EidosRu Центр дистанционного образования «Эйдос»
на главную написать письмо карта сайта
 
«Учебник является центральным компонентом системы средств обучения...»
Тришина С.В., зав. лабораторией
Интернет-журнал «Эйдос»Модернизация образованияТеоретические аспекты...

 


Теоретические аспекты проектирования баз знаний электронного учебника

Тришина Светлана Владимировна, зав. лабораторией информационных технологий ФГОУ ОРИППКРС АПК, г.Оренбург

Учебник является центральным компонентом системы средств обучения. Учебник, вне зависимости вида носителя информации бумажный или электронный, реализует следующие функции:

1. является источником учебной информации, раскрывающей в доступной форме содержание изучаемой дисциплины в соответствии с образовательными стандартами;

2. служит средством обучения, организующим образовательный процесс [8, c. 242].

В условиях информатизации образования особую значимость при организации учебной деятельности приобретают электронные учебники (или адаптивные обучающие системы).

Одним из компонентов электронного учебника является информативная составляющая. Ядром информативной компоненты является база знаний. (Под знаниями мы будем понимать лишь их информационную составляющую).

База знаний - это совокупность знаний предметной области, записанная на машинный носитель в форме, понятной эксперту и обучающемуся. Основу такой базы составляют следующие знания: закономерности предметной области (принципы, связи, законы), полученные в результате практической деятельности и профессионального опыта, позволяющие обучающимся ставить и решать задачи в данной области, ключевым признаком является структурированность используемых данных (или данных, или метаданных). Данные - это отдельные факты, полученные эмпирическим путём, которые характеризуют объекты, процессы и явления предметной области, а также их свойства. При обработке на ЭВМ данные трансформируются. Можно выделить следующие этапы:

1. данные как результат измерений и наблюдений;

2. данные на материальных носителях информации (таблицы, протоколы, справочник, энциклопедии)

3. модели (структуры) данных, представленных в виде диаграмм, функций, графиков;

4. данные в компьютере на языке описания данных;

5. базы данных на машинных носителях информации.

При обработке на компьютере знания преобразуются аналогично данным:

1. знания в памяти человека как результат мышления;

2. материальные носители информации (энциклопедии, словари, учебники, учебные пособия);

3. поле знаний - условное описание основных объектов данной предметной области, их атрибутов и закономерностей, их объединяющих;

4. знания, представленные на языках описания знаний (продукционные языки, семантические сети, фреймы);

5. база знаний на машинных носителях информации.

Знания можно классифицировать двумя способами:

1. поверхностные - это знания об определённых взаимосвязях между событиями и фактами в данной предметной области; глубинные - это абстракции, аналогии, схемы, отображающие структуру и природу процессов ( глубинные знания можно использовать для прогнозирования процессов, протекающих в данной предметной области);

2. процедурные - знания, определённые с помощью алгоритмов; декларативные - структурирование знаний с помощью таблиц, списков, абстрактных понятий.

Для определения понятий чаще всего используется способ, основанный на идее интенсионала. Интенсионал понятия определяется через соотнесение его с понятием более высокого уровня абстракции с указанием специфических свойств. Другим способом является определение через понятия с помощью понятий более низкого уровня абстракции или перечислением фактов, которые можно отнести к определяемому объекту.

Модели представления знаний можно классифицировать следующим образом:

1. продукционные модели;

2. семантические сети;

3. фреймы;

4. формальные логические модели.

Под продукционной моделью понимается способ представления знаний в виде предложений типа "Если (условие), то (действие). Характерными признаками продукционной модели является наглядность, высокая модульность, лёгкость внесения дополнений и изменений в базу знаний.

Семантическая сеть - это ориентированный граф, вершинами которого являются понятия, а дугами обозначаются отношения между ними. Характерным признаком семантических сетей является наличие трёх типов отношений:

- класс - элемент класса;

- свойство - значение;

- пример элемента класса.

