Семантична модель знань для цілей організації контролю знань у навчальній системі
Титенко С.В., к.т.н. Гагарін О.О.
Національний технічний університет України «КПІ», м. Київ
www.setlab.net
Лабораторія СЕТ – Науково-технічна лабораторія
новітніх інформаційних технологій
Титенко С.В., Гагарін О.О. Семантична модель знань для цілей організації контролю знань у навчальній системі. // Сборник трудов международной конференции «Интеллектуальный анализ информации-2006». – Київ: Просвіта, 2006. – С. 298-307.
Метою даної статті є подання концепції автоматичної побудови засобів контролю знань на основі спеціальної понятійно-тезисної моделі подання знань та опис програмної реалізації цієї концепції. Ідея полягає у специфічному алгоритмі збереження і наповнення бази знань, на основі якої будуть генеруватись тести. Запропонована ідея втілена у програмному продукті і знаходиться на стадії подальшого дослідження і розвитку.
Вступ
Сьогодні провідні науковці області дистанційного навчання зосереджені на застосуванні усієї могутності сучасних високих технологій для інтелектуалізації систем дистанційного навчання. Виникають нові наукові напрямки на стику різних наук (педагогіки, комп’ютерних наук, штучного інтелекту, психології та ін.) - штучний інтелект в освіті [1], семантичний Веб-простір у Е-навчанні [2] тощо. Створюються наукові співтовариства по дослідженню застосування технологій штучного інтелекту в освіті [1,2,3,4].
Навчальні комп’ютерні системи мають містити автоматизовану функцію контролю знань та аналізу результатів навчання. У той час, як багато досліджень в області комп’ютерного контролю знань зосереджені на питаннях валідності і надійності тестів, справедливо відшліфовуючи техніку контролю знань [5], питання формування самого банку завдань в більшості випадків залишається виключно прерогативою викладача, що працює з курсом, без пропозицій автоматизації даного процесу. Дійсно намагання автоматизації формування завдань для тесту наштовхується на область штучного інтелекту і питання формалізації знань для подальшого їх використання при складанні контрольних завдань для тесту. Тож постає завдання створення моделі падання знань, на основі якої стане можливою побудова сучасної навчальної системи.
Концепція стиснення або формалізації навчальної інформації спирається на провідні теоретичні положення молодої спеціальної галузі інформаційної технології, яка дуже бурхливо розвивається – інженерії знань. Вона спрямована на дослідження проблем набуття, подання та практичного використання знань. В епоху інформаційної насиченості проблеми компонування знання та мобільного його використання набувають колосальної значимості. З цією метою створюються всілякі типи моделей подання знань у стислому, компактному, зручному для використання вигляді (логічні моделі, семантичні мережі, продукційні моделі й ін.). Поряд із цим ефективні способи стиснення навчальної інформації містяться у відомих психолого-педагогічних теоріях змістовного узагальнення, укрупнення дидактичних одиниць, формування системності знань[6].
У розробці застосовано інтелектуальну технологію з області подання знань для забезпечення автоматизації процесу формування тестів та всього процесу контролю знань у навчальній системі. При цьому серед обов’язкових вимог до технології стоїть її здатність до реального застосування в умовах економічних і кадрових обмежень сучасної системи освіти, зрозумілість і дружність інтерфейсу системи і тестових завдань, що продукуються. На основі розробленої семантичної моделі створено відповідний програмний продукт, де реалізовано запропоновану технологію. Модель знань знаходиться в процесі розвитку і поглиблення.
Постановка задачі
У ромках роботи ставиться завдання розробки технології автоматизації контролю знань студентів у системі навчання. Це включає автоматизацію процесу створення бази знань і автоматизацію продукування тестів. При вирішенні даного завдання робота розподіляється на такі складові:
В рамках виконуваної роботи ставляться такі задачі:
Розробка семантичної моделі для представлення знань предметної області для формування тестів;
Створення структури бази знань відповідно до семантичної моделі знань;
Проектування та реалізація системи супроводження бази знань із зручним інтерфейсом користувача;
Розробка алгоритмів використання бази знань навчального матеріалу для автоматичного продукування засобів контролю знань. При цьому щодо контролюючих засобів ставляться такі вимоги:
Лексична зрозумілість тестових завдань;
Можливість використання різних типів запитань.
Концепція моделі
Семантична модель знань і її втілення у базі знань – це серце розроблюваної системи. В ході аналізу навчальних матеріалів було вирішено розробляти предметно-орієнтовану (понятійно-орієнтовну) модель знань. Це означає, що наріжним каменем структури моделі є така сутність як поняття, предмет обговорення, деякий об’єкт з предметної області, про який в навчальному матеріалі є знання. Для представлення знань про поняття в моделі існують структурні елементи - відомості про об’єкт (тези про поняття). З кожним поняттям в моделі пов’язується множина відомостей про нього. Викладена ідея і є основою концепції семантичної моделі знань, що розробляється і використовується в цій роботі [7].
