Лекция № 3 Искусственный интеллект. Фреймы. Семантическая сеть. Работы в области когнитивной психологии во многом инициировались аналогией между процессами переработки информации человеческим мозгом и ЭВМ. Первые создатели программ для компьютеров были сильно удивлены тем, что машина, успешно решающая сложнейшие вычислительные задачи, ошибается при выборе адекватного действия в простейшей жизненной ситуации. Так появилась ещё одна область научных исследований, связанная с изучением процессов обучения компьютеров, которая называется искусственным интеллектом (ИИ). Анализируя развитие исследований в этой области, Р. Солсо сделал вывод, имеющий важное значение и для педагогики: «Между ИИ и когнитивной психологией установились своего рода симбиотические отношения, где каждый выигрывает от развития другого. Ибо для того, чтобы искусственным способом сделать точную копию человеческого восприятия, памяти, языка и мышления, нужно знать, как эти процессы происходят у человека. И в то же время, развитие искусственного интеллекта даёт новые возможности к пониманию человеческого познания». В результате исследований в области ИИ появились очень перспективные для проектирования учебного процесса модели представления знаний в виде фреймов (М. Минский), семантических сетей (Ч. Пирс, А. Коллинз, Р. Квиллиан и др.), скриптов (Р. Шенк и Р.Абельсон), демонстрирующие различные формы представления информации, возможно, аналогичные когнитивным схемам человека. В когнитивной технологии для описания индивидуальной системы знаний каждого ученика и сравнения её с экспертной системой используются фреймы и семантические сети. Понятие экспертной системы было введено в инженерии знаний, которая является прикладным направлением исследований в области ИИ. Этот способ описания знаний применяется в относительно слабо формализованных областях, в которых отсутствуют строгие алгоритмы выводов. Простейшая экспертная система состоит из так называемых: • баз данных • и правил преобразования. База данных состоит из множества фактов набора суждений о свойствах некоторой части окружающего мира, изучаемой в определённой предметной области. В базе данных факты образуют некую семантическую сеть благодаря существующим между ними связям. Множество фактов в инженерии знаний получило название декларативной информации. Над фактами допустимы операции: • сохранения, • воспроизведения, • проверки • и обновления, но не преобразования, позволяющего выводить новые факты т. е. получать новое знание. Для превращения базы данных в базу знаний, позволяющую интерпретировать и преобразовывать фактическую (декларативную) информацию с целью её применения в новых ситуациях, необходимо дополнительно ввести некоторые правила преобразования, совокупность которых образует так называемую процедурную информацию. В правила преобразования входят: - различные, разрешёные в определённой предметной области, действия над фактами - правила и алгоритмы, - способы преобразования объектов, - общие и частные методы данной области. Существование двух подсистем переработки информации подтверждается данными когнитивной психологии, в которой экспериментально доказано, что в процессе восприятия, переработки и сохранения декларативной и процедурной информации участвуют различные отделы мозга, причём свойства декларативной и процедурной памяти существенно отличатся. Описанные выше исследования в области когнитивной психологии и искусственного интеллекта определили общую структуру когнитивной технологии обучения. Учащийся воспринимает и познаёт окружающий его мир с помощью умственных репрезентаций когнитивных схем. Когнитивная технология начинается с тщательной входной диагностики когнитивной сферы каждого ученика. Это позволяет обнаружить имеющиеся когнитивные дефициты и адаптировать содержание, методы, организационные формы и средства обучения к когнитивным возможностям учащихся. В соответствии с моделью экспертной системы знания ученика рассматриваются как комплекс фактических сведений о мире (декларативной информации) и правил оперирования фактами для получения новых выводов (процедурной информации). Поэтому в учебном процессе выделены два типа уроков - урок изучения декларативной информации и урок изучения процедурной информации. • Таким образом, формируется триада основных элементов учебного процесса когнитивной технологии: • входной мониторинг; • уроки изучения декларативной информации; • уроки изучения процедурной информации. Данная триада образует типовой модуль технологии. Систематизирующим элементом модуля является процедурная информация, содержание которой позволяет отобрать факты, необходимые для описания