Новые информационные технологии в системе обучения: экспертные обучающие системы

Современный уровень развития общества требует высокообразованных специалистов, людей творческих, способных к свободному мышлению. Это ставит перед современной педагогикой задачу выработать методы для развития такой конкурентоспособной личности. В последние десятилетия эта задача успешно решается с помощью разработки и внедрения в образовательный процесс информационных технологий.

Для системы образования выигрыш от успешного развития информатизации заключается в высокой профессиональной подготовке работников за счёт передачи знаний, компьютерной поддержки творческих способностей и интеллектуализации труда преподавателей и студентов.

Информатизация высшего образования — это реализация комплекса мер, направленных на повышение уровня подготовки специалистов путём расширения сферы использования вычислительной техники и компьютерных технологий в учебной и научно-исследовательской работе, в управлении учебным процессом.

Информатизация создаёт дополнительные возможности для стимулирования у студентов творческого мышления, усиливает значимость их самостоятельной работы, упрощаются контроль и самоконтроль самостоятельной работы. Повышается уровень индивидуальной работы преподавателя, изменяется соотношение между интеллектуальной и рутинной составляющими в учебной работе.

В современном мире информационные технологии становятся основным средством достижения наиболее приоритетных образовательных целей. Новые информационные технологии в настоящее время непосредственно связаны с использованием компьютеров в процессе обучения. Компьютер является универсальным средством обучения, он позволяет формировать у учащихся не только знания, умения и навыки, но и развивать личность учащегося, удовлетворять её познавательные интересы. Использование информационных технологий в общеобразовательной школе и вузе изменяет роль преподавателя и обучаемого и их взаимоотношения. Преподаватель перестаёт выступать перед своими учениками в качестве источника первичной информации. Вопрос, где взять ту или иную информацию, заменяется вопросом, в каком виде и сколько данных в состоянии воспринять и усвоить учащиеся. Применение новых информационных технологий вносит изменения в природу взаимосвязей между преподавателем и учащимся, между учащимся и учащимся, меняется и роль преподавателя во взаимоотношениях учащийся-учащийся. Средства информационных технологий обеспечивают неограниченные возможности для самостоятельной и совместной творческой деятельности учащихся и учителя. Преподаватель превращается в соучастника продуктивной деятельности своих учеников. Теперь его основная задача  направлять развитие личности учащихся, поддерживать творческий поиск и организовывать их коллективную работу. При использовании информационных технологий в учебном процессе необходимо ставить и реализовывать общедидактические задачи:

1) вырабатывать навыки рациональной организации учебного труда;

2) формировать интерес к изучаемому предмету;

3) целенаправленно формировать обобщенные приёмы умственной деятельности;

4) развивать самостоятельность учащихся;

5) готовить учащихся к творческой преобразующей деятельности;

6) вырабатывать умение пользоваться полученными знаниями и расширять эти умения за счёт самостоятельного изучения.

Целесообразность использования информационных технологий в образовательном процессе определяется и тем, что с их помощью наиболее эффективно реализуются такие дидактические принципы, как научность, доступность, наглядность, сознательность и активность обучаемых, индивидуальный подход к обучению.

Обучение через использование новых информационных технологий - способ обучения, который может при необходимости замещать учителя, т.е. быть независимым. Наибольший эффект от использования новых информационных технологий в образовательном процессе достигается при использовании информационных и демонстрационных программ, моделирующих программ, обеспечивающих интерактивный режим работы обучаемого с компьютером, экспертных систем для диагностики уровня обученности, доступа к информационным ресурсам сети Интернет.

Компьютерные системы обучения знаниям появились достаточно давно и достигли высокого уровня совершенства благодаря современным технологиям и мультимедиа.

Возникла необходимость создания программных систем, основанных как на традиционных методах алгоритмической обработки данных, так и на методах создания и использования баз знаний — совокупности единиц знаний, которые представляют собой формализованное с помощью некоторого метода представления знаний, отражение объектов проблемной области и их взаимосвязей, действий над объектами и, возможно, неопределенностей, с которыми эти действия осуществляются.

В течение последних 10-15 лет в рамках исследований по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление — экспертные системы. Назначение экспертных систем заключается в решении достаточно трудных задач на основе накапливаемой базы знаний, отражающей опыт работы в рассматриваемой проблемной области. Достоинство применения экспертных систем заключается в возможности принятия решений в уникальных ситуациях, для которых алгоритм заранее не известен и формируется по исходным данным в виде цепочки рассуждений (правил принятия решений) из базы знаний. Причем, решение задач предполагается осуществлять в условиях неполноты, недостоверности, многозначности исходной информации и качественных оценок процессов.

Экспертные системы - один из типов систем искусственного интеллекта, имеющих по существующим меркам довольно длительную историю развития. Причиной повышенного интереса, который экспертные системы вызывают к себе на протяжении всего своего существования, является возможность их применения к решению задач из самых различных областей человеческой деятельности. Эти системы представляют собой программы для компьютера, которые могут воспроизводить процесс решения проблемы человеком-экспертом. Отличительной чертой компьютерных программ, называемых экспертными системами, является их способность накапливать, модифицировать и использовать знания и опыт наиболее квалифицированных специалистов в какой-либо предметной области для решения практических задач. Системы, которые называются экспертными системами, используют механизмы автоматического рассуждения (вывода) и так называемые слабые методы искусственного интеллекта, такие, как эвристический поиск решения, область применения извлечения знаний.

Уровень пользователей экспертных систем может варьироваться в очень широком диапазоне - от бухгалтера до президента компании или консультанта правительства. От вида деятельности пользователей зависят и функции, которыми наделяются создаваемые для них экспертные системы.

