CC BY
25
Управление знаниями в интеллектуальной системе
Math-Bridge
Савкина Анастасия Васильевна доцент, к. т. н., доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления института электроники и светотехники, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
имени Н.П. Огарёва ул. Б.Хмельницкого, 39, г. Саранск, 430005, (8342)478691 av-savkina@yandex.ru
Нуштаева Анастасия Владимировна к.т.н., доцент кафедры информатики и автоматизации Московский технологический институт, РФ, г. Москва Москва, Ленинский просп., 38А anastesi@yandex.ru
Макарова Наталья Владимировна студентка направления «Информатика и вычислительная техника» Института
электроники и светотехники Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
имени Н.П. Огарёва ул. Б.Хмельницкого, 39, г. Саранск, 430005, (8342)478691 nat_makarova@list.ru
Немчинова Елена Андреевна студентка направления «Информатика и вычислительная техника» Института
электроники и светотехники Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
имени Н.П. Огарёва ул. Б.Хмельницкого, 39, г. Саранск, 430005, (8342)478691 nemchinova. len@yandex. ru
Аннотация
В статье рассматривается создание, распространение и возможности эффективного использования полученных знаний с помощью интеллектуальной системы Math-Bridge. Рассматриваются возможности создания и управления контентом, встроенный математический редактор формул, построение траектории освоения материала, его применения на практике. Подробно описываются назначение и функции системы, оценивание изученного материала и помощь при выполнении практических заданий.
The article discusses the creation, dissemination and effective use of knowledge by intelligent systems Math-Bridge. Discusses the creation and content management, integrated mathematical formula editor, the path of development of the material, its application in practice. Describes in detail the purpose and function of the system, evaluation of the material studied and help in carrying out practical tasks.
Ключевые слова
интеллектуальная система Math-Bridge, сбор данных, управление знаниями, математический редактор формул
Intelligent system Math-Bridge, data collection, knowledge management, mathematical equation editor
Введение
В самом начале становления систем управления знаниями Томас Давенпорт предложил определение, которым пользуются до сих пор: «Управление знаниями — это процесс сбора, распространения и эффективного использования знаний». В настоящее время решающую роль в этом играет информационно-программное обеспечение.
В последнее время в условиях роста новых информационных технологий, направленных на получение знаний, значительную роль играют различные объектно-ориентированные среды, дистанционные технологии, оп-Иш обучение, обучающие и контролирующие системы, тренажеры, интеллектуальные системы. Именно накапливая знания, от простого к сложному, имея большой интеллектуальный запас, можно решать сложные задачи. Усвоение новых знаний очень часто зависит от умения применять теорию на практике, а эффективность получения знаний зависит от используемой системы управления знаниями, которая состоит из информации и данных, которые доступны всем членам организации через специальные порталы и системы управления контентом (content management systems). Система управления контентом — это наиболее очевидная и оперативная составляющая системы управления знаниями. Рассмотрим богатые возможности интеллектуальной системы Math-Bridge, в которой собраны материалы по курсу алгебра и геометрия, необходимые для студентов технических специальностей и выстроена траектория по их получению и применению на практике. В результате студенты накапливают знания и опыт, необходимые для дальнейшего качественного обучения.
Редактор создания учебного материала
Покажем на примере вычисления определителя построение траектории получения знаний и их использования для решения конкретной задачи [1].
Во-первых, необходимо обеспечить сбор информации по курсу, сделать его доступным и понятным студентам с тем, чтобы путем закрепления с помощью разнообразных задач позволить им накопить значительный опыт и тем самым способствовать их эффективному использованию.
Для того, чтобы приступить к созданию учебных объектов в системе MathBridge, необходимо войти в рабочее пространство Авторинга. Именно здесь находятся инструменты, позволяющие создавать объекты обучения, управлять ими, а также публиковать объекты, делая тем самым их доступными для студентов. Войти в рабочее пространство Авторинга можно при нажатии на кнопку «Авторинг» (рис. 1), расположенную в главном меню.
Рис. 1. Рабочая панель системы
Интеллектуальная обучающая система Math-Bridge позволяет создавать учебные объекты трех типов: динамические, статические и структурные. Примерами динамических объектов обучения являются Упражнение, Quick Упражнение, Упражнение из шаблона.
К статическим объектам обучения относятся аксиома, определение, пример, метод, заметка или другой текст, доказательство, утверждения. Структурными объектами обучения являются содержание курса/экзамена/теста и экзамен/тест.
