Educational Technology & Society 4(1) 2000
ISSN 1436-4522
pp. 137-149

Фреймовая организация знаний в интеллектуальной обучающей системе

Г.А. Атанов, В.В. Локтюшин
Донецкий открытый университет
atanov@dise.donbass.com

АННОТАЦИЯ
В статье описывается организация интеллектуальной обучающей системы на основе фреймового представления знаний. Выделены три группы фреймов: предметные, служебные, интерфейсные. Предметные фреймы содержат декларативные предметные знания и определяют конкретное содержание обучающей системы. Служебные фреймы составляют основу инструментальной оболочки системы; они представляют процедурные знания и служат для обработки предметных знаний. Интерфейсные фреймы предназначены, в основном, для организации диалога обучаемый-компьютер. Разработаны слоты, на базе которых создаются все виды фреймов.В системе реализуются принципы деятельностного подхода к обучению.

Ключевые слова
интеллектуальная обучающая система, инструментальная оболочка, фреймовое представление знаний, предметные знания, декларативные знания, процедурные знания, деятельность.

 

Введение

Любая обучающая компьютерная система – это система, основанная на знаниях. Как известно, построение систем, основанных на знаниях, является предметом искусственного интеллекта [Петрушин, 1992; Поспелов, 1988]. Поэтому можно с уверенностью сказать, что использование в учебном процессе компьютерных обучающих программ, не опирающихся на методы искусственного интеллекта, к большим успехам привести не может. И жизнь подтверждает эту мысль.
Усилия многих исследователей в мире направлены на создание интеллектуальных обучающих систем (Intelligent Tutoring Systems), сформировалось и интенсивно развивается самостоятельное направление – искусственный интеллект в обучении. Под искусственным интеллектом в обучении понимают новую методологию психологических, дидактических и педагогических исследований по моделированию поведения человека в процессе обучения, опирающуюся на методы инженерии знаний. Другими словами, это синтез психологии, дидактики и инженерии знаний. В 2001 г. будет проходить уже Х Международная конференция по искусственному интеллекту в обучении, организуемая Международным Обществом по искусственному интеллекту в обучении (International Artificial Intelligence Society in Education).
Интеллектуальным является разработанный нами обучающий комплекс по физике [Atanov, 1993; Атанов, Кандрашин, Локтюшин, 1977; Atanov, Kandrashin, Loktiushin, 1997]. Он состоит из отдельных автономных систем, реализующих единый дидактический подход. Главными особенностями этого подхода являются: подчинение содержания каждой системы не логике отдельной темы, а логике развития процесса или явления, имитируемого системой; построение предметных и текущих моделей обучаемого, в том числе моделей ошибок; обязательное и специальное оформление вводно-мотивационного этапа; педагогическая направленность диалога; возможность выполнения задания системы (достижения цели деятельности) учащимися с различной степенью подготовки.
Дидактические задачи обучающей системы должны исходить из деятельного подхода к обучению, согласно которому конечной целью обучения является не приобретение знаний, а формирование способа действий, реализуемого через умения [Машбиц, 1988]. Его принципы и средства достижения дидактических целей в обучающих системах изложены в работах [Атанов, 2001; Атанов, Локтюшин, 2000]. Работа с отдельной системой подчинена достижению ближайших учебных целей, обусловленных ее предметным содержанием, причем главным здесь является формирование умений. Работа со всем комплексом имеет дополнительный методологический смысл и направлена на достижение отдаленных учебных целей – формирование образа действий по решению физических задач. При этом подход к решению задач в явном виде не оговаривается и не обсуждается, а воспринимается и закрепляется обучаемым как деятельность. Здесь главную роль играют психологические механизмы непроизвольного запоминания.
Проектирование учебной деятельности, в том числе и в компьютерной обучающей системе, означает, в конечном счете, проектирование средств организации этой деятельности. При этом надо помнить, что деятельность имеет функциональные части: содержательную, ориентировочную, мотивационную, исполнительную, контрольно-корректировочную и организационные этапы: вводно-мотивационный, операционно-исполнительный, контрольно-оценочный. В качестве методов организации деятельности используются имитация процесса или работы установки, «конструирование» установки из отдельных ее частей, обсуждение их назначения и особенностей работы установок, тестовые задания закрытого и открытого типа, на соответствие, на правильную последовательность [Аванесов, 1989].
Одним из центральных элементов любой интеллектуальной системы является автономная база знаний, содержащая предметные знания. Это принципиальный момент, так как выделение предметных знаний в отдельную структуру позволяет, не затрагивая всю систему, изменять, добавлять и расширять их, то есть «обучать» систему. Система по определенным правилам обрабатывает эти знания, поэтому сама представляет собой процедурные знания. Однако успешное функционирование системы возможно лишь в том случае, если знания соответствующим образом формально описаны, или представлены [Уэно, Исидзука, 1989].
Широко распространенным способом представления знаний в системах искусственного интеллекта является фреймовый [Минский, 1979; Уэно, Исидзука, 1989]. Фреймовая организация системы, которая представляет собой, по сути дела, фреймовую сеть, легко и простыми средствами обеспечивает быстрый доступ к нужной области базы знаний, а также необходимую внутреннюю связь между ее различными частями. Количество типов фреймов в обучающей системе определяется, в первую очередь, дидактическими задачами системы и средствами их решения. Предварительные результаты в этом направлении изложены в работе [Атанов, Кандрашин, 1996].

