Реферат: С. В. Титенко Дослідження І аналіз методів та моделей інтелектуальних систем безперервного навчання

УДК 004.896


О.О. Гагарін, С.В. Титенко

Дослідження і аналіз методів та моделей інтелектуальних систем безперервного навчання

www.setlab.net

Лабораторія СЕТ – Науково-технічна лабораторія

новітніх інформаційних технологій


Гагарін О.О., Титенко С.В. Дослідження і аналіз методів та моделей інтелектуальних систем безперервного навчання // Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2007. – № 6(56). – С. 37-48.

(У збірнику статтю подано із незначними коректорськими правками)


Вступ


Стрімкий розвиток технологій спонукає до змін практично в усіх галузях суспільства. Серед них і освітня галузь, яка останнім часом проходить непростий період трансформацій. На наших очах відбувається бурхливий розвиток і перші кроки практичного застосування дистанційної освіти в Україні. Разом з тим, суспільство очікує реалізації нової концепції у навчанні «освіта впродовж усього життя» [1]. Стандартні і достатньо статичні п’яти-шестирічні університетські програми не здатні в повноті задовольнити перемінливі вимоги ринку праці. Інновації пронизують усі сфери життя, постійно змінюючи попит на різні професії і самі професії зокрема. Тому навчання не може завершитися після п’ятого року університету, воно має тривати і надалі. Технології дистанційної освіти мають величезний потенціал відповісти на такий суспільний виклик, надавши зручні механізми підтримки безперервного навчання.

За деякими оцінками, середньорічний темп приросту нових знань становить 4 – 6%. Це означає, що близько 50% професійних знань фахівець повинен одержати після закінчення навчального закладу. Обсяг часу, необхідний для відновлення професійних знань для фахівців з вищою освітою становить 28% від загального обсягу часу, яким володіє працівник протягом усього працездатного періоду. Безперервна освіта стає важливим фактором конкурентоспроможності фахівця на ринку праці. [2]. Уся історія становлення і розвитку навчання людини як самостійної області його діяльності вказує на те, що навчання повинне бути безперервним і адаптивним [3].

Сьогодні ми маємо безліч чудових прикладів Web-систем для організації дистанційного навчання, серед них Blackboard [4], WebCt [5], Moodle [6], IBM LearningSpace [7] та ін. Такі системи впевнено застосовують переваги інформаційних технологій. Проте слід підкреслити – інформаційних, тоді як дедалі більше ми стикаємося з потребою у технологіях знань. Тут передусім слід згадати науковий напрямок, що безпосередньо займається даною проблемою, а саме – дослідження штучного інтелекту і його розділ інженерія знань. Не зважаючи на давню історію і значущі досягнення цього напрямку, дуже специфічно тут постає задача репрезентації знань саме для освіти, так як педагогічне подання часто не вписується в загальну парадигму і класичну постановку проблеми подання знань у штучному інтелекті [8]. У зв’язку з цим виникає потреба розробки специфічних підходів моделювання знань, що надихаються різними галузями з метою ефективного вирішення проблеми подання знань для освіти.

Таким чином, в процесі вирішення задачі розробки і поширення навчальних Web-систем виникають і зміцнюються наукові напрямки на стику педагогічних і комп’ютерних наук – штучний інтелект в освіті [9], «Освітні технології і суспільство» [10,11], семантичний Web-простір у електронному навчанні [12] тощо. Все більше уваги приділяється інтелектуалізації систем навчання. Створюються наукові співтовариства по дослідженню застосування технологій штучного інтелекту в освіті [9-12].


^ Постановка завдання


Метою роботи є аналіз вимог до інформаційних систем безперервного навчання, а також методів, моделей і технологій їх побудови. Це включає аналіз існуючих методів і технологій інтелектуальних освітніх систем і визначення кола специфічних і слабко розвинених напрямків, які потребують ґрунтовного пророблення у контексті безперервного навчання.


^ Безперервна освіта і вимоги до освітніх систем

Потреба в безперервному поповненні й відновленні професійних знань, їхньої актуалізації на продуктивному етапі людського життя обумовлена темпами науково-технічного прогресу, переходом до інформаційного етапу розвитку суспільства, широким застосуванням інноваційних технологій. Аналіз робіт по проблемам безперервної освіти і дистанційного навчання [13-15], а також освіти для дорослих [16-17] дозволив виявити особливості БН і побудувати перелік вимог, які вона ставить до систем безперервного навчання (СБН).

