Построение информационной образовательной среды вуза на основе технологий управления знаниями (29.03.2010)

Автор: Кудинов Виталий Алексеевич

С применением мониторинга и баз принятия решений исполнители за одно и то же время решают на порядок больше задач при более высоких требованиях к завершенности результатов по сравнению с типовыми подходами. При этом создаются условия для активизации знаний, умений, навыков, способностей обучаемых к самоподготовке, самообучению, самовоспитанию, саморазвитию. Анализ результатов деятельности студентов позволяет преподавателю выделить рациональную стратегию обучения конкретного обучаемого или учебной группы.

Более узким, но более приемлемым (для практического использования) решением задачи повышения качества образования является разработка моделей управления знаниями на уровне отдельного обучаемого или группы. С одной стороны, необходимо, чтобы данные модели делали бы процесс обучения ориентированным на индивидуальные способности и особенности каждого обучаемого, а с другой стороны, позволяли бы формализовать представление знаний для любых предметных областей. Решение этого вопроса позволит создать автоматизированные информационно-обучающие системы нового поколения, способные быть реальным инструментом повышения качества образования.

Реализация отдельных процессов обработки знаний часто осуществляется на основе относительно простых технологий. Это Intranet, электронная почта, системы мгновенного обмена сообщениями, групповое программное обеспечение, базы данных и т.д. Наилучшие результаты достигаются, если удается построить распределенную информационную систему, бесконфликтно объединяющую эти механизмы. В этом случае ядром СУЗ является хранилище документов, к которому предъявляются требования масштабируемости, устойчивости к ошибкам, возможности полного и частичного архивирования и восстановления данных в пределах одной системы, возможности полной или частичной выгрузки данных в другую систему, высокой эффективности использования хранилища, высокой производительности хранилища, возможности оценки состояния хранилища, диагностики и мониторинга.

Наиболее сложной с информационной точки зрения является организация поиска и представления необходимой для организации обучения информации в хранилище СУЗ. Наиболее часто поиск в неупорядоченном массиве информации выполняется за счет полного перебора элементов данных и их сравнения с условиями запроса. Высокая скорость поиска информации в СУБД обеспечивается за счет алгоритмов, работающих с упорядоченной информацией. В последнее время для этого стали широко использоваться технологии семантического анализа, основанные на формировании формального описания смысла текста в виде фреймов, семантической сети или других способов представления знаний. Для проведения семантического анализа необходимы средства статистической обработки, словари, базы данных, описывающие синтаксис и морфологию, словари синонимов, омонимов и профессионализмов (тезаурусы). При работе с большим количеством объектов, представленных как в естественной, так и в электронной форме, одним из средств сокращения времени поиска и обеспечения удобного доступа является рубрикация или классификация. Системы рубрикации используют результаты семантического анализа текста, поэтому они обычно являются частью поисковой машины. С целью уменьшения объема анализируемой информации наряду с рубрикацией по ключевым словам все чаще начинают использоваться системы автоматического аннотирования и реферирования.

В третьей главе «Методика построения информационной образовательной среды вуза на основе технологий управления знаниями» обосновывается использование корпоративного портала управления знаниями, как основного элемента информационной образовательной среды вуза, анализируются психолого-педагогические аспекты использования портальной технологии в учебном процессе вуза.

Становление экономики, ориентированной на знания, предполагает создание научно-образовательных информационных сред, позволяющих обновлять профессиональные знания и навыки на протяжении всей жизни.

На основе анализа работ Б.Л. Агранович, П.Л.Брусиловского, Г.В. Кедровой, А.М. Короткова, О.П. Крюковой, Е.А. Локтюшиной, Ю.М. Насоновой, Е.С. Полат, Д.В. Смолина и других можно выделить три основных типа сред, которые были реализованы на практике или описаны в виде теоретических подходов в известных нам работах: среды, ориентированные на представление знаний; среды, ориентированные на самостоятельную деятельность по приобретению знаний; смешанный тип сред.

Первое понимание информационно-образовательной среды связано с аппаратно-программной моделью изучаемой области знания, в которую встраивается определенная методика или методики обучения. Как правило, это высокоструктурированные обучающие среды, в которых программно определены характер и направления обучения, возможности и формы участия обучаемого, реализуется последовательное приближение к поставленной конечной цели обучения. В создании таких сред активно используется когнитивный подход, в основе которого лежит опора на внутреннюю структуру человеческого знания, на системно-структурные свойства изучаемого предмета. Такие среды могут быть установлены как на локальном компьютере, так и в сетевой среде (локальной или глобальной). К этому же типу относятся большинство интеллектуальных и адаптивных обучающих сред, направленных на реализацию гибкого индивидуализированного процесса обучения, в основе которого лежат модели познавательной деятельности обучаемого.