Общая структура знаний в обучающей системе

Как и многие системы искусственного интеллекта, наша обучающая система представляет собой инструментальную оболочку. С точки зрения инженерии знаний инструментальная оболочка – это процедурные знания, назначение которых заключается в обработке предметных знаний. Предметными знаниями оболочку необходимо специально наполнять, и в зависимости от содержания этих знаний можно создавать различные системы. Хотя наша оболочка предназначалась для создания обучающих систем по физике (уже разработаны 15 отдельных систем), возможности ее гораздо шире, поскольку она реализует деятельностный подход в обучении вообще. На ее базе можно создавать обучающие системы по всем естественнонаучным и техническим дисциплинам.
Знания в компьютерной системе подразделяются на неинтерпретируемые и интерпретируемые. Неинтерпретируемые знания - это знания, не имеющие прямого отношения к предметным знаниям. Они подразделяются на знания об интерфейсе, или вспомогательные, и поддерживающие, или объяснительные, знания [Петрушин, 1992]. Интерпретируемые знания делятся на предметные знания и метазнания. В наших системах используются знания об интерфейсе и предметные знания. Именно эти знания и представлены в виде фреймов. Кроме того, в виде фреймов представлены также знания об обработке предметных знаний, или процедурные знания. В соответствие с этим выделены три типа фреймов: предметные фреймы, служебные фреймы, интерфейсные фреймы.
Предметные фреймы содержат декларативные предметные знания по изучаемому предмету, которые необходимы для формирования определенных умений (напомним, что знания – это средство формирования вначале отдельных умений, а затем уже и способа действия). Служебные фреймы служат для управления знаниями, поступающими от слотов предметных фреймов и обучаемого, для контроля действий обучаемого, это предметные процедурные знания. Назначение интерфейсных фреймов заключается в придании определенной формы диалогу компьютер-обучаемый, что во многом обеспечивается специальным расположением на экране информации. Совокупность фреймов в обучающей системе и порядок их следования задается дидактической блок-схемой.

Слоты фреймов

Как известно, фреймы состоят из слотов. Нами выделено четыре основных типа слотов: информационные слоты, слоты получения информации, слоты вывода информации, слоты вызова.
1. Информационные слоты. Они предназначены для того, чтобы из них получать информацию, и делятся на слоты текстовой информации и слоты графических библиотек. Информационные слоты имеют очень простую структуру. Они состоят лишь из имени (его роль играет метка), значения и демона (процедуры безусловной передачи управления). Вид информационного слота показан на рис. 1.

МеткаЗначениеRETURN

Рисунок 1. Информационный слот

Значение слота представляет собой текстовую или графическую информацию, предназначенную для вывода на экран в процессе работы системы. Метка определяет размещение (адрес) этой информации. Обращение к информационным слотам осуществляется из соответствующих слотов различных фреймов. Демон RETURN возвращает управление фреймам, из которых осуществлялось обращение.
2. Слоты получения информации. Особенность их заключается в том, что вначале они не имеет значения. В этом случае говорят, что слот пустой или что он имеет нулевое значение. Это слот-прототип. Пустой слот принимает значение в процессе работы системы и превращается в слот-экземпляр. Слоты получения информации подразделяются на пользовательские и системные. Первые из них получают информацию, вводимую обучаемым. Вторые получают информацию из различных слотов системы, главным образом, предметных, и на их работу действия обучаемого не влияют.
Слот получения информации имеет более сложную структуру, чем информационный слот, в его состав входят также указатели атрибутов (рис. 2). Атрибуты слотов представляют собой компьютерную программу, обрабатывающую предметные знания, составляющие значение слота. Пользовательский слот получения информации имеет в качестве атрибутов специальную процедуру, которая проверяет соответствие синтаксису вводимой обучаемым информации. Если при вводе допущена синтаксическая ошибка, то подается звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый должен ввести информацию снова. Если синтаксических ошибок нет, то в действие вступает другая процедура, необходимость которой вызвана тем, что информация, которую вводит обучаемый, обязательно сравнивается с эталонной, например, ответами на задания. Эта процедура сравнивает введенное значение со значением какого-либо слота, имя которого также входит в число его атрибутов. Присоединенная процедура передает управление тому или иному слоту в зависимости от того, совпадает (YES) или нет (NO) введенная информация с эталонной. Как вариант, может подаваться звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый должен будет вводить информацию снова.
На рис. 2 показан вид такого слота. Через дробь будем писать значения слота-прототипа и слота-экземпляра.
ПолучениеАтрибуты0 / ЗначениеYES / NO

