CC BY
67
Educational Technology & Society 4(1) 2000 ISSN 1436-4522
Фреймовая организация знаний в интеллектуальной обучающей системе
Г.А. Атанов, В.В. Локтюшин Донецкий открытый университет atanov@dise.donbass.com
Аннотация
В статье описывается организация интеллектуальной обучающей системы на основе фреймового представления знаний. Вьщелены ^и группы фреймов: , , . декларативные предметные знания и определяют конкретное содержание .
инструментальной оболочки системы; они представляют процедурные знания
.
предназначены, в основном, для организации диалога обучаемый-компьютер. ,.
.
Ключевые слова:
,, , , , ,.
Введение
Любая обучающая компьютерная система - это система, основанная на . , , , предметом искусственного интеллекта [Пе^ушин, 1992; Поспелов, 1988]. Поэтому
,
,
,.
.
Усилия многих исследователей в мире направлены на создание интеллектуальных обучающих систем (Intelligent Tutoring Systems), сформировалось
-
.
,
,
. , , инженерии знаний. В 2001 г. будет проходить уже X Международная конференция
,
Обществом по искусственному интеллекту в обучении (International Artificial Intelligence Society in Education).
Интеллектуальным является разработанный нами обучающий комплекс по физике [Atanov, 1993; Атанов, Кавдрашин, Локтюшин, 1977; Atanov, Kandrashin, Loktiushin, 1997]. ^ состоит го отдельных автономных систем, реализующих
.:
,
,;
,;
-;
;(
).
Дидактические задачи обучающей системы должны исходить из деятельного ,
,,
[Машбиц, 1988]. Его принципы и средства достижения дидактических целей в обучающих системах изложены в работах [Атанов, 2001; Атанов, Локтюшин, 2000].
,
,
.
методологический смысл и направлена на достижение отдаленных учебных целей -
.
,
.
.
,
, , ,
., функциональные части: содержательную, ориентировочную, мотивационную,
исполнительную, контрольно-коррект^овоч^до и организационные этапы: вводномотивационный, операционно-исполнительный, кон^юльно-оценочный. В качестве методов организации деятельности используются имитация процесса или работы установки, «конс^уирование» установки го отдельных ее частей, обсуждение их
,
открытого типа, на соответствие, на правильную последовательность [Аванесов, 1989].
Одним из центральных элементов любой интеллектуальной системы является ,. ,, затрагивая всю систему, изменять, добавить и расширять их, то есть «обдать» .,
.
,
формально описаны, или представлены [Уэно, Исвдзука, 1989].
Широко распространенным способом представления знаний в системах искусственного интеллекта является фреймовый [Минский, 1979; Уэно, Исидзука, 1989]. Фреймовая организация системы, которая представляет собой, по сути дела,
,
,
.
,,
.
[Атанов, Кандрашин, 1996].
1. Общая структура знаний в обучающей системе
,
.
-,
.
,
.
создания обучающих систем по физике (уже разработаны 15 отдельных систем),
,
.
.
Знания в компьютерной системе подразделяются на неинтерпретируемые и интерпретируемые. Неинтерпретируемые знания - это знания, не имеющие прямого
., или вспомогательные, и поддерживающие, или объяснительные, знания [Пе^ушин, 1992]. Интерпретируемые знания делятся на предметные знания и метазнания. В
.
.,
,
знания. В соответствие с этим выделены три типа фреймов: предметные фреймы, ,.
Предметные фреймы содержат декларативные предметные знания по
,
( , -, ). ,, ,. интерфейсных фреймов заключается в придании определенной формы диалогу -,
.
следования задается дидактической блок-схемо и.
2. Слоты фреймов
,.
: , ,
,.
1. Информационные слоты. Они предназначены для того, чтобы из них
,
..
( ), ( безусловной передачи управления). Ввд информационного слота показан на рис. 1.
Метка Значение RETURN
Рисунок 1. Информационный слот
,
.
( ) . осуществляется из соответствующих слотов различных фреймов. Демон RETURN
,.
2. Слоты получения информации. Особенность их заключается в том, что
., имеет нулевое значение. Это слот-^ототип. Пустой слот принимает значение в
-.
