Федеральное агентство по образованию
государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Российский государственный гуманитарный университет
Филиал в г. Калуге
Курсовая работа
на тему:
«Автоматизированная система обучения и оценки знаний»
Студент: Чураков Д. А.
Группа: ИО-01
Преподаватель: Сорокин И. В.
Оценка «_____________»
Калуга – 2006
Содержание
1. Введение…………………………………………………………………………….…...3
2. Дистанционное обучение и использование интернет технологий………………..…4
3. Особенности создания курса………………………………………………………..….5
4. Требования при создании курсов ДО……………………………………………….…7
5. Назначение экспертных систем, преимущества использования……………………10
6. Состав и взаимодействие участников построения и эксплуатации экспертных и
систем…………………………………………………………………………….……………..13
7. Преимущества использования экспертных систем…………………………………..15
8. Особенности построения и организации экспертных систем……………………….16
9. Отличие экспертных систем от традиционных программ………………………...…18
10. Технология разработки экспертных систем…………………………………………..19
11. Выбор средства программирования…………………………………………………..20
12. Заключение……………………………………………………………………………..22
13. Список литературы…………………………………………………………………….24
Цель курсовой работы
Основываясь на аргументации об актуальности выбранной темы, можно определить целевую ориентацию работы.
· Познакомиться с теорией дистанционного образования, экспертных систем;
· Изучить основные программные средства по созданию автматизированной системе оценки знаний.
Введение
ХХI век – век компьютеров, интернета и информационно-коммуникационных технологий. Нет ни одной деятельности, где бы ни использовали ЭВМ с её многочисленными функциями и возможностями. В первую очередь она нашла применение в образовании. Современная система образования с помощью информационных технологий является открытой и доступной для получения образовательных услуг. Новые информационные технологии предоставляют средства для более эффективного планирования учебного процесса, использования различных источников и видов информации, мобильности и открытости содержания обучения.
Внедрение компьютерных технологий в систему образования ставит новые задачи перед обучающими организациями. Актуальной задачей является осознание необходимости существенных перемен в традиционных образовательных системах и технологиях, и, соответственно, разработки новых путей их развития. Какой должна стать система образования в информационном обществе? Образовательная система должна стать гибкой, ориентироваться на потребности учебного процесса и динамично перестраиваться.
Стандартная методика преподавания предполагает, что из года в год преподаватель ведет одни и те же лекции, периодически зарисовывая одни и те же схемы, графики, формулы и т.д., что ведет к потере большого количества бесценного времени. Внедрение информационных технологий в обучение с помощью мультимедийных курсов, лекций в электронном виде, презентации, интернета, автоматизированных систем обучения (АСО) увеличивает быстродействие самого процесса обучения и его качество, так как хорошая наглядность изложенного материала ведет к хорошему усвоению студентами.
Целью моей курсовой работы является исследование в области дистанционного обучения, также
Дистанционное обучение и использование интернет технологий
Дистанционное обучение (ДО) - это обучение на расстояние, когда преподаватель и обучаемый разделены пространственно и когда все или большая часть учебных процедур осуществляется с использованием современных информационных и телекоммуникационных технологий.
Дистанционное обучение через Интернет - это обучение, при котором предоставление обучаемым существенной части учебного материала и большая часть взаимодействия с преподавателем осуществляются с использованием технических, программных и административных средств глобальной сети Интернет.
Большой интерес в развитых странах к удаленному обучению проявляют студенты. В США, по данным IDC, более 50% высших учебных заведений используют дистанционные онлайновые программы, как составную часть образовательного процесса.
Отличительной особенностью ДО является предоставление обучаемым возможности самим получать требуемые знания, пользуясь развитыми информационными ресурсами, предоставляемыми современными информационными технологиями. Информационные ресурсы: базы данных и знаний, компьютерные, в том числе мультимедиа, обучающие и контролирующие системы, видео- и аудиозаписи, электронные библиотеки - вместе с традиционными учебниками и методическими пособиями создают уникальную распределенную среду обучения, доступную широкой аудитории.
Проведение видео- и телевизионных лекций, круглых столов, компьютерных видео- и текстовых конференций, возможность частых, вплоть до ежедневных, консультаций с преподавателем по компьютерным коммуникациям делают взаимодействие обучаемых с преподавателями даже более интенсивными, чем при традиционной форме обучения.
Интенсивные телекоммуникационные взаимодействия обучаемых между собой и с преподавателями консультантами позволяют проводить электронные семинары и деловые игры.
В последние годы все больше говорят об использовании Интернет технологий в качестве технологической основы дистанционного обучения (ДО), что связано с возросшими возможностями технических средств связи и распространением компьютерной сети Интернет. В пользу подобной основы для различных моделей дистанционного обучения говорят следующие факторы, обусловленные дидактическими свойствами этого средства информационных технологий.
· Возможность чрезвычайно оперативной передачи на любые расстояния информации любого объема, любого вида (визуальной и звуковой, статичной и динамичной, текстовой и графической).
