CC BY
29
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия В. Техника и технологии, т. XV, ISSN 1311 -9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XV., ISSN 1311 -9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА СИСТЕМА ЗА ПРОЕКТИРАНЕ НА АКУМУЛАТИВНИ ФРЕЙМОВИ МОДЕЛИ Теодора Панайотова, Георги Тотков, Илияна Чакърова ПУ „Паисий Хилендарски"
EXPERIMENTAL SYSTEM FOR DESIGNING ACCUMULATIVE
FRAME MODELS Teodora Panayotova, George Totkov, Iliana Chakarova PU „Paisii Hilendarski"
Abstract:
The use of frame models (emerged in the theory of artificial intelligence in 1974 as a means of knowledge representation) in education has long history nowadays. Different applications of frames have been adopted and commonly used in the field of physics, mathematics, English language, etc. targeting systematization and categorization of educational test units in the form of frame-instances. Similar experiments in e-learning (with limited application in the case of test units) necessitate the definition of 'accumulative test units' and creation of relevant software systems for their application. In this paper experiments have been performed on the basis of a new defined term 'accumulative frame model' (AFM) in a direction of implementing a system for designing and using of AFMs in e-learning.
Key words: frame model, education, accumulative frame model
1. Въведение
Фреймът е фундаментално понятие, на базата на което систематизирано се описват знания за ситуации, обекти, процеси и явления. Понятието е въведено като средство за представяне на знания в теорията на изкуствения интелект от американския учен Марвин Мински (Minsky, 1974), който предлага следната дефиниция: „Фреймът е структура от дан-ни, предназначена за описание на стандартна (стереотипна) ситуация".
Структурата „фрейм" има име и се състои от един или повече на брой слотове. От своя страна, всеки слот има име и съдържание, което може да е от различен тип (реално или цяло число, текст и т.н.). В слотовете може да се записва и съхранява конкретно съдържание от съответния тип, вкл. и да се указва на друг, вече създаден фрейм (ако типът на слота позволява това). По този начин отделни фрейми може да се свързват един с друг с цел моделиране на конкретно знание, наподобявайки невронна мрежа.
Използването на апарата на фреймите в обучението има дълга история. Известни са техни приложения с цел систематизиране и каталогизиране на текстови учебни единици под формата на фрейми-екземпляри в традиционното обучение по физика, математика, биология, информатика, английски език и др. (Gurina et al., 2007), маркиране и анотиране на текстови пасажи в учебни материали (Panayotova et al., 2016) - т. нар. „електронни бе-лежки", „акумулативни тестови единици" (АТЕ) в е-обучението (Totkov et al., 2014) и др.
В настоящата работа, на базата на въведеното понятие „акумулативен фреймов модел", изследванията за АТЕ са развити в посока на реализация на система за проектиране 34
и използване на акумулативни фреймови модели в е-обучението.
2. Фреймови модели в обучението
В традиционного обучение е предложена методика за представяне и изучаване на учебния материал, базирана на фрейми (т. нар. фреймови опори (Girina et al., 2005, 2007). Създадени са фреймови структури, подходящи за систематизиране на знания и решаване на задачи в редица предметни области, изучавани в средното и висшето образование -математика, информатика, физика, химия, история, английски език и др. Множеството от стандартни ситуации, сценарии, рамки, диалози и структури на всяка конкретна изучавана предметна област (ИПО) се моделира със система от фрейми.
В е-обучението, за автоматизирано генериране на тестови единици от различен тип е предложен метод, свързан с акумулиране и оценяване на отговори на въпроси от отворен тип. За целта е въведен и изучен нов тип тестова единица (ТЕ), наречена „акумулативна тестова единица" (АТЕ) (Kostadinova et al., 2011; Sokolova et al., 2007). По-късно е предложена и система от АТЕ (Totkov et al., 2014), подходяща за прилагане в различни ИПО с цел създаване на концептуални описания на ИПО и на тестови банки (вкл. различни по тип ТЕ (Minsky, 1974)) към тях. По същество, АТЕ може да се разглежда и като специфичен фрейм-прототип с няколко слота; първият - предназначен за условието на ТЕ, а следващите - за акумулиране на оценяван отговор. В този случай, в процес на оценяване при е-обуче-ние, дадена АТЕ ще „произвежда" фрейми-екземпляри, които могат да се ползват за създа-ване на тестови БД.
