ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ ДИАЛОГОВ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ РЕПЕТИТОРСКОГО ТИПА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 004.942
А. Д. ТАЗЕТДИНОВ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ ДИАЛОГОВ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ РЕПЕТИТОРСКОГО ТИПА
Обсуждаются вопросы использования конечных автоматов с памятью для построения многошаговых обучающих диалогов в системах репетиторского типа, что позволяет существенно упростить программные алгоритмы, имитировать обучающий диалог на естественном языке, не накладывая явных ограничений на терминологию и фразеологию ответа обучаемого, и реализовать в обучающей системе гибкое индивидуализированное обучение. Вывод соответствующих реплик или подсказок в каждом из состояний автомата, в зависимости от текущего значения счетчика посещений этого состояния, способствует существенному повышению интеллектуальности диалога.
Ключевые слова: репетиторские обучающие системы, диалоговые системы, автоматизированные обучающие системы.
Потребностью повышения качества образования обусловлено создание различных автоматизированных обучающих систем (АОС), в которых применяются прогрессивные методы обучения с использованием новейших информационных технологий. Среди этих систем особо можно выделить компьютерные автоматизированные обучающие системы репетиторского типа. Отличие репетиторских систем от других АОС определяется, прежде всего, наличием диалоговой формы взаимодействия обучающегося с системой в реальном масштабе времени, где обратная связь осуществляется не только при контроле знаний, но и в процессе их усвоения. Тем не менее существует ряд проблем как технического, так и педагогического характера, решение которых могло бы способствовать активному развитию и использованию репетиторских АОС в учебном процессе. К техническим проблемам следует отнести проблемы анализа текста ответов обучающихся и технологии создания структур вопрос — ответ в диалоговом модуле. Как полагают большинство исследователей и разработчиков адаптивных и интеллектуальных АОС, говорить о полноценном диалоге между учащимся и компьютером можно будет только после решения сложной проблемы кибернетики — понимания компьютером естественного языка. Во всех остальных случаях речь идет об ограничении либо семантической составляющей языка, либо предметной области для реализации диалогового режима обучения [1]. В этих условиях актуальное значение приобретает создание программного обеспечения, позволяющего в рамках репетиторской АОС имитировать обучающий диалог на естественном языке, не накладывая явных ограничений на терминологию и фразеологию ответа обучаемого.
В работе [2] на основе анализа более чем 100 часов учебных взаимодействий обучающихся и преподавателей выделены такие особенности учебных диалогов, как их многошаговая структура и инициированные преподавателем серии диалогов. Кроме позитивного влияния этих факторов на результаты обучения, их легче воплотить в обучающей системе, чем сложные методы и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технология построения обучающих диалогов в компьютерных системах репетиторского типа 39
стратегии, предлагаемые другими исследователями и создателями интеллектуальных обучающих систем. Обычно диалог при индивидуальном обучении растянут, т.е. состоит из нескольких реплик, с помощью которых преподаватель и учащийся совместно ищут ответ на вопрос или решают проблему. Процесс объяснений, уточнений и мысленных моделей представления материала крайне необходим для обучения и обычно более эффективен, чем простое предоставление информации учащемуся.
В настоящей статье по результатам проведенного анализа технологий диалогового обучения в АОС излагаются соображения по использованию в репетиторских АОС автоматов с памятью для построения структур вопрос — ответ в ходе обучающего диалога и реализациии сценариев диалогов по этому принципу. Наличие памяти в каждом из состояний автомата (шагов или сцен диалога) позволяет осуществлять дифференцированный анализ ответов обучаемого (в зависимости от текущего счетчика посещений этого состояния) и вывод соответствующих реплик или подсказок, тем самым повышая интеллектуальность диалога.
Существуют два уровня формирования логики диалога. Первый (или внешний) уровень — это собственно сам сценарий и его разделы, соответствующие состояниям автомата (рис. 1), условия переходов из одного состояния в другое, а также комментарии и подсказки системы. Количество разделов не ограничено и определяется только логикой описываемого диалога. В каждом разделе могут содержаться дополнительный вопрос, а также дополнительные блоки, осуществляющие многошаговый анализ ответа обучаемого, что позволяет создавать диалоги произвольной длины и сложности. Переход из одного раздела в другой выполняется на основании совпадения ответа обучающегося с шаблоном возможного варианта ответа, заданного в блоке, содержащем условия и действия сценария для данного раздела, или в блоке, содержащем действия по умолчанию. Структура сценария также может быть задана в виде грамматики, интерпретируемой автоматным преобразователем. В качестве стандарта в таких случаях принято использовать язык XML.
