Кіріспе
Оқушыларға нұсқау беру үшін компьютерлік жүйе. Ақылды оқыту жүйесі (ITS) – адам мұғалімдерін еліктейтін және оқушыларға дереу және жекелендірілген нұсқау немесе кері байланыс беруге бағытталған компьютерлік жүйе, көбінесе мұғалімнің араласуын қажет етпейді. ITS-тің басты мақсаты – әртүрлі есептеу технологияларын пайдалану арқылы білімді мағыналы және тиімді ету. ITS-тің ресми білім беруде де, кәсіби ортада да қолданылған көптеген мысалдары бар, олардың мүмкіндіктері мен шектеулері көрсетілген. Ақылды оқыту, танымдық оқыту теориялары және дизайн арасында тығыз байланыс бар, сондай-ақ ITS тиімділігін арттыру бойынша зерттеулер жалғастырылуда. ITS әдетте студенттерге жекелендірілген оқытудың дәлелденген артықшылықтарын ұсынуға тырысады, әйтпесе студенттер бір мұғалімнен көптеген нұсқауларға (мысалы, сыныптағы лекциялар) немесе мүлдем мұғалімсіз (мысалы, онлайн үй тапсырмалары) қол жеткізе алады. Бұл ертедегі жұмыстар кейінгі дамуға түрткіс болды. Оқу процесі үшін ақылды машиналар туралы түсінік 1924 жылға дейін қана соқты, осы жылы Огайо штатының университетіндегі Сидни Пресси студенттерді мұғалімсіз оқытуға арналған механикалық оқыту машинасы жасады. Оның машинасы бірнеше пернесі және оқушыға сұрақтарды көрсететін терезесі бар теріскей машинасына ұқсас болды. Пресси машинасы пайдаланушының жауабын қабылдап, оның ұпайларын тіркеп, дереу кері байланыс берді. Прессиге 19-шы ғасырдың соңы мен 20-шы ғасырдың басында Колумбия университетінің мұғалімдер колледжіндегі білім беру теорияшысы және психологы Эдвард Л. Торндайк әсер етті. Торндайк білімді барынша арттырудың заңдарын ұсынды. Торндайк заңдарына әсер ету заңы, жаттығу заңы және жаңалық заңы кірді. Қазіргі стандарттар бойынша Прессидің оқыту және тестілеу машинасы интеллектуалды деп есептелмейді, өйткені ол механикалық түрде жұмыс істеді және бір уақытта бір сұрақ пен жауапқа негізделген. Білім берудегі алғашқы іске асырулар бағдарламаланған оқытуға (PI) бағытталды, ол компьютерлік кіріс-шығыс жүйесіне негізделген құрылымды ұсынды. Көптеген адамдар осы оқыту формасын қолдағанмен, оның тиімділігін растайтын шектеулі деректер болды. Оқушыларға интеллектуалды компьютерлік көмек көрсету немесе Ақылды оқыту жүйелері (ITS) деп аталатын жаңа көзқарас пайда болды, ол компьютерлерді оқушыларды ақылды түрде баптау үшін пайдалануға бағытталған. CAI Скиннердің теорияларына негізделген мінез-құлықтық оқыту көзқарасын қолданған болса (Dede & Swigger, 1988), ITS когнитивтік психология, компьютерлік ғылым және әсіресе жасанды интеллект саласындағы жұмыстарға сүйенді. Компьютерлер әлі де қымбат болды және күткендей қолжетімді емес еді. Дамушылар мен оқытушылар CAI бағдарламаларын жасаудың жоғары құнына, оқытушыларды даярлаудың жеткіліксіздігіне және ресурстардың жетіспеушілігіне теріс реакция білдірді. LISP оқытушысы қателерді анықтап, жаттығуды орындаған кезде оқушыларға конструктивті кері байланыс бере алатын. Бұл жүйе жаттығуларды орындау үшін қажетті уақытты қысқартып, оқушылардың тест нәтижелерін жақсартатыны анықталды (Corbett & Anderson, 1992). Сондай-ақ, 1989 жылы Карнеги-Меллон университетінде тілдерді оқыту үшін құрылған PARNASSUS жүйесі бар.