· Возможность оперативного изменения информации через сеть Интернет со своего рабочего места.
· Хранение этой информации в памяти компьютера в течение необходимой продолжительности времени, возможность ее редактирования, обработки, распечатки и т.д.
· Возможность интерактивности с помощью специально создаваемой для этих целей мультимедийной информации и оперативной обратной связи.
· Возможность доступа к различным источникам информации, в первую очередь Web сайтам Интернет, удаленным базам данных, многочисленным конференциям по всему миру через систему Интернет, работы с этой информацией.
· Возможность организации электронных конференций, в том числе в режиме реального времени, компьютерных аудиоконференций и видеоконференций.
· Возможность диалога с любым партнером, подключенным к сети Интернет.
· Возможность запроса информации по любому интересующему вопросу через электронные конференции.
· Возможность перенести полученные материалы на свою дискету, распечатать их и работать с ними так и тогда, когда и как это наиболее удобно пользователю.
Интернет устранил или заметно снизил временные, пространственные и финансовые барьеры в распространении информации, создал собственные интегрированные информационные структуры. Естественно, это имеет огромное значение для образовательной системы, ведь информация - "среда обитания" всех образовательных программ.
Особенности создания курса
Полноценный проект обучения состоит из: инструктивного блока, информационного блока(системы информационного наполнения ресурса), контрольного блока(механизма тестирования и оценки), коммуникативного блока (системы интерактивного преподавания) и управляющей системы, объединяющей все это воедино.
Курс ДО - это не только сам текст занятий, а целостный процесс, включающий поиск подходящей информации в сетях, обмен письмами, как с кураторам курса, так и с другими учащимися, обращение к базам данных, периодическим информационным изданиям, распространяемых посредством Интернет.
Дистанционное обучение, индивидуализированное по своей сути, не должно вместе с тем исключать возможностей коммуникации не только с преподавателем, но и с другими обучающимися, сотрудничества в процессе разного рода познавательной и творческой деятельности.
Успешность дистанционного обучения во многом зависит от организации учебного материала. Если курс предназначен действительно для обучения, т.е. для взаимодействия преподавателя и обучаемого, то соответственно и требования к организации такого курса, принципы отбора и организации, структурирования материала будут определяться особенностями этого взаимодействия. Если курс предназначен для самообразования, то отбор материала и его структурирование и организация будут существенно иные. В данном случае мы говорим об обучении, т.е. о взаимодействии учителя и учащихся, следовательно, требования к организации таких курсов должны определяться особенностями взаимодействия обучающего и обучаемого в условиях телекоммуникационной сети. При этом необходимо учитывать, с одной стороны, общедидактические принципы создания обучающих курсов, требования, диктуемые психологическими особенностями восприятия информации с экрана и на печатной основе (поскольку любой текст может быть выведен с помощью принтера на бумагу), эргономические требования, а с другой, максимально использовать возможности, которые предоставляют нам программные средства телекоммуникационной сети и современных информационных технологий.
При создании курса ДО важно учесть особенности целевой группы, для которой создается этот курс и выбрать методику дистанционного обучения с учетом особенностей технического обеспечения обучаемого.
Эффективность любого вида обучения на расстоянии зависит от четырех составляющих:
а. эффективного взаимодействия преподавателя и обучаемого, несмотря на то, что они физически разделены расстоянием;
б. используемых при этом педагогических технологий;
в. эффективности разработанных методических материалов и способов их доставки;
г. эффективности обратной связи.
Другими словами, эффективность дистанционного обучения зависит от качества используемых материалов(учебных курсов) и мастерства педагогов, участвующих в этом процессе. Поэтому педагогическая, содержательная организация дистанционного обучения (как на этапе проектирования курса, так и в процессе его использования) является приоритетной. Отсюда важность концептуальных педагогических положений, на которых предполагается строить современный курс дистанционного обучения. Коротко их можно изложить следующим образом:
1) В центре процесса обучения находится самостоятельная познавательная деятельность обучаемого (учение, а не преподавание).
2) Важно, чтобы обучаемый научился самостоятельно приобретать знания, пользуясь разнообразными источниками информации; умел с этой информацией работать, используя различные способы познавательной деятельности и имел при этом возможность работать в удобное для него время.
3) Самостоятельное приобретение знаний не должно носить пассивный характер, напротив, обучаемый с самого начала должен быть вовлечен в активную познавательную деятельность, не ограничивающуюся овладением знаниями, но непременно предусматривающую их применение для решения разнообразных проблем окружающей действительности.
4) Организация самостоятельной (индивидуальной или групповой) деятельности обучаемых в сети предполагает использование новейших педагогических технологий, адекватных специфике данной формы обучения, стимулирующих раскрытие внутренних резервов каждого ученика и одновременно способствующих формированию социальных качеств личности. Наиболее удачны в этом отношении обучение в сотрудничестве (для активизации познавательной деятельности каждого ученика в сетях), метод проектов (для творческого интегрированного применения полученных знаний), исследовательские, проблемные методы.