Рисунок 2. Слот получения информации

3. Слоты вывода информации подразделяются на слоты, выводящие: а) текстовые сообщения, б) графические примитивы и полные изображения, в) звуковые (в том числе музыкальные) сигналы. Кроме того, они подразделяются на слоты прямого действия и слоты непрямого действия. Слоты прямого действия выводят информацию, представляющую значение этого слота. Слоты косвенного действия выводят информацию из слотов предметных фреймов. Вначале этот слот работает как системный слот получения информации, а затем – как слот вывода информации прямого действия. В качестве примера на рис. 3 показан слот вывода текстового сообщения прямого действия.
ВыводlocX, locY, locTextColor,locGroupColor, TypeTextTextPRESS

Рисунок 3. Слот вывода информации

Атрибуты означают место вывода информации на экран (locX, locY), цвет строки (locTextColor) и поля (locGroupColor), а также содержат процедуру вывода текста – TypeText. Значением этого слота является текст, который необходимо вывести (Text). Демон Press по нажатию клавиши клавиатуры или мыши передает управление следующему слоту фрейма.По такому же принципу построены и все остальные слоты данного типа. С той лишь разницей, что при этом используются другие имена процедур и, соответственно, другие атрибуты. Так, в слоте звуковых сигналов в качестве атрибутов выступают продолжительность сигнала и указатель на процедуру, которая оставляет этот сигнал в качестве звукового фона. В качестве значения слота выступает процедура, которая проигрывает звуковой сигнал (в том числе мелодию). Демон этого слота аналогичен предыдущему, только в данном случае он может отключить звук по нажатию какой-либо определенной клавиши. В этом случае имя этой клавиши должно быть включено в число атрибутов этого слота.
4. Слоты вызова. Эти слоты подразделяется на два вида: слоты вызова фрейма и слоты вызова процедуры. Задача первого фрейма состоит в том, чтобы передать на время управление какому-либо другому фрейму, например, фрейму помощи, и по окончании его работы возвратить управление. Значением слота является номер элемента, выбранного обучаемым из списка меню. Присоединенная процедура передает управление в соответствии с этим номером и возвращает его. Слот вызова процедуры запускает некоторую внешнюю процедуру, которая не входит в число атрибутов слота и служит для облегчения работы с системой. Это может быть, например, получение справочного материала, вызов встроенного калькулятора. Слот аналогичен слоту вызова фрейма. Присоединенная процедура также передает управление с возвратом, но значением его является не номер фрейма, а имя необходимой процедуры. Список этих процедур также находится в меню. На рис. 4 показан фрейм действия для получения справки. Атрибуты locX, locY задают положение информационного окна.
СправкаlocX, locYСправкаRETURN

Рисунок 4. Слот вызова

Предметные фреймы

Предметные фреймы являются самыми простыми по конструкции, они состоят только лишь из информационных слотов. Предметные фреймы различаются по функциям, которые они выполняют в системе. Всего таких фреймов три вида: текстовый фрейм, графической фрейм, фрейм ответов.
Текстовый фрейм содержит практически всю текстовую информацию (предметные знания и информационные сообщения), используемую в системе. В графическом фрейме собраны все графические изображения. Фрейм ответов так же, как и текстовый фрейм, содержит тексты, но эти тексты являются правильными ответами на задания системы. Некоторые ответы известны заранее, а некоторые рассчитываются самой системой сразу же при ее запуске. Поэтому в начале работы системы отдельные слоты фрейма ответов не имеют значений, они пустые, но когда обучаемый приступает к выполнению задания, все значения уже назначены. Фрейм с пустыми слотами – это фрейм-образец, или фрейм-прототип. Таким образом, фрейм ответов вначале является фреймом-прототипом, а после определения значений всех слотов превращается во фрейм-экэемпляр. Вид предметного фрейма показан на рис. 5.