Сьогодні відбувається розширення і диверсифікація освітніх послуг. Послуги БН мають доповнити базову шкільну і вищу освіту. Це демонструється появою таких нетрадиційних освітніх закладів як «Університети без стін», «школи гнучкого навчання», дистанційної освіти. Застосування інформаційних технологій і дистанційного навчання є ефективним методом для підтримки БН.

Основна аудиторія безперервної освіти – дорослі люди. Метою навчання є перепідготовка, підвищення кваліфікації і культурного рівня людей, які подолали вік базового навчання. Тому СБН повинні врахувати особливості навчання дорослих.

БН орієнтується на постійне вдосконалення і цілісний розвиток людини як особистості протягом усього її життя, підвищення можливостей її трудової і соціальної адаптації у світі, що так швидко змінюється. Роботодавці дедалі більше керуються принципом: «Люди – найвища технологія і найцінніший капітал». Тому для СБН необхідно передбачити можливість в одній системі подати курси з різних областей знань, що забезпечить можливість різностороннього навчання. Особливості безперервного навчання і їх відображення в СБН подані в табл.1.


Таблиця1. Особливості безперервного навчання і їх відображення в СБН.


№ п/п

Особливість БН

Пояснення

Відображення в СБН



^ Актуальність і релевантність навчання

Відповідність змісту освіти розвитку суспільства і технологій, сучасним потребам ринку праці.

Навчання повинне відповідати поточним задачам по освоєнню нових технологій на виробництві, вдосконаленню професійної діяльності робітників, підготовки і перекваліфікації кадрів. Необхідністю стає зв'язок навчання із посадовими обов’язками.

На рівні учня навчання повинне відповідати його потребам, цілям, посаді, безпосередньо допомагати виконувати професійну діяльність.


СБН повинні справлятися з постійно зростаючим об’ємом інформації, так званим «інформаційним вибухом».


Актуальність навчального контенту, зручні методи оновлення і супроводження контенту.


Моделювання кадрових і виробничих задач, моделювання компетенцій, посад, професій.


Встановлення відповідності між компетенціями і навчальними матеріалами.



^ Орієнтація на негайне застосування отриманих знань

Особливість навчання дорослих виражається у потребі в обґрунтуванні або сенсі навчання. Тобто навчання має бути релевантним і базуватися на особистій потребі у вирішенні практичних посадових, виробничих задач і потребі особистісно-професійного розвитку.

Принцип актуалізації результатів навчання полягає у тому, що доросла людина шукає найшвидшого застосування отриманим у навчанні знанням і навичкам.

Актуальність навчального контенту, зручні методи оновлення і супроводження контенту.


Застосування зв’язків між уміннями і навчальним контентом.


Моделювання навичок та компетенцій і їх зв’язок із навчальним контентом


Релевантне професійним потребам учня подання контенту курсу.



^ Виявлення і урахування особистого досвіду і знань учня

Виявлення, систематизація і формалізація вже наявного особистого досвіду та знань учня з метою його використання для побудови відповідного навчального процесу

Доросла людина володіє професійним і життєвим досвідом, знаннями і уміннями, які мають бути використанні і враховані при організації навчання.

Методи діагностування, контролю і моделювання знань та навичок учня.


Моделювання попередніх умов за допомогою моделей учня і компетенцій.


Застосування методів побудови курсу на основі попередніх умов навчання.



^ Корегування і поповнення знань учня

Функція вчителя - корегування і поповнення знань учня з урахуванням їх попереднього виявлення і систематизації, а також у відповідності до цілей учня. На противагу, для базової освіти є характерним подання знань «з нуля» і у повному об’ємі.

Моделювання учня, його цілей, знань і навичок.


Методи побудови навчальних курсів відповідно до цілей студента з урахуванням вже наявних у нього знань і навичок.


Моделювання посад і компетенцій.

Методи побудови релевантних курсів для подолання інтервалів між компетенціями.



Індивідуалізація і гнучкість навчання

Принцип індивідуального підходу до навчання на основі особистісних потреб з урахуванням соціально-психологічних характеристик особистості і тих обмежень, які накладаються його діяльністю, наявністю вільного часу, фінансових ресурсів тощо.

Можливість адаптації вмісту до потреб слухачів, вибір змісту у відповідності до заявленої учнем проблеми, урахування інтересів і проблем студентів.

Моделювання освітніх потреб і цілей учня.


Методи діагностування, контролю і моделювання знань та навичок учня.


