CC BY
33
П.П. ДЬЯЧУК, Д.С. БАЖИН, Д.А. ЛОГИНОВ. ГО MEO СТАТИ ЧЕС КАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И САМООРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ITOIWIЕОСТАТИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И САМООРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ1
HOMEOSTATIC INSTABILITY AND SELF-ORGANIZATION OF LEARNING ACTIVITIES
П.П. Дьячук, Д.С. Бажин, Д.А. Логинов P.P. Dyachuk, D.S. Bazhcin, D.A. Loginov
Гомеостаз, бифуркация, учебная деятельность, самоорганизация, детектор ошибок. В статье впервые рассматривается возможность самоорганизации учебной деятельности человека на основе компьютерного симулятора детектора ошибок. Показано, что самоорганизация деятельности инициируется неустойчивым состоянием (бифуркацией) учебной деятельности обучающегося, вызванной изменением гомеостаза числа ошибочных действий.
Человек как открытая система обладает способностью к саморазвитию и продуцированию новой для себя информации, полученной на основе опыта самостоятельной деятельности. Необходимым условием получения новой информации является состояние неустойчивости (бифуркации), которое возникает в процессе научения решению задач в условиях неопределенности [Чернавский, 2004, с. 304]. Статья посвящена решению проблемы неустойчивости состояния обучающегося и его поведения, что позволяет получить новые диагностические методы самоорганизации учебной деятельности.
Самоорганизация обусловлена продуцированием обучающимся информации о способе и стратегии решения задач в точке бифуркации деятельности. Бифуркация определяется как точка ветвления развития учебной деятельности либо в направлении ее прогресса, либо в направлении регресса. Прогресс соответствует уменьшению числа ошибок и совершенствованию структуры системы действий, а регресс - увеличению числа ошибок и деградации структуры системы действий. Состояние бифуркации деятельности обучающегося может возникнуть вследствие возрастания неопределенности проблемной среды. Проблемная среда - это совокупность условий, выполнение кото-
Homeostasis, bifurcation, learning activities, self-orgafixation, error detector
This article was first to consider the possibility of human self-organization of learning activities based on the computer simulation of an error detector. It is shown that self-organization of the activity is initiated by an unstable state (bifurcation) of a student's learning activities caused by the changes in homeostasis of the number of erroneous actions.
рых необходимо и достаточно для научения решению задач. В качестве таких условий можно выделить: 1) множество возможных действий или операций, необходимых для выполнения деятельности по решению задачи; 2) рабочее поле или пространство состояний решения задачи, в котором совершаются действия по поиску решения задачи; 3) генератор последовательности аналогичных задач; 4) наличие адаптера - механизма местной обратной связи, позволяющей: а) получать обучающемуся информацию о полезности совершаемых действий для решения текущей задачи; б) отменять или ликвидировать неправильные действия, совершенные в моменты выхода за пределы гомеостаза числа ошибок; 5) наличие «бифуркатора» -главной обратной связи, регулирующей величину гомеостаза числа ошибок или частоту подачи информации о полезности действий.
Гомеостатическая система управления деятельностью обучающегося представляет собой компьютерный симулятор детектора ошибок мозга [Бехтерева, 2005, с. 112], который регулирует число совершаемых человеком ошибок и поддерживает правильное поведение человека, состоящее в научении безошибочному решению задач. Предлагаемый компьютерный симулятор детектора ошибок контролирует гомеостатический параметр - число
Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития КГПУ им. В. П. Астафьева № 2011-ПР-217, проект 06/12.
ошибок. Если значение гомеостатического параметра выходит за пределы гомеостаза числа ошибок, то подключается регулятор, который ликвидирует ошибку. Например, в системе компьютерного «поводыря» учебных действий, представленного в работе [Дьячук и др. 2008, с. 260], гомеостаз числа ошибок равен нулю, поэтому компьютерная система управления ликвидирует или отменяет каждую совершенную ошибку.
Для определения величины гомеостаза числа ошибочных действий AL после завершения решения очередной задачи вычислительный модуль системы управления вычисляет относительную частоту правильных действий
(1)
где п -число правильных действий, п- общее число совершенных действий.
Гомеостатический интервал числа ошибок запишется как
AL = INT ( 0,5 )-1, (2)
1-р
где 1 > р > 0,5 - относительная частота правильных действий.
При j^y < р < | ¡ = 2*п-1, п = 1,2,3,... 1 3
Так, при "2<р<-^ AL = 0 номер уровня самостоятельности обучающегося n = 1, соответ-3 к
ственно, при у^р^т- AL = 0 и номер уровня самостоятельности обучающегося п = 2 и т. д.
Интерфейс гомеостатического регулятора учебной деятельности представлен: а) уровневым индикатором мотивационного управления учебной деятельностью, который отображает изменение уровня самостоятельности учебной деятельности обучающегося; б) датчиком гомеостатического параметра с изменяющейся гомеостатической областью в зависимости от уровня самостоятельности обучающегося; в) действиями системы управления по отмене ошибок обучающегося при превышении гомеостаза AL числа ошибок. Постоянно при превышении числа неправильных действий области допустимых значений числа ошибок гомеостатический регулятор отменяет неправильные действия.