Сценарий диалога
Раздел сценария
Текст вопроса
Условия и действия Счетчик
Объяснение ошибки
Сценарий поиска ключевых слов
Переход к другому разделу
Действие по умолчанию
Счетчик
Объяснение ошибки
Переход к другому разделу
Рис. 1
Второй (или внутренний) уровень формирования логики диалога — это сценарий (алгоритм или выражение) поиска ключевых слов, определяющий, какие слова и в какой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
40 А. Д. Тазетдинов
последовательности должны быть найдены: должны ли они находиться в какой-либо связи между собой, должны ли они вычеркиваться из строки поиска и/или восстанавливаться после нахождения, и какая степень точности (распознавания) должна быть соблюдена. В качестве механизма описания алгоритма поиска ключевых слов предлагается метод, разработанный А. И. Стригуном [3, 4] для синтаксического анализа контекстнозависимых высказываний на основе разбора функций логических дескрипторов. Механизм префиксной записи операторов идеально подходит для стековой или рекурсивной обработки выражения, а само выражение является алгоритмом выполнения проверки текста ответа учащегося. Преимуществом языка, лежащего в основе данного метода, являются простота, гибкость и возможность составления собственных алгоритмов для каждого требующего проверки выражения. В расширенной форме представления грамматик Бэкуса — Наура этот язык описывается следующим образом:
флод ::= (оператор { флод } конец_оператора | оператор { дескриптор } конец_оператора) спец_символ ::= '`' расширен_поиск расширен_поиск ::= (?,*) дескриптор ::= { дескриптор } | (спец_символ, расширен_поиск, конец_оператора, буква, цифра, '_') оператор ::= ('&', '@', '^', '|', '', '/', '[', ']', '{',
'}','~', '~+', '~-') конец_оператора ::= '.'
Обработку сценариев обучающих диалогов предлагается выполнять с помощью интерпретатора, построенного также по принципу автомата с памятью. Интерпретатор сценариев выполняет такие функции, как предъявление вопросов и анализ ответов, кроме того, он реализует интерактивные механизмы взаимодействия с пользователем в виде подробных описаний ошибок и переходов к дополнительным вопросам в случае неверных ответов. Логика работы интерпретатора описывается алгоритмом, преобразуемым в автомат Мура (рис. 2, здесь ai — состояние автомата) с помощью метода, предложенного в работах [5—8]. Набор входных переменных и действий автомата представлен в таблице.
–x1 a0 y0
1 a7
y8
x1 –x6
a1 1 y1
x3
x2 ∧ x3 a2
y2, y3
a4
x4 ∧ x5
x2 ∧ x3
y5
1 –x7
a6 x7 a5 y7 y6
a3 y4, y3
x4 ∧ x5
x5
Рис. 2
Изложенный подход к структурной организации сценариев позволяет применять универсальный алгоритм для обработки сценариев произвольных размеров и задавать контент сценария декларативно, посредством экранных форм пользовательского интерфейса.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технология построения обучающих диалогов в компьютерных системах репетиторского типа 41
Входная переменная
Действие
x1 — ожидание сценария диалога или выбор y0 — ожидание сценария, номера раздела
раздела диалога
или ответа обучающегося
x2 — проверка ответа обучающегося по всем y1 — установление кода ошибки: err = 0; вы-
доступным шаблонам правильного от-
бор требуемого раздела, увеличение
вета раздела сценария
счетчика раздела
x3 — совпадение ответа с шаблоном правильного ответа
y2 — получение следующего шаблона правильного ответа
x4 — проверка ответа обучающегося по всем y3 — сравнение шаблона с ответом доступным шаблонам неправильного
ответа раздела сценария
x5 — совпадение ответа с шаблоном непра- y4 — получение следующего шаблона непра-
вильного ответа
вильного ответа
x6 — ошибка x7 — ошибка
— —
y5 — y6 — y7 — y8 —
получение параметров по умолчанию выполнение действий по умолчанию установление кода ошибки: err = 1 возврат кода ошибки или номера следующего раздела сценария
Применение рассмотренного подхода при построении обучающих диалогов дает возможность существенно упростить программные алгоритмы, реализовать в обучающей системе относительную предметную независимость и использовать естественный язык для ввода ответов учащихся. Вывод соответствующих реплик или подсказок в каждом из состояний автомата, в зависимости от текущего значения счетчика посещений этого состояния, способствует существенному повышению интеллектуальности диалога. Таким образом, использование автоматов с памятью позволяет реализовать в репетиторских АОС гибкое индивидуализированное обучение. Предложенные теоретические положения могут найти практическое применение при построении самостоятельной адаптивной обучающей системы и в качестве структурной основы для создания отдельных модулей к различным обучающим системам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тазетдинов А. Д. Интерактивные процессы в обучающих системах: методы управления. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007.
