БАЗЫ ЗНАНИЙ, ФОРМЫ И МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В РАЗРАБОТКЕ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ

БАЗЫ ЗНАНИЙ, ФОРМЫ И МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В РАЗРАБОТКЕ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ.

При разработке учебных программ одним из первых вопросов является вопрос предназначения создаваемого программного средства: будет ли оно обучающим, справочным, контролирующим и т.п. Естественно, для каждого из упомянутых типов программ приходится подбирать свои способы и формы представления знаний, организации пользовательского интерфейса, методов подачи материала, контроля знаний и др. В настоящей работе авторы на основе собственного опыта разработок учебных программ предприняли попытку изложить собственное видение подходов к разработке учебных программ типа лекция (компьютерный конспект лекций) и многофункциональных учебных программ (представление знаний, тренинг, контроль усвоения знаний и др., - работающие с единой базой знаний). Основное внимание уделяется вопросам формализации знаний и вопросам (в том числе - дидактическим) подачи учебного материала.

I. Учебные программы типа лекция

(компьютерный конспект лекций).

Разработка учебных программ такого типа все еще оказывается нечастым явлением в сфере разработки учебных средств. Попытка разработки системы такого вида была продиктована следующими соображениями: - в Московском университете накоплен очень большой учебно-научный потенциал
в написании учебных монографий. Многие из этих монографий завоевали заслуженную популярность как в нашей стране, так и за рубежом. В представлении учебного материала в этих монографиях также отработаны свои дидактические приемы и методы. Представляется весьма интересной разработка компьютерных версий таких монографий с максимальным сохранением авторского стиля подачи материала;
- учитывая современные проблемы с публикацией учебников и монографий,
а также доступа студентов к учебной литературе, было бы естественно создать компьютерную версию учебника, которая могла бы легко копироваться и в которую несложно было бы вносить всевозможные изменения и дополнения;
- применение компьютеров в учебном процессе стало настолько широким,
что для многих студентов использование компьютерных учебных программ является более доступным приемом в обучении, нежели даже чтение учебной литературы;
- во многих зарубежных университетах использование компьютерных учебных программ является более доступным способом обмена учебными пособиями, нежели адаптация печатных монографий.
В этом плане открываются большие возможности по использованию потенциала Московского и других российских университетов в создании коммерческих учебных программ, в том числе для зарубежных университетов.

Один из авторов данной статьи в течение ряда лет возглавлял коллектив разработчиков компьютерного учебника по математическому анализу. В качестве базовой монографии был взят завоевавший большую известность в нашей сране и за рубежом учебник академиков Ильина В.А., Садовничего В.А. и Сендова Бл.Х. по математическому анализу.
При разработке проекта компьютерного учебника были приняты следующие принципиальные решения:

1) доступ обучающегося (студента) к учебному материалу

должен быть возможен в двух режимах - лекционном и справочном.
При лекционном режиме на экране дисплея последовательно возникают записи и рисунки, примерно так, как они возникают на доске во время лекции. Безусловно, на экране тексты появляются в более полном выражении, так как они содержат все необходимые комментарии. Обучающийся имеет возможность получать материал в том же темпе, в котором он получает его во время лекции. По заполнении экрана (кванта материала) студент имеет возможность изучать этот материал произвольно долгое время, после чего нажатием клавиши мыши может перейти к следующему экрану (кванту). В справочном режиме обучающийся имеет возможность сразу увидеть заполненный экран. Если же ему захочется увидеть лекционную последовательность подачи материала, то он может сделать это простым нажатием клавиши мыши;

2) управление процессом доступа к материалу
должно быть максимально простым и ясным,

то есть удовлетворять всем современным требованиям к графическому интерфейсу пользователя. Здесь решение состояло в создании простого пульта управления, который постоянно находится в определенном месте экрана и содержит кнопки управления типа вперед, назад, возврат к началу, выход в оглавление,помощь. Помимо этого пульта, на ряде экранов имеются кнопки запуска пошаговой подачи материала (в справочном режиме). Имеется также специальный пульт, содержащий переключатель режимов (лекционный - справочный);