В классификации семантических сетей можно выделить следующие:

1. по количеству типов отношений:

- однородные ( с единственным типом отношений);

- неоднородные ( с различными типами отношений);

2. по типам отношений:

- бинарные ( в них отношения связывают два объекта);

- N -арные ( отношения в них связывают более двух понятий).

Чаще всего в семантических сетях применяют следующие отношения:

- связи типа "часть - целое" ( "класс - подкласс");

- функциональные связи;

- количественные (больше, меньше, равно);

- пространственные (далеко от, близко от, под, над :);

- временные (в течение, позже:);

- логические (и, или, не);

- атрибутивные иметь свойство, иметь значение);

- лингвистические.

Под фреймом понимается абстрактный образ для представления стереотипа восприятия, служит для обозначения структуры знаний для восприятия пространственных сцен. Основным преимуществом фреймов в качестве модели представления знаний является особенность отражать концептуальную основу организации памяти человека, её гибкость, наглядность.

В типологии фреймов различают:

- фреймы - образцы или прототипы, находящиеся в базе знаний;

- фреймы - экземпляры, создаваемые для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных.

В моделях фреймов можно отобразить знания с помощью следующих вариантов:

- фреймы - структуры, которые применяются для обозначения объектов и понятий;

- фреймы - роли;

- фреймы - сценарии;

- фреймы - ситуации.

Ключевым свойством теории фреймов является заимствование из теории семантических сетей - наследование свойств. По определённому виду связей, указывающих на фрейм более высокого уровня иерархии, с которого переносятся значения аналогичных свойств.

Формальные логические модели представления знаний основаны на описании предметной области в виде совокупности аксиом.

При создании баз знаний электронного учебника можно выделить следующие этапы:

1. Извлечение знаний, при котором производится перенос компетентности от специалиста-эксперта в данной предметной области к специалисту по знаниям, с помощью различных методов:

- анализ текстов;

- диалоги;

- экспертные игры;

- лекции;

- дискуссии;

- интервью;

- наблюдение и др.

2. Структурирование (концептуализация) знаний - это разработка неформального описания знаний о данной предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы, текста отражающих основные концепции и взаимосвязи между понятиями в предметной области. Это описание ещё обозначается полем знаний. В этом процессе определяются:

- терминология;

- список основных понятий и их атрибутов;

- отношения между понятиями;

- структура входной и выходной информации;

- стратегия принятия решений;

- ограничений стратегий и др.

3. Формализация - это процесс разработки базы знаний на языке представления знаний, который, с одной стороны, соответствует определённой структуре поля знаний, а с другой - осуществляет реализацию прототипа системы на следующей стадии программной реализации. На этом этапе используются следующие методы:

- логические методы;

- продукционные модели;

- семантические сети;

- фреймы;

- объектно-ориентированные языки, базирующие на иерархии классов, объектов.

4. Реализация - это процесс разработки программного комплекса, показывающий жизнеспособность используемого подхода. При этом процессе создаётся прототип электронного учебника, включающий базу знаний и остальные модули, при использовании одного из способов:

- программирование на традиционных языках программирования;

- программирование на специализированных языках;

- использование инструментальных средств, с помощью которых разрабатываются экспертные системы;

- использование "пустых оболочек" экспертных систем.

5. Тестирование - это процесс выявления ошибок в используемом подходе и реализации прототипа, разработки рекомендаций по отладке и доводке электронного учебника до требуемых параметров. Проверяются следующие параметры:

- удобство и адекватность пользовательского интерфейса;

- эффективность стратегии управления;

- качество проверочных сведений, примеров;

- корректность базы знаний.

При проектировании электронного учебника одним из важнейшим является теоретический, включающий три основных аспекта для создания баз знаний:

1. психологический;

2. лингвистический;

3. гносеологический.

Кратко остановимся на этих аспектах.

Психологический аспект - является ведущим среди остальных, т.к. он определяет успешность и эффективность взаимодействия специалиста по знаниям (аналитика) с основным источником знаний - экспертом-профессионалом. Извлечение знаний, как правило, происходит в процессе непосредственного общения разработчиков электронного учебника. Общение - это процесс выработки новой информации, общей для общающихся людей и порождающей их общность.

