CC BY
34
ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОАСПЕКТНОГО АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КАК МЕТОД МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ
В.М. Курейчик, д.т.н., проф. Тел.: (8634) 39-32-60, 31-14-87; E-mail: kur@tsure.ru В.И. Писаренко, к.п.н., доц. каф. Иностранных языков Тел.: (8634)61-24-63; E-mail: kvv@itt.net.ru Ю.А. Кравченко, к.т.н., доц. каф. САПР Тел.: (8634) 37-16-51; E-mail: krav-jura@yandex.ru Технологический институт Южного федерального университета (г. Таганрог)
http://www.tsure.ru
The article is devoted to development of methods of interactive training in innovative education. Problems of construction intellectual educational systems are considered.
Введение
Большинство образовательных систем обеспечивают индивидуализацию образования, выстраивая адаптированные траектории обучения субъекта, тогда как одной из важнейших составляющих компетентности специалистов является способность эффективно работать в группе и подгруппах. В связи с этим актуальной является задача разработки активных образовательных сред и систем, использующих групповые образовательные модели, построенные на основе технологии многоаспектного аналитического исследования (коллективного обучения), т.е. - на синергетической технологии, реализующей процедуры погружения группы в ситуацию формирования эффектов умножения знания, инсайтного озарения, обмена открытиями и т.д. [3].
1. Принципы открытого образования в создании групповых технологий обучения
Одним из недостатков сложившейся образовательной системы является отсутствие в комплексе целей такого компонента, как развитие потенциальных творческих возможностей личности. В результате человек с недостаточно развитым творческим мышлением в дальнейшем испытывает трудности, работая в коллективе, принимая решения в условиях ограниченной информации, устанавливая связи между понятиями и явлениями. В контексте общих интел-
лектуальных способностей человека творческие способности определены как креативность.
С деятельностной точки зрения креативность может проявляться в составляющих познавательной деятельности - в ходе решения творческих задач, участия в проектах и т.д. В рамках познавательной деятельности креативность определяют как дивергентное мышление, которое характеризуется способностью выдвигать множество в равной степени правильных идей при решении некоторой проблемы, нестереотипностью самого мышления. Дивергентное мышление характеризуют быстрота, гибкость, оригинальность и точность [4]. Важными качествами компетентного специалиста являются умения выдвигать максимальное количество разнообразных нестандартных идей, находить необычные решения, совершенствовать продукт творчества, добавляя детали, стремиться к завершенности. Таким образом, у человека с развитым дивергентным мышлением должны быть в достаточной степени выражены навыки в когнитивном (познавательном), психомоторном и аффективном (эмоциональном) видах деятельности.
Развитию у человека вышеперечисленных качеств во многом способствуют технологии открытого образования. Если рассматривать систему открытого образования (СОО) с технической точки зрения, - это использование принципов открытых систем
при создании технологических систем в образовании [1,2], что обеспечивает адаптивность и мобильность образовательных технологий. В социальном плане - это система организационных, педагогических и информационных технологий, обеспечивающих мобильность и доступность образовательных услуг [2].
Рассматривая метапринципы СОО: аксиологический, культурологический, гуманистический, герменевтический, синергетиче-ский и валеологический, - остановимся на синергетическом метапринципе. Этот принцип требует, чтобы в результате образования обучаемым достигался синергетический эффект, при котором сумма полученных знаний дает дополнительное качество, не присутствующее в слагаемых [2]. Таким образом, уровень образованности - не только освоение определенной суммы знаний, но и умение:
- действовать в рамках установленных целей и задач;
- согласовывать свои действия с действием партнера;
- самостоятельно развиваться.
Скорее всего, это умение может быть приобретено только при совместной (групповой) работе, когда рождаются идеи более высокого качества, чем при индивидуальной деятельности тех же обучаемых. Это происходит за счет интерактивного эффекта.