Например, если деятельность пользователя вязана с анализом сложных ситуаций и принятием ответственных решений, то на экспертные системы возлагаются функции выполнения рутинных однотипных операций по обработке больших массивов данных. Такие операции могут быть связаны с поиском "необычных" сведений, свидетельствующих о нарушении привычного положения дел и требующих принятия соответствующего решения. При этом экспертные системы могут рекомендовать некоторый набор вариантов решений, разумеется, если этот набор был заблаговременно помещен в базу знаний. С другой стороны, если специалист не обладает высокой квалификацией и нуждается в привлечении знаний экспертов для правильного решения своих повседневных задач, то основной функцией экспертной системы могут быть, например, обнаружение неисправностей в механизмах, постановка диагноза больному, юридически обоснованное разрешение спора и т.п.

В настоящее время интерес к экспертным системам не угасает, поскольку они способны дать средства, стимулирующие повышение производительности труда и увеличение прибыльности предприятия.

К числу областей, в которых применялись и применяются экспертные системы, относятся следующие:

- оценка займов, рисков страхования и капитальных вложений для финансовых организаций;

- оценка качества знаний студентов;

- помощь химикам в нахождении верной последовательности реакций для создания новых молекул;

- отладка программного и аппаратного обеспечения ЭВМ в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика;

- диагностика и обнаружение неполадок в телефонной сети на основании тестов и сообщений о неисправностях;

- идентификация и ликвидация неполадок в локомотивах;

- помощь геологам в расшифровке данных, полученных с помощью контрольного оборудования во время бурения нефтяных скважин;

- помощь медикам в постановке диагноза и лечении некоторых заболеваний, таких, как заражение крови и различные виды рака;

- помощь навигаторам в расшифровке данных от подводных звукоулавливателей, установленных на дне океана;

- получение молекулярной структуры химического вещества на основании опытов;

- изучение и суммирование больших объемов быстро изменяющихся данных, которые не в состоянии (из-за скорости их изменения) прочитать человек, например, телеметрических данных с искусственных спутников.

В большинстве областей, в которых применялись экспертные системы, их применение оказалось весьма плодотворным и эффективным. В одних случаях применение технологии экспертных систем сделало программы более ориентированными на человека, в других - позволило осуществить оптимальный механизм рассуждения, в третьих - облегчило тестирование, отладку и сопровождение традиционных программных комплексов. В целом, наибольший эффект от применения экспертных систем может достигаться при решении задач, обладающих следующими особенностями:

- неполнотой, нечеткостью, вероятностным характером исходных знаний о предметной области;

- большой размерностью пространства возможных решений, что делает практически невозможным поиск решения посредством полного перебора всех имеющихся вариантов;

- динамическим изменением исходных данных в процессе решения задачи.

На протяжении последних двадцати лет специалисты в области интеллектуальных систем ведут активные исследовательские работы в области создания и использования экспертных систем, предназначенных для сферы образования. Появился новый класс экспертных систем — экспертные обучающие системы.

Экспертная обучающая система (ЭОС) — это программа, реализующая ту или иную педагогическую цель на основе знаний эксперта в некоторой предметной области, осуществляя диагностику обучения и управления учением, а также демонстрируя поведение экспертов (специалистов-предметников, методистов, психологов). Экспертность ЭОС заключается в наличии в ней знаний по методике обучения, благодаря которым она помогает преподавателям обучать, а учащимся — учиться.

Архитектура экспертной обучающей системы включает в себя два основных компонента:

1) базу знаний (хранилище единиц знаний);

2) программный инструмент доступа и обработки знаний, состоящий из механизмов вывода заключений (решения), приобретения знаний, объяснения получаемых результатов и интеллектуального интерфейса.

Главной целью реализации ЭОС является обучение и оценка текущего уровня знаний студента относительно уровня знаний преподавателя. Сравнение двух решеток (эталонной, отражающей представления преподавателя, и решетки, заполненной обучаемым в ходе диалога) позволяет оценить различия в представлениях преподавателя и обучаемого.

Все большее распространение в образовательном процессе получают компьютерные программы, основанные на технологии ЭОС. В настоящее время намечается новая ступень в применении новых информационных технологий.

Кроме того, ЭОС позволяют проводить текущий и итоговый контроль знаний студентов. Большим достоинством экспертных систем является то, что они как инструмент в работе пользователей совершенствуют свои возможности решать трудные, неординарные задачи в ходе практической работы.

Недостатком экспертных систем являются значительные трудозатраты, необходимые для пополнения базы знаний. Получение знаний от экспертов и внесение их в базу знаний представляет собой сложный процесс, сопряженный со значительными затратами времени и средств. Проектирование экспертных систем также имеет определенные трудности и ограничения, которые влияют на их разработку.

Таким образом, применение информационных технологий дает возможность сделать процессы обучения и управления процессами обучения более эффективными и интенсивными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев В.Д., Давыдов Н.А. Педагогические проблемы совершенствования учебного процесса на основе использования ЭВМ. М.:, ВПА, 1988

2. Андреев А.А., Меркулов В.П., Тараканов Г.В. Современные телекоммуникационные системы в образовании // Педагогическая информатика. - № 1. 1995, С. 55-63.

3. Андреев А.А. Средства новых информационных технологий в образовании: систематизация и тенденции развития. В сб. Основы применения информационных технологий в учебном процессе вузов.- М.: ВУ, 1995. - С. 43-48.

4. Андреев А.А. Применение телекоммуникаций в учебном процессе. В сб. Основы применения информационных технологий в учебном процессе вузов. - М.: ВУ, 1995.

5. Бабанский Ю.К. Оптимизация учебно-воспитательного процесса. - М, 1982

6. Калиновский И.В., Мороз В.К. Сравнительных анализ эффективности компьютерных коммуникаций в образовании. - М.: ИНИНФО, 1993