CC BY
33
Международный электронный научный журнал ISSN 2307-2334 (Онлайн)
Адрес статьи: pnojournal.wordpress.com/archive18/18-02/ Дата публикации: 1.05.2018 № 2 (32). С. 224-229. УДК 65.012 (075.8)
А. В. Ганичева
Учебное пособие как интеллектуальная система обучения
В статье для описания структуры учебного пособия применяется автоматная грамматика. На примере анализа структуры параграфа показано, как проводить более подробную детализацию. Разработан метод описания онтологий учебного пособия в виде цепочек формального языка. Рассмотрены вопросы представления процесса изучения учебного пособия формальной грамматикой. На конкретном примере показано, как использовать грамматический метод для схемы освоения учащимся фрагментов учебного материала. Теория формальных грамматик применяется в данной статье для описания структуры как учебного пособия (учебника) в целом, так и его структурных элементов. Разработан подход к рассмотрению с единых концептуальных позиций вопросов построения учебного пособия (учебника) и вопросов обучения по нему учащихся. Реализация разработанной технологии позволит автоматизировать анализ качества учебного пособия и других аналогичных учебно-методических материалов.
Ключевые слова: система, автоматная грамматика, алфавит, символ, правила вывода, структура, цепочка, учебное пособие, параграф, онтология, фрагмент
Perspectives of Science & Education. 2018. 2 (32)
International Scientific Electronic Journal ISSN 2307-2334 (Online)
Available: psejournal.wordpress.com/archive18/18-02/ Accepted: 1 April 2018 Published: 1 May 2018 No. 2 (32). pp. 224-229.
A. V. Ganicheva
Manual as intellectual system of training
In article the automatic grammar is applied to the description of structure of the manual. On the example of the analysis of structure of the paragraph it is shown how to carry out more detailed specification. The method of the description of ontologies of the manual in the form of chains of formal language is developed. Questions of representation of process of studying of the manual are considered by formal grammar. On a concrete example it is shown how to use a grammatical method for the scheme of development by the pupil of fragments of a training material. The theory of formal grammars is used in this article to describe the structure of both the textbook (textbook) as a whole and its structural elements. Approach to consideration from uniform conceptual positions of questions of creation of the manual (textbook) and questions of training of pupils on him is developed. The implementation of the developed technology will automate the analysis of the quality of the textbook and other similar teaching materials.
Keywords: system, automatic grammar, alphabet, symbol, rules of a conclusion, structure, chain, manual, paragraph, ontology, fragment
Введение
нтеллектуализация современных информационно-образовательных ресурсов является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений совершенствования учебного процесса. Для решения данной проблемы требуются совместные усилия педагогов, психологов, специалистов в области математических методов систем искусственного интеллекта, прикладной лингвистики и информационных образовательных технологий.
Известны применения методов искусственного интеллекта для решения самых различных задач. Например, в статьях [12], [13] разработаны методы автоматического распознавание структурированности текстов. Многие прикладные вопросы решаются с помощью теории формальных грамматик. Например, формальные грамматики используются для контент-анализа мнений [1], автоматизации семантического анализа текста технического задания [14].
Крайне важным является применение методов искусственного интеллекта в учебном процессе. В статье [4] создана синергетическая система учебного процесса как лингвистическая модель с использованием аппарата формальных грамматик и языков, экспертная система "Электронный сборник упражнений по основам элементарной логики" разработана в работе [2]. Интеллектуальную информационную систему предлагается использовать для оптимального контроля знаний учащихся [5].
Важной задачей является применение методов искусственного интеллекта к учебным материалам (учебникам, учебным пособиям, конспектам лекций, практикумам и т.д.). Примером такого подхода является работа [3], в которой учебник рассматривается как обучающая система.
Целью данной статьи является рассмотрение учебного пособия как интеллектуальной системы обучения. Для этого решены следующие задачи:
1) разработана автоматная грамматика описания структуры учебного пособия;
2) с позиций теории формальных грамматик рассмотрена структура параграфа, показано, как проводить более подробную детализацию учебного пособия;
3) разработан метод описания онтологий учебного пособия в виде цепочек формального языка;
4) рассмотрены вопросы представления формальной грамматикой процесса изучения учащимися учебного пособия.