Поняття вказує на деякий об’єкт з області знань, про який іде мова. Поняття вказує на предмет, який представляється для вивчення студенту. Наприклад в курсі «Алгоритмічні мови програмування» можна виділити такі поняття: «процедура» , «цикл», «програма», «змінна», «життєвий цикл програми» тощо. Для курсу «Програмування в середовищі Delphi» можна було б виділити такі поняття: «об’єкт», «подія», «клас», «форма», «компонент TEdit» та інше.
Теза – це деяка відомість про поняття. Тезу можна порівняти з ознакою, характеристикою поняття або з будь-яким твердженням, що є істиною для даного поняття. Наведемо приклади: теза про поняття «процедура» - «дозволяє розбити програму на підпрограми», теза про поняття «клас» - «може мати в своїй структурі не тільки поля-властивості, а й методи, тобто функції і процедури».
Поняття та їх класифікація
Як вже зазначалося, в концепції моделі поняття виражає предмет знань, який обговорюється в тому чи іншому фрагменті навчального матеріалу. Поняття – це одна із основних сутностей бази знань понятійно-тезисної семантичної моделі. Фактично поняття – це, як правило, одне-два слова, які текстово виражають предмет розгляду.
Наступним етапом розвитку концепції є класифікація понять з метою розширення бази знань. Класифікація поняття відносить його до певної заздалегідь окресленої групи понять. Ця група володіє певним набором характеристик та може мати окреслену поведінку. Таким чином, відносячи поняття до певного класу, ми надаємо йому всі властивості та поведінку, яку вже має даний клас понять. Тут існує пряма аналогія з об’єктно-орієнтованим підходом у програмуванні, а саме з принципом наслідування. Породжений дочірній клас, наслідує всі ознаки та поведінку батьківського класу.
Під ознаками та поведінкою поняття даного класу понять розуміємо як відповідні знання предметної області, так і сукупність методико-організаційних можливостей, що можуть застосовуватися до даного поняття (насамперед при формуванні контролюючих засобів).
Поряд із описаною класифікацією, для кожного з понять зазначається рівень важливості, що вказує на пріоритетність поняття у структурі понять курсу, рівень важливості його засвоєння для розуміння предмету, що вивчається.
Тези та їх класифікація
Теза – це, як зазначалося, деяка відомість або твердження про поняття. Можна сказати, що тези є основним наповнювачем знань, як таких, в базі навчального матеріалу. Якщо поняття вказують предмет курсу, то тези являють собою смислове наповнення бази знань. Від повноти наборів тверджень, тобто тез про поняття залежить повнота бази знань, а отже і спроможність навчальної системи будувати ефективні контролюючі об’єкти. Фактично теза являє собою одне або декілька речень, в яких мова іде безпосередньо про відповідне поняття, проте саме поняття тут словарно не фігурує. Між поняттям та її тезами встановлюється відповідний зв’язок.
Разом із класифікацією понять концепція передбачає класифікацію тез, що дозволяє розширити можливості застосування бази знань. Структура класифікації є аналогічною до описаної щодо понять. Тезу можна віднести до певного класу тез, і разом з цим дана теза набуває всіх властивостей та ознак цього класу. Це надалі дозволяє використовувати ці знання при побудові контролюючих об’єктів.
Серед типів тез особливим чином виділимо декілька.
Перш за все це теза-визначення. Цей тип, або клас, тез містить визначення поняття, тобто відповідає на питання «Що це?». Тут міститься фрагмент матеріалу, який визначає чим є дане поняття.
Теза-призначення вказує для чого призначене дане поняття. Фрагмент тексту в тезі описує для чого служить відповідне поняття. Інформація тези містить відповідь на питання «Для чого служить поняття?», «Яка мета цього поняття?», «Для чого призначене поняття?»
Так само, як і для понять, для тез вказується рівень їх важливості, що вказує на пріоритетність даного твердження у структурі знань курсу, рівень важливості його засвоєння для розуміння предмету, що вивчається.
Методологія побудови контролюючих засобів
Процес контролю знань займає важливе місце у структурі дистанційної освіти. Від його ефективності залежить успішність застосування цього виду навчання. В той же час сучасний підхід до дистанційної освіти ставить завдання автоматизувати процес контролю знань.
Перш за все зазначимо найпоширеніші типи завдань, що можуть застосовуватись при контролі знань шляхом тестування та мають перспективне значення для розробленої семантичної моделі.
1. Найпростішим типом є питання, що передбачає відповідь типу «Істина/Хиба».
2. Найпоширенішим видом завдань у тестах є завдання множинного вибору: «один з декількох» та «декілька з декількох».
