Моделирование учебной предметной области, или предметная модель обучаемого

ВВЕДЕНИЕОдной из главных задач высшей школы является разработка стандартов обучения. В сложившейся в настоящее время терминологии эта работа относится к моделированию обучаемого. В самом широком смысле под моделью обучаемого понимают знания об обучаемом, используемые для организации процесса обучения. Это множество точно представленных фактов об обучаемом, которые описывают различные стороны его состояния: знания, личностные характеристики, профессиональные качества и др.Модель обучаемого является одним из центральных понятий современной дидактики. Оно возникло в компьютерных технологиях обучения и было вызвано необходимостью формализовать представления об обучаемом. Конечно, представления об обучаемом начали вырабатываться задолго до появления компьютеров, вместе с появлением самих обучаемых. Определенная формализация представлений об обучаемом началась вместе с дидактикой. Но именно компьютерные технологии обучения дали новый импульс развитию этих представлений, превратили их в объект глубоких исследований, перевели на качественно новый уровень (Брусиловский, 1992; Петрушин, 1992; Dillenbourg, Self, 1992; Self, 1994; Wenger,1987). В настоящее время моделирование обучаемого является развивающимся направлением искусственного интеллекта в обучении, под которым понимают новую методологию психологических, дидактических и педагогических исследований по моделированию поведения человека в процессе обучения, опирающуюся на методы инженерии знаний.Существуют три точки зрения, с которых можно рассматривать моделирование обучаемого, или наши знания об обучаемом. Во-первых, это знания о том, каков обучаемый есть; во-вторых, знания о том, каким мы хотим его видеть; и, наконец, знания о том, каким мы его можем увидеть. Первые устанавливаются путем анализа поведения обучаемого, и мы их будем называть поведенческой моделью обучаемого. Она изменяется вместе с изменением обучаемого, поэтому ее называют динамической, или текущей, моделью обучаемого. Механизмом построения этой модели является диагностика. За рубежом для этой цели часто используют термин когнитивная диагностика, и исследования в этой области развиты довольно широко (Self, 1994; Wenger,1987).Знания о том, каким мы хотим видеть обучаемого, требования к его конечному состоянию назовем нормативной моделью обучаемого (рис. 1). Эти знания, как правило, многогранны. Сюда относятся, например, требования к личностным качествам будущих специалистов, их профессиональным качествам и умениям, знаниям и умениям по различным учебным предметам, характеристикам физического и психического состояния и т.п. Это именно то, что называют стандартом образования. И конечной целью обучения является достижение такого положения, когда поведенческая модель обучаемого при выпуске совпадает с его нормативной моделью. Рис. 1. Схема нормативной модели обучаемогоТретья точка зрения основывается на том, что, в общем случае, существуют различные пути, или траектории, по которым могут продвигаться обучаемые в процессе обучения. С одной стороны, это могут быть корректные траектории, обусловленные правильными действиями обучаемых и предусмотренные нормативной моделью обучаемого, например, использование различных приемов и методов решения одних и тех же задач. С другой стороны, различные траектории могут быть обусловлены ошибочными действиями обучаемых, и многие их ошибки могут быть заранее предугаданы преподавателем. Работа преподавателя по определению возможных ошибок обучаемых чрезвычайно полезна с дидактической точки зрения (на ошибках учатся!); перечень же этих ошибок (желательно, с полной проработкой ошибочной траектории) составляет специфическую модель обучаемого, которую называют моделью ошибок (Brawn, Burton, 1978; Sleeman, 1982). 