процедуры, и выделить когнитивные схемы, которыми должен обладать ученик для усвоения фактов. Урок изучения декларативной информации начинается с проведения входной диагностики, целью которой является определение степени готовности всех учащихся класса к восприятию и пониманию новой информации. Для большинства школьных дисциплин основные объекты диагностики - семантические фреймы понятий и связей между ними (семантические сети). Кроме этого, учащиеся должны знать и уметь применять определённые процедуры, которые будут использоваться при изучении нового материала, поэтому необходимо диагностировать корректность фреймов-сценариев, отображающих в сознании эти процедуры. Последним объектом диагностики являются фреймы-прототипы, отображающие объекты реального мира, используемые при получении нового знания. Для каждого из выделенных объектов строится система заданий (дидактических инструментов), с помощью которой можно провести быструю и объективную его диагностику. Обоснован выбор диктанта как адекватной формы проведения входной диагностики, даны рекомендации по организации проверки и реагированию на полученные данные. Результаты когнитивного мониторинга и входной диагностики используются для деления класса на однородные группы в соответствии с трёхмерной моделью СКУ (содержание обучения, когнитивная готовность, учебная готовность). Для разных групп используются разные методы, формы и средства обучения для изучения новой информации, что позволяет адаптировать содержание обучения к когнитивным возможностям учеников каждой группы. Деятельность по многократной логической переработке изучаемой новой информации организуется с помощью специально спроектированной системы заданий, которая выполняет три дидактические функции: -первичное усвоение информации на уровне понимания; -диагностику первичного усвоения; -коррекцию первичного усвоения. Особую роль среди этих заданий выполняют два новых современных метода отображения информации - интеллект-карты и карты понятий. Оба метода позволяют визуализировать процессы мышления учащихся при усвоении новой информации, поэтому они являются эффективным средством управления формированием когнитивных схем. Таким образом, к концу урока учитель имеет полную информацию о результатах усвоения новой информации каждым учеником класса. Структура урока изучения процедурной информации является логическим следствием некоторых положений теорий адаптивного контроля мышления Дж. Андерсона и поэтапного формирования умственных действий П.Я.Гальперина. Из них вытекает, что для формирования в сознании учащихся адекватного изучаемой процедуре фреймасценария необходимо, чтобы сообщаемая им информация содержала исчерпывающе полное описание признаков объектов, к которым применима процедура, и условий её применимости к данным объектам. В совокупности эти два вида информации образуют служебный фрейм-ситуацию, который позволяет учащемуся обнаруживать необходимость применения процедуры. Третий обязательный компонент фрейма-сценария - система операций, которые необходимо выполнить для получения заданного продукта. Она должна быть настолько полной, а правила и порядок выполнения каждой операции должны быть описаны настолько однозначно, чтобы исключалась возможность ошибочных действий учащегося. Признаки объектов, условия применимости и элементный состав процедуры являются основным предметом познания на уроках изучения процедурной информации. Этот вид урока начинается с входной диагностики, содержание и способ проведения которой повторяют аналогичную диагностику урока декларативной информации. Затем учитель в ходе беседы со всеми учащимися класса на конкретном примере объясняет полное содержание процедуры, после чего класс разбивается на группы в соответствии с данными мониторинга, и с помощью специально сконструированной системы заданий организуется деятельность по многократной логической переработке полученной учащимися информации. Результаты этой деятельности диагностируются и корректируются для обеспечения понимания учениками всех информационных компонентов процедуры. Для этого используется специально сконструированная система заданий. • В дальнейшем на следующих уроках происходит формирование когнитивной схемы процедуры (фрейма-сценария) в процессе решения системы задач репродуктивного, реконструктивного и вариативного уровня (уровень предлагаемых учащимся задач определяется на основе данных когнитивного мониторинга). • После изучения всех процедур, рассматриваемых в учебной теме, проводятся уроки обобщающего повторения, тематического контроля и коррекции. Затем описанный учебный процесс повторяется при изучении следующей темы.