image_pdfimage_print

Семейство совместимых интеллектуальных справочных, обучающих и help-систем

Актуальность

 Современный человек в информационном обществе обязан уметь адаптироваться к быстро меняющимся информационным потокам. Формирование таких навыков – главная задача учебных организаций, к которым в современных условиях предъявляются все более высокие требования.

Дальнейшее развитие образования невозможно без совершенствования методов и средств его информатизации. Как и раньше существуют проблемы развития мотивированного отношения к обучению,  формирования навыков  самообучения, несогласованности учебных материалов. Для преодоления этих проблем  существует острая необходимость в применении технологий искусственного интеллекта в процессе обучения, так как традиционные компьютерные системы обучения уже не в силах удовлетворить всем требованиям, как со стороны учащихся, так и со стороны преподавателей.

Очевидной становится проблема нехватки времени на образование. Для того, чтобы получить хотя бы базовые знания,  человеку приходится обучаться в системах среднего и высшего образования в течение 11-18 лет, не считая дошкольного и последипломного образования. Кроме этого, темпы развития современного общества и, в частности, различных технологий, показывают, что каждому человеку для того, чтобы сохранять профессиональную пригодность и быть полноценным членом общества необходимо постоянно развиваться и обучаться.

Семантические электронные учебники

 Решение этих проблем невозможно без качественной информатизации и интеллектуализации образования, в частности разработки необходимого числа справочных и обучающих систем по различным учебным дисциплинам.

Семантический электронный учебник (СЭУ) – это электронный учебник в основе которого лежит семантически структурированный учебно-методический материал. Благодаря семантической структуризации учебно-методического материала СЭУ приобретает принципиально новые возможности по сравнению с традиционными электронными учебниками. СЭУ представляет собой интерактивный интеллектуальный самоучитель по некоторой дисциплине, содержащий подробные методические рекомендации по ее изучению и предназначенный для мотивированного, самостоятельного, активного пользователя, желающего быстро и качественно овладеть знаниями по указанной  дисциплине. Семантический электронный учебник может:

  • понимать формулировки адресуемых ему задач, искать способы их решения и решать задачи, даже если соответствующие способы отсутствуют;
  • анализировать свободно конструируемые ответы и семантику пользовательских ошибок;
  • выявлять семантические ошибки в самих информационных ресурсах (например, корректность определений и утверждений, корректность используемых понятий, корректность доказательств теорем);
  • предоставлять пользователям свободу использования любых зарегистрированных в системе синонимов.

Семантический электронный учебник обеспечивает поддержку всех форм учебных занятий: лекций, консультаций, практических занятий, лабораторных работ, зачетов и экзаменов.

Преимущества электронных учебных систем вполне очевидны:

  • каждый обучаемый может самостоятельно пользоваться системой столько времени, сколько ему необходимо и в то время, когда ему удобно;
  • каждый обучаемый может задавать системе любые из поддерживаемых системой вопросов сколько угодно раз, несмотря на то, что в случае общения с преподавателем часть этих вопросов могли бы показать глупыми или неуместными. Другими словами, в случае общения с компьютерной обучающей системой исключаются все негативные ситуации, связанные с человеческим фактором, в том числе личные конфликты преподавателя и учащегося, предвзятость по отношению кого-либо из учеников и т.д.;
  • в отличие от традиционных средств обучения, таких как, например, книги, в случае компьютерной системы огромные массивы информации могут быть размещены в рамках системы, физически реализованной в виде компьютерной программы или сайта, для работы с которой достаточно иметь компьютер или телефон с доступом в интернет;
  • использование современных технологий позволяет существенно расширить наглядность и доступность излагаемого материала. Помимо традиционного текста и иллюстраций компьютерная система позволяет использовать динамические иллюстрации, видеофайлы, звуковые фрагменты и другие подобные средства.

