2.4. Разработка алгоритма планирования последовательности действий (траекторий обучения на основе концептуального представления знаний
В философских исследованиях большое место отводилось и отводится проблеме разума и, в частности, связи между знаниями и действиями. Этот вопрос для искусственного интеллекта [25,36] является жизненно важным, поскольку интеллектуальность требует не только размышлений, но и действий. Кроме того, только поняв способы обоснования действий, можно понять, как создать интеллектуальную систему/планировщик, действия которых будут обоснованными (или рациональными). Аристотель утверждал, что действия обоснованы логической связью между целями и знаниями о результатах данного конкретного действия. Характерным примером рассуждений о рациональных действиях являются следующие [36]: «Но почему происходит так, что размышления иногда сопровождаются действием, а иногда — нет, иногда за ними следует движение, а иногда — нет? Создается впечатление, как будто почти то же самое происходит и в случае построения рассуждений и формирования выводов о неизменных объектах. Но в таком случае целью умственной деятельности оказывается умозрительное суждение..., тогда как заключением, которое следует из данных двух предпосылок, является действие... Мне нужна защита от дождя; защитой может послужить плащ. Мне нужен плащ. Я должен сам изготовить то, в чем я нуждаюсь; я нуждаюсь в плаще. Я должен изготовить плащ. И заключение "я должен изготовить плащ" становится действием ([1151, с. 40])».
Далее в [36] приводится еще один пример из книги Никомахова этика (том III. 3, 1112Ь) Аристотеля можно найти более подробные рассуждения на эту тему, где также предложен алгоритм: «Нам предоставляется право выбора не целей, а средств достижения цели, ведь врач рассуждает не о том, должен ли он лечить, а оратор — не о том, станет ли он убеждать... Поставив цель, он размышляет, как и какими средствами ее достичь; а если окажется несколько средств, то определяет, какое из них самое простое и наилучшее; если же достижению цели служит одно средство, думает, как ее достичь при помощи этого средства и что будет средством для этого средства, пока не дойдет до первой причины, которую находит последней... и то, что было последним в порядке анализа, обычно становится первым в порядке осуществления... Если же он приходит к выводу, что цель недостижима, отступает ся, например, если нужны деньги, а достать их нельзя; но если достижение цели кажется возможным, то пытается ее достичь». Этот алгоритм Аристотеля был реализован через 2300 лет Ньюэллом и Саймоном в программе GPS – общий решатель задач. Анализ на основе цели, используемый в общем решателе задач, является полезным, но не дает ответа на то, что делать, если к цели ведет несколько вариантов действий или ни один вариант действий не позволяет достичь ее полностью.
Для формирования индивидуальных траекторий разработан алгоритм, в основе которого лежит механизм, описанный Аристотелем и впервые реализованный Ньюэллом и Саймоном в общем решателе задач.
Для этой задачи в качестве исходных данных необходимы сведения в виде текущего состояния и требуемого, а благодаря механизму решения таких задач, т.е. интеллекту, определяется путь перехода к требуемому состоянию.
Требуемое состояние представляется в виде отображения (образа) реального мира, а текущее состояние есть отображение (образ) реального мимра в текущий момент времени [50].
Кроме исходного и требуемого состояний системе с интеллектом необходимы знания [13,28,30,33,50]. Для представления знаний используется интегрированная метод представления знаний. С его помощью задается модель проблемной области.
Модель предметной области определяется как отражение в интеллектуальной системе элементов и признаков действительности (реального мира), их отношений. В простейшем случае включает описания всех операций и параметров, необходимых для решения задачи или класса задач. Описание сущности - операции включает три составляющих:
Имя операции;
Условия возможности выполнения операции;
Условия контроля выполнения операции.
Имя операции может представлять собой код или набор символов, а условия задаются наборами состоящими из имени параметра и значения этого параметра.
Кроме определения условий параметры используются:
для задания текущего состояния предметной области в виде набора имен параметров с их текущими значениями и
для задания требуемых значений в виде набора имен параметров с их требуемыми значениями.