3) полноценная реализация справочного режима работы
требует создания подсистемы ссылок и виртуального перехода к фрагментам материала, содержащим искомые определения или обозначения;

4) даже если соответствующий раздел монографии
не содержал контрольных вопросов или задач, в компьютерном учебнике каждый раздел сопровождается продуманным набором контрольных вопросов. При этом желательно, чтобы при неверном ответе обучающийся также имел возможность обратиться к фрагменту текста, содержащему объяснительный материал;

5) учитывая развитость современных средств мультимедиа,
желательно максимально насытить подаваемый материал аудио- и видео-эффектами (такими, как запись голоса лектора, анимация изображений и т.д.).

В качестве аппаратной платформы для компьютерного учебника был выбран персональный компьютер Макинтош, а в качестве программной среды - система HyperCard. Аргументами для подобного выбора являлись, в первую очередь, соображения развитости этих программных и аппаратных средств для создания учебных приложений, а также тот факт, что большинство учебных программ, используемых в зарубежных университетах, реализованы именно на этой аппаратно-программной платформе.
Система HyperCard в течение ряда лет является непревзойденным лидером среди средств разработки учебных приложений с использованием средств мультимедиа. Эта система, во-первых, позволяет легко сохранять в базе данных (карт) разнородную (текстовую, графическую, звуковую) информацию, во-вторых, обладает средствами анимации изображений, в-третьих, легко дополняется средствами мультимедиа, в-четвертых, как и многие программные средства на Макинтоше, обладает широкими возможностями расширения набора функций. Даже этот краткий перечень убеждает в том, сформулированные выше проектные решения могли быть успешно реализованы в среде HyperCard.

В ходе разработки системы авторам пришлось столкнуться с рядом технических проблем, так или иначе влияющим на выбор дидактических решений. Одной из первых таких проблем было задание стандарта размещения материала на экране. Учитывая тот факт, что часть места на экране постоянно занимают пульты и кнопки управления, вопрос о форме и объеме учебного материала стоял подчас очень остро. Выходами из таких ситуаций были:

- специальная адаптация длинных текстов;
- изменение доказательств в сторону максимальной наглядности, но с допущением определенной нестрогости;
- максимальная замена текстового материала на графический.
При этом полный текстовый материал мог быть перенесен на другие (справочные) экраны, либо убран вообще (что требовало определенного пересмотра дидактических решений в подаче материала - уход от канонического стиля монографии к новому стилю компьютерного учебника );
- использование анимационных и аудио-эффектов
(как и других средств мультимедиа) с целью использования новых (по сравнению с монографией) информационных каналов связи с обучающимся.

Наконец, была проделана значительная работа по созданию программных средств реализации дополнительных функциональных возможностей системы HyperCard, позволяющих достигнуть нужных эффектов в графических изображениях, анимациях и эффектах мультимедиа. В первую очередь создание таких дополнительных средств было вызвано желанием максимально использовать цветовую гамму (изначально средства HyperCard позволяют работать только с оттенками серого цвета, что было вызвано соображениями аппаратной преемственности). Использование анимационных эффектов также потребовало разработки специальных программных средств, позволяющих достичь требуемого качества изображения. Все разработанные средства организованы в виде библиотеки внешних процедур и могут быть использованы при разработке других программных приложений в среде HyperCard.

Созданная версия компьютерного учебника по математическому анализу включает в себя материал в объеме первого семестра такого курса на механико-математическом факультете МГУ. Объем программной реализации - более 500 карт системы HyperCard, более трех тысяч строк на языке HyperTalk и около тысячи строк на языке Pascal (описание внешних процедур).
Разработанная в процессе создания компьютерного учебника система стандартов и дидактических приемов в представлении учебного материала также может стать основой для реализации последующих проектов такого типа.

II. Многофункциональные учебные программы

(представление знаний, тренинг, контроль усвоения знаний и др.).