Метка 1Значение 1RETURN
Метка 2Значение 2RETURN
Метка 3Значение 3RETURN
Метка nЗначение nRETURN

Рисунок 5. Предметный фрейм

Фреймы текстовой информации и графических библиотек выполняют функцию ориентировки (как общей, так и ориентировки на исполнение) и служат для создания ориентировочной основы деятельности. Фрейм верных ответов используется для организации контрольно-корректировочной части [Атанов, 2000; Атанов, Локтюшин, 2000].

Служебные фреймы

Служебные фреймы разнообразны и реализуют средства решения дидактических задач и организации учебной деятельности.
1. Фрейм помощи. Этот фрейм играет существенную дидактическую роль. Помощь служит организации ориентировочной части действия, причем большей частью ориентировки на исполнительную часть [Атанов, Локтюшин, 2000]. Фрейм состоит, в общем случае, из трех блоков слотов (как варианты – один или два блока в соответствии с необходимым уровнем глубины погружения в учебный материал), и обращение к фрейму и каждому блоку осуществляется обучаемым. На рис. 6 показан один из фреймов помощи из системы «Атомная станция».

Слот 1Атрибуты0 / Запись реакции деления в общем видеPRESS
Слот 2Атрибуты«Еще информации?»YES / NO
Слот 3Атрибуты0 / Особенности деления ядра уранаPRESS
Слот 4Атрибуты«Еще информации?»YES / NO
Слот 5Атрибуты0 / Запись реакции деления уранаPRESS
Слот 6Атрибуты0 / Число обращений к помощиCONTROL

Рисунок 6. Фрейм помощи

Работает он следующим образом. Если обучаемый не знает правил составления реакции деления ядра урана, он должен через меню обратиться к помощи. Запускается первый блок слотов, и в результате работы первого слота вывода информации непрямого действия на экране появляется запись реакции деления в общем виде. Обучаемый воспринимает это сообщение и затем нажимает клавишу клавиатуры или мыши. В результате срабатывает демон PRESS, который передает управление следующему слоту 2, который выводит на экран сообщение «Еще информации?». Присоединенная процедура этого слота в зависимости от сообщения обучаемого передает управление последнему слоту 6 (NO), либо следующему слоту 3 (YES). Если записи реакции в общем виде обучаемому не достаточно, он выбирает «YES» и, таким образом, обращается к помощи следующего, второго уровня, где указываются особенности деления ядра урана. Аналогично можно обратиться и к помощи третьего уровня и получить запись необходимой реакции. Последний слот в качестве атрибутов содержит процедуру подсчета числа обращений, и это число является значением слота. Демон этого слота CONTROL передает управление фрейму финального контроля. Значение слота 6 вырабатывается в процессе работы системы. При запуске системы этот слот является пустым.
На рис. 7 показан один из скриншотов системы «Замени колесо», дающий представление об организации помощи (и вообще интерфейса). Это система на законы равновесия, содержание которой составляет работа с гидравлическим домкратом. Задание программы предполагает, что обучаемый играет роль участника ралли Париж – Дакар, и в пути у его автомобиля спускает колесо. Заменить его необходимо с помощью гидравлического домкрата.

Рисунок 7. Иллюстрация организации помощи

Следующие четыре фрейма построены на базе тестовых заданий.
2. Фрейм активной подсказки. В нем реализуется тестовое задание открытого типа. Напомним, что оно представляет собой фразу, или высказывание, в которой пропущено ключевое слово. Тестовое задание открытого типа оказалось чрезвычайно эффективным средством организации ориентировочной и контрольной частей деятельности и получило название активной подсказки. На рис. 8 показана одна из активных подсказок в системе «Замени колесо». Здесь пропущено слово большого, которое просто так угадать невозможно.