Гомеостатический регулятор определяет рассогласование между реальной структурой учебной деятельности обучающегося z (t) и требуемой g (t), исключающей неправильные действия. На основании вычисленной ошибки х (t) определяется уровень деятельности обучающегося L., где i - номер
очередного формируемого задания - новой за-дачной (проблемной) ситуации. Ц дискретно изменяется во времени (после выполнения очередного задания) и определяется лишь параметрами структуры учебной деятельности обучающегося при выполнении предыдущего (1 -1) задания. Ц = 1. Уровень самостоятельности учебной деятельности отображается специальным датчиком в интерфейсе проблемной среды. В зависимости от значения уровня самостоятельности учебной деятельности определяются параметры функционирования адаптера. Если корректирующих воздействий (внешней информации) адаптера недостаточно для безошибочной деятельности обучающегося, то возникает состояние неустойчивости и, соответственно, состояние бифуркации в деятельности обучающегося. Он либо самостоятельно продуцирует недостающую внутреннюю информацию и станет действовать без ошибок, либо, вследствие недостаточной внешней и внутренней информации, будет совершать ошибки.
Адаптер - устройство, содействующее адаптации обучающегося к деятельности по поиску решения задачи в условиях, определяемых бифур-катором. Рассогласование, выраженное в количестве дискретных шагов (каждый из которых - это конкретное неправильное действие обучающегося, дискретно изменяющее определенный параметр проблемной среды), определяет отклонение от оптимальной траектории учебной деятельности. Эта информация, составляющая основу местной обратной связи, позволяет обучающемуся совершать ошибки до тех пор, пока их число не выйдет за пределы гомеостаза. При превышении гомеостаза ошибок включается конечный автомат ликвидации ошибок [Бортновский и др., 2013, с. 350], который возвращает число ошибок в область допустимых значений.
Приведенное описание показывает, что гомеостатический регулятор производит поиск такого режима работы местной обратной связи, при котором деятельность обучающегося наиболее эффективна. Следуя работе [Светлов, 2012, с. 208], в качестве показателя эффективности функционирования обучающегося в проблемной среде при выполнении ¡-го задания используют суммарный коэффициент обратной связи:
!• 1 •Д'-Р/' + Р,"! (2)
1 1 + АЬ-1 ' [ '
IV"1
где Рд'1 = у—¡=г - доля неправильных действий (Г - количество неправильных действий; 1М0 - об-
[70 1
П.П. ДЬЯЧУК, Д.С, БАЖИН, Д.А. ЛОГИНОВ. ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И САМООРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
щее количество действий); Рв'-1-относительная частота выхода параметра гомеостаза за область его допустимых значений
Параметр регулирования деятельности обучающегося представляет собой число ошибочных действий к. На рис. 1 приведен график зависимости к от номера действия. Гомеостатическая область ЛЬ допустимых значений к равна 3. Выход величины к за пределы интервала АЬ включает исполнительные механизмы регулятора, которые отменяют к = АЬ + 1 неправильное действие
Гомеостатическое регулирование ошибочных действий создает для обучающегося условия, позволяющие ему реализовать поисковую активность в процессе поиска решения задач с помощью некоторого набора доступных действий. Цель функционирования регулятора состоит в том, чтобы привести структуру деятельности обучающегося - набор осуществляемых им действий и их последовательность - в такое состояние, когда каждое совершаемое действие будет приближать решение задачи. При этом происходит самоорганизация деятельности.
Обучающийся, деятельность которого подлежит регулированию, является «черным ящиком». Подавая на его входы (органы чувств, в частности глаза или уши) управляющие сигналы, смысл которых ему понятен, на выходе мы имеем сигналы (в виде зафиксированных действий, доступных в проблемной среде, им совершаемых). Преобразование объектов проблемной среды для достижения целевого состояния задачи является для обучающегося локальной целью, которую он должен достичь, используя систему действий, доступных ему в проблемной среде. Формирование новой заданной ситуации (формирование соответствующего состояния интерфейса) происходит лишь в моменты включения главной обратной связи, а текущие изменения отображаются после каждого совершенного обучающимся действия.
Гомеостатический регулятор содействует обучающемуся в снятии структурного дисбаланса, обусловленного отрицательной обратной связью между деятельностью обучающегося и проблемной средой. Для этого в системе управления имеется модуль, который обеспечивает через датчик гоме-остатического регулятора положительную обратную связь между множеством правильных действий и отрицательную обратную связь с множеством неправильных действий.
Положительная обратная связь, реализуе-
мая гомеостатическим регулятором, поддерживает (усиливает) правильные действия обучающегося, а отрицательная обратная связь - угнетает неправильные. По мере научения относительная частота правильных действий возрастает, т. е. происходит самоорганизация учебной деятельности обучающегося.