.
,.
различных слотов системы, главным образом, предметных, и на их работу действия .
,
, ( . 2).
,
,.
,
.
вводе допущена синтаксическая ошибка, то подается звуковой и/или цветовой ,.
,,
, , ,
, , .
-,
.
зависимости от того, совпадает (YES) или нет (NO) введенная информация с
. , / ,
.
На рис. 2 показан ввд такого слота. Через дробь будем писать значения слота-.
Получение Атрибуты 0I Значение YES I NO
Рисунок 2. Слот получения информации
3. Слоты вывода информации подразделяются на слоты, выводящие: а) , ) , ) звуковые (в том числе музыкальные) сигналы. Кроме того, они подразделяются на
.
,.
.
,-
информации прямого действия. В качестве примера на рис. 3 показан слот вывода
.
Вывод locX, locY, locTextColor, Text PRESS
locGroupColor, TypeText
З.
(locX, locY),
(locTextColor) (locGroupColor),
текста - TypeText. Значением этого слота является текст, который необходимо (Text). Press
.
.
,, соответственно, другие атрибуты. Так, в слоте звуковых сигналов в качестве
,
.
, ( ).
,
-.
.
4. . :
.,
передать на время управление какому-либо другому фрейму, например, фрейму ,. ,.
.
,
.
, , , ..
,, .. рис. 4 показан фрейм действия для получения справки. Атрибуты locX, locY задают
.
Справка locX, locY Справка RETURN
4.
3. Предметные фреймы
,
.
функциям, которые они выполняют в системе. Всего тагах фреймов три вида: текстовый фрейм, графической фрейм, фрейм ответов.
Текстовый фрейм содержит практически всю текстовую информацию ( ), .
.,
,,
.,
.
,, ,. пустыми слотами - это фрейм-образец, или фрейм-^ототип. Тагам образом, фрейм
ответов вначале является фреймом-^ототипом, а после определения значений всех слотов превращается во фрейм-экэемпляр. Ввд предметного фрейма показан на рис.
5.
Метка 1 Значение 1 RETURN
Метка 2 Значение 2 RETURN
Метка 3 Значение 3 RETURN
Метка n Значение n RETURN
Рисунок 5. Предметный фрейм
Фреймы текстовой информации и графических библиотек выполняют ( , )
.
- [ , 2000;
Атанов, Локтюшин, 2000].
4. Служебные фреймы
Служебные фреймы разнообразны и реализуют средства решения
.
1. . .
,
частью ориентировки на исполнительную часть [Атанов, Локтюшин, 2000]. Фрейм состоит, в общем случае, го трех блоков слотов (как варианты - один или два блока в
),
обращение к фрейму и каждому блоку осуществляется обучаемым. На рис. 6 показан
« ».
Слот 1 Атрибуты 0 / Запись реакции деления в общем виде PRESS
Слот 2 Атрибуты «Еще информации?» YES I NO
Слот 3 Атрибуты 0 / Особенности деления ядра урана PRESS
Слот 4 Атрибуты «Еще информации?» YES I NO
Слот 5 Атрибуты 0 / Запись реакции деления урана PRESS
Слот 6 Атрибуты 0 / Число обращений к помощи CONTROL
б.
.
,
.,
вывода информации непрямого действия на экране появляется запись реакции .
клавишу клавиатуры или мыши. В результате срабатывает демон PRESS, который
2,
«Еще информации?». Присоединенная процедура этого слота в зависимости от сообщения обучаемого передает управление последнему слоту 6 (NO), либо 3 (YES).
, «YES» , ,
, , . Аналогично можно обратиться и к помощи третьего уровня и получить запись .
,. слота CONTROL передает убавление фрейму финального контроля. Значение слота
6.
.
На рис. 7 показан один го скриншотов системы «Замени колесо», дающий
( ).
,
.,
- , .
.
<Екг1ег> - ПолуIIIть более глубокую помощь
Рисунок 7. Иллюстрация организации помощи
.
2. Фрейм активной подсказки. В нем реализуется тестовое задание
. , , ,
.