5) Дистанционное обучение предусматривает активное взаимодействие как с преподавателем - координатором курса, так и с другими партнерами, сотрудничества в процессе разного рода познавательной и творческой деятельности. Проблемы социализации весьма актуальны при дистанционном обучении.
6) Система контроля должна носить систематический характер и строиться как на основе оперативной обратной связи (предусмотренной в структуре учебного материала, оперативного обращения к преподавателю или консультанту курса в любое удобное для обучаемого время), автоматического контроля(через системы тестирования)так и отсроченного контроля (например, при очном тестировании).
Требования при создании курсов Дистанционного Обучения
При создании курсов ДО необходимо учитывать следующие требования:
Мотивация. Мотивация - необходимая составляющая обучения, которая должна поддерживаться на протяжении всего процесса обучения. Большое значение имеет четко определенная цель, которая ставится перед студентом. Мотивация быстро снижается, если уровень поставленных задач не соответствует уровню подготовки студента.
Постановка учебной цели. Студент с самого начала работы за компьютером должен знать, что от него требуется. Задачи обучения должны быть четко и ясно сформулированы в программе.
Создание предпосылок к восприятию учебного материала. Для создания предпосылок к восприятию учебного материала могут быть полезны вспомогательные материалы (руководства для студентов), входящие в комплект готового пакета или подготовленные самим преподавателем. Возможно проведение предварительного тестирования.
Подача учебного материала. Стратегия подачи материала определяется в зависимости от решаемых учебных задач. Важной проблемой является оформление кадров, подаваемых на экран дисплея. Необходимо использовать известные принципы удобочитаемости.
Обратная связь. Этот критерий имеет ключевое значение для обучаемого, меньше - в тестирующей программе, больше - в тренажерной. Компьютер способен обеспечивать обратную связь, причем помощь эта может быть индивидуальной.
Оценка. В ходе работы с компьютером студенты должны знать, как они справляются с учебным материалом. Однако предпочтительно не указывать количество неправильных ответов до окончательного подведения итогов. Большинство студентов, как правило, стимулирует небольшое число оставшихся заданий, большое число выполненных заданий стимулирует меньше. Наиболее важным в дистанционном курсе является организация коммуникаций "студент - преподаватель - студенты". Для этих целей рекомендуется организация работы студентов в проектах или "обучение в сотрудничестве", дискуссии.
При создании курсов ДО широко используются гипертекстовые технологии и мультимедийные средства. Использование гиперссылок приводит к нелинейной структуре курса, к возможности перемещаться обучаемому по своей собственной стратегии обучении по всему тексту курса. Гипертекст - возможность создания "живого", интерактивного учебного материала, снабженного ссылками между различными частями материала. Возможности гипертекста дают преподавателю возможность разделить материал на большое число фрагментов, соединив их гиперссылками в логические цепочки. Следующим шагом здесь может быть создание на основе одного и того же материала "собственных" учебников для каждого учащегося, в зависимости от его уровня знаний. Гиперссылки позволяют обращаться к внешним источникам информации, делать курс частью сети Интернет.
Тем не менее, практический опыт использования WWW в учебном процессе говорит о том, что эта структура имеет много недостатков. Огромный объем информации в Интернете, отсутствие общей структуры осложняет поиск информации в Интернете. Способность отвлекаться на случайные раздражители типа побочных, но очень интересных ссылок, способность восприятия огромного количества совершенно ненужной информации, радость от отсутствия строгого наставника за спиной - всё это гораздо больше подходит психологически для обучения обезьяны, нежели эффективно работающего зрелого специалиста. Суровый жизненный опыт многих стран показывает, что студент, предоставленный сам себе и оставленный без контроля, немедленно начинает заниматься именно сбором "бананов" - он идет на чаты, анекдоты, игрушки и порносайты.
Как критики, так и сторонники онлайнового обучения согласны в том, что качество обучения не улучшается просто от того, что студентам дается доступ к новым технологиям. Качество зависит от методов, которыми эти технологии используются в учебном процессе…
Нечто похожее творится и с использованием в образовании других сервисов Интернет. Электронная почта, Интернет - конференции и учебные форумы - прекрасные средства обсуждения учебного материала и взаимопомощи студентов. Но практика показывает, что без контроля преподавателя они либо используются для болтовни, либо не используются вообще. Преподаватели многих американских вузов "оживляют" Интернет-общение простым, но эффективным методом: они заранее объявляют перед началом курса, что 10-20 суммарного балла по курсу студент получит за вклад в дискуссии. Для "затравки" преподаватель обычно предлагает свои собственные вопросы, но дает возможность открывать свои собственные темы для обсуждения и студентам.
Как и всякое техническое новшество, каждый из сервисов Интернет, от электронной почты до WWW, имеет свою нишу оптимального применения в учебном процессе. И у этой ниши есть границы. Возможно, одно из важнейших решений при создании веб-курса - это мера, в какой степени он может дополнять или заменять очный курс, в какой мере он может и должен использовать преимущества, даваемые другими формами обучения.