При добавяне на „електронни бележки" (анотации към текстови пасажи) на учебен материал (Panayotova et al., 2016), последователно се маркират пасажи от текста и се анотират (създава се съдържанието на бележката). Според терминологията на фреймите в този случай се използва система от един единствен фрейм-прототип с име „Електронна бележка" с два слота: първият - предназначен за съдържанието на бележката (тип „текст") и вторият - за пасажа от текста, за който се отнася бележката (примерен тип на слота -идентификатор на учебния материал, указатели към началото и края на пасажа).
Основната идея на работата е - в случая на е-обучение, на базата на „фреймов подход", да се обединят трите подхода за:
- прилагане на фреймови опори в традиционного обучение за различни ИПО;
- проектиране на системи от АТЕ за дадена ИПО и включването им в процеси на е-обучение (със следващо оценяване за различни обучавани) с цел създаване на съответна тестова БД;
- маркиране и анотиране с „електронни бележки" (от различни обучавани в процеси на е-обучение) на текстови пасажи в учебни материали за дадена ИПО;
Реализация на подобна идея би съчетала преимуществам на 3-те подхода, и би имала потенциал за развитие в различни направления на е-обучението.
За целта е необходимо:
- в зависимост от ИПО да има възможност за дефиниране на системи фрейми от специален тип (наречен „акумулативен фреймов модел" (АФМ) - вж. раздел 3.);
- аналогично на случая за фрейм „електронни бележки", да се осигури автоматизирано маркиране с АФМ на текстови пасажи в учебни материали (от различни обучавани в процеси на е-обучение) със следващо анотиране (при което слотове на АФМ получават стойности) и формиране на система от фрейми-екземпляри за ИПО;
- да се създадат методи и средства за разпространение на „фреймовия подход" при е-обучение в различни ИПО;
3. Акумулативни фреймови модели в Moodle
Акумулативният фреймов модел (АФМ) може да се определи като именувана фреймова структура, съставена от слотове. От своя страна, слотът е с уникално име (различно от име-ната на останалите слотове на АФМ), неговото съдържание е от точно определен тип. С
35
всяка система от АФМ се свързва и система от елементарни и съставни типове данни (за попълване на слотовете). Примери за елементарни типове са множествата реални и цели числа, дати и периоди, текстове и изображения, файлове от различен тип и др., а за съставни - списъци/записи от други типове или АФМ.
Пример 1. АФМ „Понятие" и понятието „Бройна система"
Фрейм-прототип „Понятие"
Слотове
№ Име Тип
1. Понятие текст
2. Определение текст
3. Примери текст
4. Основна процедура текст
5. Видове текст
Фрейм-екземпляр за АФМ „Понятие"
Слотове
Име Съдържание
Понятие Бройна система
Определение Крайни съвкупности от знаци и правила за записване на числа
Примери 2-на, 10-на, древногръцка, римска
Основна процедура Превеждане на запис на число от една в друга бройна система.
Видове Непозиционни и позиционни
Пример 2. АФМ „Историческо събитие" и събитието „Първа Световна война"
Фрейм-прототип „събитие"
Слотове
№ Име Събитие Тип текст
1.
2. Период дата
3. Място текст
4. Причини текст
5. Повод текст
6. Участници текст
7. Резултат текст
8 Оценка текст
Фрейм-екземпляр за АФМ „Историческо събитие"
Слотове
Име Събитие Съдържание
Първата Световна война
Период 07.1914 - 11.1918
Място Европа
Причини комплексни
Повод Убийството на Франц Фердинанд
Участници Великобритания, Франция, Русия, Сърбия, България, Германия, Австро-Унгария, Османска империя
Резултат Подписване на мирни договори
Оценка 10 милиона убити, 20 милиона ранени
За някои приложения акумулативният фреймов модел се усложнява, като за всеки слот, освен тип на неговото съдържание, може да се наложи аташиране и на други типове (напр. синтактичен и семантичен тип). Примери за различни синтактични типове на дати са мм.дд. гггг и дд.мм.гггг, за текст - N, А N и NP (съществително, прилагателно+съществително или група на съществителното). Примери за семантични типове са лица, географски райони или местности и др.
Процедурата за маркиране с АФМ на текстови пасажи в учебни материали и формиране на система от фрейми-екземпляри за ИПО (в случая на фрейми от тип „електронни бележки") е описана в (Panayotova et al., 2016). Пак там е обоснована целесъобразността от предварително привеждане на учебните материали за е-обучение в EPUB формат (Panayotova et al., 2016), адаптивен за различни мобилни устройства.
В общия случай, маркирането на текстови пасажи в учебни материали и формирането на системи от фрейми-екземпляри за ИПО изглежда по следния начин.
