Экспертные системы в подготовке будущих учителей информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

искусственный интеллект образование экспертный

Статья по теме:

Экспертные системы в подготовке будущих учителей информатики

А.А. Широких, Пермский государственный педагогический университет

Одним из перспективных направлений развития информатики является искусственный интеллект. В действующем Государственном образовательном стандарте подготовки учителей информатики основы искусственного интеллекта (ИИ) выделены в отдельную дисциплину предметной подготовки.[1] При этом в содержание разделов дисциплины включены модели представления знаний (логическая, сетевая, фреймовая, продукционная) и экспертные системы (ЭС).

Экспертные системы относятся к интеллектуальным системам, основанным на знаниях, т.е. необходимой характеристикой этих программ является наличие базы знаний (БЗ). БЗ ЭС содержит формализованные знания специалистов (экспертов) в некоторой узкой предметной области, представленные в символьной форме.

Попытки создания ЭС предпринимаются во многих областях, включая образование. Анализ результатов исследований показал, что использование ЭС, специально создаваемых для нужд образования, позволяет оптимизировать достижение тех целей, на которые направлены эти системы. За счет использования особых методов ЭС являются таким инструментом, который помогает преподавателю решать некоторые педагогические задачи более эффективно [2], автоматизировать некоторые этапы педагогической деятельности [3], а обучаемому - сравнительно быстро осваивать учебный материал из относительно узкой предметной области [4].

Современный учитель информатики наряду с преподаванием школьного предмета, как правило, осуществляет и координацию внедрения ИКТ во все сферы образовательного процесса. Поэтому подготовка будущих учителей должна носить опережающий характер, включать изучение самых современных технологий и учитывать тенденции развития информатики, как науки. В связи с чем, изучение основ инженерии знаний и экспертных систем является важным элементом в процессе предметной подготовки учителя информатики. Приобретенные знания в области проектирования, создания и использования ЭС будущий учитель информатики может применять в школе как при профильном обучении, так и при углубленном изучении информатики.

Первоначальные сведения об основных моделях представления знаний и ЭС, как интеллектуальных системах, будущие учителя информатики получают в рамках обязательного курса «Основы искусственного интеллекта». В силу объемности материала и ограниченности количества учебных часов времени на изучение и освоение технологии создания прототипных ЭС явно недостаточно.

В целях повышения уровня профессиональной подготовки будущих учителей информатики в области ИИ спецкурс «Экспертные системы» был включен в учебные планы подготовки студентов, обучающихся по специальностям «Информатика» и «Прикладная информатика» в Пермском государственном педагогическом университете. Данный спецкурс позволяет закрепить и расширить базовые знания студентов в области ИИ, в частности, экспертных систем и инженерии знаний, полученные ими в ходе изучения обязательного курса «Основы искусственного интеллекта».

В рамках данного спецкурса более детально рассматриваются вопросы об отличительных особенностях ЭС, основных принципах построения ЭС и оболочек ЭС, средствах структурирования и формализации знаний в ИИ, в том числе нечетких знаний. С учетом профессиональной ориентации педагогических вузов, в курсе освещаются вопросы, связанные с возможностями использования интеллектуальных систем в образовании.

При этом важная роль принадлежит разработке БЗ ЭС как виду учебной деятельности. Разрабатывая базы знаний, студенты - будущие учителя информатики осваивают на практике методы извлечения, структурирования и представления знаний, приобретают важные с методической точки зрения умения (выделение понятий и метапонятий, определение связей между понятиями, составление системы вопросов, охватывающих тему и др.), углубляют и расширяют свои знания не только в области информатики. Использование методов извлечения, структурирования и представления знаний, являющихся предметом инженерии знаний, позволяет глубже понять структуру предметных знаний, установить связи между предметными понятиями. Кроме всего перечисленного подготовка будущих учителей по современным технологиям обработки знаний способствует формированию готовности:

применять методы ИИ для обработки учебно-методических материалов;

участвовать в разработке обучающих программных систем, повышающих качество обучения.