Например, для класса живописи, предполагающего тесное личное общение студента и преподавателя, веб-курс может быть лишь скромным дополнением, сборником общих инструктивных материалов и онлайн-галереей обсуждаемых работ. В классе же экономической теории, как и в тысячах других, весь учебный процесс может быть переосмыслен и организован по-новому с применением Интернет.
Современные курсы ДО отличаются сжатым, реферативным изложением материала, делают необязательным сплошного чтение материала, позволяют строить процесс обучения в зависимости от уровня подготовки, быстроты усвоения материала, интересов обучаемого и т.п.
Мультимедиа – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющий человеку общаться с компьютером, используя самые разнообразные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.
Мультимедиа - богатейшие возможности иллюстрации изучаемого явления. Это повышает качество образования и позволяет удерживать внимание обучающегося. Если раньше пределом мечтаний был изношенный черно-белый фильм, то современные технические средства позволяют создать гораздо более зрелищное учебное пособие в виде компьютерной анимации или даже игры. Использование средств мультимедиа позволяет активно использовать графику, цвет, мультимедиа, анимацию, звук.
В работе с гипертекстом студент занимает более активную позицию в процессе обучения, т.к. он должен делать выводы по поводу прочитанного материала и сам выбирать последовательность переходов по гиперссылкам, в отличие от обычной книги, где материал излагается последовательно страница за страницей. Обучение становится ориентированным на студента.
Использование средств мультимедиа и гиперссылок на страницах курсов позволяет:
- Улучшить представления учебного материала.
- Организовать широкомасштабные дискуссии.
- Обеспечить удобный интерфейс.
Назначение экспертных систем, преимущества использования
В начале 80-х годов в исследованиях по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление, получившее название "экспертные системы" (ЭС). Основным назначением ЭС является разработка программных средств, которые при решении задач, трудных для человека, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решения, решениям получаемым человеком-экспертом. ЭС используются для решения так называемых неформализованных задач, общим для которых является то, что:
- задачи не могут быть заданы в числовой форме;
- цели нельзя выразить в терминах точно определённой целевой функции;
- не существует алгоритмического решения задачи;
- если алгоритмическое решение есть, то его нельзя использовать из-за
ограниченности ресурсов (время, память).
Кроме того неформализованные задачи обладают ошибочностью, неполнотой, неоднозначностью и противоречивостью как исходных данных, так и знаний о решаемой задаче.
Экспертная система - это программное средство, использующее экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения неформализованных задач в узкой предметной области. Основу ЭС составляет база знаний (БЗ) о предметной области, которая накапливается в процессе построения и эксплуатации ЭС. Накопление и организация знаний - важнейшее свойство всех ЭС.
Знания являются явными и доступными, что отличает ЭС от традиционных программ, и определяет их основные свойства, такие, как:
1) Применение для решения проблем высококачественного опыта, который представляет уровень мышления наиболее квалифицированных экспертов в данной области, что ведёт к решениям творческим, точным и эффективным.
2) Наличие прогностических возможностей, при которых ЭС выдаёт ответы не только для конкретной ситуации, но и показывает, как изменяются эти ответы в новых ситуациях, с возможностью подробного объяснения каким образом новая ситуация привела к изменениям.
3) Обеспечение такого нового качества, как институциональная память, за счёт входящей в состав ЭС базы знаний, которая разработана в ходе взаимодействий со специалистами организации, и представляет собой текущую политику этой группы людей. Этот набор знаний становится сводом квалифицированных мнений и постоянно обновляемым справочником наилучших стратегий и методов, используемых персоналом. Ведущие специалисты уходят, но их опыт остаётся.
4) Возможность использования ЭС для обучения и тренировки руководящих работников, обеспечивая новых служащих обширным багажом опыта и стратегий, по которым можно изучать рекомендуемую политику и методы.
Возникает вопрос: "Зачем разрабатывать экспертные системы? И не лучше ли обратиться к человеческому опыту, как это было в прошлом?". Отметим лишь основные преимущества, которые даёт использование ЭС. Преимуществами и положительными качествами искусственной компетенции являются:
1) Её постоянство. Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человека-эксперта может серьёзно отразиться на его профессиональных качествах.
2) Лёгкость передачи или воспроизведения. Передача знаний от одного человека другому — долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации — это простой процесс копирования программы или файла данных.
3) Устойчивость и воспроизводимость результатов. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты ЭС — стабильны.
4) Стоимость. Эксперты, особенно высококвалифицированные обходятся очень дорого. ЭС, наоборот, сравнительно недороги. Их разработка дорога, но они дёшевы в эксплуатации.
Вместе с тем разработка ЭС не позволяет полностью отказаться от эксперта-человека. Хотя ЭС хорошо справляется со своей работой, тем не менее в определённых областях человеческая компетенция явно превосходит искусственную. Однако и в этих случаях ЭС может позволить отказаться от услуг высококвалифицированного эксперта, оставив эксперта средней квалификации, используя при этом ЭС для усиления и расширения его профессиональных возможностей.
