Патент на изобретение №2310237

(54) ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к компьютерным средствам обучения и контроля знаний в высших учебных заведениях. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы и повышении эффективности и интеллектуализации обучения и контроля знаний. Система содержит блок интерфейсов, включающий мониторы преподавателя и обучаемого, взаимосвязанные локальной сетью с блоком планирования и мониторинга обучения, блоком поддержания процесса обучения и оценки знаний, блоком адаптации и блоком программного управления, обеспечивающим формирование и выдачу команд управления в локальную сеть в последовательном коде. Функционирование системы основано на адаптируемых автоматизируемых циклах обучения и контроля знаний в вычислительной среде экспертных систем с использованием формализованных знаний на основе онтологии и процедур извлечения “скрытых” знаний с использованием моделей формального концептуального анализа. Поддержка работы системы в сложных ситуациях осуществляется на основе интеллектуального интерфейса. Процесс обучения реализуется с учетом моделей обучаемого и преподавателя. 10 ил.

Изобретение относится к техническим средствам обучения (ТСО) и контроля знаний в высших учебных заведениях. Реализация ТСО осуществляется в виде компьютерных классов (Е3 0279558 А1, G09B 5/14, 24.08.1988; ЕР 0479408 А2, G09В 5/14, 08.04.1992; ЕР 0550301 А1, Н04L 29/06, 07.07.1993; RU 2197748 С2, G09В 5/14, 27.01.2003), а также демонстрационных обучающих систем (ЕР 0399667 А2, G09В 7/04, 28.11.1990; RU 2196359 С2, G09В 5/00, 10.01.2003; DE 19535119 F1 G09В 5/06, 27.03.1997).

Наиболее близким аналогом по рассматриваемой системе является компьютерная демонстрационная обучающая система RU 2251745 С2, 7 G06N 1/00, G09B 5/14, 05.10.2005. Недостаток изобретения заключается в отсутствии использования методов искусственного интеллекта при обеспечении творческого подхода к обучению и в недостаточной формализации педагогического процесса и механизмов взаимодействия обучаемых с компьютером.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы и повышении эффективности процесса обучения и контроля знаний. Для самостоятельного формирования понятий и взаимосвязей между ними в процессе обучения используется методика, основанная на онтологии и формальном концептуальном анализе.

Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки изобретения.

Блок планирования и мониторинга обучения, состоящий из экспертной системы предметных областей и блока обучаемых и преподавателя, предназначенного для формирования моделей обучаемых и преподавателя и их идентификации.

Блок поддержания процесса обучения и оценки знаний, состоящий из экспертной системы обучения и оценки формализованных знаний, предназначенной для формирования моделей онтологии и извлечения «скрытых» знаний с использованием формального контекста и блока документирования для хранения результатов обучения и тестирования.

Блок интеллектуального интерфейса.

Блок адаптации, реализующий процедуры адаптивного обучения с динамически меняющейся информацией.

Блок программного управления.

Система компьютерного обучения не зависит от предметной области и может быть использована для любых дисциплин. Онтология и формальный концептуальный анализ позволяют сформировать у обучаемого связную когнитивную концептуальную модель изучаемого раздела предметной области. Построение онтологии этого раздела и последовательное выявление «скрытых» знаний с помощью формального концептуального анализа формирует понятия, а концептуальная решетка показывает их иерархию и зависимости между объектами. При построении модели предметной области обучаемый структурирует эту область, определяет сходство и различие между объектами, анализирует зависимости на признаках. В результате выполнения задания формируется связная структура индивидуального знания обучаемого и процесс обучения приближается к творческому.

Функциональная схема системы представлена на фиг.1.

Система состоит из 5 основных блоков: блока планирования и мониторинга обучения 1, блока поддержания процесса обучения и оценки знаний 2, блока интерфейсов рабочих мест обучаемых и преподавателя 3 и интеллектуального интерфейса 12, блока адаптации 4 и блока программного управления 5. При этом блок интерфейсов 12 взаимосвязан локальной сетью с блоком программного управления 5, блоком адаптации 4, блоком планирования и мониторинга обучения 1 и блоком поддержания процесса обучения и оценки знаний 2.

