Когнитивтік оқыту жүйелері: принциптері, тиімділігі және құрылымы
Cognitive tutor
Ақылдық оқыту жүйесі – білімді модельдеу арқылы студенттерге жедел кері байланыс беруге арналған құрал. Математика, бағдарламалау, ғылымда қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Когнитивтік оқытушы – оқушыларға есептерді шешу кезінде кері байланыс беру үшін когнитивтік модельді пайдаланатын интеллектуалды оқыту жүйесінің нақты бір түрі. Бұл кері байланыс студенттерге олардың оқытушы интерфейсіндегі әрекеттерінің дұрыстығын немесе қателігін дереу хабарлайды; алайда, когнитивтік оқытушылар студенттерді орынды келесі қадамдарға жетелеу үшін жағдайға сәйкес кеңестер мен нұсқаулар беруге де қабілетті.
A cognitive tutor is a particular kind of intelligent tutoring system that utilizes a cognitive model to provide feedback to students as they are working through problems. This feedback will immediately inform students of the correctness, or incorrectness, of their actions in the tutor interface; however, cognitive tutors also have the ability to provide context sensitive hints and instruction to guide students towards reasonable next steps.
Кіріспе
Когнитивтік оқытушы атауы қазіргі кезде Джон Андерсонның ACT R теориясына негізделген жоғары мектеп математикасы үшін Карнеги Оқу орталығы шығарған интеллектуалды оқыту жүйесінің нақты бір түріне сілтеме жасайды. Дегенмен, когнитивтік оқытушылар бастапқыда 1980 жылдардың басынан бері ACT R теориясын зерттеу мақсатында сынақтан өткізу үшін әзірленген, сондай-ақ компьютерлік бағдарламалау және ғылым сияқты басқа да салалар мен пәндер үшін де қолданылады. Үлгіні іздеу және білімді іздеу әдістері негізінен оқушылардың оқу үдерісін бақылау, оларды проблеманы шешуге дұрыс бағыттау және кері байланыс беру үшін пайдаланылады. Білім беру ғылымдары институты Карнеги когнитивтік оқытушының тиімділігі туралы бірнеше есеп жариялады. 2013 жылғы есепте Карнеги Оқу орталығының оқу бағдарламалары мен когнитивтік оқытушының жоғары сынып оқушыларының математика бойынша үлгеріміне әсері әртүрлі екені анықталды. Есепте когнитивтік оқытушының тиімділігін зерттеген 27 зерттеу тіркелді, ал қорытынды What Works Clearinghouse стандарттарына сай келетін 6 зерттеуге негізделген. Осы 6 зерттеудің ішінде 5-еуі орташадан жоғары оң әсерді көрсетсе, 1 зерттеу статистикалық тұрғыдан маңызды теріс әсерді көрсетті. 2009 жылы Білім беру ғылымдары институты жариялаған тағы бір есепте когнитивтік оқытушы Алгебра I математикалық үлгерімге оң әсер етуі мүмкін екендігі көрсетілді, бұл 14 зерттеудің тек 1-і ғана What Works Clearinghouse стандарттарына сәйкес келуіне негізделген. What Works Clearinghouse стандарттары салыстырмалы түрде көп қатысушыларды, топтарға нақты кездейсоқ түрде тағайындауды және бақылау тобының емдеу алмауын немесе басқа емдеу алуын талап ететінін есте ұстаған жөн. Мұндай тәжірибелік жағдайларды мектептерде қамтамасыз ету қиын, сондықтан білім беру саласындағы зерттеулердің шағын бөлігі ғана осы клирингтік орталықтың стандарттарына сай келеді, тіпті олардың құндылығы жоғары болуы мүмкін.
The name of Cognitive Tutor now usually refers to a particular type of intelligent tutoring system produced by Carnegie Learning for high school mathematics based on John Anderson's ACT R theory of human cognition. However, cognitive tutors were originally developed to test ACT R theory for research purposes since the early 1980s and they are developed also for other areas and subjects such as computer programming and science. Model tracing and knowledge tracing are essentially used to monitor students' learning progress, guide students to correct path to problem solving, and provide feedback. The Institute of Education Sciences published several reports regarding the effectiveness of Carnegie Cognitive Tutor. A 2013 report concluded that Carnegie Learning Curricula and Cognitive Tutor was found to have mixed effects on mathematics achievement for high school students. The report identified 27 studies that investigate the effectiveness of Cognitive Tutor , and the conclusion is based on 6 studies that meet What Works Clearinghouse standards. Among the 6 studies included, 5 of them show intermediate to significant positive effect, while 1 study shows statistically significant negative effect. Another report published by Institute of Education Sciences in 2009 found that Cognitive Tutor Algebra I to have potentially positive effects on math achievement based on only 1 study out of 14 studies that meets What Works Clearinghouse standards. it should be understood that What Works Clearinghouse standards call for relatively large numbers of participants, true random assignments to groups, and for a control group receiving either no treatment or a different treatment. Such experimental conditions are difficult to meet in schools, and thus only a small percentage of studies in education meet the standards of this clearinghouse, even though they may still be of value.