An intelligent tutoring system (ITS) is a computer system that imitates human tutors and aims to provide immediate and customized instruction or feedback to learners, usually without requiring intervention from a human teacher. ITSs have the common goal of enabling learning in a meaningful and effective manner by using a variety of computing technologies. There are many examples of ITSs being used in both formal education and professional settings in which they have demonstrated their capabilities and limitations. There is a close relationship between intelligent tutoring, cognitive learning theories and design; and there is ongoing research to improve the effectiveness of ITS. An ITS typically aims to replicate the demonstrated benefits of one to one, personalized tutoring, in contexts where students would otherwise have access to one to many instruction from a single teacher (e. g., classroom lectures), or no teacher at all (e. g., online homework). These early works inspired later developments. The concept of intelligent machines for instructional use date back as early as 1924, when Sidney Pressey of Ohio State University created a mechanical teaching machine to instruct students without a human teacher. His machine resembled closely a typewriter with several keys and a window that provided the learner with questions. The Pressey Machine allowed user input and provided immediate feedback by recording their score on a counter. Pressey was influenced by Edward L. Thorndike, a learning theorist and educational psychologist at the Columbia University Teachers' College of the late 19th and early 20th centuries. Thorndike posited laws for maximizing learning. Thorndike's laws included the law of effect, the law of exercise, and the law of recency. By later standards, Pressey's teaching and testing machine would not be considered intelligent as it was mechanically run and was based on one question and answer at a time, Early implementations in education focused on programmed instruction (PI), a structure based on a computerized input output system. Although many supported this form of instruction, there was limited evidence supporting its effectiveness. A new perspective would emerge that focused on the use of computers to intelligently coach students called Intelligent Computer Assisted Instruction or Intelligent Tutoring Systems (ITS). Where CAI used a behaviourist perspective on learning based on Skinner's theories (Dede & Swigger, 1988), ITS drew from work in cognitive psychology, computer science, and especially artificial intelligence. Computers were still expensive and not as available as expected. Developers and instructors were reacting negatively to the high cost of developing CAI programs, the inadequate provision for instructor training, and the lack of resources. The LISP Tutor could identify mistakes and provide constructive feedback to students while they were performing the exercise. The system was found to decrease the time required to complete the exercises while improving student test scores (Corbett & Anderson, 1992). and PARNASSUS created in Carnegie Mellon University in 1989 for language instruction.
Қазіргі заманғы ІТС
Алғашқы МТС іске асырылғаннан кейін, көптеген зерттеушілер әртүрлі студенттер үшін бірнеше МТС құрды. 20-ғасырдың соңында алты университет қатысқан Византия жобасы арқылы Интеллектуалды оқыту құралдары (ITT) жасалды. ITT-лер жалпы мақсаттағы оқыту жүйесін құрастырушылар болды және көптеген мекемелер оларды пайдаланған кезде оң пікір білдірді (Киншук, 1996). Бұл құрылысшы, ITT, әр түрлі пәндер бойынша Интеллектуалды оқыту апплеті (ITA) шығаратын. Әр түрлі мұғалімдер ITA-ны құрып, басқалар үшін Интернет арқылы қолжетімді болатын үлкен білім қорларын жинады. МТС құрылғаннан кейін мұғалімдер оны көшіріп, болашақта пайдалану үшін өзгерте алады. Бұл жүйе тиімді және икемді болды. Дегенмен, Киншук пен Патель МТС білім беру тұрғысынан жетілдірілмегенін және оқушылар мен мұғалімдердің нақты қажеттіліктеріне негізделмегенін айтты (Киншук және Патель, 1997). Соңғы