Применение новых интеллектуальных информационных технологий способствуют повышению эффективности обучения, а также является незаменимым инструментом при самостоятельной подготовке студентов, особенно при дистан-
ционной форме обучения. Интенсивное использование интеллектуальных информационных технологий является сильнейшим аргументом в конкурентной борьбе на мировом и российском рынке образовательных услуг.
Описание и анализ структуры учебного пособия с помощью аппарата теории формальных грамматик
Любое учебное пособие (или учебник) имеет следующую типовую линейную структуру (см. рис. 1)
Рис. 1 Структура учебного пособия
Подобные структуры описываются автоматными грамматиками вида:
в=</, Ы, Т, И>,
где:
I - начальный символ;
N - нетерминальный алфавит, N = {А1, А, А3,...}; Т - терминальный алфавит, Т = {<Введение>, <Часть 1>, ... , <Часть Ы>, <Глава 1.1>, ... ,<Глава п.т >, <§1.1.1>, ... ,<§п.т .к >};
п ' ^ ' ' ^ п п ''
И - совокупность правил вывода. Правила вывода имеют вид: I ^ <Учебное пособие>А„
А1 ^ <Введение>А2, А2 ^ <Часть 1>А3, А3 ^ <Глава 1.1>А4, Ал ^ <§1.1.1>А, А5 ^ <1.1.1>А6 и т.д.
Возможна более подробная детализация структуры учебного пособия, например, описание структуры каждого параграфа. Так в учебном пособии [9] § 7, посвященный финансовым решениям в условиях рынка и оценки текущей стоимости фирмы описывается следующим образом (см. рис. 2).
Рис. 2 Структура § 7
Нумерация блоков слева обозначает номер структурного звена.
Структуру седьмого параграфа можно описать автоматной грамматикой: < I, Ы, Т, И>,
где:
Т - это структурные звенья системы § 7,
N = {А1, А2, А3, А}};
И - правила вида:
I ^ § 71) А,, А1 ^ 2) А2, А2 ^ 3) А3, А3 ^ 4) А, А} ^ 5) А, А5 ^ 6) А, А6 ^ 7) А, А7 ^ 8) Ае ^ 9) А, Ад ^ 10) Ао, А10 ^ 11).
Контекстно-свободная грамматика
онтологии
Содержащиеся в учебном пособии онтологии также можно представить в виде цепочки языка. Например, в [8] онтология "Обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка" представлена графически следующим образом (см. рис. 3)
Данная онтология описывается следующей грамматикой:
< I, N, T, R>,
где:
I — "Обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка"А1,
A1 — 1) A2,A2 — 2) A3,A3 — 3) A4,A4 — 4) A5A6,A5 — 5), A6 — 6) A7, A7 — 7) A8,A8 — 8) A9 — 10) A10, A9 — 12), A10 — 11) A11,13) A11 — 13).
Терминальный алфавит - структурные звенья {"Обыкновенное дифференциальное уравне-
Рис. 3 Онтология "Обыкновенное дифференциальное уравнение п-го порядка"
ние", 1), 2),..., 13)}; нетерминальный алфавит, N
= {I, А1, А2, '"' Аи}.
Данная грамматика является КС-грамматикой.
Грамматическое представление процесса изучения учебного пособия
Процесс изучения учебного пособия также можно описать грамматикой, как это сделано в работе [7].
Типичный параграф состоит из следующих фрагментов учебного материала: А0 -вступление, А1 - определение, А2 - теорема, А3 - доказательство, А4 - следствие, А5 - пример, А6 - задача, А7 - пояснение, А8 -рекомендации.
В общем случае такой параграф описывается грамматикой:
в=< I, N Т, Я>,
, N = {Б1, В,, ..., В} , R -
где:
где: Т = {А1, А.,, ... , совокупность правил вывода. Правила R имеют вид:
1) I ^ А0В , 2) В0 ^ А1В1, 3) В1 ^ А.В. (I = 0,2, 4-8) 4) В2 ^ АВ. (I = 0,8), 5) В3 ^ АВ . (I = 0,8) 6) В4 ^ АВ. (I = 08), 7) В5 ^ АВ. (I = 08) 8) В6 ^ АВ. (I = 08), 9) В7 ^ АВ . (I = 08) 10) В8 ^ АВ . (I = 08), 11) В. ^ А+1, 12) В8 ^ А8.