Рисунок 8. Активная подсказка

Фрейм активной подсказки так же, как и фрейм помощи, является фреймом-прототипом. Больше того, пустыми вначале являются все слоты этого фрейма. Вид его показан на рис. 9.
Слот 1Атрибуты0 / ВысказываниеNEXT
Слот 2Атрибуты0 / Пропущенное словоNEXT
Слот 3Атрибуты0 / Слово, введенное обучаемымYES / NO
Слот 4Атрибуты0 / Пропущенное словоPRESS
Слот 5Атрибуты0 / (Знает / Не знает)CONTROL

Рисунок 9. Фрейм активной подсказки

Слот 1 – это слот вывода текстовой информации непрямого действия, он получает значение из соответствующего слота предметного текстового фрейма. В результате его работы на экран выводится необходимое высказывание с пропущенным словом, которое должен ввести обучаемый. Демон NEXT запускает следующий слот 2 – системный слот получения информации. В результате этот слот принимает значение, которым является пропущенное слово. Демон этого слота NEXT передает управление слоту 3 – пользовательскому слоту получения информации, значением которого должно стать слово, вводимое обучаемым. Основная работа слота 3 заключается в сравнении слова, введенного обучаемым, и правильного слова, которое является значением слота 2, что делается с помощью процедуры, входящей в состав слота. Присоединенная процедура этого слота передает управление в зависимости от результатов сравнения. Если слово набрано верно (YES), то управление передается слоту 5, в противном случае (NO) – следующему слоту 4. К случаю «NO» приравнивается ситуация, когда обучаемый не знает и поэтому не отвечает вовсе. Это контролируется специальной процедурой, которая входит в число атрибутов слота. Если обучаемый не вводит слово в течение заданного времени, то считается, что он ввел неверное слово.
Слот 4 – это слот вывода текстовой информации непрямого действия. Он выводит на экран пропущенное слово. Таким образом, обучаемому, допустившему ошибку или не знающему верного значения пропущенного слова, предлагается ввести уже известное ему слово. Это делается для того, чтобы подкрепить перцептивное действие (наблюдение за информацией на экране) внешним механическим (работа за клавиатурой). В результате нужное значение введено, и демон PRESS опять передает управление слоту 4. Значением последнего слота (это системный слот получения текстовой информации) является сообщение о том, знал или не знал обучаемый пропущенное слово, а его демон Control передает управление фрейму финального контроля.
3. Фрейм задания закрытого типа. Этот фрейм реализует тестовое задание закрытого типа с альтернативной формой ответа. Это значит, что к заданию предлагаются несколько ответов, среди которых один верный, и тестируемый должен его определить. Такое задание удобно для организации ориентировки на исполнение, например, для определения необходимой формулы. В этом случае обучаемому предлагается группа формул, и он должен найти среди них верную (рис. 10).

Рисунок 10. Тестовое задание закрытого типа

Фрейм задания закрытого типа имеет почти такую же структуру, как и фрейм активной подсказки. Первый слот является слотом вывода текстовой информации непрямого действия (рис. 11). Его значение – это группа формул, которая и выводится на экран.
Слот 1Атрибуты0 / Группа формулNEXT
Слот 2Атрибуты0 / Верный номер формулыNEXT
Слот 3Атрибуты0 / Номер формулы, введенный обучаемымYES / NO
Слот 4Атрибуты0 / (Знает / Не знает)PRESS

Рисунок 11. Фрейм задания закрытого типа

Демон NEXT передает управление следующему слоту 2. Это системный слот получения информации, в данном случае информация – номер верной формулы, который вводит обучаемый и который является значением слота. Демон слота передает управление следующему слоту 3. Его значением является правильный номер формулы, и процедура, входящая в число атрибутов слота, сравнивает с ним номер, введенный обучаемым. Если обучаемый ошибся и эти номера не совпадают (NO), то присоединенная процедура этого слота передает управление слоту 2, и обучаемый снова вводит номер формулы. Так происходит до тех пор, пока номера не совпадут (YES). Управление передается следующему слоту, значение которого фиксирует факт ошибки обучаемого, а демон Control передает управление фрейму финального контроля.
4. Фрейм соответствия. Этот фрейм реализует тестовое задание на соответствие. Напомним, что тестовое задание на соответствие предполагает, что существуют две группы элементов, расположенных в произвольном порядке, и тестируемому необходимо каждому элементу одной группы поставить в соответствие определенный элемент из другой группы. В наших обучающих чаще всего сопоставляются элементы установок с их названиями. Отцвечивается курсор какой-либо части, и обучаемый должен выбрать ее название из списка, расположенного рядом с изображением установки. На рис. 12 показан соответствующий скриншот для системы «Замени колесо».