Төрт компонентті архитектура
Ақылды оқыту жүйелері (ITS) төрт компонентті архитектураға ие: домендік модель, оқушы моделі, оқыту моделі және интерфейс компоненті. Домендік модель оқылуға тиіс доменге қатысты ережелерді, түсініктерді және білімді қамтиды. Ол оқушылардың үлгерімін бағалауға және домендік сарапшылық стандартын белгілеу арқылы олардың қателіктерін анықтауға көмектеседі. Оқушы моделі – ITS-тің орталық компоненті, ол оқушылар туралы білімді қамтиды деп күтіледі: олардың танымдық және эмоционалдық жағдайлары, сондай-ақ олардың оқу барысындағы прогресі. Оқушы моделінің функциясы үш түрлі: оқушыдан және оның туралы деректерді жинау, оқушының білімі мен оқу процесін бейнелеу, оқушының біліміне диагностика жасау және оңтайлы педагогикалық стратегияларды таңдау. Оқыту моделі домендік модель мен оқушы моделінен алынған деректерді оқыту стратегиялары туралы шешімдер қабылдау үшін пайдаланады, мысалы, араласу қажеттігі, немесе қашан және қалай араласу керек. Оқыту моделінің функцияларына оқу материалын ұсыну және мазмұнды жоспарлау кіреді. Интерфейс компоненті оқыту моделінің шешімдерін әртүрлі формаларда көрсетеді, мысалы, Сократ диалогтары, кері байланыс және кеңестер. Оқушылар оқу интерфейсі арқылы оқытушымен өзара әрекеттеседі, ол коммуникация ретінде де белгілі. Интерфейс домендік білім элементтерін ұсынады. Когнитивтік модельді қолданатын оқыту жүйесі когнитивтік оқытушы деп аталады. Когнитивтік модель – студенттерге ұсынылған мәселелерге көптеген шешімдер ұсынатын сарапшы жүйе. Когнитивтік модель әр оқушының күрделі мәселелерді шешу жолын қадағалау үшін қолданылады, бұл оқытушыға қадамдық кері байланыс пен кеңес беруге және оқушының үлгеріміне негізделген оқушының білімінің мақсатты моделін сақтауға мүмкіндік береді.
Intelligent tutoring systems (ITS) have a four component architecture: a domain model, a student model, a tutoring model and an interface component. The domain model contains the rules, concepts, and knowledge related to the domain to be learned. It helps to evaluate students' performance and detect students' errors by setting a standard of domain expertise. The student model, the central component of an ITS, is expected to contain knowledge about the students: their cognitive and affective states, and their progress as they learn. The function of the student model is threefold: to gather data from and about the learner, to represent the learner's knowledge and learning process, and to perform diagnostics of a student's knowledge and select optimal pedagogical strategies. The tutoring model uses the data gained from the domain model and student model to make decisions about tutoring strategies such as whether or not to intervene, or when and how to intervene. Functions of the tutoring model include instruction delivery and content planning. The interface component reflects the decisions made by the tutoring model in different forms such as Socratic dialogs, feedback and hints. Students interact with the tutor through the learning interface, also known as communication. The interface provides domain knowledge elements. A tutoring system adopting a cognitive model is called a cognitive tutor. Cognitive model is an expert system which hosts a multitude of solutions to the problems presented to students. The cognitive model is used to trace each student's solution through complex problems, enabling the tutor to provide step by step feedback and advice, and to maintain a targeted model of the student's knowledge based on student performance.
Танымдық оқытушылар
Когнитивтік оқытушылар оқушы тәжірибе арқылы күрделі мәселелерді шешу дағдысын дамыта отырып, қадамдық нұсқаулық береді. Әдетте, когнитивтік оқытушылар қолдаудың мынадай түрлерін ұсынады: (а) бай және «көрнекті ойлауға» мүмкіндік беретін, жобаланған мәселе шешу ортасы; (б) оқушының орындауы туралы қадамдық кері байланыс; (с) қателерге қатысты нақты кері байланыс хабарламалары; (d) оқушының өтініші бойынша нақты келесі қадам туралы кеңестер және (e) жеке проблеманы таңдау. Оқушының білімін бақылау үшін танымдық модель және екі негізгі алгоритм – модельді іздеу және білімді іздеу қолданылады. Модельді іздеу кезінде когнитивтік оқытушы күрделі мәселелерде танымдық модельді қолдану арқылы оқушының жеке жолын қадағалайды және дереу нақты пікір мен контекстке байланысты кеңестер береді. Білімді іздеу кезінде когнитивтік оқытушы оқушының білімін бағалаудың қарапайым Байес әдісін қолданады және осы оқушы моделін жеке оқушыға арналған тиісті мәселелерді таңдау үшін пайдаланады.