Другим направлением деятельности авторов по созданию программ учебного назначения явилась разработка экспертных систем (ЭС) в медицине и создание на основе баз знаний этих ЭС учебных программных средств для студентов медицинских факультетов. Главной идеей в таком подходе является то, что при пополнении базы формализованных знаний в процессе развития ЭС эти знания автоматически (без переделки программного обеспечения) могут быть использованы в соответствующих учебных системах, системах контроля знаний обучающихся и других системах учебного назначения. Иначе говоря, автоматизируется процесс многопланового переноса знаний из научных исследований в учебную практику. Многофункциональность же в создании учебных программ такого рода состоит в первую очередь в разработке целого пучка учебных приложений на основе единой базы знаний.

В качестве базового примера реализации такого подхода рассмотрим ЭС Мутант предварительной дифференциальной диагностики внутренних заболеваний, разработанную коллективом авторов совместно с профессором В.П.Померанцевым, заведующим кафедры внутренних болезней 3-го медицинского института г.Москвы (см. [1]).

Система Мутант обеспечивает проведение первичного скрининга заболеваний с целью получения диагностической информации, необходимой для организации более углубленного обследования пациентов. Предлагаемый подход к диффеpенциальной диагностике основан на интервьюировании пациента по определенной схеме.
Вначале пациенту предлагается ответить на первичный (основной) опросник, включающий паспортные и некоторые антропометрические данные (масса тела, пульс, артериальное давление), личный и семейный анамнез, перечень основных жалоб, обычно приводящих пациента к врачу-терапевту.
На основании компьютерной обработки ответов пациента делаются заключения двух типов:

- о наличии риска определенных заболеваний
(например, ишимической болезни сердца, сахарного диабета, хронического бронхита, рака легких и др.). В этом случае при отсутствии жалоб указывается, какие дополнительные исследования следует провести;

- при наличии тех или иных жалоб
пациент адресуется к соответствующему дополнительному (специализированному) опроснику, содержащему углубленную проработку каждого симптома по различным характеристикам, например, точная локализация болей, их характер, иррадиация, продолжительность, сопутствующие явления, условия прекращения и курирования. Для этого по каждому разделу предлагается набор альтернативных ответов.

При обработке полученных ответов дополнительно используются такие элементы основного опросника как, например, сведения о поле, возрасте, анамнезе, факторах риска и других жалобах. На этом основании формируется диагностическое заключение в форме синдрома (например, сердечная или легочная недостаточность, синдром малоабсорбации и др.) или определенной нозологической единицы с указанием степени его вероятности в соответствии с количеством информационных синдромов, полученных от больного ( 50-75%, 76-95%, >95%). Врач должен учитывать, что диагностическое заключение носит рекомендательный характер. В дальнейшем врач может провести более углубленное обследование пациента, заведя в системе МУТАНТ данные объективного осмотра пациента (осмотр головы, живота, ног и т.д.) и результаты дополнительных методов исследования (анализы крови, мочи, кала, мокроты и т.д.). В результате система уточняет раннее выставленные диагнозы.

При наличии нескольких жалоб пациенту предлагается несколько специализированных опросников, по результатам ответов на них формируется диагностическое заключение.
Остановимся подробнее на структуре системы Мутант
Экспертная система Мутант состоит из следующих подсистем:

- подсистемы консультаций (ПК);
- подсистемы пополнения знаний (ППЗ).

Моделью представления знаний описываемой ЭС является продукционная система.
Фактологическими знаниями (базой фактов) ЭС Мутант являются:

- Карта первичного опроса (КПО) и специализированные опросники (СО);
- список диагностируемых заболеваний;
- список анализов, рекомендуемых системой;
- список анализов, которые могут быть сделаны в данном медицинском учреждении;
- список врачей-специалистов, рекомендуемых системой;
- список врачей-специалистов, которыми располагает данное медицинское учреждение.