Здесь в правиле 3) исключен случай следования из определения без изучения формулировки теоремы прямо на ее доказательство.
Пусть, например, некоторый параграф имеет следующую последовательность перечисленных фрагментов:
А0, А1, А 7, А5, А2, А3, А 7, А4, А6, А8'
Пусть процесс изучения этих фрагментов данным учащимся происходит согласно схеме (см. рис. 4).
A-\ A.7 A5 A.^ A5 A2 A3 A0 A_2 A3 A.7 -A-4 Aß -A-8
Рис. 4 Процесс изучения фрагментов
Из данной схемы видно, что к фрагментам А1, А,, А2 и А3 учащийся возвращается дважды. Здесь дугами снизу показаны дополнительные фрагменты. Чем больше дополнительных фрагментов и символов в них, тем труднее усвоение данного учебного материала. Вывод данной цепочки будет происходить по следующей схеме:
I
ikj R
0 0
2).
>4 4 А -^>44А7В7 ~^>а0А1А1А5В5 -^>44-444Д
Э)
Оч
>444444^ -^>4444444^ -^>44444444^
4),
i)s
5).
5),
^ l —ir J." ^L^i-jr ^^ —-»'"i.v -»^"i-T ^^
>4444444444444^^44444444444444.
о
В данной работе рассмотрен упрощенный вариант направленности "движения" студента по учебному пособию с возможностью перехода из каждого блока в каждый, кроме одного указанного перехода. Переходный режим можно сделать более строгим, если подвергнуть запрету еще некоторые переходы, например, из <Введения> в <Пояснения>и т.п. Затем строится соответствующая грамматика, которая является своеобразным "автоматическим регулировщиком" при последовательности изучения студентом учебного пособия (учебника). При "движении" студента по учебному пособию целесообразно учитывать типологию учащихся. Для этого можно использовать математическое описание типологии учащихся [6].
Рассмотренные методы грамматического описания и анализа структуры учебного пособия, его элементов, онтологий и построение грамматик обучения учащихся могут применяться не только по четким данным, но и по нечеткой информации. Для решения этой задачи следует применять вероятностные и нечеткие грамматики, как это делается в [15], [10], [11].
_Заключение
Интеллектуальные системы обучения являются практическим результатом применения методов и средств искусственного интеллекта в области автоматизированного обучения и представляют собой новое поколение учебных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Брунова Е.Г., Бидуля Ю.В. Алгоритм с элементами формальной грамматики для контент-анализа мнений // Вестник Тюменского государственного университета. Серия "Физико-математические науки. Информатика". 2014. № 7. С. 242-250.
Вьюга Е.Н. Экспертная система "Электронный сборник упражнений по основам элементарной логики" // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2013. № 9. С. 595-601.
Ганичева А.В. Учебник как обучающая система // Современные исследования социальных проблем. 2011. Т. 8. № 4. С. 32.
Ганичева А.В. Структурный метод описания и анализа учебного процесса // В сборнике: Синергетика в общественных и естественных науках: девятые Курдюмовские чтения. Материалы межд. межд. науч. конференции. Тверь, 2013. С. 306-310.
Ганичева А.В. Интеллектуальная информационная система оптимального контроля знаний // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 358-374. Ганичева А.В. Математическое описание типологии учащихся // Мир лингвистики и коммуникации. 2014. № 2 (35). С. 36-42.
Ганичева А.В. Учебные динамические сцены / В сборнике: Научно-образовательная среда XXI века. Материалы VIII Международной научно-практической конференции, 2014. С. 42-46.
Ганичева А.В. Структурное описание онтологий в математике / Материалы Всероссийской заочной конференции «Образование в 21 веке», вып. 13. Тверь: ТГТУ, 2014. С. 74-79.
Ганичева А.В., Ганичев А.В. Методы и модели принятия оптимальных решений: учебное пособие. Тверь: ЦНиОТ. 2016. 166 с.
Ганичева А.В., Ганичев А.В. Структурное распознавание объектов при коммуникациях // Мир лингвистики и коммуникации. 2012. № 3 (28). С. 50-59. 11. Ганичева А.В., Ганичев А.В. Структурный метод распознавания динамических сцен // Мир лингвистики и коммуникации. 2013. № 4 (33). С. 55-62.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
12. Ганичева A.B., Ганичев А.В. Дискурсный метод распознавания структурированности текстов // Мир лингвистики и коммуникации. 2016. № 2 (44). С. 31-38.
