Современные информационные технологии / 2. Вычислительная техника и программирование

Писаренко Л.А., к.т.н. Шевелев М.Ю., к.т.н. Шевелев Ю.П.

Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники, Россия

Информационно-дидактическая система «Символ»:

неантропоморфный подход к автоматизации контроля знаний

Решение образовательных проблем обычно связывают с компьютером, надеясь, что со временем станет реальностью «…„золотая“ мечта образования: дать каждому ученику персонального учителя» [1, с. 5], т.е. будет создан электронный Аристотель, способный обучать с такой же эффективностью, с какой настоящий Аристотель обучал Александра Македонского. Насколько состоятельны подобные ожидания – это дискуссионный вопрос. В настоящее время компьютер хорошо выполняет только информирующую функцию, однако качество обучения определяется не объёмом переданной обучающемуся информации, а уровнем её усвоения. Задаётся этот уровень перечнями вопросов задач и упражнений, на которые обучающийся должен дать правильные ответы. Современный компьютер оценивает ответы обучающихся сравнением формы ответа с формой эталона, хранящегося в его памяти (антропоморфный принцип). Но формы ответа могут быть самыми разнообразными – устный рассказ о чём-либо, а также формулы, числа, рисунки, графики, схемы, таблицы и соответствующие устные пояснения к ним. Пока компьютер слеп и глух, ввод ответов представляет собой первое серьёзное препятствие на пути компьютерного диалога, поскольку клавиатурный ввод ответов является слишком времяёмким. Хотя работы по изучению акустического и зрительного каналов ввода информации давно ведутся во всём мире, и в этой области уже получены кое-какие положительные результаты, но до их массового применения ещё далеко.

Когда же компьютер обретёт способность воспринимать устную информацию с голоса любого человека и произвольные рукописные изображения с листа, причём, с достаточно высоким качеством, то это будет большим достижением в науке, но с позиций «электронного Аристотеля» – незначительным. Причина этого состоит в том, что естественный диалог всегда осуществляется на основе смысла, а диалог с компьютером, аналогичный человеческому, на смысловом уровне невозможен, поскольку все связанное со смыслом – это прерогатива сознания. Компьютерная же реализация сознания представляется в высшей степени сомнительной, если учесть следствие из теоремы Гёделя (о неполноте формальных систем) о том, что человеческое мышление основано на принципе, не сводящемуся только к алгоритмическому.

Отсюда вывод: любые автоматизированные контролирующие системы, оценивающие ответы сравнением форм их представления, по качеству контроля всегда будут уступать обычному человеческому контролю. Задача состоит не в создании «электронного Аристотеля» (о нём не может быть и речи), а в оценке реальных возможностей компьютера в области контроля знаний и поиске путей, позволяющих в пределах принципа формализации получить от него наибольший дидактический эффект.

В современных электронных учебниках большое распространение получил искусственный приём в виде выборочного принципа, когда вместе с вопросом обучающемуся выдаётся и ряд ответов для выбора из них правильных. В естественных системах контроля этот приём применяется крайне редко из-за его низкой обучающей эффективности. Поэтому при совершенствовании компьютерного контроля, прежде всего, необходимо выйти за рамки выборочного метода в область естественных ответов, тогда выборочный метод будет применяться как частный случай естественного контроля.

Второй момент, связанный с совершенствованием компьютерного обучения, является более тонким. Он относится к принципу антропоморфизма, согласно которому в компьютерную память заранее необходимо записывать эталонную информацию, чтобы компьютер мог отличать правильные ответы от неправильных, и выводить на экран правильные ответы, если в этом возникнет необходимость. Чтобы ограничить несанкционированный доступ к эталонам, их обычно хранят в закодированном виде.

Главные недостатки антропоморфного подхода состоят в следующем. Во-первых, в случае «взлома» защиты эталонных ответов информативность контроля всегда снижается и нередко до нуля (а разработка «взломостойкой» защиты – это очень большая проблема и её далеко не всегда удаётся решить на должном уровне). Во-вторых, каков бы ни был массив вопросов, ему всегда должен быть поставлен в соответствие и массив эталонных ответов (причём, в закодированном виде). Это вполне естественно в электронных учебниках, а в случае традиционных изданий, например, сборников задач, возникает вопрос: где хранить эталонные ответы? Не вкладывать же в каждый экземпляр магнитный или лазерный диск. В этом состоит известная проблема интеграции электронных и традиционных учебников [2]. В-третьих, вследствие массовости операции контроля и самоконтроля кроме компьютера имеет смысл применять и специализированные устройства, как более удобные в применении, например, для контроля знаний дошкольников, или учащихся начальной школы. Однако разработке таких устройств препятствуют трудноразрешимые вопросы об объёме памяти и её наполнении информацией.

Всех подобных трудностей можно избежать, если отказаться от принципа антропоморфизма, т.е. удалить из компьютерной памяти все массивы кодов эталонных ответов, а контроль осуществлять на основе специальных кодов заданий (КЗ), являющихся неотъемлемыми составляющими каждого учебного вопроса. В процессе самоконтроля обучающийся набирает на компьютерной клавиатуре ответ и КЗ. Эта информация обрабатывается по специальному контролирующему алгоритму, и если ответ соответствует коду задания, то обучающийся получает сообщение «Правильно», в противном случае – «Неправильно». Проиллюстрируем это на примере из школьного курса географии:

«Назовите самое глубокое озеро на нашей планете. (ТПК)»

Обучающийся, выполнив это задание, набирает на компьютерной клавиатуре слово «Байкал» и код «ТПК». В результате получает сообщение «Правильно».