3. Більш складним є завдання із вільною формою відповіді: відповідь на питання студент має ввести власноруч.
4. Ще один варіант – завдання співставлення. Студенту подається два набори деяких елементів, і він має співставити кожен варіант одного набору з відповідним на його думку варіантом з іншого набору елементів.
5. Окремо виділимо ще один досить специфічний тип завдань – завдання по визначенню пріоритетності. Суть завдання полягає в тому, щоб розставити певні елементи в правильному порядку або порядку їх пріоритетності.
Зосередимося на шляхах і алгоритмах побудови вище зазначених типів завдань на основі бази знань.
1. Питання першого типу, що вимагають відповіді типу «Істина/Хиба», будуються наступним чином: із бази знань видобувається відповідна пара поняття-теза, і студенту ставиться питання, чи вірне дане твердження:
Чи відповідає дане твердження поняттю <�поняття>?
<�теза>
Так Ні
Алгоритм подальшої перевірки відповіді є очевидним – якщо видобута теза дійсно стосується даного поняття, вірною відповіддю буде «Так» («Істина»).
2. Тести другого типу «питання – варіанти відповідей» реалізовувати відносно не складно. Є декілька шляхів побудови таких завдань: (1) в основі питання лежить поняття, в основі варіантів відповідей – тези; (2) в основі питання лежить теза, в основі варіантів відповідей – поняття; деякі інші варіації.
Розкриємо вказані шляхи.
1) В основі питання лежить поняття, в основі варіантів відповідей – тези. Найзагальнішим тут буде завдання такого виду:
Вкажіть твердження, що стосується даного поняття <�ім’я поняття>
<�перелік тверджень>
На рис.1 наведено приклад тестового завдання даного типу.
Рис. 1. Приклад завдання
В залежності від класу поняття та тези питання може звучати інакше, наприклад:
«Для чого призначене поняття…», якщо тези, що слугують варіантами відповідей, належать до класу «призначення»;
«Чим є поняття…», якщо тези класу «визначення»;
2) В основі питання лежить теза, в основі варіантів відповідей – поняття. Тобто в цьому методі в основі питання лежить відомість про поняття. Студент повинен з набору понять обрати те, про яке йде мова в цій відомості. Так само, як і в попередньому способі завдання може мати як загальний характер:
Вкажіть поняття, про яке йде мова в твердженні
<�Твердження>
<�Перелік понять>,
так і конкретний, в залежності від класу поняття і тези: «Вкажіть поняття, яке визначене нижче…», якщо теза типу «визначення»; «Яке поняття має таке призначення… », якщо теза має тип «призначення».
3) На основі бази знань можна побудувати й інші варіанти завдань типу «питання – варіанти відповідей».
Одним з можливих напрямків тут є завдання по визначенню найважливіших елементів навчального матеріалу. Принцип такий: перед студентом ставиться завдання визначити, наприклад, найважливіше поняття в даній лекції із переліку понять. Найважливіше поняття системою визначається на базі кількості тез цього поняття на даній ділянці матеріалу з урахуванням вагів важливості.
Ще один напрямок – використання можливостей наслідування та відношень між поняттями. Завдання будуються за принципом «поняття – набір понять». В якості питання ставиться лексична форма відношення між поняттями та власне поняття, наприклад: «Вкажіть батьківське поняття…». В якості варіантів відповідей - набір понять, серед яких є поняття, що задовольняє умові завдання.
3. Розглянемо тестові завдання третього типу: питання – текстова відповідь вводиться студентом. З організаційно-методологічної точки зору цей тип дещо подібний до першого, але по рівню навчально-методичної складності він важчий для студента.
Для цього виду тесту підходять завдання, в яких у якості відповіді виступає поняття. Найзагальніший вид завдання буде побудований таким чином: вказується деяка теза, і студенту пропонується ввести поняття, якого стосується дана теза. Наприклад:
Загальний варіант:
<�Теза>
Про яке поняття йде мова? ;
На основі визначення:
<�Теза-визначення>
Що це за поняття?
На основі призначення:
<�Теза-призначення>
Призначення якого поняття наведене вище?
Тощо.
Окрім цього, можливо використовувати відомості щодо наслідування та відношення між поняттями. Так на базі наслідування можна побудувати завдання типу:
Вкажіть батьківське поняття до поняття <�Назва поняття>.
Характерною особливістю з точки зору реалізації є вимога додаткової програмної частини по порівнянню текстової відповіді з еталоном (з вірною відповіддю) та оцінки її вірності. Цей алгоритм повинен передбачати можливі орфографічні помилки у тексті, які до певної міри не повинні впливати на вірність відповідей (якщо тільки це не навчання з дисциплін лінгвістики). Якщо мова йде про відповіді, що складаються з багатьох слів, тоді потрібні відповідні алгоритми обробки. Наступним витком розвитку системи перевірки текстової відповіді може стати взагалі створення лінгвістичної підсистеми, що зможе застосовувати такі лінгвістичні знання як синонімічні ряди, різного роду словоформи, відмінювання, часи для дієслів тощо.
