Разработка программных систем, позволяющих самостоятельно обучаться, приобретает все большее распространение. Автоматизированные обучающие системы создаются с целью овладения учащимся знаниями, умениями и навыками в процессе диалога с программой. Обучающие программы должны включать компоненты уровня сложности, чтобы выявлять пробелы в знаниях и направлять процесс обучения. Эти функции можно поручить программной системе – в этом случае мы получаем экспертную систему, которая диагностирует знания обучающихся и управляет процессом усвоения знаний.

В общем случае под экспертной системой понимают систему, способную заменить человека-эксперта при решении некоторых задач определенной предметной области [1, с. 4]. В состав экспертной системы обычно входят компоненты, способные формировать базу знаний предметной области, правила по которым предметные знания связаны друг с другом, «решатель» различных задач и «объяснитель» решений. Такой набор составляющих экспертной системы позволяет разработчику, заполнив базу знаний, определив набор правил предложить пользователю вариант(ы) решения задачи с объяснением. Базы знаний, разработанные в ЭС, могут применяться совместно с механизмом логического вывода. Механизм логического вывода снабжен набором средств отладки для проверки и поддержки  базы знаний.

Если рассматривать применение экспертных систем в обучении, то следует учитывать методику обучения, которая должна быть заложена в правилах обработки знаний, с целью диагностировать знания учащегося и управлять процессом обучения.

Перед студентами была поставлена задача разработать оболочку экспертной обучающей системы, позволяющей изменять базу знаний и вести диалог между системой и обучаемым, чью глубину знаний и навыков необходимо оценить. Была разработана
программа (экспертная система – оболочка) для того, чтобы включить эксперта, обладающего определенными знаниями в какой-либо предметной области в разработку прикладной программы. ЭС содержит два основных компонента: во-первых, систему формирования знаний, которая позволяет экспертам конструировать базы знаний для использования в обучающих программах; и, во-вторых, механизм логического вывода, чтобы применить базы знаний для непосредственного использования (рис. 1). Интерфейс программы достаточно простой и понятный, реализован в среде Visual Basic. Система формирования знаний – это раздел программы, в котором накапливаются экспертные знания предметной области, необходимые для наполнения базы знаний без помощи инженера по знанию. Обычно при разработке прикладной программы экспертной системы сбор знания проводится вручную инженером по знанию, который задает специалистам в проблемной области ряд вопросов, чтобы сформировать базу знаний. Это – длительный и трудоемкий процесс. Экспертная система
помогает специалисту в предметной области создавать базу знаний самостоятельно, не прибегая к помощи инженера по знанию. Для этой цели используется пошаговая методология приобретения и представления знаний. ЭС
выполняет функции инженера по знаниям, позволяя пользователю сосредоточиться на структурировании своих знаний.

Рисунок 1. Экспертная система

В ЭС используются модели знаний проблемной области на разных уровнях обобщения. Наиболее общая из этих моделей образуют сеть объектов (категорию). Все, что соответствует знанию эксперта, должно быть названо как объект (термин). В ЭС, объектом (термином) может быть все, над чем производятся действия, что может рассматривать эксперт (то есть, данные, наблюдения, переменные, гипотезы, заключения, концепции, и т.д.) как знания. Каждый объект (термин) принимает набор значений (ключевых слов), определенных специалистом в данной предметной области. Таким образом, формирование базы знаний происходит в следующем порядке:

• шаг 1. создается объектная сеть объектов (терминов),
  
• шаг 2. создается сеть правил, связывающих объекты (термины) между собой.
  

Первый шаг в структурировании знания – назвать объекты (термин) и связать их вместе в сеть объектов. Объекты связаны, когда значение, связанное с одним объектом (целью) может влиять на значение, связанное с другим объектом (термин). Вместе наборы объектных связей составляют сеть объектов (категорию). Поскольку фактические значения объектов (терминов) не рассматривается, связь объектов (терминов) в сеть представляет собой очень общую модель,  иллюстрирующую область приложения (категорию), которая включается в список категорий после создания и сохранения базы знаний, причем имя категории и имя базы знаний идентичны. Таким образом, первым шагом в создании базы знаний будет – выбор преподавателем определенной категории и обозначение группы терминов, которые будут включены в эту категорию (см. рис. 1).

Следующим шагом в структурировании знаний является группировка объектов (терминов), связанных в сеть объектов – пакеты, для которых могут формироваться правила. Чтобы завершить спецификации правила, необходимо определить возможные значения, которые каждый объект (термин) должен принимать. Эти значения используются для определения как самих объектов в непосредственной реализации обучающей экспертной системы, так и точной природы зависимости между объектами (терминами) (рис. 2).

Также очень часто в созданных базах знаний для экспертных систем необходимо вносить дополнения или изменения, чтобы не создавать базу знаний заново. Для этого сначала необходимо просмотреть всю базу (рис. 3), а потом уже вносить изменения. Это также предусмотрено в ЭС. Преподаватель-эксперт может загрузить уже существующую базу знаний, просмотреть ее и внести необходимые изменения с сохранением. При этом корректируя базу, преподавателю (эксперту), достаточно в списке выделить необходимый термин и удалить его, а для добавления термина работает тот же алгоритм, что и при создании базы знаний (рис. 2).

Рисунок 2. Создания базы знаний

Система формирования знаний в ЭС представляет собой процесс накопления знаний эксперта предметной области. Формируемая база знаний должна быть подвергнута формализации с целью однозначной обработки с помощью правил.

Рисунок 3. Просмотр базы знаний

База знаний может содержать несколько модулей в своем составе. Обучающая функция ЭС должна включать возможности контроля и оценки знаний учащегося с целью выявлений пробелов в изученном материале. Учитывая, что система формирования знаний является ядром ЭС, необходимо сосредоточиться на последующих стадиях доступа к этим знаниям, оптимального извлечения знаний и адекватной обработке знаний. Процесс проектирования ЭС подчиняется традиционному способу поэтапной разработки информационных систем [2, с.13] .

Таким образом, автоматизация обучения с использованием ЭС является востребованным инструментом повышения уровня усвоения учебного материала учащегося и, как следствие, демонстрацией возможности самостоятельно управлять образовательным процессом с учетом особенностей обучающегося. Диалоговый способ взаимодействия ЭС и учащегося раскрывает педагогический смысл дружественного интерфейса, выхода из системы в любой момент времени, а также предоставления помощи в случае необходимости.

1. Филиппович Ю. Н., Филиппович А. Ю.   Системы искусственного интеллекта. Кн. 1: Экспертные системы. / Филиппович Ю. Н., Филиппович А. Ю. – Москва, 2003.
2. Заботина Н.Н. Проектирование информационных систем: Учеб. пособие. – М.: ИНФРА-М, 2011.

Все статьи автора «Заботина Наталья Николаевна»