Семантическая модель знаний для целей организации контроля знаний в учебной системе

УДК 004.65+681.3.06(477)

Семантическая модель знаний для целей организации контролю знаний в учебной системе

Титенко С.В. к.т.н. Гагарин О.О.
Национальный технический университет Украины «КПИ», м. Киев
sergey@idcl.org.ua

Целью данной статьи является представление концепции автоматического построения средств контроля знаний на основе специальной понятийно-тезисной модели представления знаний и описание программной реализации этой концепции. Идея заключается в специфическом алгоритме сохранения и наполнения базы знаний, на основе которой будут генерироваться тесты. Предложенная идея воплощена в программном продукте и находится на стадии последующего исследования и развития.

Вступление

Сегодня ведущие научные работники области дистанционной учебы сосредоточены на применении всего могущества современных высоких технологий для интеллектуализации систем дистанционной учебы. Возникают новые научные направления на стыке разных наук (педагогики, компьютерных наук, искусственного интеллекта, психологии, но др.) - искусственный интеллект в образовании [1], семантический Веб-пространство в Е-навчанні [2] и тому подобное. Создаются научные содружества по исследованию применения технологий искусственного интеллекта в образовании [1,2,3,4].

Учебные компьютерные системы должны содержать автоматизированную функцию контроля знаний и анализа результатов учебы. В то время, как много исследований в области компьютерного контроля знаний сосредоточенные на вопросах валидности и надежности тестов, справедливо отшлифовывая технику контроля знаний [5], вопроса формирования самого банка заданий, в большинстве случаев остается исключительно прерогативой преподавателя, который работает с курсом, без предложений автоматизации данного процесса. Действительно попытка автоматизации формирования заданий для теста наталкивается на область искусственного интеллекта и вопроса формализации знаний для последующего их использования при составлении контрольных заданий для теста. Поэтому появляется задание создания модели падания знаний, на основе которой станет возможным построение современной учебной системы.

Концепция сжатия или формализации учебной информации опирается на ведущие теоретические положения молодой специальной отрасли информационной технологии, которая очень бурно развивается, – инженерии знаний. Она направлена на исследование проблем приобретения, представления и практического использования знаний. В эпоху информационной насыщенности проблемы компоновки знания и мобильного ее использования приобретают колоссальную значимость. С этой целью создаются всевозможные типы моделей представления знаний в сжатом, компактном, удобном для использования виде (логические модели, семантические сети продукционные модели и др.). Рядом с этим эффективные способы сжатия учебной информации содержатся в известных психолого-педагогічних теориях содержательного обобщения, укрупнения дидактичных единиц, формирования системности знаний[6].

В разработке применена интеллектуальная технология из области представления знаний для обеспечения автоматизации процесса формирования тестов и всего процесса контроля знаний в учебной системе. При этом среди обязательных требований к технологии стоит ее способность к реальному приложению в условиях экономических и кадровых ограничений современной системы образования, понятность и дружественность интерфейса системы и тестовых заданий, которые продуцируются. На основе разработанной семантической модели создан соответствующий программный продукт, где реализована предложенная технология. Модель знаний находится в процессе развития и углубления.

Постановка задачи

В ромках работы ставится задание разработки технологии автоматизации контроля знаний студентов в системе учебы. Это включает автоматизацию процесса создания базы знаний и автоматизацию продуцирования тестов. При решении данного задания работа распределяется на такие составляющие:

В рамках выполняемой работы относятся такие задачи:

§ Разработка семантической модели для представление знаний предметной области для формирования тестов;

§ Создание структуры базы знаний в соответствии с семантической моделью знаний;

§ Проектирование и реализация системы сопровождения базы знаний с удобным интерфейсом пользователя;

§ Разработка алгоритмов использования базы знаний учебного материала для автоматического продуцирования средств контроля знаний. При этом относительно контролирующих средств относятся такие требования:

§ Лексическая понятность тестовых заданий;

§ Возможность использования разных типов вопросов.

Концепция модели

Семантическая модель знаний и ее воплощения в базе знаний – это сердце розроблюваной системы. В ходе анализа учебных материалов было решено разрабатывать предметно ориентированную (понятийно-ориентировочную) модель знаний. Это значит, что краеугольным камнем структуры модели является такая сущность как понятие, предмет обсуждения, некоторый объект из предметной области, о котором в учебном материале есть знание. Для представления знаний о понятии в модели существуют структурные элементы - сведения об объекте (тезисы о понятии). С каждым понятием в модели связывается множественное число сведений о нем. Изложенная идея и является основой концепции семантической модели знаний, которая разрабатывается и используется в этой работе [7].