Большая степень взаимодействия приводит к «перекрестному опылению» [3]. То есть идея, которая сама по себе может быть отвергнута в силу недостаточной обоснованности или непрактичности, дорабатывается совместными усилиями, додумывается другими и тем самым улучшается, становится все более конструктивной.
2. Модель группового обучения
Современные методы обучения подразумевают «субъект-субъектный» подход, когда обучаемый воспринимается не как «объект» воздействия и управления, а как личность («субъект»), обладающая собственными характеристиками и психофизиологическими особенностями [10]. С этой точки зрения эффективным методом активации образовательных процессов является интерактивное обу-
чение как способ познания, осуществляемый в формах совместной деятельности обучающихся. То есть интерактивное обучение - имитация интерактивных видов деятельности: моделирование ситуаций, оценка проведенных действий, создание реальной атмосферы коллективного разрешения проблем [11].
Известно, что навыки не передаются, но интерактивные методы обучения позволяют осуществить перенос способов организации деятельности и получить новый опыт общения. В таком виде обучение идет не от теории к практике, а от формирования нового опыта к его теоретическому осмыслению через применение [3].
В рамках решения проблем развития навыков во всех видах деятельности личности обучаемого интерактивное обучение решает задачи развития учебно-познавательной, ком-муникационно-разви-вающей и социально-ориентационной составляющих [9]. Так же активно развиваются все стороны общения участников учебного процесса: коммуникация, интеракция и перцепция. Такое обучение построено на групповом взаимодействии. Группа является центральным понятием социальной психологии. По классификации групп, распространенной в социальной психологии, выделяются пять видов: конгломерат, ассоциация, кооперация, корпорация и коллектив. Коллектив является самой устойчивой во времени организационной группой людей с совместной общественно полезной целью, органами управления и сложной динамикой формальных и неформальных отношений [7]. Внутри коллектива может существовать референтная группа - обычно небольшая, занимающая лидирующие позиции. Естественно, что желательным является наличие в референтной (малой) группе, как минимум, по одному представителю с доминирующим развитием навыков одного из видов деятельности личности (аффективный, когнитивный, психомоторный). С учетом соблюдения данного требования наиболее эффективной малой группой будет триада. На основе принципа модерации [8] как инновационной формы повышения квалификации специалистов различают три уровня организации обучения:
• эмоциональный (переживаний);
• содержательный (предметный);
• коммуникационный (взаимодействия и выполнения).
Исходя из вышесказанного, представим групповую модель обучения навыкам решения творческих задач (рис. 1).
Участник группы с эмоциональной доминантой
с=>
I Енициир ов ание
Участник группы с когнитивной доминантой
Участник группы с психомоторной доминантой
ZD
Анализ и оценка
ZD
Реализация
Рис. 1. Модель группового обучения навыкам решения творческих задач
Целевой функцией данного процесса группового обучения является максимальная интеграция навыков во всех видах творческой деятельности личности обучаемого. Причем каждый вид деятельности должен быть обеспечен достаточным уровнем умений. Опишем выражение целевой функции Е:
m n z / \
F = zs ZlCz v Nj v Zk)
i=1 j=1 k=1
► max
где Mi - признаки эмоциональной доминанты;
Nj - признаков когнитивной доминанты;
Zk - признаки психомоторной доминанты.
Причем m > m0, n > n0, z > z0, где m0, n0,, z0 - минимально приемлемые наборы признаков, характеризующих определенную доминанту.
Рассмотрим возможности применения кейс-метода (case study) как техники обучения, использующей описание реальных ситуаций. Кейс-метод - сложная многоаспектная исследовательская аналитическая технология коллективного обучения, которая является синергетической технологией и си-нергетической разновидностью проектной технологии [3]. В обычной обучающей проектной технологии процесс разрешения имеющейся проблемы осуществляется посредством совместной деятельности учащихся, тогда как в кейс-методе формирование проблемы и путей ее решения происходит на основании кейса, который является одновременно и техническим заданием, и источником информации для осознания вариантов эффективных действий.