1. Пять компонент предметных знанийЧасть нормативной модели обучаемого, определяющую предметные знания, то есть знания по учебным предметам, назовем предметной моделью обучаемого (Атанов, Мартынович, Семко, Токий, 1997; Atanov, Martynovitch, Tokiy, 1993). Предметная модель обучаемого, таким образом, определяет смысловую сторону обучения предмету. В инженерии знаний такие знания называют экспертными знаниями, или моделью предметной области. Предметная модель обучаемого выделяет из всего множества предметных областей учебные области, так что это – модель учебной предметной области, или модель учебного предмета. Введение понятия предметная модель обучаемого позволяет сделать моделирование обучаемого законченным, так как объединяет все аспекты этого моделирования. Это тем более оправдано, что моделирование учебной предметной области существенно отличается от моделирования других предметных областей. Дело в том, что цели моделирования учебных и не учебных предметных областей различны. Любая деятельность осуществляется путем решения задач, причем эти задачи должны быть специфическими для деятельности данного вида. В производственной, научно-исследовательской (научно-познавательной) деятельности результаты решения задач являются ее прямыми продуктами, и, таким образом, процесс решения задач соответствует целям деятельности. В учебной же деятельности решение задач – это не цель, но средство достижения целей, а именно, учебных целей. Другими словами, сам по себе результат решения учебных задач не представляет никакого интереса (единственное, что от него требуется, – это быть правильным). Важен процесс их решения, так как именно в процессе решения задач формируется способ действий (Машбиц, 1988; Атанов, 2001). Отсюда и различие целей моделирования. Моделирование не учебной предметной области должно обеспечить получение общественно значимых результатов, моделирование не учебной предметной области – процесс решения учебных задач.Заметим, что если текущее моделирование является весьма развитой ветвью искусственного интеллекта, то вопросы экспертных знаний в обучении, моделирования предметных знаний развиты в значительно меньшей степени. И это понятно, так как специалисты по искусственному интеллекту, как правило, не являются таковыми в какой-либо иной предметной области. Кроме того, они, как правило, не являются специалистами и в дидактике.Напомним, что, в соответствии с классификацией, существует разделение предметных знаний на декларативные и процедурные (Представление…, 1989; Петрушин, 1992). Первые представляют собой утверждения (факты) о свойствах объектов предметной области и отношениях между ними. Процедурные знания описывают порядок и характер преобразования объектов предметной области. Декларативные знания определяют содержательную, или семантическую, часть предметных знаний и порождают семантическую предметную модель обучаемого. Процедурные знания составляют процедурную предметную модель обучаемого.Согласно деятельностной теории учения (Машбиц, 1988; Атанов, 2001), конечной целью обучения является формирование способа действий, а образ действий реализуется в практической деятельности через умения. Знания выступают в качестве средств, с помощью которых формируются умения. В инженерии знаний умения трактуются как поведенческие, или операционные знания. Механизмом формирования умений является оперирование знаниями (как декларативными, так и процедурными), проявляемое в поведении человека. Таким образом, предметная модель обучаемого включает в себя умения, которые должны быть сформированы в процессе обучения. Перечень этих умений назовем операционной предметной моделью обучаемого.Одним из отличительных свойств знаний является их структурируемость. Очень важно, особенно для учебного материала, установить его структуру. Ибо усвоить определенную порцию учебных знаний – значит установить их место в структуре данного раздела учебного материала. Поэтому одной из задач при построении предметной модели обучаемого должно быть установление структуры предметных знаний. Изучение структуры учебного материала является самостоятельным предметом исключительно важного и глубокого исследования. Предметная же модель должна дать более-менее укрупненное представление, о чем знания. Это обычно делается перечислением тем, тематически. Перечень тем, подлежащих изучению, назовем тематической предметной моделью обучаемого.Кроме того, методологически очень важно определить, какую роль играют те или иные знания, какие функции они выполняют, то есть осуществить функциональное структурирование. Это можно сделать, составив перечень функциональных рубрик, определив таким образом функциональные знания. При этом среди них могут быть знания, выполняющие как не преобразующие функции (декларативные знания, например, определения, следствия, выводы), так и преобразующие (процедурные знания, например, методики, алгоритмы). Вместе они составляют функциональную предметную модель обучаемого.