Имея описание проблемной области можно приступать к решению задачи, которая может быть сведена к следующему виду [46,47,48].
Имеется интеллектуальная система для которой применим определенный набор операций. Кроме того, интеллектуальная система находится в известном (определяемом) состоянии. Необходимо спланировать последовательность операций, после выполнения которых интеллектуальная система перейдет в требуемое состояние.
Решение задачи. Решение задачи планирования операций (плана перехода из текущего состояния в требуемое), может включать несколько шагов [18,23,25,26,27,28]. На начальном шаге происходит сравнение требуемого состояния предметной области с текущим. При несовпадении формируется запрос к модели предметной области для поиска множества операций, необходимых для перевода в требуемое состояние. По этому запросу выбираются и условия возможности выполнения операций, из которых формируется требуемое состояние для следующего шага планирования и т.д., до тех пор, пока на одном из шагов планирования не будут устранены различия между текущим и требуемым состояниями.
Для описания алгоритма формирования планов решений используются следующие обозначения:
Sц0 - описание целевого состояния задачи;
Sцi - описание целевого состояния для i-го шага планирования (подзадачи);
Sперi - описание различий между целевым состоянием и текущим (модели перевода) для i- го шага планирования;
Sтекi - описание текущего состояния в контексте i- го шага планирования;
i - номер шага планирования;
С использованием введенных сокращений алгоритм функционирования интеллектуальной системы будет иметь следующий вид:
Получить описание состояния цели - Sц0. Установить первый шаг планирования: i = 1. Зафиксировать состояние цели для первого шага планирования Sцi = Sц0.
Формирование текущего состояния для i-го шага планирования. По именам параметров из Sцi запрашиваются их текущие значения, т.е. формируется Sтекi.
Сравнение Sцi и Sтекi. Формирование Sперi из параметров, текущие значения которых не совпали с требуемыми.
Если Sперi = , то перейти к п.8.
Выбор операций содержащих в "условиях контроля выполнения операции" такие параметры и их значения, как в Sперi.
Из "условий возможности выполнения" выбранных операций, сформировать образ требуемого состояния для следующего шага планирования Sцi+1.
Установить следующий шаг планирования i := i + 1. Перейти к п.2.
Конец планирования.
Структурная схема алгоритма планирования показана на Рисунок 12.
Рисунок 12. Структурная схема алгоритма формирования планов.
Реализация сформированного плана является важнейшим элементом при организации целенаправленного поведения. Содержит, как действия, для достижения, так и контроль за выполнением этих действий.
Осуществляется реализация с выдачи команд, сформированных на последнем шаге планирования, а заканчивается выдачей операций, сформированных на первом шаге планирования.
Для контроля правильности исполнения операций i-го шага планирования, необходимо Sперi сравнить с Sтекi. При несовпадении текущих значений из Sтекi и требуемых значений параметров из Sперi, начать планирование непрошедших операций, т.е. Sц = Sперi.
Для контроля воздействий внешней среды необходимо сравнить Sтек с Sцi, при реализации операций i-го шага планирования. При несравнении начать планирование операций компенсирующих воздействия внешней среды. С этой целью Sц0 = Sцi.
При решении задач управления объектами реального мира, т.е. переводе из текущего состояния в требуемое, создается предметная область по правилам, описанным выше, а с помощью требуемого состояния задается цель управления, для достижения которой необходимо спланировать наборы операций. Текущее состояние, в этом случае, будет соответствовать реальному состоянию проблемной области.
Могут, также, решаться задачи удержания определенного состояния интеллектуальной системы, не зависимо от изменений внешней среды и других возмущений. В этом случае в качестве целевого задается состояние, которое необходимо удержать. Тогда при очередном сравнении состояний будут планироваться операции возврата в требуемое состояние, при обнаружении различий.
Планирование в предметной области может осуществляться не только для технических объектов, но и для объектов другой природы:
планирование бизнес-процессов;
планирование последовательности учебных объектов для их изучения:
планирование для удержания в требуемом состоянии;
контроль воздействий внешней среды на объект и т.д.