Соціально-психологічне моделювання учня.


Методи адаптації навчального процесу на основі відомостей про учня і його поточних навчальних досягнень.



^ Провідна роль учня в навчанні

Основне положення в освіті для дорослих полягає у тому, що провідну роль процесі навчання відіграє не учитель, а учень. Конструктивізм – педагогічна філософія, що наріжним каменем вважає точку зору учня, якою б «сирою» вона б не була, припускає досягнення результату навчання через особисте засвоєння знання. В БН підкреслюється пріоритетність самостійного навчання.

Забезпечення керованості навчального процесу зі сторони учня.


Застосування моделей учня, відкритих для перегляду, можливість вибору учнем напрямку навчання.


Активне застосування соціальних мереж і електронного спілкування.



^ Важливість міждисциплінарних знань


На перше місце виходять дисципліни, що містять інтегрований матеріал по декільком суміжним областям знань (міждисциплінарні дисципліни).

Моделювання предметних областей. Єдине сховище матеріалів по різним дисциплінам.

Методи підтримки міждисциплінарних зв’язків в навчальних матеріалах.

Моделювання навчального контенту.



^ Співробітництво в навчанні

Сумісна діяльність учня, співучнів і учителя в процесі навчання грають важливу роль.


Підтримка колективної діяльності, електронного спілкування, освітньої спільноти.

Моделювання соціальних освітніх мереж.

Застосування технологій штучних одногрупників, персоніфікованих помічників тощо.


Типова модель використання систем дистанційного навчання передбачає: 1) підготовку конкретного навчального курсу на основі освітніх потреб певної групи людей; 2) організацію доступу до матеріалів курсу; 3) організацію спілкування учасників навчального процесу; 4) проходження студентами точок контролю і завершення курсу іспитом. Проте описані вище особливості безперервного навчання передбачають, що СБН мають бути чимось більшим, ніж просто середовище для передачі статичних навчальних матеріалів певній групі користувачів з можливістю спілкування і подальшим тестуванням. Такі характеристики як індивідуальність, практична доцільність, релевантність, міждисциплінарність та інші особливості БН вимагають якісно інших методів і моделей побудови систем навчання.

Основними вимогами до навчального процесу, який мають забезпечити системи безперервного навчання, є індивідуалізація, релевантність і орієнтація на практичний, прикладний результат. Тому основними якостями систем, в яких реалізуються ці вимоги, будуть адаптивність і інтелектуальність, а також здатність підтримувати прикладний характер навчального процесу. Адаптивність являє собою тенденції функціонування цілеспрямованої системи, які визначаються відповідністю або невідповідністю між її цілями і результатами її діяльності. Адаптивність системи виражається в узгодженні цілей і результатів. [18]. Для СБН цілями будуть індивідуальні навчальні цілі учня, а результатами – результати його навчання на даному етапі навчального процесу. Інтелектуальність СБН передбачає застосування для освітніх процесів вже розроблених технологій штучного інтелекту, а також розробку специфічних методів реалізації «педагогічної свідомості» системи.

Модель освітнього процесу за вимогами безперервного навчання на відміну від класичного дистанційного навчання міститиме такі етапи: 1) визначення освітніх потреб і цілей учня; 2) визначення вже наявних у учня знань та навичок, що відповідають цілям навчання; 3) побудова і адаптивна підтримка релевантного навчального процесу на основі відомостей отриманих на 1-му і 2-му етапах.

Таким чином освітні тенденції і розвиток інформаційних технологій вимагають застосування в системах дистанційного навчання наступних характеристик і функцій: адаптивність; урахування попередніх знань та досвіду студентів; більш ефективне управління навчальним контентом з можливістю повторного використання і поступального розвитку контенту, накопичення та міждисциплінарних зв’язків; генерація навчального курсу; інтелектуалізація соціальних мереж для освіти; інтелектуалізація контролю знань.


^ Технології і методи функціонування інтелектуальних систем безперервного навчання


При проектуванні СБН слід враховувати багатий досвід в області розробки інтелектуальних навчаючих систем (ITS) і адаптивних гіпермедіа-систем. Деякі технології, що застосовуються в навчальних Web-системах, беруть також свій початок в таких технологіях як машинне навчання, Data Mining, інформаційний пошук та в інших галузях штучного інтелекту. Адаптивні і інтелектуальні системи навчання широко розглянуті в роботах [19-34]. Аналіз цих робіт дозволив зробити огляд ключових технологій і методів, що застосовуються в таких системах.