Блок 1 планирования и мониторинга обучения состоит из двух блоков: экспертной системы предметных областей 6 (фиг.2), включающей базу знаний 13, механизм логического вывода 14, систему объяснений 15, базу данных 16; блока обучаемых и преподавателя 7 (фиг.3), состоящего из блоков моделей обучаемых 17 и преподавателя 18, базы данных обучаемых 19 и преподавателя 20, блока идентификации обучаемых 21, преподавателя 22.

Блок 2 поддержания процесса обучения и оценки знаний состоит из двух блоков: экспертной системы обучения и оценки формализованных знаний 8 (фиг.4), предназначенной для формирования моделей онтологии и извлечения «скрытых» знаний с использованием формального контекста 23, базу знаний анализа и оценки знаний 24, генератор тестов 25, механизм логического вывода 26, систему объяснения 27, базу данных тестов и результатов тестирования 28; блок документирования для хранения результатов обучения и тестирования 9.

Блок интерфейсов 3 включает рабочие места преподавателя 10 и обучаемых 11, а также блок интеллектуального интерфейса 12. Рабочее место преподавателя 10 (фиг.5) включает блок коммутации и управления 29, компьютер 30, монитор с большим экраном 31 и комплект MIDI-клавиатур 32. Между выходом персонального компьютера преподавателя 30 и входом монитора с большим экраном 31 включен видеомагнитофон 33. Рабочие места обучаемых 11 включают персональные компьютеры с индивидуальными блоками коммутации и управления 34. Кроме того, рабочие места преподавателя 10 и обучаемых 11 оснащены PC-клавиатурой, манипулятором «мышь», гарнитурой в виде микрофона и головного телефона. Рабочие места преподавателя 10 и обучаемых 11 с помощью блока коммутации и управления преподавателя 29, индивидуальных блоков коммутации и управления обучаемых 34, блока программного управления 5 и интеллектуального интерфейса 12 взаимосвязаны локальной сетью с блоком программного управления 5, блоком адаптации 4, блоком планирования и мониторинга обучения 1 и блоком поддержания процесса обучения и оценки и знаний 2. Это позволяет управлять процессом приобретения и оценки знаний и визуализировать результаты обучения.

Блок адаптации 4 реализует процедуры адаптивного обучения за счет обеспечения возможности управления процессом обучения с динамически меняющейся информацией, планами учебных воздействий, списком изучаемых тем и др. Составление индивидуализированных программ обучения осуществляется на основе моделей обучаемых 17. При этом обеспечивается взаимодействие с базой данных 16 экспертной системы 6, содержащей прикладные компьютерные программы. Помимо этого, блок адаптации 4 осуществляет поддержку процесса поиска и отбора учебных материалов, визуализацию информации, интеграцию различных учебных курсов, исключает дублирование и обеспечивает комплексность получаемых знаний.

Блок адаптации 4 функционирует совместно с экспертной системой предметных областей 6 и экспертной системой обучения и оценки формализованных знаний 8, обеспечивая реализацию процедур адаптивного обучения в нестандартных ситуациях, в том числе и при поиске и отборе учебных материалов, визуализации информации, интеграции различных учебных курсов, исключении дублирования.

Схема функционирования блока адаптации 6 при взаимодействии с экспертными системами 6 и 8 представлена на фиг.6. Принцип работы блока 6 основан на проверке соответствия исходных данных логической системе продукционных правил и последующей корректировке правил, содержащихся в базах знаний 13 и 24 экспертных систем 6 и 8. В процессе корректировки осуществляется модификация имеющихся правил, либо построение новых правил, соответствующих исходным данным.

Блок программного управления 5 обеспечивает функционирование интеллектуальной системы в интерактивном режиме.

Модульный принцип построения системы реализуется на автономных носителях информации с применением самостоятельно функционирующих блоков: блока 1 планирования и мониторинга обучения, блока 2 поддержания процесса обучения и оценки знаний и блока интерфейсов 3. Совместная работа этих блоков с блоком адаптации 4, блоками обучаемых 11 и преподавателя 10, а также блоком документирования 9 осуществляется блоком программного управления 5.