В основу построения сред второго типа положен их деятельностный, конструктивистский характер. Понимание среды базируется на концепции обретения знаний в процессе решения содержательных задач, разработанных в рамках конструктивистской когнитологии. Согласно такому взгляду, обучение в информационно-образовательной среде является активным процессом, направленным на извлечение, конструирование знания, а не просто на его воспроизведение. Обучение в такой трактовке выполняет роль поддержки конструктивных усилий обучаемого по освоению знаний и умений.

Анализ современных российских и зарубежных исследований показывает, что в последние годы происходит стирание различий между этими типами сред, и формируются среды, которые интегрируют оба подхода, то есть, среды представляет собой источник учебно-методического знания в конкретной области знания и одновременно высокоструктурированную среду для организации различных форм самостоятельной познавательной деятельности. Такие среды, как правило, формируются в рамках общедоступных технологий в среде WWW, либо базируются на профессионально разработанных оболочках - распределенных обучающих средах, средах ориентированных на сотрудничество и других, основанных на телекоммуникационных технологиях. Они открыты и для преподавателя и для обучаемого, позволяют дополнять содержание и вносить в него коррективы, представлять результаты своей учебной деятельности в среде. Коммуникационные процессы в такой среде обеспечивают дидактический, методический и организационный фон обучения и являются центральным элементом учебного процесса.

Как показал выполненный нами анализ значительного числа публикаций, для создания информационной среды могут использоваться несколько организационно-технологических подходов (использование монолитной системы класса ERP (Терехов И.В., Шеян И. и др), использование корпоративных веб-служб, в том числе порталов(Крюков В.В., Ловицкий К.Э., Фер С.В., Шахгильдян К.И., Шагурина Н. и др.), принципы и технология открытых систем (Водяхо А.И., Пантелеев М.Г., Олейников А.Я. и др.) ). Однако наибольший эффект достигается при использовании корпоративных порталов управления знаниями.

Корпоративный портал управления знаниями - это система сбора информации, система выявления и формализации новых знаний опирающаяся на весь накопленный и формализованный ранее потенциал знаний образовательной организации (на входную информацию), на коллективный интеллект и интуицию задействованных в процессе обучения людей (на совместную работу), на вычислительные приложения, а также система выдачи накопленной и вновь созданной информации обучаемому в соответствии с принятой технологией обучения.

Можно выделить следующие задачи, которые должны решаться корпоративным порталом управления знаниями:

предоставление обучаемому всей необходимой информации накопленной в портале в соответствии с принятой технологией обучения и выбранной им последовательности получения учебной информации;

подключение обучаемого, в случае необходимости получения дополнительной информации, к специалистам, базам знаний портала и внешним источникам знаний;

удаленный доступ к вычислительным приложениям в рамках реализации лабораторных и практических работ;

организация совместной работы обучаемых.

Причем, если ранее решение этих задач требовало специального клиентского программного обеспечения и обеспечивалось в пределах локальной сети образовательной организации, то этот новый класс корпоративных порталов имеет стандартный Web-интерфейс и обеспечивает пользователям единый безопасный персонифицированный доступ к внутренним и внешним информационным ресурсам, специалистам, приложениям в любое время суток и независимо от их территориального расположения.

7рмация портала равна сумме входной информации, информация портала управления знаниями всегда превышает сумму входной информации.

Одним из ключевых сервисов КПУЗ должен быть сервис, обеспечивающий глубокую персонализацию образовательных услуг. Анализ образовательных запросов с точки зрения сложности их обработки позволил выделить их следующие типы: простейшие запросы (определить новое понятие, пояснить его на примерах и т.п.); изучение отдельного вопроса (например, метода решения некоторой задачи); изучение темы (например, методы сортировки списков в программировании); изучение раздела курса (например, исчисление предикатов в логике); запрос уровня учебного курса; запросы уровня образовательной программы, включающей множество взаимосвязанных курсов.

Предлагаемый подход к построению индивидуальных программ обучения с использованием корпоративного портала управления знаниями основан на выделении двух типов сущностей: концептов и учебных объектов.

Концепты соответствуют фрагментам знаний (дидактическим единицам) разного уровня: отдельным понятиям, фактам, темам, разделам и т.д. Предполагается, что все концепты явно зафиксированы в соответствующей онтологии предметной области, доступной всем образовательным сервисам, функционирующим в корпоративном портале управления знаниями.

