СПОСОБ ОБУЧЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ОБУЧАЕМОСТИ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/16 G09B19/00 

Изобретение относится к области образования, в частности к способам обучения со слежением за деятельностью обучаемого, управления этой деятельностью, и предназначено для диагностики динамических характеристик процесса формирования навыков решения задач в различных предметных областях.

Известно устройство для проведения психометрических исследований, включающих явный и неявный уровни наблюдений, с возможностью их сопоставления, позволяющее вычленять из сигналов датчиков диагностически значимые параметры-корреляторы психофизического состояния оператора в процессе решения им информационных задач (RU 29457, U1, A 61 B 5/16, 2003.05.20).

Данное устройство позволяет только наблюдать за деятельностью испытуемого, не коррелируя и не направляя эту деятельность.

Известна автоматизированная система мониторинга успеваемости, характеризуемая наличием баз данных, включающих источники тестирования, сведения о тестируемых, логического блока, выполненного с возможностью проведения расчета уровня успеваемости каждого тестируемого, вычисления средних результатов успеваемости, сопоставления полученных результатов, выставления средневзвешенной оценки по установленной шкале каждому тестируемому и определения рейтингов групп тестируемых (RU 20603, U1, G 09 B 19/00, 2001.11.10).

Известная система отслеживает только статистические характеристики процесса обучения и не позволяет осуществлять мониторинг динамических характеристик процесса научения решению задач. Кроме того, система предусматривает работу только с базами данных и не предусматривает моделирования заданий.

Известно обучающее устройство, позволяющее диагностировать интегральную оценку обученности, включающее космический навигационный навигатор, модели системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, модель движения космического корабля, генератор изображения Земли и станции МКС, ручки управления (RU 37429, U1, G 09 B 9/16, 2004.04.20).

Предлагаемое обучающее устройство имеет узкую профессиональную направленность. Данное устройство не позволяет осуществлять пооперационный контроль процесса обучения и протоколирование деятельности. Не отслеживается также и обучаемость, как характеристика процесса тренировки.

Наиболее близким к заявляемому является способ контроля профессиональной пригодности оператора, заключающийся в установке датчиков на органы управления транспортного средства и систему отображения информации, проведение тестирования методом сравнения времени действительных реакций оператора на воздействие внешних факторов и работу транспортного средства, контроль действия оператора на предмет правильности по n уровням сложности, с повышением уровня сложности в процессе тестирования (RU 2199272, С1, А 61 В 5/16, А 61 В 5/18, 2003.02.27).

Данный способ предполагает только контроль правильности выполнения операций и не предназначен для обучения и управления процессом обучения с генерированием задач и отслеживанием характеристик процесса научения, таких как обучаемость, уровень недостаточной специфической обучаемости, величина индуктивного порога и других.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего обучать и диагностировать обучаемость с управлением деятельности обучаемого, в процессе обучения и отслеживанием динамических характеристик процесса научения.

Технический результат изобретения выражается в увеличении степени взаимодействия ученика и автоматизированной системы.

Задача изобретения решается тем, что в способе обучения и диагностики обучаемости, включающем тестирование обучаемого, контроль действий выполнения правильности заданий, осуществляемых с помощью компьютерной системы с возможностью отображения информации, контроль действий проводят пооперационно, с одновременной обратной связью между обучаемым и компьютерной системой в виде оказания помощи обучаемому путем поощрения правильных и штрафования неправильных действий и генерирования последовательности заданий-аналогов, результаты процесса обучения записывают с помощью компьютерной системы в режиме on line.

Оказание помощи обучаемому могут производить с разной частотой.

В режиме on line может быть произведена запись конструирования (решения) задач.

В режиме on line может быть произведена запись временного ряда событий (действий).

В режиме on line может быть произведена запись конструирования (решения) задач.

В режиме on line может быть произведена запись временного ряда событий (действий).

Заявляемый способ иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 дана структурная схема осуществления способа обучения и диагностики;

на фиг.2, 3 приведены серии (а-в), экспериментально полученных графиков функции вознаграждения плохо и хорошо обучаемых учеников;

на фиг.4, 5 приведены графики функций ценности состояний учеников с недостаточной и хорошей обучаемостью.