Инструментальная среда системы компьютерного обучения как проблемно-ориентированного программно-аппаратного комплекса обеспечивает формализацию знаний с применением текстово-графических процедур обучения и тестирования, приобретение устойчивых знаний по изучаемой предметной области.

Система компьютерного обучения поддерживает работу обучаемого и преподавателя, имеющих доступ к определенному виду информации, который ограничивается системой идентификации в блоках 21, 22.

База знаний 13 экспертной системы предметных областей 6 содержит набор данных о понятиях предметной области и связях между ними, причем модель представления предметных знаний реализуется в виде семантической сети, множество узлов которой соответствует темам учебного материала, а множество дуг отражает логические связи между учебными темами.

Блок извлечения «скрытых» знаний 23 экспертной системы обучения и оценки формализованных знаний 8 сопоставляет когнитивную модель, предложенную обучаемым с эталоном в виде концептуальной модели данной проблемы, имеющейся в базе данных 28. По результатам этого сравнения осуществляется обратная связь с генератором тестов 25. Обучаемому задаются вопросы на пополнение недостающих понятий и связей или предлагается информация по неусвоенному материалу. После завершения работы с построением концептуальной модели заданной предметной области обучаемому предоставляется возможность прохождения контрольных тестов с помощью генератора тестов 25.

Блок извлечения «скрытых» знаний 23 представляет собой набор правил и методов, позволяющих систематизировать понятия предметной области и выявлять концептуальные связи между ними. Этот блок обеспечивает построение модели предметной области в понимании обучаемого на основе его ответов на тесты или в режиме игры.

Модель обучаемого 17 содержит результаты анализа его знаний и умений, действий по отбору материала и реакции на применение диагностирующих воздействий.

Модель преподавателя 18 определяет общую характеристику преподавателя, его психо-физиологических особенностей, опыта педагогической работы.

Генератор текстов 25 использует правила системы извлечения «скрытых» знаний 23 и задает вопросы обучаемому, которые визуализируются графическим интерфейсом обучаемого 11.

Мониторы обучаемого 11, преподавателя 10 и монитор с большим экраном 31 позволяют визуализировать процессы построения баз знаний экспертных систем 6 и 8, а также процессы обучения и тестирования. Графические интерфейсы построены на базе технологии HTML браузеров и могут оперировать с гипертекстом, графикой, анимацией и звуком.

Блок интеллектуального интерфейса 12 (фиг.7) представляет собой программно-аналитический комплекс, обеспечивающий «прозрачность» смысла доступа к информации при поддержании взаимодействия обучаемых 11 с помощью блока коммутации и управления 34 и блока программного управления 5 с монитором преподавателя 10, блоком коммутации и управления 29, блоками планирования и мониторинга обучения 1 и поддержания процесса обучения и оценки знаний 2, блоком адаптации 4 и блоком документирования 9. Интеллектуальный интерфейс 12 ориентирован на формализацию понятий предметной области и включает четыре основных модуля: синтаксический анализатор 35, выполняющий процедуры морфологического и синтаксического анализа предложений входного текста, семантический анализатор 36, использующий результаты синтаксического анализа для формализации информационного содержания входного текста, процессор понятийного словаря 37, представляющий собой библиотеку функций, обеспечивающих вычисление характеристик, представленных в словаре понятий, и полного набора отношений между ними, а также фиксированного набора ассоциативных отношений вида «часть – целое», «устройство – функция», процессор справочника баз данных 38, который характеризует модели предметных областей, определяющих функционирование мониторов преподавателя 10 и обучаемых 11 с помощью средств адаптации 4 и блока программного управления 5. В сложных ситуациях с помощью интеллектуального интерфейса 12 реализуется взаимосвязь блока адаптации 4 с блоками планирования и мониторинга обучения 1 и поддержания процесса обучения и оценки знаний 2, обеспечивающих интеллектуальные возможности системы.