чрезвычайно эффективным средством организации ориентировочной и контрольной частей деятельности и получило название активной подсказки. На рис. 8 показана
« ». ,.
Рисунок 8. Активная подсказка
Фрейм активной подсказки так же, как и фрейм помощи, явтается фреймом. , . его показан на рис. 9.
Слот 1 Атрибуты 0 / Высказывание NEXT
Слот 2 Атрибуты 0 / Пропущенное слово NEXT
Слот 3 Атрибуты 0 / Слово, введенное обучаемым YES / NO
Слот 4 Атрибуты 0 / Пропущенное слово PRESS
Слот 5 Атрибуты 0 / (Знает / Не знает) CONTROL
9.
Слот 1 - это слот вывода текстовой информации непрямого действия, он
.
результате его работы на экран выводится необходимое высказывание с пропущенным словом, которое должен ввести обучаемый. Демон NEXT запускает следующий слот 2 - системный слот получения информации. В результате этот слот ,.
NEXT передает убавление слоту 3 - пользовательскому слоту получения
информации, значением которого должно стать слово, вводимое обучаемым. Основная работа слота 3 заключается в сравнении слова, введенного обучаемым, и , 2, ,.
.
верно (YES), то убавление передается слоту 5, в противном случае (NO) -следующему слоту 4. К случаю «NO» приравнивается ситуация, когда обучаемый не
.,
.
, , .
Слот 4 - это слот вывода текстовой информации непрямого действия. Он выводит на экран пропущенное слово. Тагам образом, обучаемому, допустившему
,
.,
()
( ). , PRESS 4. (
),
, Control
.
3. Фрейм задания закрытого типа. Этот фрейм реализует тестовое задание
.,
,,
.,
,.
, ( . 10).
* <
£ Задание
£ Давление м(пно рассчитехь по фородпе : F У 1) Р= ; 2) Р= ; 3) P=F*S 5 F
1
lO.
,
.
непрямого действия (рис. 11). Его значение - это груши формул, которая и .
Слот 1 Атрибуты 0/Группа формул NEXT
Слот 2 Атрибуты 0 / Верный номер формулы NEXT
Слот 3 Атрибуты 0 / Номер формулы, введенный обучаемым YES I NO
Слот 4 Атрибуты 0 / (Знает / Не знает) CONTROL
ll.
NEXT 2.
получения информации, в данном случае информация - номер верной формулы,
.
3.
, , , ,.
(NO), 2,
.,
(YES). ,
фиксирует факт ошибки обучаемого, а демон Control передает управление фрейму .
4. Фрейм соответствия. Этот фрейм реализует тестовое задание на . , , ,, тестируемому необходимо каждому элементу одной группы поставить в
.
.
какой-либо части, и обучаемый должен выбрать ее название из списка, расположенного рядом с изображением установки. На рис. 12 показан
« ».
l2.
Фрейм показан на рис. 13. Первым слотом фрейма соответствия является слот
.
, . NEXT
,
информации непрямого действия. Его значение - номер одной го частей установки.
,
.
Слот 1 Атрибуты 0 / Схема установки NEXT
Слот 2 Атрибуты 0 / Номер первого отцвеченного элемента установки NEXT
Слот 3 Атрибуты 0 / Первый отцвеченный курсор элемента установки NEXT
Слот 4 Атрибуты 0 / Номер первого элемента установки, введенный обучаемым YES / NO
Слот 5 Атрибуты 0 / Номер второго отцвеченного элемента установки NEXT
Слот б Атрибуты 0 / Второй отцвеченный курсор элемента установки NEXT
Слот 7 Атрибуты 0 / Номер второго элемента установки, введенный обучаемым YES / NO
Слот 3п-1 Атрибуты 0 / Номера п-го отцвеченного элемента установки NEXT
Слот 3п Атрибуты 0 / п-ый отцвеченный курсор элемента установки NEXT
Слот 3n+1 Атрибуты 0 / Номер п-го элемента установки, введенный обучаемым fla / HeT
Слот 3n+2 Атрибуты 0 / Количество ошибок CONTROL
Рисунок l3. Фрейм соответствия
NEXT 3
. - ,
.-
,
,.