Способ обучения и диагностики обучаемости осуществляют следующим образом. Обучение происходит на компьютеризированном рабочем месте обучаемого, которое находится в системе и связано сетью с компьютеризированным рабочим местом учителя. Поскольку обучение человека происходит в результате его взаимодействия с окружающей средой, предлагаемый способ с помощью компьютерной системы моделирует пути такого взаимодействия, предлагая взамен реальной виртуальную среду. При решении задачи ученик выполняет некоторые действия или операции. Среда, в которую включены и задачи и «учитель», передает сигналы ученику (посредством отображения на экране монитора), которые являются оценками действий, совершенных учеником. Эти оценки рассматриваются как двоичные: правильное действие - плюс 1; неправильное действие 0. Для решения задачи ученик может выбирать действия из некоторого заданного набора D=(d1, d2,..., dn). Цель обучаемого - получить решение задачи. Правильно выполненное действие приближает ученика к цели, неправильно выполненное - удаляет от цели. При этом ученик получает своевременные сигналы с оценкой деятельности. Значение оценок действий, которые можно обозначить 1 и 0 формирует «учитель». В терминах функции вознаграждения оценке 0 соответствует штраф, равный минус 1. При совершении учеником последовательности действий и оценке каждого из них формируется суммарный выигрыш, который равен уменьшению расстояния (в действиях) до цели. Информацию о размере текущего суммарного выигрыша среда (в данном случае компьютерная учебная система) передает ученику. Правильное или неправильное действие совершил ученик, определяет среда, ученик же знает об этом только с определенной вероятностью. Еще до совершения действия ученик делает выбор относительно того, что он будет делать. Именно на стадии, когда идет процесс выбора действия, существует вероятность того, что он получит поощрение или наказание. В процессе решения задач изменяется вероятность оценки и в большей степени самооценки действий в направлении увеличения вероятности совершения правильных действий, которые не штрафуются.

Целесообразное поведение ученика определяют по вероятности выбора правильных действий. Ученик, не обладающий целесообразным поведением, выбирает правильное действие с вероятностью 0,5. Это соответствует максимуму энтропии. Если ученик в процессе научения действует целесообразно, то вероятность правильного действия будет возрастать. При этом энтропия результатов его деятельности уменьшается. Помочь уменьшить информационную энтропию позволяет среда, с которой взаимодействует ученик, иначе, наличие обратной связи между обучаемым и компьютерной системой, путем передачи информации о текущем суммарном выигрыше или функции вознаграждения. Эта информация играет роль подкрепления правильных действий.

Действия, выполняемые испытуемым при решении задач, образуют временные ряды событий. Пооперационный контроль, осуществляемый компьютерной системой, позволяет получить функцию вознаграждения. Адаптация компьютерной системы к возможному уровню обученности ученика проводится через варьирование частоты подсказок, определяемых уровнем обученности. Подсказки, получаемые испытуемым от системы, играют роль подкреплений.

Временной ряд событий (действий) записывается в компьютерную память и является экспериментальным материалом, который позволяет измерять изменения в выполнении действий.

На схеме, иллюстрирующей способ, приведенной на фиг.1, показано взаимодействие ученика и обучающей и диагностирующей системы: цифрами и буквами обозначены - 1, 2 - модули управления, 3 - генератор заданий, 4 - аналитический модуль, записывающий и анализирующий информацию о деятельности ученика 5 - модуль, запоминающий результаты деятельности ученика информацию о деятельности ученика, x_в - задание, U - управляющее воздействие, Z - возмущение (влияние среды), x - управляемая величина, R₁, R₂ - критерии оптимальности, F - функционалы, y, ϕ - корректирующие воздействия (отражают функцию вознаграждения и функцию ценности состояния), Р - коммутирующий переключатель.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие осуществление способа.

Пример 1. Ученик, решая задачу, совершает n действий. Из них n₁ составляют правильные действия и n₂=n-n₁ неправильные действия. Первое задание позволяет определиться с вероятностью подкреплений, которые обучаемый будет получать во втором задании. Вероятность подкрепления q=n₂/n₁. Это вероятность того, что система выведет ученику информацию о значении функции вознаграждения. При решении второй задачи ученик также производит действия, которые могут быть правильными и неправильными. Среднее число подкреплений за время решения задания ν=n*q. Политика выполнения учеником действий зависит от достигнутого им состояния, которое характеризуется функцией ценности состояния I(i)=1-H(i),

где i - номер задания, H(i) - информационная энтропия деятельности ученика.

Информационная энтропия определяется относительными частотами правильных и неправильных действий в i задании

H(i),=plog₂-qlog₂q,

где р - относительная частота правильных действий, q - относительная частота неправильных действий. Значение функции ценности состояния зависит от результатов решения предыдущего задания.

Таким образом, функции вознаграждения позволяют определить значение функции ценности состояния, которую необходимо оценить для получения более высокого вознаграждения.