Понятие указывает на некоторый объект из области знаний, о котором идет речь. Понятие указывает на предмет, который представляется для изучения студенту. Например в курсе «Алгоритмические языки программирования» можно выделить такие понятия: «процедура», «цикл», «программа», «переменная», «жизненный цикл программы», и тому подобное. Для курса «Программирования в среде Delphi» можно было бы выделить такие понятия: «объект», «событие», «класс», «форма», «компонент Tedit» но другое.

Тезис – это некоторая ведомость о понятии. Тезис можно сравнить с признаком, характеристикой понятия или с любым утверждением, которое является истиной для данного понятия. Приведем примеры: тезис о понятии «процедура» - «позволяет разбить программу на подпрограммы», тезис о понятии «класс» - «может иметь в своей структуре не только поля-свойства, но и методы, то есть функции и процедуры».

Понятие но их классификация

Как уже отмечалось, в концепции модели понятия выражает предмет знаний, который обсуждается в том или другом фрагменте учебного материала. Понятие – это одна из основных сущностей базы знаний понятийно-тезисной семантической модели. Фактически понятие – это, как правило, одне-два слова, которые текстовый выражают предмет рассмотрения.

Следующим этапом развития концепции является классификация понятий с целью расширения базы знаний. Классификация понятия относит его к определенной предварительно очерченной группе понятий. Эта группа владеет определенным набором характеристик и может иметь очерченное поведение. Таким образом, относя понятие к определенному классу, мы предоставляем ему все свойства и поведение, которое уже имеет данный класс понятий. Здесь существует прямая аналогия с объектно-ориентированным подходом в программировании, а именно с принципом наследования. Порожден дочерний класс, подражает всем признакам и поведению родительского класса.

Под признаками и поведением понятия данного класса понятий понимаем как соответствующие знания предметной области, так и совокупность, методико организационных возможностей, которые могут применяться к данному понятию (в первую очередь при формировании контролирующих средств).

Рядом с описанной классификацией, для каждого из понятий отмечается уровень важности, которая указывает на приоритетность понятия в структуре понятий курса, уровень важности его усвоения для понимания предмета, который изучается.

Тезисы но их классификация

Тезис – это, как отмечалось, некоторая ведомость или утверждение о понятии. Можно сказать, что тезисы являются основным наполнителем знаний, как таких, в базе учебного материала. Если понятия указывают предмет курса, то тезисы являют собой смысловое наполнение базы знаний. От полноты наборов утверждений, то есть тезисов о понятии зависит полнота базы знаний, а следовательно и возможность учебной системы строить эффективные контролирующие объекты. Фактически тезис являет собой одно или несколько предложений, в которых речь идет непосредственно о соответствующем понятии, однако именно понятие здесь словарный не фигурирует. Между понятием и ее тезисами устанавливается соответствующая связь.

Вместе с классификацией понятий концепция предусматривает классификацию тезисов, что позволяет расширить возможности применения базы знаний. Структура классификации является аналогичной к описанной относительно понятий. Тезис можно отнести к определенному классу тезисов, и вместе с этим данный тезис приобретает все свойства и признаки этого класса. Это в дальнейшем позволяет использовать эти знания при построении контролирующих объектов.

Среди типов тезисов особенным чином выделим несколько.

Прежде всего это тезис-определение. Этот тип, или класс, тезисов содержит определение понятия, то есть отвечает на вопрос «Что это?». Здесь содержится фрагмент материала, который определяет чем есть данное понятие.

Тезис-назначение указывает для чего назначенное данное понятие. Фрагмент текста в тезисе описывает для чего служит соответствующее понятие. Информация тезиса содержит ответ на вопрос «Для чего служит понятие?», «Какая цель этого понятия?», «Для чего назначенное понятие?»

Так же, как и для понятий, для тезисов указывается уровень их важности, которая указывает на приоритетность данного утверждения в структуре знаний курса, уровень важности его усвоения для понимания предмета, который изучается.

