Экспертные системы как инструмент решения проблем в образовании

Ускорение социально-экономических процессов, ориентация на рыноч-ные отношения в экономике, интенсификация жизни человека, переход от ин-дустриального общества к информационному, стремление российского госу-дарства к открытому обществу во всех его сферах (политики, культуры и т.д.) потребовали конструктивных изменений в образовательной сфере.
Результатом «возвращения государства в образование» стал недавно про-веденный форум по проблемам образования (октябрь 2014), где выступил Пре-зидент РФ.
...

без

При решении практических задач во многих областях человеческой дея-тельности бывает затруднительно, а то и просто невозможно использовать формализованные, теоретически обоснованные методы. Основная проблема - моделирование умственной деятельности людей при решении ими сложных за-дач из разных областей человеческой деятельности. В частности, одним из на-правлений в создании систем, позволяющих решить те или иные проблемы, является разработка систем, имитирующих действия и рассуждения человека-специалиста в узкой предметной области, называемого экспертом.
Экспертные системы (далее - ЭС), о которых пойдет речь в данной статье - одно из наиболее характерных порождений информационного общества, по-скольку представляют собой человеко-машинные системы искусственного ин-теллекта.
Вкратце можно ск азать, что использование ЭС базируется на следующих трех принципах:
1) их мощность зависит главным образом от объема базы знаний и воз-можности ее пополнения и лишь затем - от используемых ЭС процедур;
2) используются, в основном, эвристические, неопределенные, правдопо-добные знания;
3) эксперт непосредственно взаимодействует с экспертной системой в форме диалога.
Состав и условия функционирования ЭС достаточно подробно рассмот-рены в целом ряде работ исследователей в данной области [2; 3 и др.]. Посколь-ку решение задач предполагается осуществлять в условиях неполноты, недос-товерности, многозначности исходной информации и качественных оценок процессов, с помощью ЭС можно решать следующие задачи, относящиеся к шести основным видам: 1) интерпретация данных; 2) диагностика; 3) контроль; 4) прогнозирование; 5) планирование; 6) проектирование.
Типичная архитектура экспертной системы включает следующие компо-ненты: 1) база знаний; 2) база данных; 3) интерпретатор; 4) лингвистический процессор; 5) объяснительная компонента.