Статическими считаются те объекты обучения, которые не предполагают интерактивного взаимодействия системы с обучающимся. Для того, чтобы создать такой объект, необходимо воспользоваться статическим редактором контента MathBridge. При добавлении контента имеется возможность осуществлять операции над
объектами, а также операции с текстом. К операциям над объектами относятся добавление формул и изображений. Операции с текстом позволяют форматировать текст так же, как в привычных текстовых редакторах - сделать его жирным, наклонным или подчеркнутым, а также установить выравнивание текста слева, по центру или справа. Чтобы применить эти операции к тексту, необходимо выбрать фрагмент, а затем нажать на одну из кнопок управления текстовыми операциями. Для отмены форматирования необходимо повторить предыдущие действия.
Формулы и изображения в системе Math-Bridge являются сложными текстовыми объектами. Создание новой формулы начинается с выбора соответствующего пункта панели инструментов. После этого открывается специальный редактор формул, представленный на рисунке (рис. 2).
Редактор создания учебного материала: статичные учебные объект
Рис. 2 Рабочее окно редактора формул
Возможности редактора широки: предусмотрена вставка специальных символов (букв греческого алфавита, знаков принадлежности множеству и др.), кроме того существуют шаблоны, которые позволяют с легкостью составлять такие элементы как обыкновенные дроби, матрицы, системы уравнений и другие. При сохранении формулы доступны два варианта: сохранить как формулу или как картинку. В первом случае возможно дальнейшее редактирование формулы средствами редактора, однако сокращается палитра редактора. После сохранения в качестве картинки, формула принимает свой окончательный вид и не может быть открыта или изменена в дальнейшем редактором. Показываться такая формула-изображение будет в зеленой рамке. Данный режим позволяет использовать большее количество специальных символов (рис. 3).
Рис. 3. Пример формирования задания с помощью редактора формул
Большим преимуществом редактора учебного объекта системы Math-Bridge является возможность импорта формулы, которая не использует дополнительные пакеты, из LaTeX-кода. Для этого предусмотрена специальная кнопка, изображенная на рисунке (рис. 4).
Редактор создания учебного материала: статичные учебные объект
О -
| Единичная матрица | 1 Publish Collection 14
' Ш |С О ) ( а )( а X а ) ( t ) С * X 1 )
Диагональная матрица, [ Ф°РмУла 1-аТеХ [„р^р^ главной диагонали равен единице, называется единичной матрицей. Такая матрица обозначается буквой Е. Например, единичная матрица третьего
Рис. 4. Окно редактора создания контента при помощи импорта
При нажатии на эту кнопку открывается всплывающее диалоговое окно, позволяющее редактировать коды LaTeX. После редактирования и экспортирования генерируется изображение, которое содержит соответствующую формулу.
Построение объектов обучения с помощью шаблонов
Динамические объекты обучения позволяют создавать элементы для взаимодействия с обучающимся [2]. Для реализации адаптивного подхода к взаимодействию между системой и студентом необходимо создать несколько интерактивных объектов обучения в зависимости от поставленной задачи [3]. Например, студенту в рамках курса «Алгебра и геометрия» необходимо освоить тему «Вычисление определителя матрицы». Упражнение, позволяющее отработать данный навык, должно содержать как минимум три динамических объекта обучения: в первом будет содержаться описание задачи, второй объект будет отображать реакцию системы при правильном ответе, третий - сообщит студенту о том, что его решение было неверным. Соединяя между собой эти объекты, мы можем сделать содержимое упражнения динамическим и адаптивным. В результате получается ориентированный граф, отображающий структуру полученного упражнения. На основании вышесказанного, процесс создания динамических учебных объектов можно рассматривать как создание множества статических объектов с определенным содержанием, представленных в определенном порядке, который определяется путем соединения компонентов друг с другом [4].
В системе предусмотрена возможность создания динамических объектов из имеющихся шаблонов. При этом пользователь имеет выбор из 6 базовых конфигураций, которые представлены на рисунке. Такой подход позволяет в значительной степени ускорить процесс создания упражнений (рис. 5).
Шаблоны
Tun шаблона
® Создать новое упражнение по шаблону
ОДо&авть шаблон в упражнение
Список шаблонов Описание
9 One Interaction - Simple Exercise This is a simple exercise with
One Interaction - Answer until correct one blank input and two
One Interaction - Answer until correct + hint feedbacks for correct or incorrect result.
Two Interactions - Simple Exercise
Two Interactions- Answer until correct
Two Interactions-Answer until correct + hint
I_J
Рис. 5. Рабочее окно Шаблоны
Построение сложных ориентированных графов упражнений
Система Math-Bridge позволяет создавать на основе имеющихся шаблонов и более сложные ориентированные графы упражнений, что позволяет реализовать более сложную индивидуальную траекторию обучения [5]. Рассмотрим это на примере упражнения «Вычисление определителя матрицы». Ориентированный граф упражнения выглядит следующим образом (рис. 6):
Рис. 6. Структура Ориентированного графа
Здесь блоки «Task» содержат формулировку задания. Взаимодействие с обучающимся происходит в блоках «Interaction» [6]. В случае верного ответа система выдает сообщение об успешном прохождении (блок «correct») и происходит переход к следующему шагу. Если обучающийся допускает ошибку, происходит переход к
блоку «Hint», содержащему теоретический материал, необходимый для выполнения упражнения (рис. 7).