Особенности ЭС, отличающие их от обычных программ, заключаются в том, что они должны обладать:
1. Компетентностью, а именно:
· Достигать экспертного уровня решений (т.е. в конкретной предметной области иметь тот же уровень профессионализма, что и эксперты-люди).
· Быть умелой (т.е. применять знания эффективно и быстро, избегая, как и люди, ненужных вычислений).
· Иметь адекватную робастность (т.е. способность лишь постепенно снижать качество работы по мере приближения к границам диапазона компетентности или допустимой надёжности данных).
2. Возможностью к символьным рассуждениям, а именно:
· Представлять знания в символьном виде
· Переформулировать символьные знания. На жаргоне искусственного интеллекта символ — это строка знаков, соответствующая содержанию некоторого понятия. Символы объединяют, чтобы выразить отношения между ними. Когда отношения представлены в ЭС они называются символьными структурами.
3. Глубиной, а именно:
· Работать в предметной области, содержащей трудные задачи
· Использовать сложные правила (т.е. использовать либо сложные конструкции правил, либо большое их количество)
4. Самосознанием, а именно:
· Исследовать свои рассуждения (т.е. проверять их правильность)
· Объяснять свои действия
Существует ещё одно важное отличие ЭС. Если обычные программы разрабатываются так, чтобы каждый раз порождать правильный результат, то ЭС разработаны с тем, чтобы вести себя как эксперты. Они, как правило, дают правильные ответы, но иногда, как и люди, способны ошибаться.
Традиционные программы для решения сложных задач, тоже могут делать ошибки. Но их очень трудно исправить, поскольку алгоритмы, лежащие в их основе, явно в них не сформулированы. Следовательно, ошибки нелегко найти и исправить.
Состав и взаимодействие участников построения и эксплуатации экспертных систем
Познакомившись с тем, что такое экспертные системы и каковы их основные характеристики, попробуем теперь ответить на вопрос: "Кто участвует в построении и эксплуатации ЭС? ".
К числу основных участников следует отнести саму экспертную систему, экспертов, инженеров знаний, средства построения ЭС и пользователей. Их основные роли и взаимоотношение приведены на рисунке.
Экспертная система — это программное средство, использующее знания экспертов, для высокоэффективного решения задач в интересующей пользователя предметной области. Она называется системой, а не просто программой, так как содержит базу знаний, решатель проблемы и компоненту поддержки. Последняя из них помогает пользователю взаимодействовать с основной программой.
Эксперт — это человек, способный ясно выражать свои мысли и пользующийся репутацией специалиста, умеющего находить правильные решения проблем в конкретной предметной области. Эксперт использует свои приёмы и ухищрения, чтобы сделать поиск решения более эффективным, и ЭС моделирует все его стратегии.
Инженер знаний — человек, как правило, имеющий познания в информатике и искусственном интеллекте и знающий, как надо строить ЭС. Инженер знаний опрашивает экспертов, организует знания, решает, каким образом они должны быть представлены в ЭС, и может помочь программисту в написании программ.
Средство построения ЭС — это программное средство, используемое инженером знаний или программистом для построения ЭС. Этот инструмент отличается от обычных языков программирования тем, что обеспечивает удобные способы представления сложных высокоуровневых понятий.
Пользователь — это человек, который использует уже построенную ЭС. Так, пользователем может быть юрист, использующий её для квалификации конкретного случая; студент, которому ЭС помогает изучать информатику и т. д. Термин пользователь несколько неоднозначен. Обычно он обозначает конечного пользователя. Однако из рис.2 следует, что пользователем может быть:
· создатель инструмента, отлаживающий средство построения ЭС;
· инженер знаний, уточняющий существующие в ЭС знания;
· эксперт, добавляющий в систему новые знания;
· клерк, заносящий в систему текущую информацию.
Важно различать инструмент, который используется для построения ЭС, и саму ЭС. Инструмент построения ЭС включает как язык, используемый для доступа к знаниям, содержащимся в системе, и их представления, так и поддерживающие средства – программы, которые помогают пользователям взаимодействовать с компонентой экспертной системы, решающей проблему.
Преимущества использования экспертных систем
Возникает вопрос: "Зачем разрабатывать экспертные системы? И не лучше ли обратиться к человеческому опыту, как это было в прошлом?". Отметим лишь основные преимущества, которые даёт использование ЭС. Преимуществами и положительными качествами искусственной компетенции являются:
1) Её постоянство. Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человека-эксперта может серьёзно отразиться на его профессиональных качествах.
2) Лёгкость передачи или воспроизведения. Передача знаний от одного человека другому — долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации — это простой процесс копирования программы или файла данных.
3) Устойчивость и воспроизводимость результатов. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты ЭС — стабильны.
4) Стоимость. Эксперты, особенно высококвалифицированные обходятся очень дорого. ЭС, наоборот, сравнительно недороги. Их разработка дорога, но они дёшевы в эксплуатации.