, . (NO),
подается звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый снова вводит число. Так происходит до тех пор, пока числа не совпадут, т.е. обучаемый верно определит . (YES),
,, ., ., и его демон CONTROL передает убавление фрейму финального контроля.
5. Фрейм правильной последовательности. Этот фрейм построен на основе
.
,,
,.
, , ,
перемешаны элементы, составляющие ее, - слова и знаки препинания. Пользуясь мышью, обучаемый может перемещать элементы последовательности; целью этого
.
Например, дга выполнена задания в системе «Спаси товарищей» необходимо
..
.
расставить в правильном порядке следующие слова: «электролит, прохождения выделяющегося электроде электролиза на тока в масса процессе через, пропорциональна вещества и его времени силе». И не так уж много времени требуется, чтобы сформулировать этот закон: «Масса вещества, выделяющегося на
,
прохождения через электролит».
. 14.
-
,, выводится на экран. Затем убавление передается следующему слоту 2 - системному
,
последовательности. Слот 3 - это слот пользовательский слот получения
., обучаемым, т.е. перемещенный мышью на первое место. Этот слот сравнивает
.
неправильно (NO), то подается звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый снова
.,
(YES).
Слот 1 Атрибуты 0 / Преобразованная формулировка NEXT
Слот 2 Атрибуты 0 / Первый элемент NEXT
Слот 3 Атрибуты 0 / Первый элемент, введенный обучаемым YES I NO
Слот 4 Атрибуты 0 / Второй элемент NEXT
Слот 5 Атрибуты 0 / Второй элемент, введенный обучаемым YES I NO
Слот 2n Атрибуты 0 / п-ый элемент NEXT
Слот 2n+1 Атрибуты 0 / п-ый элемент, введенный обучаемым YES I NO
Слот 2n+2 Атрибуты 0 / Количество ошибок CONTROL
l4.
Тогда управление передается слоту 4, который принимает значение второго элемента, и т.д., пока все элементы не будут расставлены на свои места. Последний
, CONTROL
.
6. Фрейм задания. Он содержит большое количество слотов различного назначения (рис. 15).
Слот 1 Атрибуты 0 / Текст задания NEXT
Слот 2 Атрибуты 0 / Ответ на задание NEXT
Слот 3 Атрибуты 0 / Ответ для первой ошибочной траектории решения NEXT
Слот n+2 Атрибуты 0 / Ответ для п -ой ошибочной траектории решения NEXT
Слот n+3 Атрибуты 0 / Ответ, введенный обучаемым YES / NO / PAUSE
Слот n+4 Атрибуты 0 / Ответ, введенный обучаемым YES / NO
Слот n+5 Атрибуты Предложение исправить ошибку PRESS
Слот n+6 Атрибуты Предложение обратиться к помощи PRESS
Слот n+7 Атрибуты 0 / Данные о результатах выполнения задания CONTROL
Рисунок l5. Фрейм задания
;
из соответствующего слота предметного текстового фрейма он в качестве значения , . 2 ,.
.
,.
,, прогнозируются при проектировании системы. Поэтому следующие n слотов - это
( ).
,
. n ,
ошибочных траекторий. Если тагах траекторий нет, то за слотом 2 следует пустой слот, не изменяющий своего значения, и n принимается равным единице.
Слот n+3 - это пользовательсгай слот получения информации, значением его ,. через меню может обращаться к слотам (а по сути дела, фреймам, состоящим из одного слота) вызова фрейма (на^имер, дга по^^ения помощи) и вызова ( , ).
Здесь возможны три ситуации: обучаемый дал верный ответ (YES), обучаемый ошибся (NO), обучаемый не вводит ответ (PAUSE). Последний случай
регистрируется специальной процедурой из числа атрибутов слота по заданному времени паузы, как это делается во фрейме активной подсказки. Если ответ верен, то
,
,
.
(NO),
n+4 - ,
,
. , ,
.
(YES), ,
.,
-,
(
- ).
.