Семантические электронные учебники, полностью сохраняя все возможности традиционных электронных учебников, имеют по отношению к ним целый ряд следующих достоинств:

  • Пользователю в явном виде представляется семантическая структура изучаемого учебного материала и изучаемой предметной области. При этом обеспечивается наглядная визуализация любого уровня указанной семантической структуры  как в двухмерном, так и в трехмерном варианте.
  • Пользователю становятся доступны достаточно полные сведения об изучаемой предметной области, отражены все ее аспекты, благодаря явному помещению в базу знаний всех предметных закономерностей и взаимосвязей понятий.
  • Помимо возможности чтения текстов и иллюстративных материалов учебника предоставляется возможность навигации по семантическому пространству предметной области.
  • Пользователю предоставляется возможность задавать системе любые вопросы и задачи по изучаемой предметной области. Это достигается включением в СЭУ решателя задач, способного решать задачи по их формулировкам, в том числе, введенным пользователем. При этом указанный решатель задач может находить путь решения задачи даже, если соответствующий способ решения (например, алгоритм) ему неизвестен.
  • Пользователю предоставляется возможность под контролем системы тренироваться (приобретать практические навыки) в решении самых различных задач по изучаемой предметной области.
  • СЭУ имеет интеллектуальный пользовательский интерфейс с компьютерными (виртуальными) моделями различных объектов изучаемой предметной области, что позволяет системе понимать смысл (анализировать семантику) пользовательских действий по преобразованию этих объектов. Все это существенно повышает уровень интерактивной виртуальной лабораторной среды электронного учебника.
  • При общении с системой пользователю предоставляется свобода в выборе любого из множества синонимичных терминов (идентификаторов), зарегистрированных в базе знаний системы. При этом указанные термины могут принадлежать различным естественным языкам.
  • Появляется принципиальная возможность реализации естественно-языкового интерфейса с пользователем (благодаря широким возможностям семантического анализа пользовательских сообщений и возможностям синтеза на семантическом уровне сообщений, адресуемых пользователям).
  • Достаточно легко осуществляется переориентация СЭУ на обслуживание пользователей с другим естественным языком (т.к. основная часть базы знаний СЭУ, непосредственно описывающая семантику соответствующей предметной области, абсолютно не зависит от внешнего языка, в т.ч. от естественного).
  • Пользователю предоставляется полная свобода в выборе последовательности изучения учебного материала (маршрута навигации по учебному материалу), но соответствующие рекомендации выдаются.
  • Пользователю предоставляется полная свобода в выборе решаемых им задач (в сборнике задач и лабораторных работ), но соответствующие рекомендации выдаются. Эти рекомендации направлены на то, чтобы минимизировать число решаемых задач, обеспечивающих приобретение требуемых практических навыков.
  • В системе не предусматривается специальный режим контроля (проверки, тестирования).
  • Достаточно легко осуществляется интеграция нескольких самостоятельных СЭУ по смежным дисциплинам в единый учебник, что, в частности, предоставляет возможность задавать вопросы и задачи на стыке этих дисциплин.
  • Пользователь СЭУ работает под наблюдением и контролем интеллектуального help-а, который помогает пользователю быстро и эффективно освоить возможности системы. По сути это не что иное, как руководство пользователя СЭУ, оформленное как семантический электронный учебник.

Используемая формальная модель представления и обработки семантически структурированных информационных ресурсов

В качестве технологической основы для разработки такого рода систем предлагается модель представления знаний в виде унифицированных семантических сетей с теоретико-множественной интерпретацией.

Использование данного подхода позволяет говорить об интеллектуальности разрабатываемых на его основе систем, в частности благодаря наличию следующих возможностей:

  • Указанная модель является универсальной, то есть позволяет представлять в виде однородных семантических сетей знания любого рода, в том числе конкретные факты, логические утверждения (аксиомы, теоремы, определения), текстовые и мультимедийные иллюстрации и комментарии, примеры конкретных задач с решениями, в том числе доказательства и т.д.;
  • Подобная модель представления знаний позволяет рассматривать базу знаний любой системы как иерархию предметных областей, то есть позволяет произвести семантическую структуризацию предлагаемого учащемуся материала, что существенно облегчает процесс обучения за счет систематизации знаний на основе именно их семантики, а не каких-либо других сторонних факторов. Кроме этого, знания в базе могут делиться на логические разделы, каждый из которых соответствует какому-либо фрагменту излагаемого материала. Представление знаний в виде семантической сети позволяет осуществлять свободную навигацию по любым ассоциативным связям, изучая таким образом материал в той последовательности, какая кажется более логичной для самого обучаемого. С другой стороны, такой подход позволяет указать рекомендуемую последовательность изучения материала. При необходимости структура предметных областей может быть легко перестроена.
  • Модель представления является унифицированной, то есть знания из различных областей представляются в сходном виде, что позволяет говорить не о семействе не связанных между собой обучающих систем по различным предметным областям, а о глобальном смысловом пространстве, объединяющем в себе знания всего семейства разрабатываемых систем. В свою очередь, наличие такого смыслового пространства обеспечивает ряд дополнительных возможностей:
    • Каждая система при необходимости может использовать знания, относящиеся к другим системам, что позволяется задавать не только вопросы, касающиеся конкретной предметной области, но и вопросы, носящие междисциплинарный характер;
    • В рамках глобального смыслового пространства можно выделить часть знаний, которые имеют отношение ко многим системам из всего комплекса, например базовые знания из области математики, логики и т.д. Концепция глобального смыслового пространства позволяет записывать такие фрагменты знаний только в одной из систем, а затем использовать их во всех остальных, что существенно уменьшает количество дублирований, сокращает сроки разработки систем и снижает накладные расходы;
  • Рассматриваемый подход к представлению знаний позволяет унифицировать не только модель представления знаний, но и модели обработки знаний, в том числе модели информационного поиска и решения задач. Данный факт позволяется говорить о возможности реализации универсального набора поисковых операций, а также о реализации универсального решателя задач, позволяющего решать различные задачи в рамках каждой из рассматриваемых предметных областей, что существенно сокращает количество реализуемых операций обработки знаний при сохранении функциональных возможностей каждой системы;
  • Как уже было сказано выше, унифицированная модель представления знаний позволяет не только вносить в каждую систему примеры условий типовых для заданной предметной области задач с решениями, но и говорить об интеллектуальном решателе, который позволит системе генерировать ответы на поставленный вопрос за счет знаний уже имеющихся в базе знаний, например с использованием правил логического вывода;
  • Унифицированное представление знаний позволяет не ограничивать номенклатуру пользовательских запросов только специально выделенными для этого командами, а задавать произвольный запрос системе с использованием универсального языка отображения знаний, что делает перечень возможных запросов зависящим только от количества и разнообразия знаний, внесенных в базу знаний системы.
  • Унификация моделей пользовательских интерфейсов позволяет отображать знания различного рода в унифицированном виде независимо от предметной области, к которой эти знания относятся. Таким образом, все разрабатываемые системы будут обладать пользовательским интерфейсом, построенным по одним и тем же принципам, что позволит существенно сократить срок ознакомления учащегося со всем семейством систем. Данный факт не отрицает возможность и необходимость разработки отдельных компонентов интерфейса, ориентированных на конкретную предметную область, например, редактора геометрических чертежей, виртуальной лаборатории для проведения химических опытов и т.д.
  • Каждый компонент пользовательского интерфейса также является отображением определенного элемента из базы знаний, что позволяет, во-первых, легко менять интерфейс системы даже во время ее работы, а, во-вторых, позволяет пользователю задавать системе вопросы не только касательно предметной области, которой посвящена данная система, но и касательно любого из компонентов интерфейса и других частей системы. Таким образом, пользователю достаточно научиться задавать системе несколько простейших вопросов, чтобы в дальнейшем изучить все тонкости работы системой уже в процессе общения с ней.
  • Предлагаемые модели представления и обработки знаний позволяют физически отделить смысл хранимой информации от вариантов ее внешнего отображения, в частности, от идентификаторов тех или иных сущностей в рамках какого-либо естественного языка. Это дает возможность легко интернационализировать любую из разработанных систем, поскольку для перевода системы на какой-либо другой язык необходимо перевести только фрагменты текстов на естественном языке, явно хранимые в базе знаний, не затрагивая при этом сами семантические связи, то есть смысл представленной информации.