Вместе с тем разработка ЭС не позволяет полностью отказаться от эксперта-человека. Хотя ЭС хорошо справляется со своей работой, тем не менее в определённых областях человеческая компетенция явно превосходит искусственную. Однако и в этих случаях ЭС может позволить отказаться от услуг высококвалифицированного эксперта, оставив эксперта средней квалификации, используя при этом ЭС для усиления и расширения его профессиональных возможностей.
Особенности построения и организации экспертных систем
Основой любой ЭС является совокупность знаний, структурированная в целях упрощения процесса принятия решения. Для специалистов в области искусственного интеллекта термин знания означает информацию, которая необходима программе, чтобы она вела себя "интеллектуально". Эта информация принимает форму фактов и правил. Факты и правила в ЭС не всегда либо истинны, либо ложные. Иногда существует некоторая степень неуверенности в достоверности факта или точности правила. Если это сомнение выражено явно, то оно называется "коэффициентом доверия".
Коэффициент доверия — это число, которое означает вероятность или степень уверенности, с которой можно считать данный факт или правило достоверным или справедливым.
Многие правила ЭС являются эвристиками, то есть эмпирическими правилами или упрощениями, которые эффективно ограничивают поиск решения. ЭС используют эвристики, так как задачи, которые она решает, трудны, не до конца понятны, не поддаются строгому математическому анализу или алгоритмическому решению. Алгоритмический метод гарантирует корректное или оптимальное решение задачи, тогда как эвристический метод даёт приемлемое решение в большинстве случаев.
Знания в ЭС организованы так, чтобы знания о предметной области отделить от других типов знаний системы, таких как общие знания о том, как решать задачи или знание о том, как взаимодействовать с пользователем. Выделенные знания о предметной области называются базой знаний, тогда как общие знания о нахождении решений задач называются механизмом вывода. Программные средства, которые работают со знаниями, организованными таким образом, называются системами, основанными на знаниях.
БЗ содержит факты (данные) и правила (или другие представления знаний), использующие эти факты как основу для принятия решений. Механизм вывода содержит:
· интерпретатор, определяющий как применять правила для вывода новых знаний на основе информации, хранящейся в БЗ;
· диспетчер, устанавливающий порядок применения этих правил.
Такие ЭС получили название статических ЭС и имеют структуру, аналогичную рисунку выше. Эти ЭС используются в тех приложениях, где можно не учитывать изменения окружающего мира за время решения задачи.
Однако существует более высокий класс приложений, где требуется учитывать динамику изменения окружающего мира за время исполнения приложения. Такие экспертные системы получили название динамических ЭС и их обобщённая структура будет иметь вид, приведённый на рисунке ниже:
По сравнению со статической ЭС в динамическую вводится ещё два компонента:
· подсистема моделирования внешнего мира;
· подсистема сопряжения с внешним миром.
Динамические ЭС осуществляет связи с внешним миром через систему контроллеров и датчиков. Кроме того компоненты БЗ и механизма вывода существенно изменяются, чтобы отразить временную логику происходящих в реальном мире событий.
К разряду таких динамических сред разработки ЭС относится семейство программных продуктов фирмы Gensym Corp. (США). Один из таких продуктов система G2
– базовый программный продукт, представляющий собой графическую, объектно-ориентированную среду для построения и сопровождения экспертных систем реального времени, предназначенных для мониторинга, диагностики, оптимизации, планирования и управления динамическим процессом.
Отличие экспертных систем от традиционных программ
Особенности ЭС, отличающие их от обычных программ, заключаются в том, что они должны обладать:
1. Компетентностью, а именно:
· Достигать экспертного уровня решений (т.е. в конкретной предметной области иметь тот же уровень профессионализма, что и эксперты-люди).
· Быть умелой (т.е. применять знания эффективно и быстро, избегая, как и люди, ненужных вычислений).
· Иметь адекватную робастность (т.е. способность лишь постепенно снижать качество работы по мере приближения к границам диапазона компетентности или допустимой надёжности данных).
2. Возможностью к символьным рассуждениям, а именно:
· Представлять знания в символьном виде
· Переформулировать символьные знания. На жаргоне искусственного интеллекта символ — это строка знаков, соответствующая содержанию некоторого понятия. Символы объединяют, чтобы выразить отношения между ними. Когда отношения представлены в ЭС они называются символьными структурами.
3. Глубиной, а именно:
· Работать в предметной области, содержащей трудные задачи
· Использовать сложные правила (т.е. использовать либо сложные конструкции правил, либо большое их количество)
4. Самосознанием, а именно:
· Исследовать свои рассуждения (т.е. проверять их правильность)
· Объяснять свои действия
Существует ещё одно важное отличие ЭС. Если обычные программы разрабатываются так, чтобы каждый раз порождать правильный результат, то ЭС разработаны с тем, чтобы вести себя как эксперты. Они, как правило, дают правильные ответы, но иногда, как и люди, способны ошибаться.
