систематизацию понятий учебного курса, необходимо иметь их определения или описания. В свою очередь, для получения полных и непротиворечивых определений (или хотя бы описаний) тех или иных понятий, прежде всего, должен быть проведен формально-логический анализ высказываний. В методической практике это означает проведение специальных исследований, посвященных анализу фрагментов текстов на естественном языке (из учебных, методических пособий, словарей, справочников, специальной и дополнительной литературы), содержащих описание отношений между понятиями, признаки, характеристики и свойства понятий.

Одно из положений нашей теории состоит в том, что логико-семантический подход к систематизации и структурированию понятий в рамках анализа и проектирования учебных курсов (на основе тезаурусного метода и сетевого моделирования) дает возможность осуществить анализ и синтез понятийно-типовой структуры учебного курса в виде учебного тезауруса [4]. Именно эта возможность является основой разработки системы дидактических электронных средств нового типа, которые в совокупности адекватно представляют учебную информацию в виде модели знаний, поддерживают эффективное формирование системы знаний и должное качество подготовки выпускников образовательных учреждений.

Отличительная особенность тезаурусного метода состоит в том, что с его помощью можно не только определить содержание (выделить систему понятий той или иной предметной области, задать «логический каркас» будущей модели знаний выпускника - свойство эксплицитности, выраженности связей между понятиями), но и метод его обработки, то есть соотнести логику науки с логикой учебного предмета. Таким образом, тезаурусный метод был выбран нами, с одной стороны, как один из ведущих методов в практической информатике, в частности, при построении информационно-поисковых систем, с другой стороны, как довольно традиционный и в то же время редко используемый метод в педагогических и психологических исследованиях [5].

Наряду с этим нами проведен анализ основных методов ИИ, предлагаемых для решения проблемы: логических, сетевых, фреймовых, продукционных, объектно-ориентированных. Установлено, что формализмы этих методов все же не обладают достаточной мощностью, чтобы решить ключевую проблему анализа и проектирования учебных курсов - отбор и систематизацию понятий и образов с целью более эффективной организации процесса обучения и налаживания «обратной связи» - оптимальной процедуры проверки и оценки качества подготовки учащихся. Укажем, что сетевые модели представления знаний предназначены именно для систематизации, синтеза семантической информации об объекте на формально-логической основе, что дает возможность эффективной разработки обучающих систем.

Теоретическим обоснованием применения сетей Петри для формализации семантических связей понятий какой-либо отрасли знаний является то, что аппарат сетей Петри соответствует законам формирования понятий на общелогической основе, что не противоречит требованиям дидактики. (Формализм сети Петри классически выражает формальную логику по отношению к операциям определения объема и содержания понятия.) В процессе определения понятие может изменяться как по составу, так и по характеру связей между образующими его понятиями. Любое понятие может само оказаться системой понятий, в терминологии тезаурусного метода - дескриптором. Именно этими вышеперечисленными свойствами структуры понятий и обладает сеть Петри как математическая структура.

Автором впервые разработаны и применены сетевые модели логической структуры понятий курса информатики, составленные на основе элементов теории сетей Петри (1994-2003). В ходе проведенных исследований установлено, что применение сетевых моделей, составленных на основе элементов теории сетей Петри, является эффективным дидактическим средством. Построенные при помощи сетевого моделирования формально-логические схемы понятий представляют собой модели логической структуры понятий, позволяющие выявлять и анализировать связи между понятиями. Сетевые модели и формально-логические схемы понятий являются эффективным инструментом исследования для методистов и преподавателей информатики при отборе содержания и определении структуры тем, разделов и учебных курсов - с учетом связей между понятиями, которые отражены на схемах.

Дидактические задачи, решаемые при помощи учебного тезауруса, - это систематизация понятий учебного курса; уточнение определений понятий, их дидактическое упрощение. Виды методической работы: работа с формально-логическими схемами понятий по систематизации и обобщению знаний учащихся и учителя; словарная работа; разработка систем тестовых заданий. Укажем, что формально-логические схемы понятий (соответствующие сетевым моделям логической структуры понятий), дают возможность проводить глубокий семантический анализ связей между понятиями и определений понятий, в том числе их вариантов, то есть делать выводы по содержанию учебного курса, последовательности изложения отдельных вопросов, тем и т. п., уточнять методику преподавания.