жұмыстарда этнографиялық және дизайндық зерттеу әдістері қолданылып, студенттер мен мұғалімдер ITS-ті әртүрлі жағдайларда қалай қолданатынын зерттеді, көбінесе олар күтпеген қажеттіліктерді қанағаттандыратынын, қанағаттандырмайтынын немесе тіпті тудыратынын анықтады. Қазіргі заманғы МТС әдетте мұғалімнің немесе оқытушы көмекшісінің рөлін қайталауға тырысады және проблема жасау, проблеманы таңдау және кері байланыс беру сияқты педагогикалық функцияларды автоматтандыруға ұмтылады. Алайда, қазіргі уақытта аралас оқыту үлгілеріне көшуді ескере отырып, МТС бойынша соңғы жұмыстар осы жүйелердің сыныпта немесе басқа әлеуметтік ортада қолданылған кезде мұғалімнің немесе әріптестердің жетекшілік оқытуының артықшылықтарын тиімді пайдалану жолдарына назар аударуды бастады. Әңгімелесу диалогына негізделген үш МТС жобасы болды: AutoTutor, Atlas (Freedman, 1999) және Why2. Бұл жобалардың идеясы студенттер білімді өздері құрастыру арқылы жақсы оқып үйренеді, сондықтан бағдарламалар студенттерге жетекші сұрақтар қоюдан басталып, соңғы шара ретінде ғана жауаптар береді. AutoTutor студенттері компьютерлік технология туралы сұрақтарға жауап беруге, Atlas студенттері сандық мәселелерді шешуге, ал Why2 студенттері физикалық жүйелерді сапалық тұрғыдан түсіндіруге бағытталды (Graesser, VanLehn және басқалар, 2001). Andes (Gertner, Conati және VanLehn, 1998) сияқты басқа да ұқсас оқыту жүйелері студенттерге сұрақтарға жауап беруде қиындық туғанда кеңес беруге және дереу кері байланыс беруге бейім. Олар жауаптарын болжап, түсініксіз жауаптар бере алады. Зерттеулер студенттердің шағын тобымен Atlas және Andes бағдарламаларын қолдана отырып жүргізілді. Нәтижелер көрсеткендей, Atlas бағдарламасын қолданған студенттер Andes бағдарламасын қолданған студенттермен салыстырғанда айтарлықтай жақсарды. Алайда, жоғарыда аталған жүйелер студенттердің диалогтарын талдауды қажет ететіндіктен, күрделі диалогтарды басқару үшін одан әрі жетілдіру қажет.
Қолданбалар
Веб-бумның қарқынды даму кезеңінде, электрондық оқыту және таратылған оқыту сияқты жаңа компьютерлік оқыту үлгілері, ITS идеялары үшін өте қолайлы платформа болды. ITS қолданылған салаларға табиғи тілді өңдеу, машиналық оқыту, жоспарлау, көп агенттік жүйелер, онтологиялар, Семантикалық желі және әлеуметтік-эмоционалдық есептеулер жатады. Сонымен қатар, мультимедиа, объектіге бағытталған жүйелер, модельдеу, симуляция және статистика сияқты басқа технологиялар да ITS-пен байланыстырылған немесе біріктірілген. Тарихи тұрғыдан алғанда, білім беру ғылымдары мен психология сияқты технологиялық емес салалар да ITS-тың жетістіктеріне ықпал етті. Соңғы жылдары ITS іздеуге негіделген әдістен арылып, көптеген практикалық қолданыстарды қамти бастады. ITS көптеген маңызды және күрделі танымдық салаларға тарады, ал нәтижелері ауқымды болды. ITS жүйелері ресми білім беруде берік орналасты және осы жүйелер корпоративтік оқыту мен ұйымдық оқу саласында қолданыс тапты. ITS оқушыларға жеке оқыту, уақтылы кері байланыс және уақыт пен кеңістіктегі икемділік сияқты бірнеше мүмкіндіктер ұсынады. Ақылды оқыту жүйелері когнитивтік психология және жасанды интеллект саласындағы зерттеулерден пайда болғанмен, қазір білім беру және ұйымдарда көптеген қолданысқа ие. Ақылды оқыту жүйелерін онлайн ортада немесе дәстүрлі сыныптардағы компьютерлік зертханаларда кездестіруге болады, олар K-12 сыныптарында да, университеттерде де қолданылады. Математикаға бағытталған бірнеше бағдарламалар бар, бірақ оларды денсаулық сақтау ғылымдарында, тілдерді меңгеруде және басқа да ресми білім беру салаларында да қолдануға болады. Оқушылардың түсіну деңгейінің, қызығушылығының, көзқарасының, мотивациясының және оқу нәтижелерінің жақсаруы туралы хабарлар осы жүйелерге инвестиция салуға және зерттеулер жүргізуге деген қызығушылықты арттырды. Интеллектуалды репетиторлық жүйелердің жекелендірілген сипаты педагогтарға жеке бағдарламалар жасауға мүмкіндік береді. Білім беру саласында интеллектуалды репетиторлық жүйелердің көптеген түрлері бар, толық тізім жоқ, бірақ төменде ең ықпалды бағдарламалардың бірнешеуі келтірілген.