Неверно!
Минором некоторого элемента а,,, определителя матрицы п - ого порядка называется определитель (и -1) - ого порядка, полученный из исходного путем вычеркивания строки и столбца, на пересечении которых находится выбранный элемент а,,. Обозначается М,,.
Рассмотрим на примере определителя матрицы 3 - его порядка:
311 аП "13 Д = ¡»21 "22 <»23 «31 аУ2 <*33
Тогда, согласно определению минора, минором Ми, соответствующим элементу ац, будет определитель:
Мп =
Алгебраическим дополнением элемента а,, называется его минор, взятый со знаком "+". если сумма и - ]) четное число, и со знаком "-", если эта сумма
нечетное число. Обозначается А,,. A,j = (-1 )'*' х M,j.
Найти определитель матрицы А
. используя разложение по первому столбцу.
10-2 3 2 1 12-2
Рис. 7. Рабочее окно с теоретическим материалом
После этого обучающемуся предлагается попробовать ввести ответ еще раз. Если и в этом случае не будет введен верный ответ, система предложит более детализированную подсказку, где содержится непосредственно алгоритм, по которому необходимо произвести вычисления (рис. 8).
Рис. 8. Рабочее окно с подсказкой
В общем случае возможны различные варианты ответов как правильных, так и неправильных, на которые система не только предлагает дальнейший путь освоения материала, но и выводит их на экран разными цветами (рис. 9)
Рис. 9. Рабочее окно с введенными ответами
Преимуществом такого подхода к организации упражнения является то, что студент имеет возможность на практике закреплять теоретический материал [7]. Кроме того, редактор создания учебного материала предоставляет возможность гибкой настройки системы оценивания результата прохождения упражнения. Так в случае верного ответа на каждом шаге, обучающийся получает 1 балл. Если к верному ответу он пришел после ошибки и знакомства с теоретическим материалом - 0,5 балла [8].
Заключение
Таким образом, в результате собранной и грамотно сконструированной базы знаний при помощи интеллектуальной системы Math-Bridge, благодаря ее богатым возможностям по распространению материалов среди обучающихся, становится возможным качественное получение знаний и закрепление материала с целью их последующего эффективного использования.
Литература
1. Савкина А.В., Нуштаева А.В., Борискина И.П. Информатизация курса "Алгебра и геометрия" с помощью интеллектуальной обучающей системы Math-Bridge. // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)» 2016. Т. 19. № 4. С. 479-487.
2. Савкина А. В., Немчинова Е. А., Макарова Н. В. Реализация многоуровневых алгоритмов сортировки при создании динамических упражнений в интеллектуальной обучающей системе Math-Bridge. // В сборнике: XLV Огарёвские чтения Материалы научной конференции. В 3-х частях. Ответственный за выпуск П.В. Сенин. 2017. С. 745-749.
3. Макарова Н.В., Немчинова Е.А., Савкина А.В., Федосин С.А. Возможности интеллектуальной системы Math-Bridge при обучении студентов методам сортировки массивов. // Инженерное образование. 2017. № 21. С. 110-116.
4. Новикова С.В. Преимущества компьютерных тренажёров при изучении вычислительных методов//Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (EducationalTechnology&Society)" -2015. -V.18. -№2. -C.478-488. -ISSN 1436-4522.
5. С.В. Новикова, Н.Л. Валитова, Э.Ш. Кремлева Особенности создания учебных объектов в интеллектуальной системе обучения математике Math-Bridge // Образовательные технологии и общество. 2016. Т. 19, No 3. С. 451-462.
6. Soldatenko I.S., Balandin D.V., Kuzenkov O.A., Zakharova I.V., Biryukov R.S., Kuzenkova G.V., Yazenin A.V., Novikova S.V. Modernization of math-related courses in engineering education in Russia based on best practices in European and Russian universities. В книге: 44th Annual Conference of the European Society for Engineering Education - Engineering Education on Top of the World: Industry-University Cooperation, SEFI 2016 44, Engineering Education on Top of the World: Industry-University Cooperation. 2016. С. 131.
7. Захарова И.В., Кузенков О.А. Опыт реализаций требований образовательных и профессиональных стандартов в области ИКТ в Российском образовании // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2016. Т. 12. № 31. С.17-31.
8. Захарова И.В., Кузенков О.А. Опыт реализаций требований образовательных и профессиональных стандартов в области ИКТ в российском образовании. // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2016. Т. 12. № 31. С. 17-31.