Использование специализированных программ-оболочек сокращает временные затраты и позволяет получать прототип ЭС, не прибегая к программированию. При этом созданная прототипная ЭС способна решать типичные задачи в данной предметной области.

Интегративный характер курса связан с использованием методов других наук при проектировании базы знаний ЭС, а также с направленностью ЭС на решение задач в определенной предметной области. Поэтому от студентов требуется предварительная подготовка по математической логике, теории вероятностей, логике предикатов I порядка, а также глубокие познания и умение решать задачи в той области, для которой создается ЭС.

Основная цель изучения курса включает в себя две составляющие:

фундаментальную - углубление теоретической подготовки будущих учителей в области ИИ и современных методов обработки информации;

профессионально-практическую - формирование знаний о том, как можно использовать компьютер для решения профессиональных задач, и умения это делать.

Задачи курса:

выработка представлений о новых технологиях решения задач с помощью ЭС;

выработка практических навыков извлечения, структурирования и формализации знаний в некоторой предметной области;

выработка практических навыков проектирования баз знаний ЭС и реализации их с помощью инструментальных средств.

Проектирование содержания обучения проводилось на основе методов ИИ, в частности, сетевого моделирования и тезаурусного метода. Построение тезауруса - формализованной модели системы понятий учебного курса - позволяет не только четко выделить структурно-логические основания учебной дисциплины, круг базовых понятий, но также выделить и оптимальным образом использовать межпредметные связи, обеспечить преемственность и целостность учебного содержания. [5]

Преимущества тезауруса [6]:

может служить основой для различных учебных курсов путем ограничения круга используемых понятий и уровня их наполнения;

позволяет использовать сетевую модель для построения компьютерных обучающих систем.

Построенная нами модель системы понятий в виде совокупности формально-логических схем использовалась не только для разработки методики обучения, но и в качестве средства обучения (тезаурус, как схему опорных конспектов, обучающиеся использовали для составления конспектов по отдельным темам курса и по всему курсу).

Содержание курса:

Введение в ЭС

Характеристики ЭС

Технология создания ЭС

Инженерия знаний

Представление знаний в интеллектуальных системах

Обработка знаний и вывод решений в интеллектуальных системах

Представление и формализация нечетких знаний

ЭС в образовании

Степень углубления и расширения знаний варьируется в соответствии с объемом изучаемого материала. На лекционных занятиях проходит ознакомление с теоретической базой курса. На семинарско-практических занятиях рассматриваются практические аспекты проектирования БЗ и технология создания прототипа ЭС. На лабораторных работах приобретаются практические навыки работы с ЭС и отрабатывается технология создания ЭС с помощью учебных оболочек.

Организация самостоятельной работы студентов направлена на решение следующих задач:

углубление теоретических знаний путем изучения специальной литературы, поиска информации в сети Интернет;

проектирование и разработка собственной БЗ на основе продукций;

проектирование и разработка собственной БЗ на основе байесовского субъективного метода.

Формой контроля является зачет, который включает проверку теоретических знаний с помощью тестирования и защиту разработанных студентами прототипов ЭС.

Литература

1. Государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования. http://www.informika.ru

2. Кудинов, В.А. Принципы построения и использования экспертных обучающих систем в курсе «Теоретические основы информатики»: дисс. канд. пед. наук / В.А. Кудинов. - Москва, 2000 г.

3. Куприна, Е.В. Использование экспертных систем в обучении студентов. Информационные технологии в образовании (ИТО-97).

4. Фролов, Ю.В. Перспективы экспертных систем для решения задач обучения. Информационные технологии в образовании (ИТО-98/99)

5. Гурье, Л.И. Использование тезаурусов в проектировании педагогической подготовки преподавателей технических вузов в системе последипломного образования. / Образовательные технологии и общество. - 2001. - №4.

6. Кувалдина, Т.А. Систематизация понятий курса информатики на основе методов искусственного интеллекта: дисс. док.пед. наук / Т.А. Кувалдина. - М., 2003.

Размещено на Allbest.ru