реализация (формирование базы знаний);
тестирование.
База знаний структурируется по фреймовому принципу. Структура данных представляет собой «сцепленный» (состоящий из «узлов») список. Каждый узел содержит поля для значений (информация об объекте). Кроме того, в узле имеется поля для адреса следующего узла (с которым он и «сцепляется»); если узел последний, в поле находится информация об исчерпанности списка. Также в каждом узле содержатся указания на начала списков значений имени объекта, у каждого узла - свой список. Подобным образом организованные знания могут обрабатываться соответствующими программными модулями.
Объединение вновь вводимых правил с базой знаний осуществляется компонентой приобретения знаний. Для того чтобы убедиться в достаточности знаний, эксперт дает системе тестовые примеры. В случае если результат, полученный системой, не удовлетворяет эксперта, он с помощью объяснительной компоненты получает сведения о том, как был сформулирован результат. По окончании процесса отладки система передается в эксплуатацию пользователям.
Пользователи общаются с ЭС в режиме решения задач, в ходе этого общения получая решение поставленной задачи или сведения о способе решения. Пользователь может:
не быть специалистом в конкретной области; тогда для получения ответа на интересующий его вопрос, он и обращается к ЭС за советом;
быть специалистом; тогда он может и сам получить результат. Но все же прибегает к услугами ЭС либо для того, чтобы ускорить процесс получения результата, либо для того, чтобы возложить на ЭС рутинную работу, сосредоточив собственные усилия на творческой деятельности.
В режиме решения пользователь вводит данные о задаче. Они обрабатываются лингвистическим процессором, после чего поступают в рабочую память. Лингвистический процессор выполняет следующие действия: 1) конвертирует введенные данные (представленные на усеченном естественном языке), на язык системы; 2) при генерации интерпретатором сообщений, адресованных пользователю, производит конвертацию, инверсную по отношению к вышеописанной.
Интерпретатор на основе входных данных, а также руководствуясь приобретенными в первичном режиме правилами и общей информацией, относящихся к изучаемой области, генерирует решение задачи. Пользователь может затребовать уточнение по поводу того, как был получен ответ, если у него имеются какие-либо сомнения, с ним связанные. Обычно объяснительный блок сообщает следующее: 1) каким образом была использована информация пользователя; т.е. объясняет механизм работы используемых ранее введенных правил, относящихся к изучаемой области; 2) объясняет причины использования/неиспользования введённых данных; 3) какие были сделаны выводы. Все эти объяснения обрабатываются лингвистическим блоком и представляются на усеченном естественном для пользователя языке.
А теперь можно дать краткий обзор общего построения алгоритма ЭС достаточно серьезного уровня.
1. Ввод/вывод знаний. Для выполнения этих функций необходимы программные модули, выполняющие следующие действия: 1) создание «узла» в общем списке объектов; 2) включение имени объекта в «сцепленный список»; 3) разбиение пары объект-значение; 4) проверка объектов и их значений; 5) включение нового объекта в общий список; 6) выведение списка значений; 7) выведение фактов базы знаний.
2. Работа с коэффициентом достоверности (доверия). Программные модули, выполняющие с коэффициентом доверия следующие операции: 1) определение; 2) изменение; 3) сохранение.
3. Определение степени многозначности объекта. Эти модули проверяют объект на многозначность; второй модуль при положительном ответе присваивается объекту атрибут «многозначный».
4. Обработка объекта и его значений. Эти модули обеспечивают: 1) нахождение разрешенного значения; 2) добавление «узла» к списку разрешенных значений; 3) выведение значений; 4) добавление разрешенных значений; 5) добавление вопросов; 6) вывод вопроса на экран; 7) ответ на вопрос.
5. Обеспечение ввода пользователем информации (интерфейс пользователя).
6. Работа с правилами. Эти модули обеспечивают: 1) вспомогательные операции (например, изменение регистра символов или устранение пробела в текстовом файле с введенной пользователем информацией); 2) добавление предпосылки к текущему правилу; 3) добавление соответствующего заключения; 4) отработку указателя правила для вывода этого правила на экран; 5) считывание правила из созданного оператором текстового файла и занесение в список правил ЭС; 6) чтение всего содержания файла правил базы знаний.
7. Интерпретация правил. Эти модули обеспечивают: 1) выработку вывода (заключения) из правила; 2) обработка имени объекта; к нему поочередно применяются имеющиеся правила, после чего объекту присваиваются значения; 3) вывод на экран результата (совет, рекомендация).
8. Подсистема объяснений. Она состоит из двух модулей: 1) модуля, поясняющего «ход рассуждений» ЭС, который привел к конечному выводу; 2) модуля, поясняющего, почему ЭС задала пользователю уточняющий вопрос.
А теперь перейдем к анализу применения ЭС в образовательном процессе в целом и посмотрим, какое приложения могут найти ЭС в профильном обучении, в частности. На стадии выбора набора предметов перед руководством школы и самими учителями встает сложный вопрос: каким образом, даже чисто технически, разработать для каждого ученика индивидуальную траекторию для удовлетворения его запроса. Здесь на помощь могут прийти ЭС. Их можно использовать как в качестве инструмента в работе преподавателя, так и в качестве обучающих систем.
ЭС сегодня широко применяются в самых различных областях человеческой деятельности, требующих решения неформализованных задач, дополняя и оптимизируя работу человека. Наш анализ показывает, что образование (в частности, среднее) также является областью деятельности подобного рода. Их используют для решения таких проблем, как: создание содержания образования, формирование учебного плана, педагогического прогнозирования, дифференцированного подхода к учащимся, оценки и мониторинга условий образовательной среды, построения системы уроков и отдельно взятого урока, педагогического и психологического мониторинга, оценки и мониторинга состояния здоровья школьников и их физического состояния на уровне класса, школы, муниципальном и региональном уровнях, а также формирования регионального базисного учебного плана. Действительно, использование ЭС способно как нельзя лучше удовлетворить тем требованиям, которое предъявляет современное образование. Стремительное развитие педагогической науки требуют повышения качества образовательного процесса, а главное - непрерывного, мы бы даже сказали, перманентного мониторинга с тем, чтобы отслеживать все возникающие изменения с немедленными коррективами.
ЭС в учебном процессе может быть отведена, как нам представляется, особая роль при формировании содержания образования. Речь идёт «о качественно новом уровне информационного обеспечения учебного процесса, исключающем стихийность и неопределённость в получении и использовании соответствующей информации именно того вида (оптимальной как по объёму, так и по содержанию), которой в данный момент необходим педагогу или учащемуся [2].
Принцип модульной структуризации содержания и программы обучения требует построения процесса обучения по отдельным функциональным узлам, т.е. учебным задачам или группам учебных задач, которые объединяются в модули. Последние позволяют привести к достижению конкретных дидактических целей. Нельзя забывать и о том, что необходимо систематическое обобщение изученного материала по теме, разделу, курсу, отдельным сквозным вопросам курса, межпредметным вопросам.