Согласно В.И.Сагатовского можно выявить основные уровни общения:

1. Уровень манипулирования, при котором один из субъектов рассматривает партнёра как средство или помеху по отношению к проекту своей деятельности.

2. Уровень "рефлексивной игры", при которой субъект учитывает "контрпроект" другого субъекта, но при этом не признаёт за ним самоценность и стремится к реализации только своего проекта.

3. Уровень правового общения, при котором субъекты деятельности признают право на осуществление проектов друг друга и пытаются согласовать их внешне.

4. Уровень нравственного общения, при котором субъекты внутренне принимают общий проект взаимной деятельности [7, c. 84-86].

Умение выстраивать общение на четвёртом уровне характеризует степень компетентности специалистов в данной сфере деятельности. Процесс извлечения знаний можно рассматривать как особый вид общения, который можно классифицировать как духовно-информационный. В исследованиях в процессе общения выделяют три типа: материально-практическое, духовно-информационное, практически-духовное. При этом ключевым является информационный аспект общения [3, c. 51].

В структуре психологического аспекта можно выделить три компонента: контактный слой, процедурный слой, когнитивный слой

Лингвистический аспект процесса извлечения знаний касается исследований языковых проблем. В структуре лингвистического аспекта специалисты выделяют три слоя: "общий код", понятийная структура, словарь пользователя [6, c. 124].

1. "Общий код" решает проблему несоответствия терминологического языка эксперта и обыденной речью специалиста по извлечению знаний. В структуре "общего кода" можно выделить следующие компоненты: общенаучная терминология, специальные понятия из профессиональной литературы по данной предметной области, элементы бытового языка, неологизмы, профессиональный жаргон. При взаимодействии специалиста-эксперта и специалиста по извлечению знаний этот "общий код" трансформируется в некоторую семантическую сеть, являющаяся прообразом поля знаний предметной области. Выработка общего кода начинается составлением терминологического словаря, уточнением их смысла, сопоставлением синонимов.

2. Понятийная структура представляет собой иерархическую сеть понятий, так называемую "пирамиду знаний". В связи с этим в структуре электронного учебника необходим модуль "энциклопедия", в которой все термины объяснены в словарных статьях со ссылками на другие термины.

3. Словарь пользователя - это специальный словарь для создания дружественного интерфейса с пользователем, доработанного из "общего кода" с поправкой на доступность и "прозрачность" электронного учебника.

Гносеологический аспект связан с теорией познания или теорией отражения действительности в сознании человека. Процесс познания часто сопровождается генерацией новых теорий, концепций, понятий, выявления новых связей между ними. Основными методологическими критериями критериями научности, являются: внутренняя согласованность, системность, объективность, историзм.

Разбиение на стадии извлечения и структурирования знаний является достаточно условным: уже на стадии извлечения знаний для предметной области начинается их структуризация. Структурирование знаний является наиболее уязвимым местом в процессе создания баз знаний. Традиционными методологиями структурирования являются следующие:

1. Структурный (системный) подход или анализ, основанный на идее алгоритмической декомпозиции, при котором каждый модуль выполняет один из важнейших этапов общего процесса. В структурном анализе используется значительное число средств проектирования: потоков данных, структурированные словари (тезаурусы), таблицы решений, диаграммы переходов, блок-схемы алгоритмов и т.д.

2. Объектный подход основан на декомпозиции и выделением объектов, а не процессов, при этом каждый объект является элементом определённого класса.

Наиболее перспективным, с точки зрения Т.А.Гавриловой, является обобщённый объектно-структурный подход (ОСП). Основными свойствами данного подхода являются [2, c. 9]:

1. системность (взаимосвязь между понятиями);

2. абстрагирование ( выявление ключевых характеристик понятия. Отличающие его от других);

3. иерархия (ранжирование на упорядоченные определённым образом системы абстракций);

4. типизация (выявление классов понятий с частичным переносом свойств в подклассах);

5. модульность ( разбиение базы знаний на отдельные блоки);

6. наглядность и простота.