Процедурные знания (базы знаний) для системы содержат правила двух типов:

- правило 1-го типа - Если условие, то медицинское заключение;
- правило 2-го типа - Если условие, то список опросников> .

Здесь условием является список выбранных экспертом вопросов из Карты первичного опроса и одного из специализированных опросников. Медицинское заключение состоит из:

- списка предполагаемых диагнозов;
- списка рекомендуемых системой анализов;
- списка рекомендуемых системой врачей-специалистов.

Список опросников содержит номера специализированных опросников, которые необходимо предложить пациенту для уточнения медицинского заключения.
База знаний устроена следующим образом:

- она состоит из двух частей, в каждой из которых хранятся правила только одного типа;
- каждое правило представлено одним термом;
- все термы, соответствующие правилам, относящимся к одному опроснику, группируются в одну цепь;
- каждое правило при занесении в БЗ автоматически получает уникальный номер, который не может быть модифицирован, и удаляется из БЗ только при удалении этого правила.

Механизм вывода ЭС Мутант заключается в сопоставлении ответов пациента на вопросы Карты первичного опроса и специализированных опросников с условной частью правил из БЗ. Поскольку задачей данной системы является выявление всех возможных предварительных заключений, то для ее решения применяется прямой вывод. При этом в зависимости от отношения количества ответов пациента, совпавших с условной частью правила 1-го типа, к общему количеству условий в данном правиле, система различает три степени достоверности диагнозов:

- диагноз маловероятен (50-75%);
- диагноз вероятен (76-95%);
- диагноз весьма вероятен (более 95%).

Для работы со знаниями врач-эксперт использует две подсистемы ведения БЗ, каждая из которых предназначена для работы со знаниями 1-го или, соответственно, 2-го типа.
Каждая из подсистем предлагает эксперту следующие виды работы:

- ввод нового правила в БЗ;
- коррекция правила в БЗ;
- удаление правила из БЗ;
- просмотр БЗ.

В дальнейшем на основе базы знаний ЭС Мутант была создана обучающая и проверяющая система TEACH . Система TEACH случайным образом выбирает диагноз и предлагает студенту или экзаменуемому указать совокупность симптомов, характеризующих выбранный диагноз. По результатам ответов студента ему выставляется оценка в зависимости от правильности ответа.

Следующим применением базы знаний системы Мутант было совместное ее использование с базой данных медицинских карт. Данный подход позволяет не только хранить результаты сеанса работы системы с пациентом, но и дает возможность врачу занести в БД свои собственные наблюдения, результаты анализов и т.п.
В этих системах реализован интерактивный подход в использовании экспертной ситемы, когда в результате ответов пациента непосредственно формируется заключение. Однако авторы сочли возможным использование экспертной системы Мутант и в скрытом режиме в качестве контролирующей системы.

ЭС Мутант была также включена в разработанную авторами автоматизированную систему управления поликлиникой. Эта система работает в диалоговом режиме на базе локальной сети персональных компьютеров, установленных в кабинетах поликлиники. Ее применение позволяет решить весь комплекс задач по оформлению медицинской документации. Хранение информации обо всех пациентах в единой информационной базе позволяет перейти на безбумажную технологию, упростить и упорядочить ведение медицинской карты, избавить врача от повторного заполнения ряда граф, обеспечить абсолютную достоверность статистической отчетности. Существенно сокращается время на поиск и передачу данных анализов и исследований, как и время пребывания пациента в поликлинике в целом.

Л и т е р а т у р а

1. Бурыкин И.Г., Билянский Ю.Г., Одинцов А.А. Экспертная система предварительной дифференциальной диагностики "Терапия"/"Мат. обесп. автом. систем".-М.: Изд-во Моск. ун-та.- 1990.
2. Представление и использование знаний / Под ред. Х.Уэно, М.Исудзука.- М.: Мир.-1989. 3. Черняховская М.Ю. Представление знаний в экспертных системах медицинской диагностики. -Владивосток: ДВНЦ СССР.- 1983. 4. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры.- М.: Финансы и статистика.- 1987.