семантических сетей

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.