2. Graesser A. C., Person N. K., Magliano J. P. Collaborative dialog patterns in naturalistic one-on-one tutoring // Appl. Cognitive Psychology. 1995. N 9. P. 359—387.
3. Федоров Б. И., Джалиашвили З. О. Логика компьютерного диалога. М.: Онега, 1994.
4. А.с. 4229 ОФАП. Система тестирования с использованием свободного ответа / А. Д. Тазетдинов, А. И. Стригун. № ГР 50200500081 // Сб. Алгоритмы и программы. М.: ВНТИЦ, 2005.
5. Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов (граф-схемы и автоматы). Л.: Энергия, 1979.
6. Шалыто А. А., Туккель Н. И. Преобразование итеративных алгоритмов в автоматные // Программирование. 2002. № 5. С. 12—26.
7. Шопырин Д. Г., Шалыто А. А. Объектно-ориентированный подход к автоматному программированию // Информационно-управляющие системы. 2003. № 5. C. 29—39.
8. Степанов О. Г., Шалыто А. А., Шопырин Д. Г. Предметно-ориентированный язык автоматного программирования на базе динамического языка RUBY // Там же. 2007. № 4. C. 22—27.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
42 Т. Д. Голицына
Сведения об авторе Андрей Дамирович Тазетдинов — канд. техн. наук; Международный банковский институт, Санкт-
Петербург; директор центра информационных технологий; E-mail: 191_nkp@bk.ru
Рекомендована кафедрой технологии программирования СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 19.05.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
УДК 004.942
А. Д. ТАЗЕТДИНОВ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ ДИАЛОГОВ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ РЕПЕТИТОРСКОГО ТИПА
Обсуждаются вопросы использования конечных автоматов с памятью для построения многошаговых обучающих диалогов в системах репетиторского типа, что позволяет существенно упростить программные алгоритмы, имитировать обучающий диалог на естественном языке, не накладывая явных ограничений на терминологию и фразеологию ответа обучаемого, и реализовать в обучающей системе гибкое индивидуализированное обучение. Вывод соответствующих реплик или подсказок в каждом из состояний автомата, в зависимости от текущего значения счетчика посещений этого состояния, способствует существенному повышению интеллектуальности диалога.
Ключевые слова: репетиторские обучающие системы, диалоговые системы, автоматизированные обучающие системы.
Потребностью повышения качества образования обусловлено создание различных автоматизированных обучающих систем (АОС), в которых применяются прогрессивные методы обучения с использованием новейших информационных технологий. Среди этих систем особо можно выделить компьютерные автоматизированные обучающие системы репетиторского типа. Отличие репетиторских систем от других АОС определяется, прежде всего, наличием диалоговой формы взаимодействия обучающегося с системой в реальном масштабе времени, где обратная связь осуществляется не только при контроле знаний, но и в процессе их усвоения. Тем не менее существует ряд проблем как технического, так и педагогического характера, решение которых могло бы способствовать активному развитию и использованию репетиторских АОС в учебном процессе. К техническим проблемам следует отнести проблемы анализа текста ответов обучающихся и технологии создания структур вопрос — ответ в диалоговом модуле. Как полагают большинство исследователей и разработчиков адаптивных и интеллектуальных АОС, говорить о полноценном диалоге между учащимся и компьютером можно будет только после решения сложной проблемы кибернетики — понимания компьютером естественного языка. Во всех остальных случаях речь идет об ограничении либо семантической составляющей языка, либо предметной области для реализации диалогового режима обучения [1]. В этих условиях актуальное значение приобретает создание программного обеспечения, позволяющего в рамках репетиторской АОС имитировать обучающий диалог на естественном языке, не накладывая явных ограничений на терминологию и фразеологию ответа обучаемого.