13. Ганичева A.B., Ганичев A.B. Графовый метод анализа текстов // Мир лингвистики и коммуникации. 2016. № 4 (46). С.
14. Заболеева-Зотова A.B., Орлова Ю.А. Автоматизация семантического анализа текста технического задания: монография. ВолгГТУ. Волгоград, 2010. 156 с.
15. Орлова Ю.А. Расширенная нечеткая атрибутная грамматика над фреймовой структурой текста технического задания // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 9 / ВолгГТУ. Волгоград, 2010. № 11. C. 60-63.
1. Brunova E.G., Bidulya Y.V. An algorithm with elements of formal grammar for the content analysis of opinions. The Bulletin of the Tyumen state university. Series "Physical and mathematical sciences. Informatics", 2014, no. 7, pp. 242-250 (in Russian).
2. V'juga E.N. Expert system "The Electronic Collection of Exercises on Fundamentals of Elementary Logic". Modern information technologies and IT education, 2013, no. 9. pp. 595-601(in Russian).
3. Ganicheva A.V. The textbook as the training system. Modern researches of social problems, 2011, V. 8, no. 4. P. 32 (in Russian).
4. Ganicheva A.V. A structural method of the description and analysis of educational process. In the collection: Synergetrics in social and natural sciences: ninth Kurdyumovsky readings. Materials of the international cross-disciplinary scientific conference. Tver, 2013, pp. 306-310 (in Russian).
5. Ganicheva A.V. Intellectual information system of optimum control of knowledge. Polythematic network online scientific magazine of the Kuban state agricultural university, 2014, no. 101, pp. 358-374 (in Russian).
6. Ganicheva A.V. Mathematical description of typology of pupils. World of linguistics and communication, 2014, no. 2 (35), pp. 36-42 (in Russian).
7. Ganicheva A.V. Educational dynamic scenes. In the collection: Scientific and educational environment of the 21st century. Materials VIII of the International scientific and practical conference, 2014, pp. 42-46 (in Russian).
8. Ganicheva A.V. The structural description of ontologies in mathematics. Materials of the All-Russian correspondence conference "Education in the 21st Century". Issue 13, 2014, Tver: TGTU, pp. 74-79 (in Russian).
9. Ganicheva A.V., Ganichev A.V. Methods and models of acceptance of optimal solutions: manual. Tver: CS and ET, 2016. 166 p.
10. Ganicheva A.V., Ganichev A.V. Structural recognition of objects at communications. World of linguistics and communication,
2012, no. 3 (28), pp. 50-59 (in Russian).
11. Ganicheva A.V., Ganichev A.V. Structural method of recognition of dynamic scenes. World of linguistics and communication,
2013, no. 4 (33), pp. 55 (in Russian).
12. Ganicheva A.V., Ganichev A.V. Diskursny a method of recognition of structure of texts. World of linguistics and communication, 2016, no. 2 (44), pp. 31-38 (in Russian).
13. Ganicheva A.V., Ganichev A.V. Graph method of the analysis of texts. World of linguistics and communication, 2016, no. 4 (46), pp. 66-73 (in Russian).
14. Zaboleeva-Zotova A.V, Orlova Yu.A. (2010) Automation of the semantic analysis of the text of the specification: monograph, VSTU - Volgograd, 2010. 156 p.
15. Orlova Yu.A. Expanded fuzzy attribute grammar above frame structure of the text of a technical specification. Izvestia VSTU. "Current Problems of Management, Computer Facilities and Informatics in Technical Systems" series. Issue 9, VSTU - Volgograd, 2010, no. 11, pp. 60-63.
66-73.
REFERENCES
Информация об авторе Ганичева Антонина Валериановна
(Россия, Тверь) Доцент кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физико-математических дисциплин и информационных технологий Тверская государственная сельскохозяйственная академия Email: alexej.ganichev@yandex.ru
Information about the author
Ganicheva Antonina Valerianovna
(Russia, Tver) Associate Professor, PhD in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Physical and Mathematical Disciplines and Information Technologies Tver State Agricultural Academy E-mail: alexej.ganichev@yandex.ru
