Реферат: Использование новых информационных технологий при обучении химии в ВУЗе
В течение последних 10-15 лет в рамках исследований по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление — экспертные системы (ЭС). 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.
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.
Однако большинство разработанных к настоящему времени систем используют достаточно ограниченные методы в организации диалога с обучаемым, а также неразвитые системы объяснения хода своей работы. Кроме того, следует констатировать, что появление нового поколения программных средств учебного назначения — экспертных обучающих систем — требует переосмысления наработанных положений в области использования программных педагогических средств в учебном процессе, систем в учебном процессе, не получили своего должного обоснования. 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.
Обмен данными между обучаемым и ЭОС выполняет программа интеллектуального интерфейса, которая воспринимает сообщения обучаемого и преобразует их в форму представления базы знаний и, наоборот, переводит внутреннее представление результата обработки в формат обучаемого и выдает сообщение на требуемый носитель. Важнейшим требованием к организации диалога обучаемого с ЭОС является естественность, которая не означает буквально формулирование потребностей обучаемого предложениями естественного языка. Важно, чтобы последовательность решения задачи была гибкой, соответствовала представлениям обучаемого и велась в профессиональных терминах.
Наличие развитой системы объяснений (СО) чрезвычайно важно для ЭОС, работающих в области обучения. В процессе обучения такая ЭОС будет выполнять не только активную роль «учителя», но и роль справочника, помогающего обучаемому изучать внутренние процессы, происходящие в системе, с помощью моделирования прикладной области. Развитая СО состоит из двух компонент: активной, включающей в себя набор информационных сообщений, выдаваемых обучаемому в процессе работы, зависящих от конкретного пути решения задачи, полностью определяемых системой; пассивной (основной компоненты СО), ориентированной на инициализирующие действия обучаемого.
Активная компонента СО является развернутым комментарием, сопровождающем действия и результаты, полученные системой. Пассивная компонента СО — это качественно новый вид информационной поддержки, присущей только системам, основанным на знаниях. Эта компонента, помимо развитой системы помощи, вызываемой обучаемым, имеет системы пояснений хода решения задачи.
Важной особенностью развитой СО является использование в ней естественного языка общения с обучаемым. Широкое применение систем «меню» позволяет не только дифференцировать информацию, но и в развитых ЭОС судить об уровне подготовленности обучаемого, формируя его психологический портрет.
Однако обучаемого не всегда может интересовать полный вывод решения, содержащий множество ненужных деталей. В этом случае система должна уметь выбирать из цепочки только ключевые моменты с учетом их важности и уровня знаний обучаемого. Для этого в базе знаний необходимо поддерживать модель знаний и намерений обучаемого. Если же обучаемый продолжает не понимать полученный ответ, то система должна в диалоге на основе поддерживаемой модели проблемных знаний обучать его тем или иным фрагментам знаний, т.е. раскрывать более подробно отдельные понятия и зависимости, если даже эти детали непосредственно в выводе не использовались.
Основным принципом разработки и применения экспертных обучающих систем взят принцип конструктивного обучения с использованием самообучаемой и самообразовывающейся. Он реализует деятельностный подход к обучению субъекта, обучение происходит на основе самообразования и саморазвития экспертной обучающей системы и взаимного перекрестного влияния. Основными отличительными моментами предложенной схемы являются:
1. опора на возможности обучаемого;
2. широкое использование экспертных методов и методов распознавания при создании базы знаний и управлением за ходом обучения;
3. использование деятельностного подхода на различных этапах обучения и контроля знаний — обучаемый сам выступает в роли педагога, предлагаемые задания носят конструктивный характер, в ходе обучения внедрены поисковые элементы, требующие принятия решений в условиях неполной информации и частичной неопределенности, процесс обучения является рекурсивным, возможно углубление процесса обучения по той же схеме.
Для качественного решения задачи построения экспертных обучающих систем необходимо приобретение и комбинирование в единое целое знаний как минимум трех типов: об изучаемой предметной области (аналогично традиционной БЗ), о педагогических приемах и стратегиях обучения (область педагогики), о психологических особенностях личности, характеристиках мыслительной, познавательной деятельности (область психологии).