Рисунок 12. Тестовое задание на соответствие

Фрейм показан на рис. 13. Первым слотом фрейма соответствия является слот вывода графического изображения непрямого действия. Значением его является изображение установки, которое и выводится на экран. Демон NEXT передает управление следующему слоту, также являющемуся слотом вывода текстовой информации непрямого действия. Его значение – номер одной из частей установки. Он вырабатывается случайным образом с помощью процедуры, входящей в состав атрибутов слота.
Слот 1Атрибуты0 / Схема установкиNEXT
Слот 2Атрибуты0 / Номер первого отцвеченного элемента установкиNEXT
Слот 3Атрибуты0 / Первый отцвеченный курсор элемента установкиNEXT
Слот 4Атрибуты0 / Номер первого элемента установки, введенный обучаемымYES / NO
Слот 5Атрибуты0 / Номер второго отцвеченного элемента установки NEXT
Слот 6Атрибуты0 / Второй отцвеченный курсор элемента установкиNEXT
Слот 7Атрибуты0 / Номер второго элемента установки, введенный обучаемымYES / NO
............
Слот 3n-1Атрибуты0 / Номера n-го отцвеченного элемента установкиNEXT
Слот 3nАтрибуты0 / n-ый отцвеченный курсор элемента установки NEXT
Слот 3n+1Атрибуты0 / n-ый отцвеченный курсор элемента установки YES / NO
Слот 3n+2Атрибуты0 / Количество ошибокCONTROL

Рисунок 13. Фрейм соответствия

Демон NEXT передает управление слоту 3 вывода графической информации непрямого действия. Его значение - отцвеченный курсор, указывающий выделенную часть на изображении установки. Следующий слот – это пользовательский слот получения информации, значением которого является номер из списка элементов установки, вводимый обучаемым. Присоединенная процедура слота сопоставляет этот номер с числом, введенным обучаемым. Если числа не совпадают (NO), то подается звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый снова вводит число. Так происходит до тех пор, пока числа не совпадут, т.е. обучаемый верно определит элемент установки. Если числа совпадают (YES), то отсвечивается следующий элемент установки, управление передается следующему слоту, и все действия по сравнению повторяются. Так происходит до тех пор, пока не переберутся все элементы установки. Последний слот подсчитывает количество ошибочных ответов, и его демон CONTROL передает управление фрейму финального контроля.
5. Фрейм правильной последовательности. Этот фрейм построен на основе тестового задания на правильную последовательность. Смысл этого задания заключается в том, чтобы некоторые элементы, расположенные в произвольном порядке, разместить в соответствии с определенными принципами. Такой последовательностью может быть, например, формулировка закона, в которой перемешаны элементы, составляющие ее, – слова и знаки препинания. Пользуясь мышью, обучаемый может перемещать элементы последовательности; целью этого перемещения является верное расположение элементов.
Например, для выполнения задания в системе «Спаси товарищей» необходимо использовать закон Фарадея для электролиза. Однако он не дается в готовом виде. Его формулировку обучаемые должны получить сами. Для этого им предлагается расставить в правильном порядке следующие слова: «электролит, прохождения выделяющегося электроде электролиза на тока в масса процессе через, пропорциональна вещества и его времени силе». И не так уж много времени требуется, чтобы сформулировать этот закон: «Масса вещества, выделяющегося на электроде в процессе электролиза, пропорциональна силе тока и времени его прохождения через электролит».
Фрейм правильной последовательности показан на рис. 14.
Первый слот фрейма – слот вывода текстовой информации непрямого действия, значением которого является преобразованная формулировка, которая и выводится на экран. Затем управление передается следующему слоту 2 – системному слоту получения информации, значением которого является первый элемент последовательности. Слот 3 – это слот пользовательский слот получения информации. Его значением является первый элемент формулировки, введенный обучаемым, т.е. перемещенный мышью на первое место. Этот слот сравнивает верный и введенный обучаемым первые элементы. Если этот элемент выбран неправильно (NO), то подается звуковой и/или цветовой сигнал, и обучаемый снова вводит новый первый элемент. Так происходит до тех пор, пока первый элемент не будет выбран верно (YES).
Слот 1Атрибуты0 / Преобразованная формулировкаNEXT
Слот 2Атрибуты0 / Первый элементNEXT
Слот 3Атрибуты0 / Первый элемент, введенный обучаемымYES / NO
Слот 4Атрибуты0 / Второй элементNEXT
Слот 5Атрибуты0 / Второй элемент, введенный обучаемым YES / NO
............
Слот 2nАтрибуты0 / n-ый элемент NEXT
Слот 2n+1Атрибуты0 / n-ый элемент, введенный обучаемым YES / NO
Слот 2n+2Атрибуты0 / Количество ошибокCONTROL