В работе [2] на основе анализа более чем 100 часов учебных взаимодействий обучающихся и преподавателей выделены такие особенности учебных диалогов, как их многошаговая структура и инициированные преподавателем серии диалогов. Кроме позитивного влияния этих факторов на результаты обучения, их легче воплотить в обучающей системе, чем сложные методы и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технология построения обучающих диалогов в компьютерных системах репетиторского типа 39
стратегии, предлагаемые другими исследователями и создателями интеллектуальных обучающих систем. Обычно диалог при индивидуальном обучении растянут, т.е. состоит из нескольких реплик, с помощью которых преподаватель и учащийся совместно ищут ответ на вопрос или решают проблему. Процесс объяснений, уточнений и мысленных моделей представления материала крайне необходим для обучения и обычно более эффективен, чем простое предоставление информации учащемуся.
В настоящей статье по результатам проведенного анализа технологий диалогового обучения в АОС излагаются соображения по использованию в репетиторских АОС автоматов с памятью для построения структур вопрос — ответ в ходе обучающего диалога и реализациии сценариев диалогов по этому принципу. Наличие памяти в каждом из состояний автомата (шагов или сцен диалога) позволяет осуществлять дифференцированный анализ ответов обучаемого (в зависимости от текущего счетчика посещений этого состояния) и вывод соответствующих реплик или подсказок, тем самым повышая интеллектуальность диалога.
Существуют два уровня формирования логики диалога. Первый (или внешний) уровень — это собственно сам сценарий и его разделы, соответствующие состояниям автомата (рис. 1), условия переходов из одного состояния в другое, а также комментарии и подсказки системы. Количество разделов не ограничено и определяется только логикой описываемого диалога. В каждом разделе могут содержаться дополнительный вопрос, а также дополнительные блоки, осуществляющие многошаговый анализ ответа обучаемого, что позволяет создавать диалоги произвольной длины и сложности. Переход из одного раздела в другой выполняется на основании совпадения ответа обучающегося с шаблоном возможного варианта ответа, заданного в блоке, содержащем условия и действия сценария для данного раздела, или в блоке, содержащем действия по умолчанию. Структура сценария также может быть задана в виде грамматики, интерпретируемой автоматным преобразователем. В качестве стандарта в таких случаях принято использовать язык XML.
Сценарий диалога
Раздел сценария
Текст вопроса
Условия и действия Счетчик
Объяснение ошибки
Сценарий поиска ключевых слов
Переход к другому разделу
Действие по умолчанию
Счетчик
Объяснение ошибки
Переход к другому разделу
Рис. 1
Второй (или внутренний) уровень формирования логики диалога — это сценарий (алгоритм или выражение) поиска ключевых слов, определяющий, какие слова и в какой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
40 А. Д. Тазетдинов
последовательности должны быть найдены: должны ли они находиться в какой-либо связи между собой, должны ли они вычеркиваться из строки поиска и/или восстанавливаться после нахождения, и какая степень точности (распознавания) должна быть соблюдена. В качестве механизма описания алгоритма поиска ключевых слов предлагается метод, разработанный А. И. Стригуном [3, 4] для синтаксического анализа контекстнозависимых высказываний на основе разбора функций логических дескрипторов. Механизм префиксной записи операторов идеально подходит для стековой или рекурсивной обработки выражения, а само выражение является алгоритмом выполнения проверки текста ответа учащегося. Преимуществом языка, лежащего в основе данного метода, являются простота, гибкость и возможность составления собственных алгоритмов для каждого требующего проверки выражения. В расширенной форме представления грамматик Бэкуса — Наура этот язык описывается следующим образом:
флод ::= (оператор { флод } конец_оператора | оператор { дескриптор } конец_оператора) спец_символ ::= '`' расширен_поиск расширен_поиск ::= (?,*) дескриптор ::= { дескриптор } | (спец_символ, расширен_поиск, конец_оператора, буква, цифра, '_') оператор ::= ('&', '@', '^', '|', '', '/', '[', ']', '{',
'}','~', '~+', '~-') конец_оператора ::= '.'