Так как вся информация о правильном ответе заключена в КЗ, то возможен вопрос: не проще ли обучающемуся найти ответ декодированием КЗ вместо того, чтобы решать задачу? Чтобы исключить такую возможность, контролирующий алгоритм должен обладать свойством: при кодировании заданий всякому ответу ставится в соответствие вполне определённый КЗ, а при попытках декодирования обеспечивалась бы неоднозначность. В этом случае защита эталонов от несанкционированного доступа обеспечивается не засекречиванием алгоритмов кодирования и декодирования, а информационным шумом, суть которого в том, что каждая из последовательностей знаков, полученная в результате декодирования, является правильной по отношению к данному КЗ, но какая последовательность действительно есть правильный ответ, в общем случае установить невозможно. В этом заключается суть неантропоморфного подхода, т.е. компьютер «не знает» правильных ответов ни на один вопрос, но способен отличать правильные ответы от неправильных.

Главная особенность неантропоморфного подхода состоит в том, что на его основе могут быть построены контролирующие алгоритмы, семантически не связанные ни с какими кодируемыми ответами. Один из таких алгоритмов разработан и применяется в информационно-дидактической системе «Символ» [3]. Этот алгоритм является универсальным, т.е. он обеспечивает возможность контроля (и самоконтроля) по любым учебным предметам вузов, школ, и дошкольного образования. Система «Символ» может применяться в массовых масштабах, но только в том случае, если контролирующие алгоритмы работают одинаково во всех компьютерах. Однако подобная реализация этих алгоритмов не защищена от постороннего вмешательства в их работу (вирусы, попытки усовершенствования), поэтому наилучшей является реализация их в виде специализированного устройства. Такое устройство, названное «Символ-Тест» [4], разработано и применяется в школах Томской области.

Дидактический фонд системы «Символ» в настоящее время насчитывает несколько десятков учебных пособий для вузов, средних общеобразовательных школ и дошкольных учреждений. Каждое из них содержит сотни учебных вопросов с возможностью самоконтроля, так как всем вопросам присвоены соответствующие КЗ. Например, в [5] насчитывается более трёх тысяч закодированных задач и упражнений для самостоятельной работы.

Исследование неантропоморфного подхода проводилось в связи с проблемой интеграции электронных и бумажных учебников. Однако результаты исследований могут применяться и вне этой проблемы. Например, при разработке электронных учебников основные трудности контроля на основе естественных ответов обусловлены неоднозначностью их представления. Обычно в таких случаях применяются специальные алгоритмы, либо перечисляются все возможные варианты ответа и задаётся дизъюнктивный критерий: ответ обучающегося признаётся правильным, если он содержится среди перечисленных. В системе «Символ» предусмотрена возможность кодирования большого класса неоднозначных ответов без перечисления их вариантов: достаточно найти КЗ для одного из них, и при самоконтроле все остальные также будут признаваться правильными.

Таким образом, неантропоморфный подход обеспечивает унификацию при подготовке контролирующих заданий: независимо от того, в каком виде представлены дидактические материалы – электронном или бумажном, – нет необходимости создавать массив эталонных ответов, достаточно только закодировать контрольные вопросы, а контролирующие алгоритмы во всех случаях остаются одними и теми же. Они могут быть реализованы в двух вариантах: программно при помощи компьютера и в виде специализированного устройства, что имеет особое значение для начальной школы и дошкольного образования.

Литература

1. Аунапу Т. Ф. Автоматизация обучения с позиций системного анализа / Т. Ф. Аунапу, М. В. Веронская // Тезисы докладов республиканской научно-методической конференции «Управление качеством высшего образования в условиях многоуровневой подготовки специалистов и внедрения образовательных стандартов». – Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 1996. – С. 5–6.

2. Шевелев М. Ю. Об интеграции традиционных и компьютерных учебников в автоматизированных обучающих системах / М. Ю. Шевелев, Ю. П. Шевелев // Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники: Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования: периодический научный журнал. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2003. – № 1(9). – С. 240 – 249.

3. Смирнова Н. П. Здоровьесберегающие аспекты использования системы «Символ» в учебном процессе в условиях перехода на новые образовательные стандарты / Н П. Смирнова // Материалы международной научно-методической конференции «Современное образование: перспективы развития многопрофильного технического университета». Россия, Томск, 28-29 января 2010 г. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2010. – С. 269–270.

4. Мусев Н. С. Рейтинговая система и устройство «Символ-Тест» – точки соприкосновения / Н. С. Мусев, Т. Н. Мусева // Материалы международной научно-методической конференции «Современное образование: перспективы развития многопрофильного технического университета». Россия, Томск, 28-29 января 2010 г. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2010. – С. 283–285.

5. Шевелев Ю. П. Дискретная математика / Ю. П. Шевелев – СПб.: Издательство «Лань», 2008. – 592 с.