Етап 1. Подготвителен
Стъпка 1. Експорт на учебните материали в електронен формат, подходящ за обработване в следващите стъпки.
Стъпка 2. Включване на експортираните материал в процес на е-обучение - например, в е-курсове, разположени в среда за е-обучение (СеО) и достъпни за конкретни групи от обучавани.
Преподавателят избира учебни материали и ги включва в процеса на е-обучение. Предполага се, че учебните материали са от ИПО и са съобразени с учебния план на дисциплината.
Етап 2. Създаване на система АФМ за ИПО
Стъпка 3. Създаване на специфични АФМ, необходими за маркиране на съответните учебни материали.
Възможно е и ползване на АФМ, създадени във връзка с други предметни области.
Стъпка 4. Маркиране и създаване на множество от фрейми-прототипи за ИПО в процеса на е-обучение.
Освен със средства за автоматизирано маркиране, Стъпка 4 е необходимо да се съпроводи и с процедури за оценяване на дейността на обучаваните.
Ще забележим, че анотациите от определен тип към пасажи на учебен материал - резултат на е-обучение, могат да се разглеждат и като специфични метаданни към маркирания учебен материал. Спецификата на метаданните е свързана с обстоятелството, че ползваните АФМ на практика съвпадат с т. нар. „дидактични единици" в съответните ИПО. Като следствие, на по-късен етап, учебните материали могат да бъдат избирани за включване в процеси на е-обучение, в зависимост от наличието или не на подходящи дидактични единици.
Редица традиционни учебни дейности могат да се моделират на базата на въведените АФМ. За целта, моделът на фрейм-прототип трябва да се допълни с набор от АТЕ, отнасящи се до фрейма (като цяло), до отделни негови слотове (или групи от тях). Подобна система от АТЕ е необходимо да се създаде и за множествата от фрейми-екземпляри.
Особено перспективно е развитието на подобен подход в случая на дейност четене с разбиране (в обучението по програмиране, физика, история и др.).
Реализацията е извършена в рамките на популярната СеО Moodle. Проектирано е софтуерно разширение (plugin), което добавя нови функционални възможности в Moodle, а именно: дефиниране на АФМ и поддържане на съответна БД, електронно маркиране и анотиране на учебни материали (в EPUB формат) към е-курс (под формата на нова учебна дейност в Moodle) от всеки обучаван; мониторинг и оценка на обучаваните от преподавател (за извършваната дейност) и др.
4. Заключение
В (Тотков Г., С. Гафтанджиева, Р. Донева, 2017) се представя университетски проект, свързан с изследване на възможностите за прилагане на АФМ в обучението. В тази посока предстои проектиране на софтуерен прототип на система за създаване на типови АФМ и техни екземпляри (за различни методики, набори от дидактически единици и др.) и неговото експериментиране в различни области на обучение - информатика, програмиране, английски език, физика и др.
Благодарности
Работата е подкрепена от проект МУ17-ФФ-023 „Акумулативни фреймови модели за
37
извличане и агрегиране на данни за знания и процеси в обучението" към Фонд „Научни изследвания" на ПУ „Паисий Хилендарски".
Литература
Gurina R. et al. Frejmovie opori, Фреймовые опоры. NII Shkolnih tehnologii, Moscow, 2007 (in Russian).
Kostadinova Hr., G. Totkov, D. Blagoev, Avtomatizirano generirane na metadanni za uchebni obekti, 4-th National Conference Education in the Information Society, , 26-27 may 2011, Plovdiv, ARIO, pp. 44-52 (in Bulgarian).
Minsky M., A Framework for Representing Knowledge, MIT, Cambridge, 1974.
Panayotova T., G. Totkov, Il. Chakarova. Accumulirane na metadanni za uchebni materiali i generirane na testovi edinici v Moodle, SUB - Smolian, Vol. II, ISSN:1314-9490, 2016, 222- 232 (in Bulgarian).
Sokolova M., G. Totkov, Accumulative Question Types in e-Learning Environment, International Conference on Computer Systems and Technologies - CompSysTech'2007, IV.21-1 - IV.21-6.
Totkov G., M. Sokolova-Rajkova, Hr. Kostadinova. Testyt v e-obuchenieto, Rakursi OOD, Plovdiv, 2014, 205 pages (in Bulgarian).
Totkov G., S. Gaftandzhieva, R. Doneva. Akumulativni freymovi modeli v e-obuchenieto, Nauchni trudove na SUB - Plovdiv, V Tehnika i tehnologii, 15-16.06.2017 (in Bulgarian) (in print).