По отношению к другим технологиям обучения кейс-метод можно представить как сложную систему, в которую интегрированы другие, более простые методы познания:
моделирование, системный анализ, проблемный метод, мысленный эксперимент, методы описания и классификации, игровые методы и др.
Подобную технологию можно положить в основу принципов построения многоаспектной аналитической системы (среды) машинного обучения.
3. Интеллектуальные мультиагент-ные образовательные системы (ИМАОС)
Построенные на основе предложенных принципов интеллектуальные системы обучения и контроля качества знаний и уровня пониманиия позволяют оказывать прямое воздействие на развитие качеств, характеризующих дивергентное мышление.
Непосредственное воздействие на формирование навыков быстроты продуцирования большого количества разнообразных идей или решений оказывают обучающие и тренировочные модули с контролем времени [4]. Говорить о развитии быстроты именно дивергентного мышления можно только в тех случаях, когда эти программы основаны на нелинейных алгоритмах и при повторном использовании предлагают обучаемому все новые и новые ситуации, моделируя групповую деятельность, а также используют объемный банк разноуровневых заданий, адаптируясь под конкретного обучаемого.
Прямое воздействие на развитие быстроты мышления оказывают и мозговые штурмы. Коммуникационные технологии позволяют применить этот метод даже для тех, кто обучается дистанционно, или в тех случаях, когда мозговой штурм требуется для выработки наиболее эффективного решения участниками совместного телекоммуникационного проекта. Работа с системами поиска информации и гипертекстовыми системами влияет на формирование быстроты мышления даже косвенным образом, по-
скольку эффективность их использования напрямую связана с разработкой многовариантной схемы поиска. Полезно, если обучаемые будут фиксировать в письменной форме логику рассуждений при выполнении такого поиска. Подобная рефлексия приучает к анализу своих действий и выработке своеобразных алгоритмов, помогающих быстро выбрать способ действий в подобной ситуации.
Многие обучающие и моделирующие программы необходимо строить по принципу конструктора, предлагающего обучаемому специальную среду, в которой можно развивать гибкость мышления, строя из заданного набора элементов модели процессов - технологических, экономических, политических, физических, химических и т.д. Развитие творческого мышления здесь зависит от того, какие задачи поставлены перед обучаемым. Главное правило формулируется просто: требования к конечному продукту деятельности обучаемого (при четкой конкретизации инструментов исполнения) должны носить самый общий характер, оставляя простор для самовыражения.
Такие задания называют открытыми [4], они фиксируют только структуру решения или отдельные элементы. Дополнительное использование таких заданий в сочетании с программными средствами создает соревновательный момент: как при ограниченных возможностях получить наиболее интересный результат. Принцип открытости заданий важен еще и потому, что на его основе можно пробудить интерес к работе с компьютером вообще, поскольку обучаемый на своем опыте может убедиться в том, что с помощью ограниченного набора инструментов и алгоритмов можно получать самые разнообразные результаты на основе своих творческих приемов и подходов [12]. Многие программные средства универсального назначения именно благодаря своей универсальности служат прекрасным инструментом для выдвижения и реализации широкого многообразия идей по использованию определенного набора объектов в самых различных целях - это важное средство развития гибкости мышления. Диапазон предлагаемых заданий широк - от простейших, носящих учебный характер, до исследовательских проектов.