Таким образом, предлагается пятикомпонентная предметная модель обучаемого, состоящая из тематической, семантической, процедурной, операционной и функциональной частей (рис. 2).Такая модель по курсу общей физики создана на кафедре общей физики и дидактики физики Донецкого государственного университета (Атанов, Мартынович, Семко, Токий, 1997; Атанов, Эфрос, 1997; Программированный …, 1993; Atanov, Martynovitch, Tokiy, 1993; Atanov, Efros, 1997). Рис. 2. Схема предметной модели обучаемого. 2. Тематическая предметная модель обучаемогоТематическая предметная модель обучаемого известна с незапамятных времен, по сути дела, – это привычная всем программа читаемого курса. Она строится именно по тематическому принципу, в ней перечисляются разделы и темы, подлежащие изучению. Тематическая предметная модель обучаемого отражает общую структуру курса. При этом возможна детализация различной степени, но все-таки всегда это не сами предметные знания, не их содержание, а их названия. По сути дела, это определенные свойства, определенная характеристика предметных знаний, знания о предметных знаниях. Знания о знаниях называют метазнаниями. Таким образом, тематическая предметная модель представляет собой метазнания.Это естественная и удобная для планирования и организации учебного процесса модель. Более того, она является обязательным нормативным документом, подготовка любого учебного курса начинается с ее создания (то есть с создания программы курса). Однако она излишне общая для того, чтобы ее использовать для диагностики.Недостаточность для организации учебного процесса программы курса, в которой только перечисляются темы, подлежащие изучению, понята была уже давно. Ее стали усложнять, добавляя перечни практических, семинарских занятий, лабораторных работ. Академия педагогических наук бывшего СССР разработала схему программы, одним из необходимых элементов которой были так называемые ЗУН’ы – знания, умения, навыки, освоение и формирование которых предполагалось программой. Однако это был чисто механический шаг, так как и в знания, и в умения вкладывался все тот же тематический смысл. Приведем наглядный пример. Знать: теорему Пифагора (законы Ньютона, правила дифференцирования, и т.д. и т.п.); уметь: применять теорему Пифагора (законы Ньютона, правила дифференцирования, и т.д. и т.п.).Описанный подход в Украине перенесен на моделирование специалиста, на определение интегральных характеристик специалиста, где он имеет определенный смысл. Обязательным документом по каждой специальности является Образовательная профессиональная программа (ОПП), которая оговаривает нормативные требования к специалисту с точки зрения знаний и умений. Она играет роль государственного стандарта по специальности. Однако редко можно найти ОПП, в которой необходимые умения формулировались бы настолько конкретно, чтобы выступать в качестве достаточно конструктивной основы при построении продуктивного учебного процесса. Чаще мы имеем дело с общими фразами, а то и банальностями. Например, в ОПП по психологии (1998 год) указано, что специалист-психолог по курсу педагогической психологии должен уметь (всего три умения):– выполнять психологический анализ различных форм проведения занятий, в частности, урока;– исследовать с помощью методов педагогической психологии отдельные проблемы процесса обучения;– организовывать и проводить консультативную работу по вопросам педагогической психологии.Как видно, умения формулируются в такой общей постановке, что говорить об их практическом смысле не приходится. Конкретизировать приведенные выше общие формулировки должен преподаватель, и, увы, мы знаем, чем это кончается. Слишком большую исследовательскую работу необходимо провести, чтобы из таких общих формулировок получить практически значимые положения. А ведь приведенный пример касается дисциплины, в которой эти вопросы должны разрабатываться в первую очередь. К чести технических дисциплин надо сказать, что часто в них дело обстоит лучше, и это потому, что в них есть живые конкретные дела.