4. Четвертий варіант – завдання співставлення. Студенту подається два набори деяких елементів, і він має співставити кожен варіант одного набору з відповідним на його думку варіантом іншого набору елементів.
Очевидним шляхом реалізації такого типу завдань є такий: перший набір елементів це поняття, інший – тези до цих понять. Між двома наборами повинен існувати взаємно однозначний зв'язок – кожному поняттю відповідає лише одна теза з набору тез. Студент за допомогою відповідних інтерфейсних засобів провадить співставлення елементів.
Важливою складовою такого завдання є методологія оцінки відповіді студента. Найпростіший шлях – це оцінка типу «залік» («незалік»), без диференціювання. Проте для даного типу завдань очевидною є потреба в градації оцінки, адже можливий випадок, коли студент співставить частину пар вірно, а частину – ні. В такому підході найпростішим є шлях оцінки на основі кількості вірних відповідей, тоді відсотком правильності відповіді буде відсоток кількості правильних співставлень. Більш гнучкий підхід –використання вагів, коли для кожної пари формується своя вагова оцінка, тобто доля в загальній оцінці, що при перевірці враховується в загальній оцінці. Вагова оцінка пар будується на базі ступеня важливості елементів (як поняття так і тези), що вказувалися на етапі формування бази знань.
5. П’ятий досить специфічний тип завдань – завдання по визначенню пріоритетності. Суть завдання полягає в тому, щоб розставити певні елементи в правильному порядку, порядку їх пріоритетності, або в тому щоб, певним чином, виділити елементи, що мають більшу вагу.
По типу структури таке завдання часом перетинається з завданнями описаними вище. Відмінністю є навчально-методичний зміст, закладений у ньому. Питання будуються на базі вторинних знань, отриманих з БЗ на основі використання відомостей про ступінь важливості елементів. Як зазначалося кожен елемент семантичної моделі має свій рівень важливості, що вказується на етапі формування БЗ. Різні поняття курсу мають різний рівень щодо їх важливості у структурі знань курсу. Отже розуміння деяких понять є абсолютно необхідним для засвоєння курсу, інші ж грають допоміжну, таку, що розширює кругозір, роль. Те саме стосується тверджень про поняття.
Таким чином завдання цього типу містить аналітичний характер і вимагає від студента ґрунтовного розуміння предмету. Приблизні запитання (завдання) можуть мати такий вигляд:
«Розставте в порядку важливості поняття курсу…»;
«Яке поняття важливіше в цьому розділі…»;
«Вкажіть ключові поняття теми»;
«Вкажіть твердження, що виражає головну властивість поняття…»;
Ефективність завдань залежить від адекватності закладених оцінок важливості навчальних елементів моделі.
Узагальнене схематичне зображення основних сутностей понятійно-тезисної семантичної моделі знань можна побачити рис.2.
Рис. 2. Основні сутності понятійно-тезисної моделі знань
Висновок
Було розглянуто підхід до побудови сучасної системи навчання, який ґрунтується на створенні моделі подання знань. Змістова складова формалізується за допомогою понятійно-тезисної семантичної моделі. На її основі формується апарат автоматизованого контролю знань в системі. Модель знань має перспективу до розвитку, поглиблення і вдосконалення та потребує подальших теоретичних і практичних досліджень.
Література
1. International Journal of Artificial Intelligence in Education (IJAIED) http://aied.inf.ed.ac.uk/
2. International Workshop In Applications of Semantic Web technologies for E-Learning (SW-EL) http://www.win.tue.nl/SW-EL/
3. International Forum of Educational Technology & Society http://ifets.ieee.org/
4. Международный Форум "Образовательные Технологии и Общество" – Восточно-евпопейская подгруппа International Forum of Educational Technology & Society http://ifets.ieee.org/russian/
5. Аванесов В.С. Композиция тестовых заданий. Учебная книга для преподавателей вузов, учителей школ, аспирантов и студентов пед. вузов. 2 изд.,испр.. и доп.М.:Адепт.1998-217с.
6. Дахин А.Н. Актуальные проблемы оптимального управления образовательным процессом. Журнал «Педагог» №7 1999г. http://www.informika.ru/text/magaz/pedagog/pedagog_7/a14.html
7. А.А. Гагарин, А.Н. Луценко, С.В. Титенко Организация дистанционного обучения как информационный фактор реализации научно-технологической составляющей экономической безопасности государства // Экономическая безопасность государства и информационные технологии в ее обеспечении / под общ. ред. Г.К. Вороновского, И.В, Недина – К.:Знания Украины, 2005, стр. 608-619.
|