3.1. Интеллектуальный обучающий комплекс по физике

Любая обучающая компьютерная система – это система, основанная на знаниях. Как известно, построение систем, основанных на знаниях, является предметом искусственного интеллекта []. Больше того. Хотя об этом знают далеко не все разработчики и пользователи обучающих программ, компьютерные технологии обучения относятся к одной из прикладных его ветвей – искусственному интеллекту в обучении. Под искусственным интеллектом в обучении понимают новую методологию психологических и дидактических исследований по моделированию поведения человека в процессе обучения, опирающуюся на методы одной из ветвей искусственного интеллекта - инженерии знаний. Другими словами, это синтез психологии, дидактики и инженерии знаний.

Таким образом, обучающая система должна быть интеллектуальной. Это значит, что система, в первую очередь, имеет автономную базу знаний, содержащую предметные знания, то есть знания по учебному предмету, которому посвящена система. Наличие такой базы знаний позволяет, не затрагивая всю систему, изменять, добавлять, расширять предметные знания, то есть «обучать» систему. Другими словами, интеллектуальная система представляет собой инструментальную оболочку, которую наполняют предметными знаниями.

Разработанный нами интеллектуальный обучающий комплекс по физике основан на фреймовом представлении знаний. Он состоит из отдельных автономных систем (в настоящее время их 15), реализующих единый дидактический подход. Главными особенностями этого подхода являются: подчинение содержания каждой системы не логике отдельной темы, а логике развития процесса или явления, имитируемого системой; построение предметных и текущих моделей обучаемого, в том числе моделей ошибок; обязательное и специальное оформление вводно-мотивационного и других этапов, а также частей деятельности; педагогическая направленность диалога; возможность выполнения задания системы (достижения цели деятельности) обучаемыми с различной степенью подготовки. Все начальные численные значения генерируются случайным образом при запуске системы.

Работа с отдельной системой подчинена достижению ближайших учебных целей, обусловленных ее предметным содержанием, причем главным здесь является формирование умений. Работа со всем комплексом имеет дополнительный методологический смысл и направлена на достижение отдаленных учебных целей – формирование образа действий по решению физических задач. При этом подход к решению задач явно не оговаривается и не обсуждается, а воспринимается и закрепляется обучаемым как деятельность. Здесь главную роль играют психологические механизмы непроизвольного запоминания []. По сути дела, обучающая система является схемой ориентировочной основы деятельности.

В настоящей книге рассматривается только один из нескольких аспектов разработки компьютерной обучающей системы - проектирование учебной деятельности.

3.2. Содержательная часть

Дидактическое проектирование компьютерной обучающей системы означает, в конечном счете, проектирование средств организации учебной деятельности.

В первую очередь необходимо продумать содержательную часть деятельности. Напомним, что учебная деятельность включает в себя действия по уяснению содержания учебного материала и действия по его обработке. При этом изложение учебного материала основано на логике построения структурных единиц, а действия по его обработке, то есть решение учебных задач, выполняются согласно логике использования этих единиц. Необходима специальная система действий, выполняя которые обучаемый мог бы выявлять логические связи изучаемой структурной единицы с уже усвоенными единицами.

При построении обучающих систем возможны два подхода – тематический и задачный. Первый заключается в том, что учебная деятельность подчиняется логике развития определенной темы (раздела). Обучаемый вначале должен работать с теоретическим материалом, а затем использовать его при выполнении различных упражнений. В первых обучающих программах роль упражнений играли вопросы, с помощью которых осуществлялось «закрепление» знаний. Фактически, целью являлось запоминание. К сожалению, построенные по такому принципу обучающие программы создаются до сих пор.

Более совершенные обучающие системы кроме теоретического материала имеют определенный набор задач по этой теме. Задачи здесь, как следует из существа деятельностного подхода, являются необходимым элементом, так как именно при их решении осваивается способ действий). Цель заключается в усвоении данной темы с необходимой глубиной. Напомним, что усвоение знаний происходит только в процессе оперирования с этими знаниями. Поэтому при тематическом подходе необходима специальная система учебных задач, отвечающая определенным требованиям как по их качествам, так и по их свойствам (за рубежом для этого используют термин problems sequence – последовательность задач), позволяющая оперировать всеми знаниями, содержащимися в теме. Однако в реальности этого, практически, нет. Основным содержание обучающих систем остаются знания, а деятельности по обработке этих знаний отводится второстепенная роль, часто иллюстративная. Деятельный подход, если о нем говорят, просто декларируется. Как правило, он воспринимается на бытовом уровне, а не как научная теория. Если речь идет об использовании компьютера, когда обучаемый вынужден совершать действия во внешней форме, работая с клавиатурой, это проявляется с особой силой. «Разве можно за компьютером не действовать? Конечно, работа за компьютером – это деятельность» - так думают очень многие. Однако мы знаем, что для того чтобы эта работа стала действительно деятельностью, ее надо специально организовать в соответствии с описанной в первой главе теорией. Как отмечает Е. И. Машбиц [], ни одна из отечественных теорий, в том числе деятельностная, не стала основой для разработки компьютерных обучающих систем. Это было отмечено в 1988 г. Активная деятельность автора в компьютерных технологиях в течение последнего десятилетия, участие во многих отечественных и зарубежных конференциях по этой тематике позволяют утверждать, что разработчики обучающих систем не владеют психологической теорией деятельности и, кроме отдельных элементов, как правило, контрольной части, не используют ее.

Мы применяем в наших обучающих системах задачный подход, который основан на решении отдельной задачи, которая и составляет содержание обучающей системы. Этот подход представляется естественным с точки зрения деятельности, сущность которой заключается, как мы помним, именно в решении задач. Такой подход позволяет наглядно и эффективно организовать деятельность обучаемых, так как, по сути дела, моделирует реальную деятельность.

Задача, которая предлагается в качестве задания обучающей системы, сложностью превосходит обычно решаемые задачи. С помощью таких задач, как мы видели в разделе 1, формируется обобщенность действий. Задание системы представляет собой глобальную задачу, или задание, которая в процессе деятельности расчленяется на ряд подзадач, или подзаданий (операционный способ структурирования деятельности).

Наиболее эффективными с точки зрения деятельности являются так называемые обратные задачи, когда определению подлежат начальные условия. Например, в системе «Попади в цель» (кинематика) необходимо найти угол, под которым надо выстрелить из орудия (угол бросания), чтобы попасть в цель. Прямая задача для такого процесса предполагает определение места, в которое попадет снаряд при заданном угле бросания. В системе «Забей гвоздь» гвоздь забивается с помощью шара, скатывающегося с наклонной плоскости. Прямая задача в этом случае предполагает определение глубины, на которую будет забит гвоздь, если он скатится с определенной высоты. Обратная задача заключается в нахождении высоты, с которой должен скатиться шар, чтобы забить гвоздь на заданную глубину. Обратная задача позволяет обучаемому играть роль экспериментатора, проводить запуск установки (в данном случае, варьируя угол бросания, высоту поднятия шара) и наблюдать процесс.