При обучении какой-либо определенной дисциплине такой подход (знать – уметьприменять) оказывается практически бессмыслен. Очень ёмкимявляется понятие уметь применять, и ответ типа «да/нет» не дает никакой пищи для диагностики. Здесь положительный результат может дать только операционный подход, когда будут выделены и обозначены элементы знаний (в том числе и умения).Однако не стоит перегружать тематическую модель. Она должна решать свои узкие задачи, решение остальных задач целесообразно возложить на соответствующие другие компоненты предметной модели. 3. Функциональная предметная модель обучаемогоКак уже было отмечено, функциональная компонента предметной модели обучаемого – это не сами предметные знания. Она показывает, какую роль играют те или иные предметные знания. Поэтому функциональная предметная модель – это так же, как и тематическая модель, метазнания. Они имеют определенную структуру по горизонтали, которую можно передать с помощью рубрик.Роль знаний, их функции зависят от конкретного предмета, однако при этом существуют общие для всех предметов рубрики, например, понятия, свойства. Отдельные предметы могут иметь специфические для них рубрики, определяемые существом этих предметов. Возможны случаи, когда рубрики совпадают для группы предметов, объединяемых по какому-либо признаку. Например, для физических курсов нами выделены такие рубрики: понятия, формулировки, законы, свойства, следствия, выводы, причины, формулы, уравнения, модели, методики, алгоритмы (Атанов, Мартынович, Семко, Токий, 1997; Atanov, Martynovitch, Tokiy, 1993). Рубрики имеют наполнение, которое также не передает семантику предметной области и является метазнаниями.Функциональная предметная модель позволяет в необходимой степени детализировать то, что студент должен знать. Речь здесь идет о знании на репродукционном уровне, т.е. знать – значит помнить. Приведем пример по молекулярной физике.Студент должен знать (помнить):1. Определение понятий: моль, термодинамическая система, давление, температура, плотность концентрация, идеальный газ, термодинамический процесс, термодинамическое равновесие, уравнение состояния, молярная масса, длина свободного пробега, …;2. Формулировки и следствия: закона Паскаля, закона Архимеда, распределения Максвелла, …;3. Выводы: основного уравнения МКТ, барометрической формулы, формул для работы при изопроцессах, …;4. Формулы: средней длины свободного пробега, коэффициентов теплопроводности, диффузии, вязкости, внутренней энергии идеального газа, …;5. Свойства: газов в соответствии с их моделями; изопроцессов; цикла Карно; распределений Максвелла и Больцмана; …. 4. Семантическая предметная модель обучаемогоСемантические знания по учебным предметам содержатся в учебниках, учебных пособиях, другой учебной литературе. И каждый вид учебной литературы в определенном смысле является моделью этого предмета. Учебники представляют собой наиболее расширенную модель.С точки зрения дидактики, в содержании любого учебника принято выделять две части (Машбиц, 1988). К первой части относится информация, непосредственно составляющая содержание предмета, предметные знания, или СОД-1. Другая часть – СОД-2 – это информация, обслуживающая СОД-1 (например, сведения из математики, других предметов, выкладки, толкования, объяснения), информация о применении и использовании СОД-1 в других дисциплинах, а также в технике, в жизни и т.п.Инженерия знаний в текстовых источниках знаний (в том числе и в учебниках) выделяет первичный материал наблюдений α, систему научных понятий β, субъективные взгляды автора и результат его личного опыта γ, а также некоторые «общие места», или «воду», δ (Гаврилова, Червинская, 1992). В соответствии с этим можно говорить о наличии в учебниках наряду с СОД-1 и СОД-2 также СОД-3, что соответствует, в основном, знаниям типа δ, т.е. «воде». Наша практика составления семантических предметных моделей обучаемого показывает, что СОД-3 иногда, особенно в учебниках по гуманитарным предметам, может достигать чрезвычайно больших объемов.По сути дела, именно СОД-1 и составляет семантическую модель предметной области, или семантическую модель обучаемого. Однако эти знания в учебнике не выделены специально, они распределены по всему учебнику, переплетаются с другими знаниями, не формализованы. 4.1. Семантические факт