Cognitive Tutors provide step by step guidance as a learner develops a complex problem solving skill through practice. Typically, cognitive tutors provide such forms of support as: (a) a problem solving environment that is designed rich and "thinking visible"; (b) step by step feedback on student performance; (c) feedback messages specific to errors; (d) context specific next step hints at student's request, and (e) individualized problem selection. Both cognitive model and two underlying algorithms, model tracing and knowledge tracing, are used to monitor the student's learning. In model tracing, the cognitive tutor uses the cognitive model in complex problems to follow the student's individual path and provide prompt accuracy feedback and context specific advice. In knowledge tracing, the cognitive tutor uses a simple Bayesian method of evaluating the student's knowledge and uses this student model to select appropriate problems for individual student.
Қолдану және пайдалану
Когнитивтік оқытушылардың алғашқы нақты қолданылуы – жоғары сынып оқушылары қолданған геометриялық дәлелдеу оқытушысы және Карнеги Меллон университетінде колледж студенттерімен LISP оқытушысын пайдалана отырып, компьютер ғылымдары бойынша шағын курс. Мектептерде қолдануға жүйе жасаған алғашқы ұйымдардың бірі – Карнеги Меллон университетінің PACT орталығы. Олардың мақсаты «компьютерлік бағдарламалау, алгебра және геометрия сияқты күрделі салалардағы қиын мәселелерді шешуде студенттерге жеке көмек көрсететін жүйелерді әзірлеу» болды. Алгебра курсы АҚШ Білім министрлігі тарапынан 1-12 сыныптар аралығындағы математикалық білім берудегі бес үздік үлгінің бірі деп танылды. 2005 жылы Карнеги Оқыту 100-ден астам мектепте сынақтан өткізілген орта мектептерге арналған «Альгебраға көпір» атты өнімді шығарды. Когнитивтік оқыту бағдарламалық құралы қазір де қолданылуда. Business Insider Report басылымындағы мақалаға сәйкес, Карнеги Меллон университетінің адам-компьютерлік өзара әрекеттесу және психология профессоры Кен Кодингер мұғалімдердің когнитивтік оқыту бағдарламасын сыныпқа қалай енгізе алатынын түсіндіреді. Ол мұғалімдерге оны компьютерлік лабораторияда немесе сабақтар барысында пайдалануды ұсынады. Когнитивтік оқытушылар студенттің мәселеге қалай жауап бере алатынының көптеген жолын түсінеді, содан кейін көмек қажет болған сәтте көмектеседі. Бұдан өзге, когнитивтік оқытушы студенттің қажеттіліктеріне қарай жаттығуларды өзгерте алады. Когнитивтік оқытуды дамыту бағыты – нақты өндіріс ережелерін оқытуға арналған бағдарламалық құралды жобалау, оқу бағдарламасының мазмұнын дамыту емес. Көп жылдық сынақтар мен жақсартуларға, оқу мақсаттарын жетілдіруге қарамастан, жасаушылар оқу бағдарламасын анықтау үшін негізінен сыртқы көздерге сенеді. Практикалық тұрғыдан алғанда, дизайнерлер оқушыларды оқыту және қолдау үшін әдістердің белгілі бір жиынтығынан таңдауға тиіс. Әдістердің, ұсынымдардың және кеңестердің шектеулі таңдауы кейбір оқушыларға көмектесуде тиімді болуы мүмкін, бірақ басқалары қолданып жүрген әдістермен қақтығысуы мүмкін.
The first real world applications of cognitive tutors were a geometry proof tutor used by high school students and a mini course in Computer Science at Carnegie Mellon University using the LISP tutor with college students. One of the first organizations to develop a system for use within the school system was the PACT Center at Carnegie Mellon University. Their aim was to " develop systems that provide individualized assistance to students as they work on challenging real world problems in complex domains such as computer programming, algebra and geometry". and their Algebra course was designated one of five exemplary curricula for K 12 mathematics educated by the US Department of Education. Further, in 2005, Carnegie Learning released Bridge to Algebra, a product intended for middle schools that was piloted in over 100 schools. Cognitive tutoring software is continuing to be used. According to a Business Insider Report article, Ken Koedinger, a professor of human computer interaction and psychology at Carnegie Mellon University, describes how teachers can integrate cognitive tutoring software into the classroom. He suggests that teachers use it in a computer lab environment or during classes. Cognitive tutors can understand the many ways that a student might answer a problem, and then assist the student at the exact time that the help is required. Further, the cognitive tutor can customize exercises specific to the student's needs. The focus of Cognitive Tutor development has been the design of the software to teach specific production rules and not on the development of curricular content. Despite many years of trials, improvements, and a potential to advance learning objectives, the creators continue to rely primarily on outside sources for curricular direction. Practicality dictates that designers must choose from a discrete set of methods to teach and support learners. Limited choices of methods, prompts and hints may be effective in supporting some learners but may conflict with the methods already in use by others.