^ Адаптивні гіпермедіа-системи – це усі гіпермедіа-системи, які зберігають особливості користувача в моделі користувача і застосовують цю модель для адаптації до користувача різних візуальних аспектів системи. Іншими словами система повинна задовольняти трьом критеріям: вона має бути гіпертекстовою або гіпермедійною, вона повинна мати модель користувача і вона повинна адаптувати свій гіпермедіа-простір, використовуючи цю модель. [19]

Інтелектуальні навчаючі системи (Intelligent Tutoring Systems, ITS) – це комп’ютерні навчальні системи, що містять моделі освітнього контенту, які визначають чому потрібно навчати і викладацькі стратегії, які визначають, як потрібно навчати. Такі системи роблять висновки щодо оволодіння студентами тими чи іншими темами або завданнями з метою динамічної адаптації контенту або стилю викладання. Моделі контенту (або бази знань, експертні системи чи симуляції) надають цим системам глибини, завдяки чому студенти «вчаться, діючи» в реалістичному і смисловому контексті. [20].

На рис.1 подаються методи і технології, що супроводжують адаптивні гіпермедіа-системи і інтелектуальні навчаючі системи та можуть бути застосовані для потреб систем підтримки безперервного навчання.





Рис. 1. Методи і технології для інтелектуальних систем безперервного навчання.

^ Методи адаптивних гіпермедіа-систем [21–23]. Адаптація контенту та адаптація навігації – дві найбільші технології, що розглядаються системами адаптивного гіпертексту та адаптивного гіпермедіа. Метою технології адаптивного контенту є пристосування вмісту кожного вузла (сторінки) до цілей студента, знань і іншої інформації, що зберігається в моделі студента. У системі адаптивного подання сторінки є не статичними, а такими, що адаптивно генеруються для кожного користувача.

Метою технології адаптивної навігації є допомога студенту зорієнтуватися і переміщуватися у гіперпросторі за допомогою зміни вигляду видимих посилань. Наприклад, система адаптивного гіпермедіа може адаптивно сортувати, анотувати, або частково сховати посилання поточної сторінки для того, щоб спростити вибір, куди пересуватися далі. Підтримка адаптивної навігації розділяє ту саму мету, що й програмування курсу навчання – допомогти студенту знайти оптимальний шлях через навчальний матеріал. В той же час підтримка адаптивної навігації менше управляюча і більше «партнерська» ніж традиційне програмування: вона провадить студента, залишаючи йому можливість самостійно обрати наступний елемент знань для вивчення, наступне завдання для розв’язання. У контексті WWW, де гіпермедіа є базовою організаційною парадигмою, підтримка адаптивної навігації природною і ефективною.

^ Адаптивна фільтрація інформації (АФІ) – класична технологія з області інформаційного пошуку. Її мета – знайти декілька елементів, що відповідають інтересам користувача, у великому об’ємі (текстових) документів. У Інтернет ця технологія була використана як у пошуковому контексті, так і в контексті перегляду. Вона була застосована для пристосування результатів веб-пошуку, із використанням фільтрації і впорядкування і для вироблення рекомендацій щодо найбільш відповідних документів серед отриманого набору, використовуючи генерацію посилань. Хоча механізми, що використовуються у системах АФІ, дуже відрізняються від механізмів адаптивного гіпермедіа, на рівні інтерфейсу АФІ для Інтернет найчастіше використовують техніку адаптивної навігації.

Існує два принципово різних типи механізмів АФІ, які можуть розглядатися, як дві різні технології АФІ – фільтрація на основі вмісту і колективна фільтрація. Перша спирається на вміст документа, тоді як остання абсолютно ігнорує вміст, намагаючись замість цього підібрати користувачів, які будуть зацікавлені в однакових документах. Сучасна технологія АФІ широко використовує технології машинного навчання, особливо це стосується фільтрації на основі вмісту. Будучи дуже популярною у області інформаційних систем, АФІ проте не використовувалися у навчальному контексті у минулому. Об’єм навчального вмісту був порівняно невеликим, і потреба спрямовувати користувача до найбільш підходящого матеріалу з легкістю підтримувалася адаптивним програмуванням (плануванням) і адаптивним гіпермедіа. Однак Інтернет з його великою кількістю відкритих освітніх ресурсів зробив АФІ-технологію дуже привабливою для освітян.

^ Методи інтелектуальних систем навчанн