Наше исследование и результаты внедрения в практику показали, что использование методов искусственного интеллекта позволяет эффективно решать большинство вопросов, касающихся сферы информатизации образования. Особенно важным нам представляется применение этих методов и построенной на их основе методики для анализа «стыковки» школьных и вузовских образовательных программ. Исследование и внедрение указанных методов в рамках модернизированных образовательных технологий проводилось применительно к курсу информатики для педагогических вузов.

При этом имеется достаточно оснований полагать общеметодологическую значимость использования методов ИИ для информатизации образования в целом (с учетом необходимости внедрения линии информатизации в содержание всех образовательных областей), а также его общенаучную значимость в аспекте систематизации знаний. В качестве воспитательного аспекта отметим, что методика обучения студентов, разработанная на основе применения методов искусственного интеллекта (сетевого моделирования и тезаурусного метода), подразумевает включение в учебный процесс коммуникативных компонентов, вносит в него элементы творчества.

Мы считаем, что ключевым моментом анализа и проектирования учебных курсов является отбор содержания образования в двух аспектах -предметном и деятельностном: например, информатика как наука, область знаний, сфера деятельности и предмет изучения. Нам удалось определить основные этапы анализа и проектирования учебных курсов с учетом методологии экспертных систем, а также выявить функции системы дидактических средств, которые, на наш взгляд, позволяют оптимизировать разработку учебных курсов. Укажем эти средства: логические схемы понятий; словари и справочники (в том числе электронные); системы тестовых заданий. Применение этих средств помогает преподавателю решить задачу выявления «круга» понятий учебного курса, соотнести полноту определения понятий в минимально возможном и расширенном толкованиях, соотнести уровень изложения, который может быть реализован в рамках отведенного учебного времени,- с целями и назначением курса.

В информатике как учебном курсе с не вполне устоявшейся структурой целесообразно проводить проверку содержания с точки зрения оптимизации внутрипредметных связей, уточнения определений понятий, особенно дескрипторов- комплексных понятий, составляющих смысловое «ядро»учебного курса. На примерах систематизации понятий возможно эффективное установление межпредметных связей - круга понятий, принадлежащих одновременно двум и более образовательным областям. На основе применения тезауруса строятся различные варианты объяснения отношений между понятиями, логические «цепочки» (логические последовательности) понятий, и вследствие этого - определяются различные варианты сочетаний применяемых методов, форм и средств обучения. Важно, чтобы у преподавателя, учителя был четко определенный критерий достижения цели - стройная, логически непротиворечивая модель системы понятий учебного курса.

Применение в обучении указанной системы средств (схем, словарей, тестовых заданий) способствует активизации мышления студентов: работа с формально-логическими схемами понятий обеспечивает систематизацию и определенную формализацию мышления, прививает навыки построения таких схем, формирует умения их проверки при помощи словарей, а также -проверки тестовых заданий на полноту или репрезентативность их содержания. Это еще раз свидетельствует о методологической значимости нашего подхода, разработанной нами методики отбора понятий учебного курса.

Литература:

1. Кувалдина Т.А. Основные понятия информатики: тезаурус: Учеб. издание. – Волгоград, 1996.

2. Кувалдина Т.А. Применение методов искусственного интеллекта для анализа и проектирования тезаурусов учебных дисциплин: Монография. - СПб.; Волгоград, 2003.

3. Кувалдина Т.А. Тезаурус как дидактическое средство систематизации понятий курса информатики // Информатика и образование.- 2003.- № 11.

4. Кувалдина Т.А Систематизация понятий курса информатики на основе методов искусственного интеллекта.Дис. …д-ра пед.наук. – М., 2003.

5. Кувалдина Т.А. Разработка модели знаний по информатике выпускника общеобразовательной школы. Дис. … канд. пед. наук. - М., 1997.

А.С.Кузичев, г. Москва