Обработку сценариев обучающих диалогов предлагается выполнять с помощью интерпретатора, построенного также по принципу автомата с памятью. Интерпретатор сценариев выполняет такие функции, как предъявление вопросов и анализ ответов, кроме того, он реализует интерактивные механизмы взаимодействия с пользователем в виде подробных описаний ошибок и переходов к дополнительным вопросам в случае неверных ответов. Логика работы интерпретатора описывается алгоритмом, преобразуемым в автомат Мура (рис. 2, здесь ai — состояние автомата) с помощью метода, предложенного в работах [5—8]. Набор входных переменных и действий автомата представлен в таблице.
–x1 a0 y0
1 a7
y8
x1 –x6
a1 1 y1
x3
x2 ∧ x3 a2
y2, y3
a4
x4 ∧ x5
x2 ∧ x3
y5
1 –x7
a6 x7 a5 y7 y6
a3 y4, y3
x4 ∧ x5
x5
Рис. 2
Изложенный подход к структурной организации сценариев позволяет применять универсальный алгоритм для обработки сценариев произвольных размеров и задавать контент сценария декларативно, посредством экранных форм пользовательского интерфейса.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технология построения обучающих диалогов в компьютерных системах репетиторского типа 41
Входная переменная
Действие
x1 — ожидание сценария диалога или выбор y0 — ожидание сценария, номера раздела
раздела диалога
или ответа обучающегося
x2 — проверка ответа обучающегося по всем y1 — установление кода ошибки: err = 0; вы-
доступным шаблонам правильного от-
бор требуемого раздела, увеличение
вета раздела сценария
счетчика раздела
x3 — совпадение ответа с шаблоном правильного ответа
y2 — получение следующего шаблона правильного ответа
x4 — проверка ответа обучающегося по всем y3 — сравнение шаблона с ответом доступным шаблонам неправильного
ответа раздела сценария
x5 — совпадение ответа с шаблоном непра- y4 — получение следующего шаблона непра-
вильного ответа
вильного ответа
x6 — ошибка x7 — ошибка
— —
y5 — y6 — y7 — y8 —
получение параметров по умолчанию выполнение действий по умолчанию установление кода ошибки: err = 1 возврат кода ошибки или номера следующего раздела сценария
Применение рассмотренного подхода при построении обучающих диалогов дает возможность существенно упростить программные алгоритмы, реализовать в обучающей системе относительную предметную независимость и использовать естественный язык для ввода ответов учащихся. Вывод соответствующих реплик или подсказок в каждом из состояний автомата, в зависимости от текущего значения счетчика посещений этого состояния, способствует существенному повышению интеллектуальности диалога. Таким образом, использование автоматов с памятью позволяет реализовать в репетиторских АОС гибкое индивидуализированное обучение. Предложенные теоретические положения могут найти практическое применение при построении самостоятельной адаптивной обучающей системы и в качестве структурной основы для создания отдельных модулей к различным обучающим системам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тазетдинов А. Д. Интерактивные процессы в обучающих системах: методы управления. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007.
2. Graesser A. C., Person N. K., Magliano J. P. Collaborative dialog patterns in naturalistic one-on-one tutoring // Appl. Cognitive Psychology. 1995. N 9. P. 359—387.
3. Федоров Б. И., Джалиашвили З. О. Логика компьютерного диалога. М.: Онега, 1994.
4. А.с. 4229 ОФАП. Система тестирования с использованием свободного ответа / А. Д. Тазетдинов, А. И. Стригун. № ГР 50200500081 // Сб. Алгоритмы и программы. М.: ВНТИЦ, 2005.
5. Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов (граф-схемы и автоматы). Л.: Энергия, 1979.
6. Шалыто А. А., Туккель Н. И. Преобразование итеративных алгоритмов в автоматные // Программирование. 2002. № 5. С. 12—26.
7. Шопырин Д. Г., Шалыто А. А. Объектно-ориентированный подход к автоматному программированию // Информационно-управляющие системы. 2003. № 5. C. 29—39.
8. Степанов О. Г., Шалыто А. А., Шопырин Д. Г. Предметно-ориентированный язык автоматного программирования на базе динамического языка RUBY // Там же. 2007. № 4. C. 22—27.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
42 Т. Д. Голицына
Сведения об авторе Андрей Дамирович Тазетдинов — канд. техн. наук; Международный банковский институт, Санкт-
Петербург; директор центра информационных технологий; E-mail: 191_nkp@bk.ru
Рекомендована кафедрой технологии программирования СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 19.05.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3