Методология построения контролирующих средствев

Процесс контролю знаний занимает важное место в структуре дистанционной образования. Вид его эффективности зависит успеваемость применение этого виду учеба. В то же время современный пидхид к дистанционной образования ставит задание автоматизировать процесс контролю знаний.

Прежде всего отметим самые распространенные типы заданий, что могут применяться при контроли знаний путем тестирование но имеют перспективное значение для разработанной семантической модели.

1. Самым простым типом является вопрос, который предусматривает ответ типа «Истина/Недостаток».

2. Самым распространенным видом заданий в тестах есть задание множественного выбору: «один из нескольких» но «несколько из нескольких».

3. Сложнее является задание со свободной формой ответа: ответ на вопрос студент должен ввести собственноручно.

4. Еще один вариант – задание сопоставление. Студенту подается два наборы некоторых элементов, и он имеют сопоставить каждый вариант одного набора из соответствующим на его мысль вариантом из другого набору элементов.

5. Отдельно выделим еще один достаточно специфический тип заданий – задание по определению приоритетности. Суть задание заключается в том чтобы расставить определенные элементы в правильном порядке или порядку их приоритетности.

Сосредоточимся на путях и алгоритмах построения выше отмеченных типов заданий на основе базы знаний.

1. Вопрос первого типа что требуют ответа типа «Истина/Недостаток», строятся следующим образом: из базы знаний добывается соответствующая пара понятие-тезис, и студенту ставится вопрос, верное данное утверждение ли:

Ли отвечает данное утверждение понятию <понятие>?

<тезис>

Да Нет

Алгоритм последующей проверки ответа является очевидным – если добытый тезис действительно касается данного понятия, верным ответом будет «Да» («Истина»).

2. Тесты второго типа «вопрос – варианты ответов» реализовывать относительно не сложно. Есть несколько путей построения таких заданий: (1) в основе вопрос лежит понятие в основе вариантов видповидей – тезисы; (2) в основе вопрос лежит тезис, в основе вариантов ответов – понятие; некоторые другие вариации.

Раскроем указанные пути.

1) В основе вопрос лежит понятие в основе вариантов видповидей – тезисы. Самым общим здесь будет задание такого вида:

Укажите утверждение, что касается данного понятие <им’я понятие>

<перечень утверждений>

На рис.1 приведен пример тестового задание данного типу.

Рис. 1. Пример задание

В зависимости вид классу понятие но тезисы вопрос может звучать иначе, например:

«Для чего назначенное понятие…», если тезисы, что служат вариантами ответов принадлежат к классу «назначение»;

«Чем есть понятие…», если тезисы классу «определение»;

2) В основе вопрос лежит тезис, в основе вариантов видповидей – понятие. То есть в этому методе в основе вопрос лежит ведомость о понятие. Студент должен из набору понятий избрать то, о какое идет речь в этой сведения. Так же, как и в предыдущему способе задание может иметь как общий характер:

Укажите понятие, о какое идет речь в утверждении

<Утверждение>

<Перелик понятий>,

да и конкретный в зависимости вид классу понятие и тезисы: «Укажите понятие, какое определенное ниже…», если тезис типа «определение»; «Какое понятие имеют такое назначение… », если тезис имеют тип «назначение».

3) На основи базы знаний можно построить и другие варианты заданий типу «вопрос – варианты ответов».

Одним из возможных направлений здесь есть задание по определению важнейших элементов учебного материалу. Принцип такой: перед студентом относится задание определить, например, важнейшее понятие в данной лекции из перечню понятий. Важнейшее понятие системой определяется на базе количества тезисов этого понятие на данной дилянци материалу из учетом весов важности.

Еще один направление – использование возможностей наследование но отношений между понятиями. Задание строятся по принципу «понятие – набир понятий». В качества вопрос относится лексическая форма отношение между понятиями но собственно понятие, например: «Укажите родительское понятие.». В качества вариантов видповидей - набор понятий среди каких есть понятие, что удовлетворяет условию задание.

3. Рассмотрим тесту задание третьего типу: вопрос – текстовая ответ вводится студентом. Из организационно методологической точки зрению этот тип кое-что подобный к первого, но по ривню учебно-методической сложности он более тяжелый для студента.

Для этого виду теста пидходять задание в каких в качества ответы выступает понятие. Самый общий вид задание будет построенный таким образом: указывается некоторая тезис и студенту предлагается ввести понятие, какого касается данный тезис. Например:

Общий вариант:

<Тезис>

О котором понятие идет речь? ;

На основе определение:

<Тезис-определение>

Что это за понятие?