Традиционные программы для решения сложных задач, тоже могут делать ошибки. Но их очень трудно исправить, поскольку алгоритмы, лежащие в их основе, явно в них не сформулированы. Следовательно, ошибки нелегко найти и исправить. ЭС, подобно людям, имеют потенциальную возможность учиться на своих ошибках.
Технология разработки экспертных систем
Технология их разработки ЭС, включает в себя шесть этапов (рис.5): этапы идентификации, концептуализации, формализации, выполнения, тестирования, опытной эксплуатации. Рассмотрим более подробно последовательности действий, которые необходимо выполнить на каждом из этапов.
1) На этапе идентификации необходимо выполнить следующие действия:
· определить задачи, подлежащие решению и цели разработки,
· определить экспертов и тип пользователей.
2) На этапе концептуализации:
· проводится содержательный анализ предметной области,
· выделяются основные понятия и их взаимосвязи,
· определяются методы решения задач.
3) На этапе формализации:
· выбираются программные средства разработки ЭС,
· определяются способы представления всех видов знаний,
· формализуются основные понятия.
4) На этапе выполнения (наиболее важном и трудоёмком) осуществляется наполнение экспертом БЗ, при котором процесс приобретения знаний разделяют:
· на "извлечение" знаний из эксперта,
· на организацию знаний, обеспечивающую эффективную работу ЭС,
· на представление знаний в виде, понятном для ЭС.
Процесс приобретения знаний осуществляется инженером по знаниям на основе деятельности эксперта.
5) На этапе тестирования эксперт и инженер по знаниям с использованием диалоговых и объяснительных средств проверяют компетентность ЭС. Процесс тестирования продолжается до тех пор, пока эксперт не решит, что система достигла требуемого уровня компетентности.
6) На этапе опытной эксплуатации проверяется пригодность ЭС для конечных пользователей. По результатам этого этапа возможна существенная модернизация ЭС.
Процесс создания ЭС не сводится к строгой последовательности этих этапов, так как в ходе разработки приходится неоднократно возвращаться на более ранние этапы и пересматривать принятые там решения.
Выбор средства программирования
Для практической реализации своего проекта «Автоматизированной системы обучения и оценки знаний», мною была выбрана система визуального программирования Delphi, так как она обладает большой популярностью среди широкого круга пользователей: от неспециалистов до системных программистов, занимающихся разработкой сложных приложений и информационных систем.
Основной в Delphi делается на максимальном реиспользовании кода. Это позволяет разработчикам строить приложения весьма быстро из заранее подготовленных объектов, а также дает им возможность создавать свои собственные объекты для среды Delphi. Никаких ограничений по типам объектов, которые могут создавать разработчики, не существует. Действительно, все в Delphi написано на нем же, поэтому разработчики имеют доступ к тем же объектам и инструментам, которые использовались для создания среды разработки. В результате нет никакой разницы между объектами, поставляемыми Borland или третьими фирмами, и объектами, которые вы можете создать.
В стандартную поставку Delphi входят основные объекты, которые образуют удачно подобранную иерархию из 270 базовых классов. Для начала - неплохо. Но если возникнет необходимость в решении какой-то специфической проблемы на Delphi, советуем, прежде чем попытаться начинать решать проблему “с нуля”, просмотреть список свободно распространяемых или коммерческих компонент, разработанных третьими фирмами, количество этих фирм в настоящее время превышает число 250, хотя, возможно, я не обо всех знаю. Скептики, возможно, не поверят мне, когда я скажу, что на Delphi можно одинаково хорошо писать как приложения к корпоративным базам данных, так и, к примеру, игровые программы. Тем не менее, это так. Во многом это объясняется тем, что традиционно в среде Windows было достаточно сложно реализовывать пользовательский интерфейс. Событийная модель в Windows всегда была сложна для понимания и отладки. Но именно разработка интерфейса в Delphi является самой простой задачей для программиста.
В первую очередь Delphi предназначен для профессионалов-разработчиков корпоративных информационных систем. Может быть, здесь следует пояснить, что конкретно имеется в виду. Не секрет, что некоторые удачные продукты, предназначенные для скоростной разработки приложений (RAD - rapidapplicationdevelopment) прекрасно работают при изготовлении достаточно простых приложений, однако, разработчик сталкивается с непредвиденными сложностями, когда пытается сделать что-то действительно сложное. Бывает, что в продукте вскрываются присущие ему ограничения только по прошествии некоторого времени.
Delphi такие ограничения не присущи. Хорошее доказательство тому - это тот факт, что сам Delphi разработан на Delphi. Можете делать выводы. Однако Delphi предназначен не только для программистов-профессионалов. Я читал в электронной конференции совершенно неожиданные для меня письма, где учителя, врачи, преподаватели ВУЗов, бизнесмены, все те, кто используют компьютер с чисто прикладной целью, рассказывали о том, что приобрели DelphiforWindows для того, чтобы быстро решить какие-то свои задачи, не привлекая для этого программистов со стороны. В большинстве случаев им это удается. Поразительный факт - журнал VisualBasicMagazine присудил свою премию Delphi for Windows.