Білім
Алгебралық оқытушы PAT (PUMP Algebra Tutor немесе Practical Algebra Tutor) Карнеги Меллон университетінің Питтсбургтегі Алдыңғы қатарлы танымдық оқытушы орталығымен әзірленген, студенттерді нақты жағдайлармен байланысты оқу мәселелеріне тартады және студенттердің мәселелерді шешуіне және нәтижелерін бөлісуіне көмектесу үшін қазіргі заманғы алгебралық құралдарды пайдаланады. PAT-тың мақсаты – студенттердің математика бойынша алдыңғы білімдерін және күнделікті өмірдегі тәжірибесін пайдаланып, олардың өсуіне жағдай жасау. PAT-тың сәттілігі жақсы құжатталған (мысалы, Miami Dade County Public Schools Evaluation and Research) – студенттердің нәтижелері және оқытушылар мен студенттердің пікірлері тұрғысынан. SQL Tutor – Intelligent Computer Tutoring Group (ICTG) тобының (Жаңа Зеландияның Кентербери университеті) әзірлеген алғашқы шектеулерге негізделген оқытушы. SQL Tutor студенттерге SQL SELECT операторын пайдаланып деректер базасынан деректерді алуды үйретеді. EER Tutor – ICTG тобымен әзірленген шектеулерге негізделген оқытушы, ол Entity Relationship моделін қолдана отырып, деректер базасын ұғымдық тұрғыдан жобалауды үйретеді. EER Tutor-дың бұрынғы нұсқасы KERMIT болды, ол ER модельдеуі үшін жеке оқытушы еді және бір сағат оқығаннан кейін студенттердің білімі айтарлықтай жақсарғандығы көрсетілді (әсер ету көрсеткіші 0,6). COLLECT UML – UML сынып диаграммаларымен жұмыс істейтін екі студенттен тұратын топты қолдайтын шектеулерге негізделген оқытушы. Оқытушы домендік деңгейде де, ынтымақтастыққа қатысты да кері байланыс береді. StoichTutor – жоғары сынып оқушыларына химияны, әсіресе стехиометрия саласын үйренуге көмектесетін веб-базалық интеллектуалды оқытушы. Ол түрлі оқу ғылымдарының қағидалары мен әдістерін зерттеу үшін қолданылды, мысалы, дайын мысалдар мен әдептілік. Математика оқытушысы (Beal, Beck & Woolf, 1998) студенттерге бөлшектер, ондықтар мен пайызды қолдана отырып, мәтіндік есептерді шешуге көмектеседі. Оқытушы студент мәселелермен жұмыс істеген кезде сәттілік деңгейін тіркейді және студентке жұмыс істеуге арналған келесі, оқу деңгейіне сай келетін мәселелерді ұсынады. Келесі таңдалған мәселелер студенттің қабілетіне және мәселені шешуге қажетті уақытқа сүйенеді. eTeacher (Schiaffino et al., 2008) – жекелендірілген электронды оқытуға қолдау көрсететін интеллектуалды агент немесе педагогикалық агент. Ол онлайн курстарда студенттердің нәтижелерін бақылап, студенттердің профильдерін жасайды. eTeacher студенттің оқу үрдісінен алынған ақпаратты пайдаланып, олардың оқу процесіне көмектесуге бағытталған жеке іс-қимылдар жоспарын ұсынады. ZOSMAT – нақты сыныптың барлық қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жасалған. Ол студенттің оқу процесінің әртүрлі кезеңдерінде оқуын