Развитие способностей к оригинальности, позволяющих обучаемому улавливать неочевидные ассоциации, продуцировать нестандартные идеи и решения проблем, по
всей вероятности, является одной из актуальных и сложных задач. Подобное раскрепощение мышления может стать возможным благодаря комплексным свойствам информационной образовательной среды, позволяющей обучаемому совместно с педагогом проектировать индивидуальную образовательную траекторию, подбирая наиболее подходящий график обучения, информационные ресурсы, наконец, методы обучения. Важную роль здесь играет возможность самовыражения для каждого, когда педагог и другие обучаемые не делают скоропалительных выводов и необоснованных суждений, предоставляя вероятность проявления инициативы. И здесь поддержку могут оказать коммуникационные технологии. В асинхронной среде посредством переписки по электронной почте с педагогом или участия в электронной конференции у каждого обучаемого, даже застенчивого или замкнутого по натуре, появляется возможность представить свой, расходящийся с общепринятым взгляд на проблему.
Точность относится к категории характеристик дивергентного мышления, это качество можно считать достаточно универсальным, поскольку оно бывает присуще и людям, не отличающимся творческими способностями. В то же время творческая познавательная деятельность без стремления к завершенности результата - лишь имитация творчества [4]. Наиболее эффективным средством, стимулирующим обучаемых к совершенствованию продукта творчества, являются разнообразные формы коллективного сотрудничества. Информационная образовательная среда учебного заведения позволяет объединить усилия для выполнения совместных телекоммуникационных проектов, в которых каждый участник несет ответственность за качество итогового результата. Этот способ апробации полученных результатов возлагает на авторов особую ответственность, поскольку такие публикации активно изучаются не только в самом учебном заведении, но и за его пределами [4]. Этот момент является для обучаемых дополнительным стимулом к совершенствованию результатов своей работы.
Необходимо отметить, что установление двусторонних и многосторонних динамических отношений между субъектами -это главная черта мультиагентных систем (МАС) [6]. Направление разработки интеллектуальных мультиагентных систем сформировалось на основе результатов исследо-
ваний в области распределенных компьютерных систем, сетевых технологий и параллельных вычислений.
Основным принципом построения является автономность отдельных частей программы (агентов), совместно функционирующих в распределенной системе, где одновременно протекает множество взаимосвязанных процессов. Агент - автономный искусственный объект, обладающий активным мотивированным поведением и способный к взаимодействию с другими объектами в динамических виртуальных средах. Важной областью применения мультиагентных технологий является моделирование. Чаще всего, это задачи распределенного управления и задачи планирования достижения целей, где усилия разных агентов направлены на решение общей проблемы, и необходимо обеспечить эффективный способ кооперации их деятельности. Понятие агент соответствует аппаратно или программно реализованной сущности, которая действует в интересах достижения цели [6].
Для реализации в МАС представленной выше модели группового обучения агентам моделируемой триады должны быть присущи следующие основные свойства:
1) автономность - способность функционировать без вмешательства извне и осуществлять контроль собственных действий и внутреннего состояния, т.е. относительная независимость от внешней среды;
2) активность - способность к организации и реализации действий;
3) общительность - взаимодействие и коммуникация с другими агентами;
4) реактивность - адекватное восприятие состояния среды и реакция на его изменение;
5) целенаправленность - наличие собственной мотивации;
6) компетентность - наличие базовых знаний о себе, о других агентах и об окружающей среде;
7) мобильность - способность мигрировать по сети в поисках необходимой информации.
По степени развития внутреннего представления о внешнем мире агенты должны быть когнитивными (интеллектуальными), обладать хорошо развитой и пополняемой символьной моделью внешнего мира благодаря наличию базы знаний, механизмов рассуждения и анализа действий (что выгодно отличает данные сущности от реактивных агентов, не имеющих развитого представле-
ния о внешней среде и собственных ресурсов).
4. Разработка архитектуры ИМАОС
Интеллектуальная мультиагентная система представляет собой множество интеллектуальных агентов, распределенных в сети, которые мигрируют по ней в поисках релевантных данных, знаний, процедур, решений и кооперируются для достижения поставленных целей [6]. В зависимости от концепции, принятой при разработке МАС, возможны различные принципы построения архитектур.