Особо следует отметить модульность: использование этого способа построения баз знаний позволяет осуществить вертикальную и горизонтальную интеграцию баз знаний электронных учебников в глобальную базу знаний, реализовывать личностно-ориентированный подход в обучении. Задания для обучающихся независимо от возраста по созданию небольших баз знаний позволяют им структурировать свои знания, делают процесс мышления более осмысленным.

Для компиляции баз знаний в единое информационное поле используется гипертекст. Гипертекст - это технология формирования информационных массивов в виде ассоциативных сетей, элементами или узлами которой могут выступать фрагменты текста, рисунки, диаграммы и др [1, c. 225-229].

Навигация по таким базам знаний осуществляется по связям между узлами. Основными функциями данных связей являются следующие:

- перейти к новой теме электронного учебника;

- присоединить комментарий к выбранному документу;

- соединить ссылки на документ с документом, отобразить на экране компьютера графическую информацию (чертёж, график, фотографию и др.);

- запустить другую программу, модуль, другую базу знаний.

Объединение мультимедийных приложений на основе сети гипертекста можно называть гипермедиа. Размещение в узлах структуры электронного учебника мультимедийных приложений увеличивает их наглядность, снижает уровень когнитивных усилий учащихся, позволяет обучающимся выстраивать личную предметную траекторию обучения.

При проектировании и создании электронных учебников на основе гипермедиа можно выделить следующие этапы:

1. проектирование и разработка структуры и отдельных фрагментов гипермедиа-приложений. Реализуют эту стадию группа разработчиков, состоящая из: менеджера, специалиста по системам обучения, эксперта предметной области, дизайнера-графика, системного аналитика, сценариста, программиста;

2. осуществляется выбор адекватных средств программирования для последующего использования приложений;

3. осуществляется прототипирование электронного учебника и его тестирование с дальнейшим размещением на CD-ROM или Интернет-сайте;

4. тиражирование и производство электронных учебников на выбранном носителе.

Проведённый анализ по созданию баз знаний электронных учебников позволил классифицировать знания по видам, выявить модели представления знаний, этапы создания баз знаний, теоретические аспекты, определить подходы к структурированию баз знаний, конкретизировать средства и этапы компиляции в электронном учебнике.

 

Литература:

1. Агеев В.Н. Примеры гипертекстовых и гипермедиа систем (обзор) // Компьютерные технологии в высшем образовании: Сб. статей. - М.: Изд-во МГУ. 1994. - С.225-229.

2. Гаврилова Т.А. Объектно-структурная методология концептуального анализа знаний и технология автоматизированного проектирования баз знаний // Труды Междунар. конф. "Знания - диалог-решение 95". Т.1. Ялта., 1995.

3. Каган М.С. Мир общения: проблема межсубъектных отношений. - М.: Политиздат, 1988.

4. Коршунов А.М., Манталов В.В. Диалектика социального познания. - М.: Политиздат, 1988. - 125 с.

5. Полат Е.С., Бухаркина, Моисеева М.В. Теория и практика дистанционного обучения: Учеб. пособие для студ.высш. пед. учеб. Заведений / Под ред. Е.С.Полат. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 416 с.

6. Попов Э.В. Динамические интеллектуальные системы в управлении и моделировании. - М.: МИФИ, 1996.

7. Сагатовский В.И. Социальное проектирование // Прикладная этика и управление нравственным воспитанием. - Томск, 1980. - С.84-86.

8. Хуторской А.В. Современная дидактика: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2001.

 

Поделитесь своими впечатлениями о статье прямо сейчас в форуме или по e-mail

---
Для ссылок:
Тришина С.В., Теоретические аспекты проектирования баз знаний электронного учебника // Интернет-журнал "Эйдос". - 2004. - 19 апреля. http://www.eidos.ru/journal/2004/0419.htm. - В надзаг: Центр дистанционного образования "Эйдос", e-mail: list@eidos.ru.

 

Все статьи рубрики "Модернизация образования" >>

  вверх
вверх

карта сайта