Рисунок 14. Фрейм правильной последовательности

Тогда управление передается слоту 4, который принимает значение второго элемента, и т.д., пока все элементы не будут расставлены на свои места. Последний слот подсчитывает количество ошибочных ответов, и его демон CONTROL передает управление фрейму финального контроля.
6. Фрейм задания. Он содержит большое количество слотов различного назначения (рис. 15).
Слот 1Атрибуты0 / Текст заданияNEXT
Слот 2Атрибуты0 / Ответ на заданиеNEXT
Слот 3Атрибуты0 / Ответ для первой ошибочной траектории решенияNEXT
............
Слот n+2Атрибуты0 / Ответ для n -ой ошибочной траектории решенияNEXT
Слот n+3Атрибуты 0 / Ответ, введенный обучаемымYES / NO / PAUSE
Слот n+4Атрибуты0 / Ответ, введенный обучаемымYES / NO
Слот n+5АтрибутыПредложение исправить ошибку PRESS
Слот n+6АтрибутыПредложение обратиться к помощиPRESS
Слот n+7Атрибуты0 / Данные о результатах выполнения заданияCONTROL

Рисунок 15. Фрейм задания

Начинается фрейм слотом вывода текстовой информации непрямого действия; из соответствующего слота предметного текстового фрейма он в качестве значения получает текст задания, которое и выводит на экран. Затем следует системный слот 2 получения текстовой информации, его значением является верный ответ на задание. Этот ответ также поступает из соответствующего слота предметного фрейма ответов. Обучаемый может ошибиться, выполняя задание. С дидактической точки зрения важно определение характера ошибки, при этом часты случаи, когда ошибки прогнозируются при проектировании системы. Поэтому следующие n слотов - это системные слоты получения информации (по количеству прогнозируемых ошибок). Значениями их являются ответы, соответствующие ошибочным траекториям решения. Значение n определяется по заданию, в котором наибольшее количество ошибочных траекторий. Если таких траекторий нет, то за слотом 2 следует пустой слот, не изменяющий своего значения, и n принимается равным единице.
Слот n+3 – это пользовательский слот получения информации, значением его является ответ на задание, вводимый обучаемым. При нахождении ответа обучаемый через меню может обращаться к слотам (а по сути дела, фреймам, состоящим из одного слота) вызова фрейма (например, для получения помощи) и вызова процедуры (справка, калькулятор).
Здесь возможны три ситуации: обучаемый дал верный ответ (YES), обучаемый ошибся (NO), обучаемый не вводит ответ (PAUSE). Последний случай регистрируется специальной процедурой из числа атрибутов слота по заданному времени паузы, как это делается во фрейме активной подсказки. Если ответ верен, то присоединенная процедура передает управление последнему слоту фрейма, значение которого отражает результаты выполнения задания, и передает управление фрейму финального контроля.
Если обучаемый допустил ошибку (NO), то управление передается следующему слоту n+4 – системному слоту получения информации, значением которого также является уже введенный обучаемым ответ, взятый из предыдущего слота. Процедура, входящая в число атрибутов слота, последовательно сравнивает этот ответ с ответами ошибочных траекторий решения. Если совпадение будет обнаружено (YES), то присоединенная процедура передает управление фрейму, реализующему соответствующую траекторию. Если же совпадения не будет, то управление передастся следующему слоту – слоту вызова процедуры, которая демонстрирует работу установки при неверном ответе (неправильно определенном каком-то параметре). На этот слот также возвращается управление после реализации ошибочной траектории. Следующий слот вывода информации прямого действия выводит сообщение с предложением исправить ошибку, найти правильный ответ и повторяет задание. На этот слот передается управление также в том случае, если слот 3 пустой, т.е. отсутствуют прогнозируемые ошибки, а также, если по каким-либо причинам нельзя организовать демонстрацию действия установки. Демон PRESS передает управление слоту n+3.
Если обучаемый не отвечает при работе слота n+3 (PAUSE) или повторно допускает ошибку, то управление передается слоту n+6 вывода текстовой информации прямого действия, и обучаемый получает предложение обратиться к помощи. Возврат управления осуществляется снова на слот n+3.

Интерфейсные фреймы

Рассмотрим два основных интерфейсных фрейма: фрейм финального контроля и фрейм знакомства.
1. Фрейм финального контроля. Этот фрейм представляет знания об обучаемом. Он обрабатывает и оформляет в определенном виде информацию о выполнении обучаемым заданий системы. Заключительным слотом этого фрейма является слот вывода текстовой информации прямого действия. В нем отражается история деятельности обучаемого и подводится ее итог. Результаты выводятся в виде таблицы (рис. 16). По сути дела, это текущая модель обучаемого, построенная в терминах системы.