Найденные планы могут быть реализованы с проверкой реализации планов решений и контролем возникновения нештатных ситуаций [43,44,47].
В реальной жизни для перехода из одного состояния в другое существует множество путей [46, 47,48]. Применение метода формирования планов, использующего интегрированную модель знаний, может приводить к ситуациям, когда возможны несколько вариантов частичного, а значит и полного решения. Это может происходить в моменты формирования множества операций и требуемого состояния для нового шага планирования.
На этапе формирования множества операций, значение, рассматриваемого параметра из Sпер., может быть достигнуто использованием не одной, а нескольких операций. При формировании требуемого состояния для следующего шага планирования, используются условия возможности выполнения операций. А одна и та же операция может быть реализована различными способами.
Таким образом, число вариантов может достигать большого объема и для нахождения лучшего плана необходимо решать оптимизационную задачу.
Решение задачи формирования индивидуальной траектории повышения компетентности у обучаемого актуально для учебных организаций и является востребованными при переходе к компетентностному подходу в образовании [23,24,25 45,46,47].
В качестве примера рассматривается ситуация в которой сотруднику организации, для работы в новой должности, нужно вести расчеты в Excel. Для краткости изложения примера, все процессы рассматриваются упрощенно и условно. Сотрудник должен пройти обучение в соответствии с планом обучения, который включает включает последовательность учебных объектов. Вид семантического представления учебного объекта представлен на Рисунок 13.
Пусть требуемая компетенция "Вычисления в Excel" для этого сотрудника включает знания интерфейса Excel, знания (умения и навыки) по созданию таблиц, знания (умения и навыки) по форматированию таблиц, знания (умения и навыки) по вычислениям в Excel, знания предметной области для задач, которые будут решаться в Excel.
Рисунок 13. Семантическое представление фрагмента учебного объекта.
Для построения онтологии требуемой компетенции необходимо определить учебные объекты, т.е. те знания, умения и навыки, которые необходимы сотруднику для формирования у него требуемой компетенции.
Пусть в качестве базовых учебных объектов, для рассматриваемого случая, требуются знания (умения и навыки) по следующим разделам:
Основы Windows;
Работа с мышкой;
Знание клавиатуры.
Текущая компетенция сотрудника, в области вычислений в Excel, будет включать следующие элементы:
Основы Windows;
Работа с мышкой;
Знание клавиатуры.
Формирование у сотрудника требуемой компетенции происходит в ходе обучения. Для организации обучения необходим план обучения. Задача формирования плана обучения сотрудника может быть представлена следующим образом.
Для сотрудника, имеющего текущую компетенцию Ктек сформировать такой план обучения Поб, после реализации которого у сотрудника сформируется требуемая компетенция Ктр. Описание проблемной области, в данном случае, будет содержать концепты, соответствующие учебным объектам, с признаками их активизации (изучения обучаемым) и связи между ними.
Признаки изучения учебных объектов:
П0 – для задания предусловия входных признаков (всегда имеет значение 1),
П1 – Знание клавиатуры,
П2 - Работа с мышкой,
П3 – Основы Windows,
П4 – Ввод текста,
П5 – Интерфейс Excel,
П6 – Создание таблиц,
П7 – Форматирование таблиц,
П8 – Предметная область решаемых задач,
П9 – Вычисления в Excel,
П10 – Решение задач в Excel.
Учебные объекты, в рамках рассматриваемого подхода к решению задачи формирования у сотрудника требуемой компетенции, представляются как совокупность излагаемого текстового материала, презентации, мульти-медийные приложения, упражнений для выработки навыков и т.д. А для синтеза плана формирования у сотрудника требуемой компетенции необходимы и метаданные учебных объектов для представления их в базе знаний. Метаданные должны обеспечивать решение задачи планирования.
Метаданные учебных объектов, требуемые для решения задачи планирования, показаны в таблице 3
Таблица 3.