В архитектурах, основанных на методах работы со знаниями, используются традиционные модели, методы и средства искусственного интеллекта и механизмы формальных рассуждений. Такие архитектуры достаточно сложны и затрудняют построение полных баз знаний, которые являются необходимой частью создаваемых систем.
Реактивные архитектуры, представленные либо наборами правил, либо конечными автоматами, имеют высокую степень специализации и строгие ограничения на сложность решаемых задач.
Наиболее приемлемыми являются гибридные интеллектуальные МАС, которые позволяют использовать возможности интеллектуальных и реактивных архитектур.
Таким образом, целесообразно применение искусственных нейронных сетей (ИНС) для реализации МАС [6]. Благодаря своим способностям к самоорганизации и обучению ИНС рассматриваются как перспективные средства. Основным препятствием на пути построения обучающих систем на основе искусственных нейронных сетей является необходимость работы с неточностью, неопределенностью и частичной истинностью [5].
Наибольшего успеха в развитии интеллектуальных систем можно достичь только путем комбинации методологий теории нечетких множеств, нейронных сетей, генетических алгоритмов и вероятностных вычислений. Нечеткая логика лежит в основе методов работы с неточностью, гранулированием информации, приближенными рассуждениями, вычислениями со словами. Нейро-вычисления отражают способность к обучению, адаптации и идентификации. Генетические алгоритмы позволяют систематизировать случайный поиск и достигать оптимального значения характеристик. Вероятностные вычисления обеспечивают базу для управления неопределенностью.
Тогда, исходя из предложенной выше модели группового обучения способностям решения творческих задач и принципов разработки архитектур ИМАОС, можно представить архитектуру системы (рис. 2), структура агентов которой будет состоять из триады:
- усредненная модель эксперта (УМЭ) -как основа когнитивной составляющей;
- интегрированная модель обучаемого (ИМО) - как способ дополнения триады видов деятельности в зависимости от выбранной индивидуальной траектории обучения;
- модель знаний обучаемого (МЗО) -как отражение динамики процесса обучения для конкретного обучаемого.
Для формирования модели когнитив-
ных структур экспертов и испытуемых (база знаний - БЗ) целесообразно использовать ассоциативные и семантические сети.
Для построения ассоциативных сетей применяется метод оценки попарной близости и его модификация, использующая не два, а три понятия (триады), в которой необходимо выделить понятие, которое наиболее слабо связано с двумя другими.
Для построения семантических сетей используется методика, сущность которой состоит в предъявлении испытуемому (эксперту) триад понятий и извлечения информации об отношении между ними.
Причем, одна триада может содержать не одно, а несколько различных отношений, т.е. связи могут быть и двунаправленными.
Рис. 2. Архитектура ИМАОС
Использование трех понятий позволяет выявить иерархические отношения и построить элементарные бинарные деревья, объединение которых позволяет организовать сложные многоуровневые, иерархические семантические структуры.
Саморазвиваемость и самоорганизованность основана на идее автоматического развития искусственных, когнитивных структур модели и знаний по результатам взаимодействия программных средств (агентов) с экспертами и испытуемыми. В ходе развития системы предусмотрено создание как индивидуальных агентов (эксперт и обучаемый), так и усредненных агентов и интегрированных суперагентов, которые являются результатом объединения когнитивных структур в единое когнитивное поле.
В состав системы входит особый агент - интерфейс, названный тьютором. Эта модель ведет учет, осуществляет координацию и наставничество, знакомит обучаемых с их индивидуальными траекториями обучения.
Главная черта такой системы - взаимо-
действие между агентами, т.е. установление двусторонних и многосторонних динамических отношений между субъектами как необходимое условие формирования виртуальных сообществ. Главными характеристиками такого взаимодействия являются направленность, избирательность, интенсивность и динамичность.
Проблемы коллективного поведения необходимо рассматривать в контексте теории систем, теории управления и теории игр. Основной идеей системного анализа является применение декомпозиции исходной задачи на более простые. В мультиагентных системах идея декомпозиции воплощается в принцип распределенного решения подзадач с их координацией для получения стратегии коллективного поведения.