Примерами реализации изложенных гомео-статических принципов управления учебной деятельностью являются проблемные среды, в которых обучающийся осуществляет деятельность по русскому языку [Дьячук, Никалаева, 2009, с. 137]. Задача состоит в расстановке знаков препинания в тексте.
Параметр регулирования учебной деятельности обучающегося представляет собой число ошибочных действий к. На рис. 1 приведен график зависимости к от номера действия.
к
0
I
0 10 20 30 40 50 60 70 п
Рис. 1. Гомеостатическая зависимость количества ошибок к от номера действия при третьем выполнении задания
Гомеостатическая область АЬ допустимых значений к равна 3. Выход величины к за пределы интервала АЬ включают исполнительные механизмы регулятора, которые отменяют к = АЬ + 1 неправильное действие.
Видно, что при расстановке знаков препинания обучающийся 7 раз превышал величину АЬ = 3. Вертикальные отрезки толстой линии, возвращающие графики в гомеостаз, отображают действия ликвидатора, отменяющего неправильные действия, выходящие за пределы гомеостаза. Надо отметить, что зависимость к от номера действия п, приведенная на рис. 1, получена для четвертого уровня самостоятельности. На рис. 2 приведена актиограмма учебной деятельности [Дьячук и др. 2013, с. 106], соответствующая графику гомеостатической кривой на рис. 1. Действия гомеостатического регулятора показаны толсты-
ми вертикальными отрезками. Как на рис. 1, так и на рис. 2 действий произведено гораздо больше, чем количество знаков препинания, которые необходимо расставить. Минимальное количество действий равно числу знаков препинания.
Рис. 2. Актиоограмма I обучающегося расстановке знаков препинания (синтаксису русского языка)
При построении актиоограммы учебной деятельности использовалась модель «равных цен» [Хант, 1978], поэтому единичные скачки на графике отвечают действиям установки и отмены знаков препинания. Деятельность обучающегося является саморазвивающимся процессом, взаимосвязанным с проблемной средой и личностными особенностями обучающегося. Несмотря на то что задание одно и то же и потенциально проблемная среда одинакова для всех обучающихся в процессе научения, самоорганизация учебной деятельности происходит в соответствии с индивидуальными особенностями обучающихся. Обучающийся решает задачу расстановки знаков препинания до тех пор, пока его деятельность не станет безошибочной. При выполнении первого задания обучающийся незамедлительно получает информацию о правильности или неправильности каждого действия. По мере повышения уровня самостоятельности гомеостаз числа неправильных действий будет увеличиваться в соответствие с формулой (2), а ликвидатор будет подключаться все реже и реже. Суммарный коэффициент обратной связи (2) между системой управления и обучающимся стремится к нулю.
Целью функционирования гомеостатическо-го регулятора учебной деятельности являются выработка стереотипов правильного с точки зрения решения задачи поведения обучающегося и активация собственной внутренней системы контроля за деятельностью. Это состояние возникает при до-
стижении суммарным коэффициентом обратной связи нулевого значения. При этом действия обучающегося не зависят от сигналов датчиков проблемной среды и определяются только собственным детектором ошибок, контролирующим правильность решения задачи в соответствии с выработанными стереотипами поведения, полученными вследствие самоорганизации учебной деятельности обучающегося.
Учебная деятельность обучающегося является саморазвивающимся процессом, взаимосвязанным с проблемной средой и индивидуальными особенностями обучающегося. Поведение обучающегося становится самодостаточным и не нуждается во внешнем подкреплении. Благодаря этому потребность в гомеостатическом регуляторе снижается, а деятельность обучающегося становится автономной.
Библиографический список
1. Бехтерева Н.П. Человек должен ставить себе сверхзадачи // Времена. 2005. N9 15.
2. Бортновский C.B., Дьячук П.П. (мл.), Суровцев В.М. Конечные автоматы постоянного и эпизодического контроля и регулирования учебных действий // XVIII конференция «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 2013. С. 349-352.
3. Дьячук П.П., Николаева Ю.С. Компьютерные динамические тесты адаптивного поведения человека в проблемной среде // Системы управления и информационные технологии. 2009. № 3.1 (37). С. 135-139.
4. Дьячук П.П., Лариков Е.В. Постнеклассиче-ская парадигма диагностики учебной деятельности // Вестник КГПУ им. В.П. Астафьева. 2013. № 1. С. 103-110.
5. Дьячук П.П., Пустовалов Л.В., Суровцев В.М. Система управления поиском решения алгоритмических задач // Системы управления и информационные технологии. 2008. N9 3.2 (33). С. 258-263.
6. Светлов В.А. Введение в единуютеориюанали-за и разрешения конфликтов. М.: ЛИБРОКОМ, 2012. 304 с.
7. Хант Э. Искусственный интеллект. М.: Мир, 1978. 558 с.
8. Чернавский Д.С. Синергетика и информатика. Динамическая теория информации. Изд. 2-е, испр., доп. М.: УРСС, 2004.