қадағалап, басшылық жасайды. Бұл студентке бағытталған ITS, ол студенттің оқудағы прогресін тіркейді және студенттің күш-жігеріне байланысты оқу бағдарламасы өзгереді. ZOSMAT жеке оқыту үшін немесе адам оқытушысының басшылығымен нақты сыныпта қолдануға болады. REALP – студенттердің оқуды түсіну қабілетін арттыруға көмектесу үшін, оларға жеке лексикалық жаттығулар ұсынып, Интернеттен жиналған пайдалы, шынайы оқу материалдарымен жеке тәжірибе беру үшін жасалған. Жүйе студенттің нәтижелеріне сәйкес пайдаланушы моделін автоматты түрде құрайды. Оқудан кейін студент оқудан алынған мақсатты сөздікке негізделген жаттығулар сериясын орындайды. CIRCSIM Tutor – Иллинойс технология институтының бірінші курс студенттерімен қолданылатын интеллектуалды оқыту жүйесі. Ол табиғи диалогқа негізделген, Сократтық тілді қолданады, бұл студенттерге қан қысымын реттеуге көмектеседі. Why2 Atlas – студенттердің физика қағидаларын түсіндіруін талдайтын ITS. Студенттер өз жұмыстарын абзац түрінде енгізеді, ал бағдарлама олардың сөздерін олардың түсіндірмелеріне негізделген студенттердің сенімдерін болжай отырып, дәлелге айналдырады. Бұл ретте қате түсініктер мен толық емес түсіндірмелер көрсетіледі. Жүйе осы мәселелерді студенттермен диалог арқылы қарастырады және студенттен эссесін түзетуін сұрайды. Процесс аяқталғанға дейін бірнеше қайталаулар болуы мүмкін. SmartTutor – Гонконг университеті (HKU) үздіксіз білім алу студенттерінің қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін SmartTutor бағдарламасын әзірледі. Жеке оқыту HKU-да ересектер білім беруіндегі басты қажеттілік ретінде анықталды және SmartTutor осы қажеттілікті қанағаттандыруды мақсат етеді. SmartTutor интернет технологиясын, білім беруді зерттеу мен жасанды интеллектті біріктіре отырып, студенттерге қолдау көрсетеді. AutoTutor – AutoTutor колледж студенттеріне компьютерлік аппараттар, операциялық жүйелер және Интернет туралы кіріспелік компьютерлік сауаттылық курсында адам оқытушысының сөйлеу үлгілерін және педагогикалық стратегияларын имитациялау арқылы білім алуға көмектеседі. AutoTutor студенттердің пернетақтадан енгізгенін түсінуге тырысады, содан кейін кері байланыс, сұрақтар, түзетулер және кеңестермен диалогтық әрекеттерді жасайды. ActiveMath – математика бойынша бейімделмелі оқыту ортасы. Бұл жүйе қашықтықтан оқытуды жақсартуға, дәстүрлі сынып оқытуын толықтыруға және жеке және өмір бойы оқытуды қолдауға ұмтылады. ESC101 ITS – Үндістанның Канпур қаласындағы Үндістан технология институты ESC101 ITS, кіріспелік бағдарламалау мәселелеріне арналған интеллектуалды оқыту жүйесін әзірледі. AdaptErrEx – студенттерге ондық арифметиканы үйренуге көмектесу үшін өзара әрекеттесетін қате мысалдарды пайдаланатын бейімделмелі интеллектуалды оқытушы.