,
.,
3 пустой, т.е. отсутствуют прогнозируемые ошибки, а также, если по каким-либо
. PRESS
передает управление слоту n+3.
Если обучаемый не отвечает при работе слота n+3 (PAUSE) или повторно допускает ошибку, то убавление передается слоту n+6 вывода текстовой
,
помощи. Возврат управления осуществляется снова на слот n+3.
5. Интерфейсные фреймы
Рассмотрим два основных интерфейсных фрейма: фрейм финального контроля и фрейм знакомства.
1. Фрейм финального контроля. Этот фрейм представляет знания об .
.
.
.
таблицы (рис. 16). По сути дела, это текущая модель обучаемого, построенная в .
Студент:_______________ Группа:
Всего заданий:_________
:_______
Задание № 1 2 3 n
Вес задания
Время ответа
Количество ошибок
Обращение к помощи 1-го уровня
Обращение к помощи 11-го уровня
Обращение к помощи 111-го уровня
Задание системы выполнено со степенью самостоятельности_______%.
Рисунок l6. Фрейм финального контроля
2. Фрейм знакомства. С помощью этого фрейма обучаемый регистрируется в журнале. Фрейм показан на рис. 17.
Слот 1 Атрибуты 0 / Фамилия PRESS
Слот 2 Атрибуты 0 / Имя PRESS
Слот 3 Атрибуты 0/Группа PRESS
Слот 4 Атрибуты 0 / Список группы YES / NO
Слот 5 Атрибуты “Исправьте ошибку ввода” BEGIN
Слот 6 Атрибуты 0 / Данные CONTROL
Рисунок 17. Фрейм знакомства.
Все слоты этого фрейма, кроме слота 5, являются слотами получения . - , фамилия, имя об^аемого и название группы, в которой он учится. Демоны этих слотов сразу же по вводу передают управление следующему слоту. Слоты 4 и 6 -.4
.
(YES), 6,
. CONTROL
. (NO),
5, после вывода на экран сообщения “Ис^авьте ошибку ввода” демон BEGIN передает
.
Заключение
Реализована фреймовая организация знаний в интеллектуальной обучающей .,
оболочки. Созданы 15 обучающих систем по физике, реализующих деятельностный .
http://www.dise.donbass.com.
,
поскольку на базе нашей оболочки можно создавать обучающие системы по всем
.
.
Литература [Аванесов, 1989]
контроля в высшей школе. - М.: Из-во МИСиС, 1989.
[Атанов, Кандрашин, 1996] Атанов ГА., Кандрашин Г.В. Фреймовая организация
, // Искусственный интеллект, 1996, № 1.-С. 44-53.
[ , , , 1997] . ., . .,
..
// «
». - : - , 1997. - . 44-56.
[Атанов, Локтюшин, 2000] Атанов ГА., Локтюшин В.В. Организация вводно-
//
Educational technology & Society. 2000, V. 3, N 2.- С.118-125. - ISSN 1436-4522.
[ , 1988] . . - -
зации обучения. - М.: Педагогика, 1988.
[Минский, 1979] Минский М. Фреймовое представление знаний. -М.: Энергия, 1979. [Петрушин, 1992] Петрушин В.А. Экспертно-об^^щие системы. -Киев: Наукова , 1992.
[ , 1988] . . -
информационной технологии. -М.: Наука, 1988.
[ , , 1989] : . ./
ред. X. Уэно, М. Исвдзука. - М.: Мир, 1989.
[Atanov, 1993] Atanov, G.A. The Educational Software in Physics Realizing an Activity Approach// The Proceedings of the Intern. Conf. PEG93: AI Tools & Classroom. Scotland, Edinburgh, 1993.-P. 601-607.
[Atanov, Kandrashin, Loktiushin, 1997] Atanov, G.A., Kandrashin, G.V., Loktiushin, V.V. Computer Tutoring Systems for Science Education Based on the Activity Approach// New Media and Telematic Technologies for Education in Eastern European Countries/Eds. P. Kommers, A. Dovgiallo, V. Petrushin, P. Brusilovsky. - Enshede: Twente University Press, 1997.- . 75-79.