Пример 2. Ученика обучают решать задачи конструирования графиков функции, которая в общем виде записывается так

Конструирование графика функции (1) ученик производит, преобразуя график функции y=F(x), который дан на координатной сетке рабочего поля дисплея. Для этого ученик должен осуществить операции переноса графика y=F(x) вдоль осей ОХ и OY, операции сжатия и расжатия графика y=F(x), операцию инверсии графика так, чтобы в результате получился график искомой функции (1). Интерфейс системы имеет соответствующие кнопки управления как положением, так и формой графика функции y=F(x). В память машины записываются: действия или операции, производимые учеником; время выполнения действий; правильность (+1) или неправильность (-1) выполняемых действий; значение функции ценности состояния и другие продукты деятельности ученика.

Функция ценности состояния ученика ϕ(t) в момент времени t_i+1=t₁+Δt_i+1

где S(t) - функция вознаграждения ученика, она равна сумме поощрений (+1) и штрафов (-1), полученных учеником в процессе выполнения i+1 задания. Коэффициент обратной связи ƒ(t) формируется функцией F

Коэффициент обратной связи определяет вид и частоту помощи, которую обучающая система оказывает ученику. Частота помощи или подкрепления деятельности ученика зависит от достигнутого значения функции ценности состояния. С увеличением ϕ от нуля до 1 средняя частота подкреплений уменьшается от одного подкрепления на два действия до нуля.

Сравнение экспериментально полученных серий (а-в) графиков функции вознаграждения плохо и хорошо обучаемых учеников, приведенных на фиг.2 и 3, где на оси абсцисс показано время выполнения заданий - t, на оси ординат - функция вознаграждения - Р-НР позволяет проследить динамику процесса обучения. Ученик с недостаточной обучаемостью по математике (фиг.2), выполняя существенно больше заданий, чем хорошо обучаемый ученик (фиг.3) не может научиться выполнять все задания правильно. В его действиях по-прежнему велика случайная составляющая (действие наугад). В результате, как видно из графика, изображенного на фиг.4, где на оси абсцисс откладывают число выполненных заданий, а на оси ординат - функция ценности состояния, максимальное значение его функции ценности состояния не превысило значения 0,5 (5-ый уровень). Хорошо обучаемый ученик достаточно быстро перестает совершать ошибочные действия, время выполнения заданий сокращается и соответственно функция ценности состояния достигает максимального значения 1, что соответствует 10 уровню достижений, что и отражено на графике, изображенном на фиг.5.

Таким образом, заявляемый способ позволяет обучать и диагностировать обучаемость с управлением деятельности обучаемого, в процессе обучения и отслеживанием динамических характеристик процесса научения.

Изобретение относится к области образования, в частности к способам обучения со слежением за деятельностью обучаемого, управления этой деятельностью, и предназначено для диагностики динамических характеристик процесса формирования навыков решения задач в различных предметных областях. Проводят тестирование обучаемого, контроль действий выполнения правильности заданий, осуществляемых с помощью компьютерной системы с возможностью отображения информации. При этом контроль действий проводят пооперационно, с вычислением компьютерной системой расстояния до цели, представляющего собой сумму, полученную в результате поощрения правильных действий и штрафования неправильных действий. Одновременно обучаемому оказывается помощь, заключающаяся в обратной связи между обучаемым и компьютерной системой в виде отображения на мониторе информации о расстоянии до цели и генерировании последовательности заданий-аналогов в виде отображения динамически изменяющейся виртуальной проблемной среды. Результаты процесса обучения записывают с помощью компьютерной системы в режиме on line. Способ позволяет управлять деятельностью обучаемого, отслеживать динамические характеристики процесса научения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обучения и диагностики обучаемости, включающий тестирование обучаемого, контроль действий выполнения правильности заданий, осуществляемых с помощью компьютерной системы с возможностью отображения информации, отличающийся тем, что контроль действий проводят пооперационно, с вычислением компьютерной системой расстояния до цели, представляющего собой сумму, полученную в результате поощрения правильных действий и штрафования неправильных действий, и одновременным оказанием помощи обучаемому, заключающейся в обратной связи между обучаемым и компьютерной системой в виде отображения на мониторе информации о расстоянии до цели и генерировании последовательности заданий-аналогов, в виде отображения динамически изменяющейся виртуальной проблемной среды, результаты процесса обучения записывают с помощью компьютерной системы в режиме on line.2. Способ обучения и диагностики обучаемости по п.1, отличающийся тем, что информацию о расстоянии до цели компьютерная система производит с разной частотой.3. Способ обучения и диагностики обучаемости по п.1, отличающийся тем, что в режиме on line производят запись конструирования (решения) задач.4. Способ обучения и диагностики обучаемости по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в режиме on line производят запись временного ряда событий (действий).