Реализация компьютерной системы обучения осуществляется с использованием стандартных технических средств. Системные требования: операционная система Windows 2000 или Windows NT 4.0 с пакетом исправлений 6 и более, компьютеры с процессором Pentiun III 500 МГц, оперативной памятью не менее 512 Мбайт, 200 Мбайт дискового пространства и более (в зависимости от числа учитываемых носителей). Для комфортной и эргономичной работы со сложными мультимедийными программными продуктами используется монитор Diamond Pro 740SB, изготовленный по технологии Super Bright. Управление системой осуществляется с помощью гибкого коммутатора Soft Swith.

Схема функционирования компьютерной системы при работе со студентами представлена на фиг.8. Обучаемый после прохождения идентификации в блоке 21 вызывает HTML-документ в виде экрана обучаемого, который содержит ссылки на базу данных 16 экспертной системы предметных областей 6, а также ссылки на все изучаемые в данный момент курсы. С использованием экспертной системы 6 обучаемый может пройти тесты по изучаемым темам. Если у обучаемого имеется задолженность по какой-либо теме, ему также сообщается об этом и он не получает ссылку на следующую тему до тех пор, пока не будет ликвидирована задолженность.

Схема функционирования интеллектуальной системы при работе с преподавателем представлена на фиг.9. Преподаватель после прохождения идентификации в блоке 22 вызывает HTML-документ в виде экрана преподавателя и получает доступ к базе данных обучающихся студентов 19, модели обучаемого 17, а также к экспертным системам предметных областей 6, обучения и оценки формализованных знаний 7 и результатам тестирования студентов в блоке 28.

Процесс обучения с помощью компьютерной системы состоит в выполнении циклов обучения, связанных с последовательным предъявлением обучаемому различных информационных материалов и контроле его действий в процессе обучения и тестирования. Технология обучения предусматривает использование различных уровней, учитывающих постепенное усложнение предъявляемого обучаемому материала. На низких уровнях процесс обучения ограничивается представлением в виде гипертекста общих сведений и уточняющих конкретных положений. На последующих уровнях обучаемому предъявляются несколько элементов, из которых он должен составить полное представление об изучаемом разделе, либо решить задачу классификации при анализе альтернативных решений. Верхние уровни обучения предполагают предъявление материала со свободно конструированным ответом и решением ситуационных задач.

Функционирование интеллектуальной обучающей системы определяется работой блока программного управления 5 с помощью экспертных систем 6 и 8, интеллектуального интерфейса 12 и блока адаптации 4, обеспечивающих работу блоков планирования и мониторинга обучения 1, а также блока поддержания процесса обучения и оценки знаний 2. Взаимодействие указанных блоков в зависимости от особенностей рассматриваемой предметной области описывается на основе алгоритма функционирования следующим образом.

Обобщенная схема функционирования обучающей системы представлена на фиг.10.

После включения автоматизированной системы с помощью блока программного управления 5 начинают выполняться циклы обучения, определяющие процессы приобретения знаний обучаемым и последующего его тестирования в рассматриваемой предметной области. В каждом из циклов обучения осуществляются следующие действия (фиг.10):

идентификация обучаемого и передача с монитора обучаемого (МО) 11 на монитор преподавателя (МП) 10 сообщения о готовности к работе;

формирование модели обучаемого 17 на основе тестирования его знаний и умений, а также определения его индивидуальных особенностей с помощью экспертной системы (ЭС) 8, по результатам которого на МП 10 подается сообщение о готовности к работе;

прием от МП 10 исходных данных по изучаемой теме и пересылка их в базу данных (БД) 16 ЭС 6;

ожидание приема от МП 10 команды начала процесса обучения;

прием от МП 10 команды запуска процесса обучения, передача команды запуска процесса в блок программного управления 5, формирующий с помощью экспертной системы 6 необходимые материалы по изучаемой теме, которые передаются на МО и МП и в блок программного управления 5;

изучение предъявленных из блока 6 материалов по заданному разделу предметной области;

построение онтологии и формального контекста заданной предметной области и проверка правильности их построения на основе блоков 24 и 26;

если процедура выполнена неправильно, обращение к ЭС 8 за дополнительной консультацией;

в случае выполнения процедуры, результаты контроля действий обучаемого передаются на МО 11 и МП 10;

осуществляется контроль знаний обучаемого на основе системы тестов базы «скрытых» знаний 23 экспертной системы 8;