В качестве модели обработки знаний в разрабатываемых системах будет использоваться модель, основанная на многоагентном подходе. В данном случае вся машина обработки знаний рассматривается как совокупность из ассоциативной памяти, хранящей знания, представленные в виде семантической сети и коллектива агентов над этой памятью, программы которых в свою очередь записываются при помощи все тех же унифицированных  семантических сетей. Такой подход имеет ряд преимуществ:

  • Работа агентов осуществляется независимо друг от друга, что позволяет легко расширять функционал той или иной системы при необходимости, а также позволяет интегрировать в одной и той системе различные модели информационного поиска, решения задач и т.д.;
  • Работа агентов осуществляется параллельно, что существенно улучшает производительность всей системы в целом.

Предлагаемая модель, лежащая в основе проектирования интеллектуальных систем, может быть реализована различными способами и на различных платформах. В рамках данного проекта предполагается web-ориентированная реализация платформы интерпретации данной модели. Такой вариант обусловлен бурным развитием интернет-технологий, их доступностью и удобством их использования. Система в случае подобной реализации представляет собой web-приложение, которое может быть установлено либо как собственно интернет-сайт, либо развернуто на локальном сервере для использования в пределах, например, одной учебной аудитории. При этом реализация платформы будет позволять автоматически синхронизировать отображение состояния базы знаний на всех клиентских компьютерах, одновременно подключенных к серверу, что даст возможность проводить динамические мультимедийные презентации учебного назначения.

Основные проекты, являющиеся этапами работ по реализации  предлагаемого комплексного инновационного проекта

 Проект 1. Разработка семантических электронных учебников по основным дисциплинам школьного образования,  имеющих  средства редактирования, верификации, интеграции баз знаний, а также    средства навигации по базе знаний,

Проект 2. Разработка интеллектуальных решателей задач для каждого семантического электронного учебника.

Проект 3. Разработка специальных средств пользовательских интерфейсов для каждого семантического электронного учебника.

Проект 4. Построение на базе разработанных семантических учебников интеллектуальных обучающих систем, осуществляющих управление обучением на основе индивидуальных особенностей обучаемого.

Проект 5. Разработка интегрированного комплекса обучающих систем, обеспечивающего комплексное обучение, соответствующее среднему образованию.

Проект 6. Разработка семантического ассоциативного компьютера (с не фон-неймановской архитектурой),  ориентированного на обработку семантических сетей и обеспечивающего аппаратную поддержку разработанного комплекса обучающих систем.

Заключение

На сегодняшний день систем, аналогичных предложенным в данном проекте, не существует. Разработку комплекса совместимых семантических электронных учебников и интеллектуальных обучающих систем  для   среднего образования предлагается  проводить на основе технологии OSTIS (Open Semantic Technology for Intelligent Systems, ims.ostis.net), в основе которой лежит:

  • Ориентация на семантическое представление знаний, которое полностью абстрагируется от особенностей технической реализации интеллектуальных систем.
  • Унификация моделей интеллектуальных систем, направленная на обеспечение их интегрируемости.
  • Модульное (компонентное) проектирование на основе библиотек типовых многократно используемых компонентов интеллектуальных систем.
  • Поэтапное эволюционное проектирование на основе быстрого прототипирования.
  • Полная совместимость инструментальных средств проектирования с проектируемыми системами – инструментальные средства строятся как интеллектуальные системы на основе тех же принципов.
  • Включение в состав технологии проектирования интеллектуальных систем комплексной интеллектуальной help-системы для разработчиков интеллектуальных систем, что существенно снизит стартовые требования к их квалификации и, следовательно, существенно расширит контингент разработчиков.
  • Включение в состав проектируемых интеллектуальных систем help-подсистем, ориентированных на повышение квалификации конечных пользователей, что существенно расширит их контингент.
  • Включение в состав проектируемых интеллектуальных систем подсистем самотестирования (самодиагностики, самоанализа) и подсистем, ориентированных на автоматическое или максимально автоматизированное повышение собственного качества. Это существенно повысит эффективность сопровождения интеллектуальных систем и снизит темпы их морального старения.