Код
уч. объекта
|
Постусловия (контроль изучения)
|
Предусловия (возможность изучения)
|
Название учебного объекта
(темы изучения)
|
Имя
признака
|
Значение
|
Имя
признака
|
Значение
|
УО1
|
П1
|
1
|
П0
|
1
|
Знание клавиатуры
|
УО2
|
П2
|
1
|
П0
|
1
|
Работа с мышкой
|
УО3
|
П3
|
1
|
П0
|
1
|
Основы Windows
|
УО4
|
П4
|
1
|
П1
|
1
|
Ввод текста
|
УО5
|
П5
|
1
|
П1
П2
П3
|
1
1
1
|
Интерфейс Excel
|
УО6
|
П6
|
1
|
П4
П5
|
1
1
|
Создание таблиц
|
УО7
|
П7
|
1
|
П6
|
1
|
Форматирование таблиц
|
УО8
|
П8
|
1
|
П0
|
1
|
ПО решаемых задач
|
УО9
|
П9
|
1
|
П7
|
1
|
Вычисления в Excel
|
УО10
|
П10
|
1
|
П8
П9
|
1
1
|
Решения задач в Excel
|
Для решения задачи необходимо задать требуемую компетенцию и указать текущую (Рисунок 6). Описания Кц0, Кцi, Кперi, Ктекi, представляется в виде множества пар - кода параметра и его значения, отделяемых точкой с запятой друг от друга. Для каждого шага планирования формируются подмножества названий учебных объектов (изучаемых тем) - ПУОi и подмножества условий возможности изучения материала, соответствующего учебного объекта ПУВИi.
Пошаговое описание решения задачи. В скобках указан пункт описания алгоритма.
Пусть требуется получить компетенцию "Решение задач в Excel", т.е. Sц = {П10,1}. Исходным состоянием является наличие знаний (умений, навыков) – "Знание клавиатуры", "Работа с мышкой" "Основы Windows". Для описания этого факта текущие значения признаков изучения учебных объектов П1 – П3 равны 1, а значения остальных признаков равны 0.
(1) i = 1; Sтрi = Sц = {П10,1};
(2) Sтек1 = {П10};
(3) Sпер1 = {П10,1};
(4) Sпер1 ;
(5) ПУО1 = {УО10};
(6) Sтрi+1 = Sтр2 = ПУВИ1 = {П8,1;П9,1};
(7) i = i + 1 = 2;
(2) Sтек2 = {П8,0;П9, 0};
(3) Sпер2 = {П8,1;П9,1};
(4) Sпер2 ;
(5) ПУО2 = {УО8;УО9};
(6) Sтрi+1 = Sтр3 = ПУВИ2 = {П0,1; П7,1};
(7) i = i + 1 = 3;
(2) Sтек3 = {П0, 1; П7,0};
(3) Sпер3 = { П7,1};
(4) Sпер3 ;
(5) ПУО3 = {УО7};
(6) Sтрi+1 = Sтр4 = ПУВИ3 = {П6,1};
(7) i = i + 1=4;
(2) Sтек4= { П6,0};
(3) Sпер4 = {П6,1 };
(4) Sпер4 ;
(5) ПУО4 = {УО6};
(6) Sтрi+1 = Sтр5 = ПУВИ4 = {П4,1;П5,1};
(7) i = i + 1=5;
(2) Sтек5= { П4,0;П5,0};
(3) Sпер5 = {П4,1;П5,1 };
(4) Sпер5 ;
(5) ПУО5 = {УО4;УО5};
(6) Sтрi+1 = Sтр6 = ПУВИ5 = {П1;П2,1;П3,1};
(7) i = i + 1=6;
(2) Sтек6= { П1,1;П2,1;П3,1};
(3) Sпер6 = { };
(4) Sпер6 = ;
(8) Конец планирования.
В итоге сформирован следующий план перехода из текущего состояния в требуемое: 5-й шаг: УО4, УО5; 4-й шаг: УО6; 3-й шаг: УО7; 2-й шаг: УО8, УО9; 1-й шаг: ОП10.
Рассмотренные интеллектуальные технологии, для решения задач формирования индивидуальных траекторий обучения, позволяют решать и ряд других задач управления знаниями в образовательном учреждении.
|