На основе назначение:

<Тезис-назначение>

Назначение какого понятие приведенное выше?

И тому подобное.

Кроме этого, возможно использовать сведения относительно наследования и отношения между понятиями. Так на базе наследование можно построить задание типа:

Укажите родительское понятие к понятие <Название понятие>.

Характерной особенностью с точки зрения реализации является требование дополнительной программной части по сравнению текстового ответа с эталоном (с верным ответом) и оценки ее верности. Этот алгоритм должен предусматривать возможные орфографические ошибки в тексте, которые к определенной меры не должны влиять на верность ответов (если только это не учеба из дисциплин лингвистики). Если речь идет об ответах, которые состоят из многих слов, тогда нужны соответствующие алгоритмы обработки. Следующим витком развития системы проверки текстового ответа может стать вообще создание лингвистической подсистемы, которая сможет применять такие лингвистические знания как синонимические ряды, разного рода словоформы, спряжения, времена для глаголов и тому подобное.

4. Четвертый вариант – задание сопоставление. Студенту подается два наборы некоторых элементов, и он имеют сопоставить каждый вариант одного набора из соответствующим на его мысль вариантом другого набору элементов.

Очевидным путем реализации такого типу заданий есть такой: первый набир элементов это понятие, другой – тезисы к этих понятий. Между двумя наборами должен существовать взаимно однозначный связь – каждому понятию отвечает лишь один тезис из набору тезисов. Студент за помощью соответствующих интерфейсных средств осуществляет сопоставление элементев.

Важной составляющей такого задание есть методология оценки видповиди студента. Самый простой путь – это оценка типу «зачет» («незалук»), без дифференцирование. Однако для данного типу заданий очевидной есть потребность в градации оценки, ведь возможный случай когда студент сопоставит часть пар верно а часть – нет. В таком пидходи самым простым есть путь оценки на основе количества верных ответов, тогда процентом правильности ответы будет процент количества правильных сопоставлений. Более гибкий пидхид –использование весов когда для каждой пары формируется своя весовая оценка, то есть судьба в общей оценке, что при проверке учитывается в общей оценке. Весовая оценка пар строится на базе степени важности элементов (как понятие да и тезисы), что указывались на этапе формирование базы знаний.

5. Пятый достаточно специфический тип заданий – задание по определению приоритетности. Суть задание заключается в том чтобы расставить определенные элементы в правильном порядке, порядке их приоритетности, или в том чтобы, определенным чином выделить элементы, что имеют большую вес.

По типу структуры такое задание временами пересекается из заданиями описанными выше. Отличием есть учебно-методический змив., заложенный в ему. Вопрос строятся на базе вторичных знаний, полученных из БЗ на основе использование сведений о степень важности элементов. Как отмечалось каждый элемент семантической модели имеют свий уровень важности, что указывается на этапе формирование БЗ. Ризни понятие курсу имеют разный уровень относительно их важности в структуре знаний курсу. Следовательно понимание некоторых понятий есть абсолютно необходимым для усвоение курсу другие же играют вспомогательную, такую, что расширяет кругозир роль. То именно касается утверждений о понятие.

Таким образом задание этого типу содержит аналитический характер и требует вид студента обстоятельного понимание предмету. Приблизительные вопрос (задание) могут иметь такой вид:

«Расставьте в порядку важности понятие курсу.»;

«Какое понятие более важное в этому разделе…»;

«Укажите ключевые понятие темы»;

«Укажите утверждение, что выражает главную свойство понятие…»;

Эффективность заданий зависит вид адекватность заложенных оценок важности учебных элементов модели.

Обобщенное схематическое изображение основных сущностей понятийно-тезисной семантической модели знаний можно увидеть рис.2.

Рис. 2. Основные сущности понятийно-тезисной модели знаний

Вывод

Был рассмотрен подход к построению современной системы учебы, который основывается на создании модели представления знаний. Смысловая составляющая формализируется с помощью понятийно-тезисной семантической модели. На ее основе формируется аппарат автоматизированного контроля знаний в системе. Модель знаний имеет перспективу к развитию, углублению и совершенствованию, и нуждается в последующих теоретических и практических исследованиях.

Литература

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 задан. 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.