Студент: __________ Группа: __________
Всего заданий: _____
Правильно выполненных заданий: _____

Задание №123...n
Вес задания...............
Время ответа...............
Количество ошибок...............
Обращение к помощи I-го уровня...............
Обращение к помощи II-го уровня...............
Обращение к помощи III-го уровня... ... ... ... ...

Рисунок 16. Фрейм финального контроля


2. Фрейм знакомства. С помощью этого фрейма обучаемый регистрируется в журнале. Фрейм показан на рис. 17.
Слот 1Атрибуты0 / ФамилияPRESS
Слот 2Атрибуты0 / ИмяPRESS
Слот 3Атрибуты0 / ГруппаPRESS
Слот 4Атрибуты0 / Список группыYES / NO
Слот 5Атрибуты“Исправьте ошибку ввода”BEGIN
Слот 6Атрибуты0 / ДанныеCONTROL

Рисунок 17. Фрейм знакомства

Все слоты этого фрейма, кроме слота 5, являются слотами получения информации. Первые три – это пользовательские слоты, их значениями являются фамилия, имя обучаемого и название группы, в которой он учится. Демоны этих слотов сразу же по вводу передают управление следующему слоту. Слоты 4 и 6 - системные. Слот 4 вызывает из журнала список указанной группы и проверяет наличие в нем обучаемого с указанными фамилией и именем. Если такой обучаемый зарегистрирован (YES), то управление передается слоту 6, значением которого являются собранные вместе данные об обучаемом. Демон CONTROL передает управление фрейму финального контроля. Если при вводе допущена ошибка (NO), то управление передается слоту 5 вывода текстовой информации прямого действия, и после вывода на экран сообщения “Исправьте ошибку ввода” демон BEGIN передает управление первому слоту для исправления ошибки.

Заключение

Реализована фреймовая организация знаний в интеллектуальной обучающей системе. Описаны фреймы, составляющие ядро разработанной инструментальной оболочки. Созданы 15 обучающих систем по физике, реализующих деятельностный подход в обучении. С некоторыми из них можно ознакомиться на сайте www.dise.donbass.com.
Однако значение проведенной работы выходит далеко за рамки физики, поскольку на базе нашей оболочки можно создавать обучающие системы по всем естественнонаучным и техническим дисциплинам. Приглашаем заинтересованных лиц к совместной работе.

Литература

[Аванесов, 1989] Аванесов В.С. Основы научной организации педагогического контроля в высшей школе. – М.: Из-во МИСиС, 1989.
[Атанов, Кандрашин, 1996] Атанов Г.А., Кандрашин Г.В. Фреймовая организация компьютерной обучающей системы, реализующей деятельностный подход// Искусственный интеллект, 1996, № 1.-С. 44-53.
[Атанов, Кандрашин, Локтюшин, 1997] Атанов Г.А., Кандрашин Г.В., Локтюшин В.В. Реализация деятельностного подхода в компьютерном обучающем комплексе //Сборник избранных трудов Международной конференции «Современные проблемы дидактики высшей школы». –Донецк: Изд-во ДонГУ, 1997. -С. 44-56.
[Атанов, Локтюшин, 2000] Атанов Г.А., Локтюшин В.В. Организация вводно-мотивационного этапа деятельности в компьютерной обучающей системе // Educational technology & Society. 2000, V. 3, N 2.- С.118-125. - ISSN 1436-4522.
[Машбиц, 1988] Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютери- зации обучения. – М.: Педагогика, 1988.
[Минский, 1979] Минский М. Фреймовое представление знаний. -М.: Энергия, 1979.
[Петрушин, 1992] Петрушин В.А. Экспертно-обучающие системы. -Киев: Наукова думка, 1992.
[Поспелов, 1988] Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. -М.: Наука, 1988.
[Уэно, Исидзука, 1989] Представление и использование знаний: Пер. с япон./ Под ред. Х. Уэно, М. Исидзука. - М.: Мир, 1989.
[Atanov, 1993] Atanov, G.A. The Educational Software in Physics Realizing an Activity Approach// The Proceedings of the Intern. Conf. PEG93: AI Tools & Classroom. Scotland, Edinburgh, 1993.-Р. 601-607.
[Atanov, Kandrashin, Loktiushin, 1997] Atanov, G.A., Kandrashin, G.V., Loktiushin, V.V. Computer Tutoring Systems for Science Education Based on the Activity Approach// New Media and Telematic Technologies for Education in Eastern European Countries/Eds. P. Kommers, A. Dovgiallo, V. Petrushin, P. Brusilovsky. - Enshede: Twente University Press, 1997.-Р. 75-79.