Учебным объектом является любой доступный на КПУЗ ресурс, который может использоваться в учебных целях как самостоятельно, так и совместно с другими ресурсами.

Процесс обслуживания образовательного запроса в общем случае включает два этапа.

На первом этапе итеративно уточняется образовательная потребность клиента и детализируется программа обучения. Результатом этапа является индивидуальная программа обучения, построенная из концептов глобально разделяемой онтологии предметной области.

На втором этапе выполняется покрытие составленной из концептов программы доступными в образовательном пространстве учебными объектами. Поскольку в открытой образовательной среде будет доступно большое число учебных объектов, для каждого концепта существует множество вариантов покрытия. Для сокращения перебора должны использоваться дополнительные ограничения пользователя на форму представления материала, стратегии обучения, временные и финансовые ресурсы и т.п. Результатом данного этапа является программа обучения, составленная из реальных учебных объектов, доступных в корпоративном портале управления знаниями.

Архитектура КПУЗ включает в себя: базы знаний (хранилище единиц знаний) и мультиагентную систему, состоящую из программного интерфейса и интеллектуальных агентов. Центральным компонентом КПУЗ являются базы знаний, которые выступают по отношению к другим компонентам как содержательная подсистема, составляющая основную ценность.

Рисунок 1 - Архитектура КПУЗ

Базы знаний (БЗ) – это совокупность единиц знаний предметной области, технологии обучения и обучаемого, которые представляют собой формализованное с помощью некоторого метода представления знаний – отражение объектов предметной области и их взаимосвязей, и действий над объектами.

Обмен данными между пользователями (обучаемыми и преподавателями) и базами знаний выполняет мультиагентная система, которая принимает сообщения от пользователей при помощи программного интерфейса, преобразует их в форму статических знаний для передачи между агентами и, наоборот, переводит статические знания, переданные интеллектуальными агентами, в формат пользователей и выдает сообщения некоторому пользователю (обучаемому или преподавателю). Важнейшим требованием к организации диалога пользователей с КПУЗ является естественность, которая означает формулирование потребностей пользователей предложениями естественного языка.

В построении индивидуальной программы обучения участвуют три типа агентов: агент обучаемого, агент – построитель программ обучения (ППО) и поисковый агент баз знаний.

Агент обучаемого выполняет роль посредника между обучаемым, с одной стороны, и агентом-построителем программ обучения и поисковым агентом – с другой. Он передает поисковому агенту исходные параметры запроса, получает от него уточненный список концептов и передает его агенту-построителю. Одной из важных задач является тестирование пользователя по выбранным концептам для построения дерева концептов, опирающегося на действительные знания учащегося.

Агент-построитель программ обучения на основе исходного запроса и соответствующей онтологии предметной области строит дерево концептов и предлагает обучаемому непосредственно или с помощью тестирования подтвердить готовность к изучению этих концептов. Он может уточнить программу обучения по результатам тестирования и представить ее обучаемому для утверждения. Затем агент-построитель во взаимодействии с поисковым агентом решает задачу покрытия дерева концептов учебными объектами. В своей работе агент-построитель программ обучения существенно использует онтологии предметных областей и может обращаться к различным онтологическим сервисам (например, для решения задачи согласования онтологий).

Поисковый агент, исходя из концептуальной структуры курса и дополнительных ограничений пользователя, выполняет поиск учебных объектов в корпоративном портале управления знаниями.

Построение и функционирование КПУЗ должно быть подчинено следующим основным принципам:

1. КПУЗ предназначен для использования на различных занятиях: лекциях, лабораторных и практических занятиях, во время самостоятельной работы обучаемых, в процессе научно-исследовательской деятельности, курсового и дипломного проектирования.

2. КПУЗ содержит текстовые массивы, параметры модели, включает в себя модули контроля, автоматизации расчетов, реализации модели, построения графиков, формирования текстовых окон.

3. В процессе работы обучаемого с КПУЗ предусматривается компьютерная визуализация учебной информации, математическое моделирование изучаемых объектов, процессов и явлений, имитация работы различных устройств.

4. Взаимодействие обучаемого и КПУЗ характеризуется наличием интерактивного диалога, позволяющего обеспечить приближение диалога между обучаемыми и системой к диалогу между обучаемыми и преподавателем.

5. Содержащийся в базах знаний учебный материал располагается в экранных фрагментах, т. е. обеспечивается представление информации в виде гипертекста и гипермедиа.


загрузка...