Предложено использовать для организации процесса приобретения знаний методику репертуарных решеток, что позволяет выявить единую природу сложно структурированных знаний, используемых в ЭОС: предметные, методико-педагогические, психологические, учитывающие индивидуальность обучаемого. Предварительное ранжирование решетки преподавателем позволяет организовать обучение в соответствии со степенью важности очередной порции информации, связанной с текущим элементом. Возможность использования как заданных, так и выявленных элементов и конструктов позволяет управлять мотивацией познавательной деятельности.
Использование этого метода позволяет передавать студенту опыт профессиональной деятельности преподавателя. Этот личный опыт проявляется также и в поясняющей информации, которая легко структурируется и детализируется относительно конструктов преподавателя; она автоматически выявляется при помощи хорошо разработанных приемов. Индивидуализация обучения для каждого студента также уже заложена в самой сути метода и заключается в том, что каждый студент может исследовать предметную область в соответствии с той стратегией, которую он считает целесообразным применить. Система не навязывает ему своей стратегии и так преодолевается одно из «узких мест» современных адаптивных ППС.
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 химические программы основанные на технологии ЭОС. В настоящее время намечается новая ступень в применении НИТ. В основе предлагаемой концепции лежат следующие положения:
-КОП не могут рассматриваться как эксклюзивная форма обучения и должны сочетаться с традиционными видами учебного процесса - лекциями, консультациями, лабораторными работами. Полученная на них химическая информация ретранслируется на практических занятиях с использованием КОП, основное предназначение которых - закрепление знаний, повышение их выживаемости. Следует также признать полезным привлечение КОП при самостоятельной внеаудиторной работе студентов;
-в связи с этим очевидна типовая структура КОП: чередование информации, четко отвечающей программе курса, с индивидуальными заданиями, призванными проконтролировать ее усвоение;
-в КОП должно осуществляться знакомство обучаемого с разнообразными веществами, их свойствами и превращениями. Такой "эффект присутствия" незаменим при изучении химических процессов, непосредственное наблюдение за которыми нереально.
Изложенное, определяет особенности методики создания КОП, естественно, зависящие от профиля конкретной химической дисциплины:
1. информация в КОП должна предлагаться в нестандартной, по возможности увлекательной, а главное, компактной форме. Использование в качестве зрительного образа текстов, подробных и многочисленных уравнений необходимо свести к минимуму. На смену им должны прийти формулы, краткие схемы и прежде всего - компьютерное моделирование химических процессов, позволяющее имитировать на экране дисплея выделение газов, выпадение осадков, изменение окраски реагентов. Последнему надо уделить особое внимание, так как цвет в химии чрезвычайно информативен;
2. желательно не только имитировать на экране химические реакции, но и организовывать получение студентом соответствующей количественной информации - например, определение выхода "синтезированного" вещества, его важнейших констант и характеристик;
3. предлагаемые обучаемому задания должны быть поливариантными. Следует обеспечить возможность обращаться к предшествующей информации, а также предложить при неверном ответе подсказку, а при последующей неудаче - правильный ответ. Желательно в процессе опытной проверки КОП провести статистический анализ результатов работы студентов над заданиями с дальнейшей оптимизацией их объема и уровня сложности.
3 Заключение
Подводя черту, под всем выше изложенным хочется заметить, что компьютерные обучающие программы на основе ЭОС могут успешно применяться при изучении курса химии.
Оперируя знаниями и системой нелинейной логики, в сочетании с интеллектуальным интерфейсом, такие КОП могут успешно применяться в областях требующих абстрактных умозаключений, например в курсах квантовой химии и строения вещества. При использовании КОП информация подается в удобной и компактной форме, что позволяет использовать их в курсе общей и неорганической химии: при иллюстрации энергетических диаграмм; для визуального моделирования образования МО; для моделирования и прогнозирования технологических процессов; для моделирования хода каталитических и некаталитических процессов и т.д. В курсе органической химии и химии ВМС, такие КОП могут быть использованы для объяснения обучаемым механизмов протекания реакций.