Тема 2. Моделирование учебной дисциплины (Лекции и семинары (8 занятий))

Тема 2. Моделирование учебной дисциплиныОдной из важнейших частей компьютерной обучающей системы является модельучебной дисциплины, которая должна определять состав требуемых знаний ивзаимосвязи между отдельными частями учебного курса.Простейшеймодельюучебнойдисциплиныявляетсяоглавление,т.е.последовательность разделов и глав учебного курса. При построении компьютерныхучебников в модель дисциплины на основе оглавления включают и более мелкиефрагменты знаний: параграфы и пункты, отражающие этапы работы обучаемого,например:§2.

Метод Ньютона1. Теория2. Демонстрационные примеры3. Примеры с пошаговым контролем4. Задачи с контролем итогового ответа5. СамоконтрольДругим видом модели, отражающей структуру требуемых знаний, являетсяалфавитно-предметный указатель, т.е. отсортированный по алфавиту список терминовучебной дисциплины со ссылками на фрагменты знаний, в которых каждый терминопределяется или используется.С точки зрения теории искусственного интеллекта модель учебной дисциплины –это частный случай модели предметной области.Для моделирования предметной области применяются продукционные модели,формально-логические модели, модели на основе онтологии, включая семантические сети,фреймовые модели и др.В продукционной модели знания представляют в виде правил-предложений вида:если <условие>, то <действие>Здесь под условием понимают предложение-образец, по которому осуществляютпоиск в базе знаний, а под действием – то, что выполняется при успешном исходе поиска.База знаний, построенная на основе продукционной модели, состоит из набораправил указанного вида.

Для поиска в базе знаний осуществляют перебор правил, которыйвыполняет специальная программа, называемая машиной вывода. Обычно машина выводаиспользует прямой вывод (от данных – к цели) или обратный вывод (от цели – к данным).Здесь данные – это исходные факты, формализующие постановку задачи, которуюрешают с помощью базы знаний.Например, знания по учебному курсу ремонта автомобилей можно формализоватьв виде набора продукционных правил вида:если «двигатель не заводится» и «стартер двигателя не работает», то«проверить систему электропитания стартера»Продукционные модели знаний часто используются в экспертных системах.Достоинствамитакихмоделейявляютсянаглядность,высокаямодульность,относительная простота внесения дополнений и изменений, простота механизмалогического вывода.

Среди недостатков можно выделить сложность формулированияпродукционных правил, неясность взаимных отношений правил, сложность оценкицелостного образа знаний, низкая эффективность обработки знаний.Формально-логические модели основаны на классической логике предикатовпервого порядка. Предметная область описывается в данном случае в виде набора аксиом,которые представляются как формулы в некоторой логике высказываний.

Знанияотображаются совокупностью таких формул, а получение новых знаний сводится креализации процедур логического вывода.Достоинствами таких моделей являются формальная математическая строгость,наличие разработанных эффективных механизмов вывода, лаконичность (в базе знанийможно хранить лишь множество аксиом, а все остальные знания получать из них поправилам вывода).Формально-логические модели используют в основном в исследовательскихэкспертных системах, так как эти модели накладывают сильные ограничения напредметную область, что является их основным недостатком.Онтологией называется формальное декларативное представление предметнойобласти, включающее в себя концепты предметной области и логические утверждения,которые описывают то, что собой представляют эти концепты, как они связаны и каксоотносятся друг с другом.Обычно онтологию описывают с помощью концептов (понятий, классов,сущностей, категорий), атрибутов концептов (свойств, ролей), отношений междуконцептами (связей, зависимостей, функций), а также дополнительных ограничений(аксиом, фасет).Семантическая сеть представляет собой ориентированный граф, вершиныкоторого соответствуют концептам, а дуги – отношениям между ними.

В терминахматематической логики вершина семантической сети соответствует элементу предметногомножества, а дуга – предикату.Одним из достоинств модели знаний в виде семантической сети являетсянаглядность получающегося описания предметной области. Однако это свойство теряетсяс увеличением размеров и усложнением связей сети.Фреймовые модели предназначены для формального описания предметнойобласти с помощью набора фреймов вида:<имя фрейма>:<имя первого слота> : <значение первого слота>,…<имя n-го слота> : <значение n-го слота>.В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма, что позволяетописывать иерархические структуры. В структуре фрейма могут присутствовать такжеполя, определяющие тип слота и специальные обрабатывающие процедуры. Различаютфреймы-образцы (протофреймы), хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры,которые вводят для отображения решаемой с помощью базы знаний задачи.Фреймовый аппарат семантического программирования включает три типаэлементарных фреймов: фреймы-смысловые связки, классификационные и директивныефреймы.Классификационные фреймы имеют имя и набор возможных значений.

Онипозволяют упорядочивать ключевые понятия предметной области по категориям, которымсоответствуют имена фреймов.Директивный фрейм представляет собой инструкцию для пользователя напроведение какого-либо действия. Директивный фрейм содержит простой или составнойтерминальный текст.Простой терминальный текст – это законченное предложение или текст,содержащий изложение законченной мысли, который нельзя (или нерационально)уменьшить по объему.Составной терминальный текст – это совокупность простых терминальныхтекстов, объединенных тематически.Смысловая связка содержит сказуемое, подлежащее (входной аргумент) идополнения (выходные аргументы), образуя каркас предложения на естественном языке.Возможные значения фреймов могут объединяться логическими операциямиконъюнкции и дизъюнкции.

Элементарные фреймы объединяются во фразы, совокупностькоторых представляет собой семантическую модель на естественном языке.Основным преимуществом фреймов, как модели представления знаний, являетсяспособностьотражатьконцептуальнуюосновуорганизацииДостоинствами фреймов также являются их гибкость и наглядность.памятичеловека..