Тиімділігі
ITS бағдарламаларының тиімділігін бағалау қиындық тудырады. ITS жобалау, іске асыру және білім беру мазмұны бойынша үлкен айырмашылықтарға ие. ITS жүйесі сыныпта қолданылғанда, оны оқушылар ғана емес, мұғалімдер де пайдаланады. Бұл жағдай тиімді бағалауға кедергі келтіруі мүмкін, себебі мұғалімдер оқушылардың оқу процесіне араласады. Мұғалімдер жүйеге жаңа есептерді енгізуге немесе оқу бағдарламасын өзгертуге мүмкіндік алады. Сонымен қатар, мұғалімдер мен сыныптастар студенттер ITS-пен оқып жатқанда (мысалы, жеке компьютерлік зертханада немесе зертханалық сессиялар арасындағы сыныптық дәрістер кезінде) олардың бағдарламалық жасақтамамен оқуына әсер ететіндей әрекеттеседі. Бұл бағалау контексінде қосымша өзгеріс көздерін тудыруы мүмкін. Осы факторлардың бәрі ITS бағалауын күрделендіреді және бағалау зерттеулеріндегі нәтижелердің әртүрлілігін түсіндіруге көмектеседі. Күрделілігіне қарамастан, көптеген зерттеулер ITS-тің жалпы тиімділігін өлшеуге тырысты, көбінесе ITS-ті адам-түторлермен салыстыру арқылы. Алғашқы ITS жүйелерін қарастырған зерттеулер (1995) түторлықсызға қарағанда d = 1.0 әсер өлшемін көрсетті, ал адам-түторлерге d = 2.0 әсер өлшемі берілді. Кейінгі зерттеулер бұл нәтижелердің ерекше білім қажеттілігі бар оқушылар, ана тілі емес оқушылар және аз қамтылған отбасылардан шыққан оқушылар үшін айқынрақ екенін анықтады. Жақында жасалған мета-талдау ITS-тің CAI және адам-түторлердің тиімділігінен асып түсетінін көрсетті, әсіресе стандартталған тесттерге қарағанда жергілікті (нақты) тесттермен өлшенгенде. "Ақылды оқытудан өткен студенттер 50 бақылаулы зерттеудің 46-сында (немесе 92%) дәстүрлі сыныптардан келген студенттерден жақсы нәтиже көрсетті, ал нәтижелердің жақсаруы 50 зерттеудің 39-да (немесе 78%) маңызды деп есептелуге лайық болды. 50 зерттеудегі ES медианасы 0.66 құрады, бұл әлеуметтік ғылымдардағы зерттеулер үшін орташадан жоғары әсер деп саналады. Бұл сынақ нәтижелерін 50-ші перцентильден 75-ші перцентильге дейін жақсартуға тең. Бұл басқа түбіртектердің әсерінен күштірек. Мысалы, C. L. C. Kulik және Kulik (1991) мета-талдауы CAI түбіртектерінің 165 зерттеуінде орташа ES 0.31 құрады. ITS-тің нәтижесі шамамен екі есе жоғары. ITS әсері адам түбіртектерінен де жоғары. Көріп отырғанымыздай, адам түбіртектерінен оқыған оқушылардың тест нәтижелері бақылау тобына қарағанда шамамен 0.4 стандарттық ауытқуға артады. ITS әзірлеушілері CAI түбіртектерінің табысын арттыру және адам түбіртектерінің табысына қол жеткізу мақсатымен көп бұрын жұмыс істеді. Біздің нәтижелеріміз ITS әзірлеушілері осы екі мақсатқа да қол жеткізгенін көрсетеді. Жергілікті тесттерде өлшенген бағалауларда әсер орташадан күшті болса, стандартталған тесттерде өлшенген бағалауларда әлдеқайда аз болды. Жергілікті тесттермен жүргізілген зерттеулердегі орташа ES 0.73 құрады, ал стандартталған тесттермен жүргізілген зерттеулердегі орташа ES 0.13 құрады. Бұл айырмашылық жергілікті және стандартталған тесттерді қамтитын мета-талдаулар үшін ерекше емес. Жергілікті тесттер нақты оқу бағдарламаларының мақсаттарымен жақсы сәйкес келеді. Ал стандартталған тесттер бұл жағынан икемдірек. Біздің пікірімізше, жергілікті және стандартталған тесттердің екеуі де оқыту тиімділігі туралы маңызды ақпарат береді, және мүмкіндігі болса, екі түрлі тест те бағалау зерттеулеріне қосылуы керек". ITS-тің танылған артықшылықтары – дереу «иә/жоқ» пікір беру мүмкіндігі, жеке тапсырманы таңдау, қажет болғанда кеңес беру және білімді меңгеруді қолдау.