Руководители предприятий, планирующие выделение средств на приобретение программных продуктов, должны быть уверены в том, что планируемые инвестиции окупятся. Поэтому одним из оцениваемых факторов должен быть вопрос - а легко ли найти специалиста по Delphi и сколько будет стоить его обучение, сколько времени специалист затратит на овладение продуктом. Ответ здесь получить весьма просто - любой программист на паскале способен практически сразу профессионально освоить Delphi. Специалисту, ранее использовавшему другие программные продукты, придется труднее, однако самое первое работающее приложение он сможет написать в течение первого же часа работы на Delphi. И, конечно же, открытая технология Delphi является мощным гарантом того, что инвестици, сделанные в Delphi, будут сохранены в течение многих лет.
Заключение
Большой интерес в развитых странах к удаленному обучению проявляют студенты. В США, по данным IDC, более 50% высших учебных заведений используют дистанционные онлайновые программы, как составную часть образовательного процесса.
Отличительной особенностью ДО является предоставление обучаемым возможности самим получать требуемые знания, пользуясь развитыми информационными ресурсами, предоставляемыми современными информационными технологиями. Информационные ресурсы: базы данных и знаний, компьютерные, в том числе мультимедиа, обучающие и контролирующие системы, видео- и аудиозаписи, электронные библиотеки - вместе с традиционными учебниками и методическими пособиями создают уникальную распределенную среду обучения, доступную широкой аудитории.
Одним из важных этапов любого процесса обучения является этап проверки и оценки знаний. Полученные в ходе проверки и оценки знаний результаты могут свидетельствовать о готовности или неготовности обучаемого к дальнейшему изучению того или иного предмета. Этап оценки знаний является ключевым при выборе дальнейшего направления обучения. Современные информационные технологии в области автоматизированной оценки знаний предоставляют преподавателю удобный инструмент для сбора, накопления, обработки и анализа оценки подготовленности обучаемых. Одной из простейших форм автоматизированной оценки знаний является форма тестов, где применение современных информационных технологий представляется целесообразным в виду того, что творческое участие преподавателя фокусируется на подготовке и разработке тестовых заданий, а рутинная работа по опросу учащихся, сбору ответов и их количественному подсчету осуществляется компьютерной программой. Кроме этого, в зависимости от качества проработки тестовых вопросов, тестовые задания отвечают таким принципам оценки знаний как принципы полноты, всесторонности и объективности.
На сегодняшний день существует целый ряд компьютерных программ, реализующих функции автоматизированных систем оценки знаний в форме тестов. Одной из таких программ является "Компьютерная система тестирования", разработанная на кафедре информа ционных систем Санкт-Петербургского университета МВД России. Изначально в программу закладывался ряд особенностей, которые отличают ее из ряда подобных программ. Программа разработана на основе оригинальной идеи, учитывающей психологию принятия решений: каждый выбор сопровождается указанием самооценки степени уверенности отвечающего. Оценка результатов тестирования зависит от соотношения правильности ответов и степени уверенности в них. Эта идея позволила:
- увеличить шкалу оценок результата и получить существенную дифференциацию обучающихся, это дало возможность использовать не абсолютные, а относительные и порядковые оценки (рейтинговая оценка в анализируемой группе), ввести элемент соревнования и исключить подсказку одних учащихся другим;
- сократить возможности простого "угадывания" ответа и случайных ошибок (отвечающий имеет право на ошибку и может с некоторыми долями уверенности выбрать и все предложенные альтернативы);
- отказаться от метода простой альтернативы (среди вариантов ответов ровно один - правильный) и разрабатывать вопросы, среди вариантов ответов на которые могут быть и все правильные, и все неправильные.
Другим средством, позволяющим управлять процедурой оценивания в программе, является возможность определения весовых коэффициентов для вопросов, например, связанных с экспертной оценкой их сложности или приоритетности.
Важной составляющей при подготовке тестовых заданий является возможность использования в программе мультимедиа возможностей, то есть задавать представление вариантов ответов в виде картинки, аудио или видео фрагмента, что выгодно отличает проведение тестирования на компьютере от тестирования на бумаге.
Дальнейшее совершенствование программы "Компьютерная система тестирования" связано с улучшением пользовательского интерфейса, расширением возможностей использования современных мультимедиа технологий, а также добавлением опционального элемента обучения при тестировании.
Элемент обучения в ходе тестирования заключается в том, что после выполнения тестовых заданий, тестируемый сможет увидеть не только количественный результат правильных и неправильных ответов, но также и сами варианты ответов, что позволит ему определить, когда и почему была допущена ошибка.
Список литературы
Х. Дейтел, П. Дейтел «Как программировать на С++»: пер. с англ. – М.:
«Издательство Бином», 2003 г.
В. Канаво «Методические рекомендации по созданию курса дистанционного
обучения через Интернет» (www.curator.ru)
«Интернет - технологии в системе дистанционного обучения» (www.aiv.spb.ru)
4. C. Хабаров «Экспертные системы» конспект лекций (www.firm.trade.spb.ru/)
|