Заключение
В статье была предложена модель группового обучения навыкам решения творческих задач и разработана архитектура интеллектуальной мультиагентной образова-
тельной системы (ИМАОС). Исследования проводились на основе методов активизации обучения. По результатам работы можно сделать вывод, что применение технологий интерактивного обучения позволяет усилить синергетический эффект образовательного процесса за счет формирования у обучаемых нового опыта и перехода к его теоретическому осмыслению через применение.
Развитие технологии использования мультиагентных систем напрямую связано с применением принципов гомеостатическо-го (равновесного) управления. Также необ-
ходимо создание адекватных механизмов активизации знаний, требующихся при решении конкретных проблем, т.е. повышение активности интеллектуальных агентов не в накоплении, а в правильной активизации нужных знаний в процессе решения задач.
Творчество - это удел человека. Современные информационные технологии могут помочь в развитии соответствующих способностей и сделать эффективнее многие этапы творческого процесса, позволяя добиваться все более и более совершенных результатов.
XV Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2008»
Конференция будет проводиться 23-26 июня 2008 г. в Санкт-Петербурге в конференц-залах гостиницы «Октябрьская». Организаторы конференции: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики и Государственный НИИ информационных технологий и телекоммуникаций «Информика» при поддержке Американского благотворительного фонда «Информатизация».
Секции конференции:
Высокопроизводительные вычисления и компьютерное моделирование в прикладных науках: вычислительный инструментарий е-8с1епсе (Сопредседатели: Четверушкин Б.Н., Воеводин ВВ., Бухановский А. В.)
Перспективные технологии и инфраструктуры телекоммуникаций (Сопредседатели: Ижва-нов Ю.Л., Терещенко П.Г.)
Виртуальные среды и имитационные технологии в науке и образовании (Сопредседатели: Старых В.А., Тозик В.Т.).
Информационные ресурсы и технологии в образовании (Сопредседатели: Иванников А.Д., Крукиер Л.А.)
Источник Сайт конференции (http://tm.ifmo.ru/)
Литература
1. Виленский В.Я. Технологии профессионально-ориентированного обучения в высшей школе: Уч. пособие / В. Я. Виленский, П.И. Образцов, А.И. Уман; под ред. В. А. Сластенина.- М.: Педагогич. общество России, 2004. - 192 с.
2. Инновационные технологии и информатизация образования: Учебник / В.П. Кулагин [и др.]// ГНУ «Госинформобр». - М.: Янус-К, 2005. - 180 с.
3. Панина Т.С. Современные способы активации обучения: Уч. пособие для вузов / Т.С. Панина, Л.Н. Вавилова; под ред. Т.С. Паниной. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. - 176 с.
4. Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании: Уч. пособие для вузов. - 3-е изд. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. - 192 с.
5. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2001. - 288 с.
6. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Интеллектуальные информационные системы: Учебник. -М.: Финансы и статистика, 2004. - 424 с.
7. Столяренко Л. Д. Основы психологии.- Ростов н/Д, 1997.
8. Тепфер Й. Модерация как средство повышения эффективности работы на собраниях и заседаниях // www.Ngosnews.ru/nwfa/method/04_skil.htm. - 2004.
9. Кларин М.В. Интерактивное обучение - инструмент освоения нового опыта.- М.: Педагогика, 2000.
10. Загвязинский В. И. Теория обучения: Современная интерпретация: Уч. пособие.- М.: Педагогич. общество России, 2001.
11. Касаткин С.Ф. Техника обратной связи в аудитории.- М.: Новые знания, 2002.
12. Кричевский Р.Л. Психология малой группы: теоретические и прикладные аспекты / Р.Л. Кри-чевский, Е.М. Дубовская. - М.: Педагогика, 1991.