при выполнении процедуры результаты тестирования выводятся на МО 11 и МП 10 и сопровождаются необходимыми разъяснениями, полученными на основе функционирования блока 27 ЭС 8;

если процедура тестирования выполнена неправильно, то обучаемому предлагается вернуться к исходному заданию и повторить тестирование;

хранение в блоке документирования 9 результатов обучения и тестирования по рассматриваемому разделу предметной области;

передача сообщения на МП 11 о продолжении обучения;

проверка, была ли получена от МП команда конца процесса обучения;

если нет, то переход к новому циклу обучения;

если да, то передача сообщения на МО 11 и МП 10 о конце работы системы и прекращении работы преподавателя.

В результате использования предлагаемого изобретения на базе компьютерной обучающей системы формируется гибкое информационное пространство, включающее методы концептуального моделирования, настраиваемые адаптивные автоматизированные циклы обучения с учетом особенностей обучаемого и изменения его знаний и навыков в процессе обучения.

Реализация предлагаемой стратегии обучения на основе разработанной интеллектуальной технологии позволяет самостоятельно формировать у обучаемого понятия и взаимосвязи предметной области, а также взаимодействовать с обучаемым на творческом уровне.

Таким образом, интеллектуальная система обучения представляет собой инструментальную среду, при помощи которой преподаватель задает необходимую информацию для построения онтологии и концептуальной модели предметной области. Обучаемому предлагается фактический материал в виде текстов, анимации и других средств мультимедиа, после чего по тому же принципу, по которому строились эталонные модели онтологии и формального контекста, формируется модель когнитивного пространства, созданного обучаемым. Полученные модели сравнивается с эталоном и по недостающим звеньям снова предлагается фактический материал до тех пор, пока не будет достигнута идентичность когнитивных моделей преподавателя и обучаемого. Только после завершения этой процедуры обучаемый может перейти к проверке полученных знаний на основе стандартной системы тестирования.

Формула изобретения

Интеллектуальная обучающая система, содержащая рабочее место преподавателя с последовательно включенными блоком коммутации и управления и персональным компьютером, рабочие места обучаемых с индивидуальными блоками коммутации и управления, взаимосвязанные локальной сетью с блоком коммутации и управления рабочего места преподавателя, а также монитор с большим экраном, между выходом персонального компьютера и входом монитора включен видеомагнитофон, при этом все блоки коммутации и управления выполнены с возможностью формирования и выдачи команд управления в локальную сеть в последовательном коде, блок коммутации и управления рабочего места преподавателя, подключенный к персональному компьютеру через LPT-порт, – с возможностью выдачи команд управления видеомагнитофоном, а монитор – с возможностью копирования экрана персонального компьютера рабочего места преподавателя, за исключением органов управления системой, которые видны и доступны только преподавателю, т.е. отображения на экране монитора только полезной информации, при этом система снабжена программной поддержкой, состоящей из экранного интерфейса, предназначенного для показа преподавателем слайдов, демонстрации аудио- и видеозаписей с лазерного диска, управления видеомагнитофоном, запуска учебных и стандартных программ, управления рабочими местами обучаемых, универсального программатора заданий и программы управления рабочими местами при работе с соответствующими программами, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены блок планирования и мониторинга обучения, состоящий из экспертной системы предметных областей и блока обучаемых и преподавателя, предназначенного для формирования моделей обучаемых и преподавателя и их идентификации, блок поддержания процесса обучения и оценки знаний, состоящий из экспертной системы обучения и оценки формализованных знаний, предназначенной для формирования моделей онтологии и извлечения «скрытых» знаний с использованием формального контекста, и блока документирования для хранения результатов обучения и тестирования, а также блок интеллектуального интерфейса, блок адаптации, реализующий процедуры адаптивного управления процессом обучения с динамически меняющейся информацией, и блок программного управления, при этом рабочие места обучаемых, рабочее место преподавателя и блок интеллектуального интерфейса образуют блок интерфейсов, взаимосвязанный локальной сетью с блоком программного управления, блоком адаптации, блоком планирования и мониторинга обучения и блоком поддержания процесса обучения и оценки знаний.

РИСУНКИ