Введение

Когнитивный репетитор – это особый вид интеллектуальной обучающей системы, использующей когнитивную модель для предоставления обратной связи учащимся по мере решения задач. Эта обратная связь немедленно сообщает учащимся о правильности или неправильности их действий в интерфейсе репетитора; однако когнитивные репетиторы также способны предоставлять контекстно-зависимые подсказки и инструкции, чтобы направить учащихся к следующим логичным шагам.

Введение

Название «Когнитивный репетитор» теперь обычно относится к определенному типу интеллектуальной обучающей системы, разработанной компанией Carnegie Learning для математики в старших классах, основанной на теории ACT R Джона Андерсона о человеческом познании. Однако когнитивные репетиторы изначально разрабатывались для проверки теории ACT R в исследовательских целях с начала 1980-х годов, и они также создаются для других областей и предметов, таких как компьютерное программирование и естественные науки. Отслеживание моделей и отслеживание знаний используются для мониторинга прогресса обучения учащихся, направления их к правильному пути решения задач и предоставления обратной связи. Институт образовательных наук опубликовал несколько отчетов об эффективности когнитивного репетитора Carnegie. Отчет за 2013 год пришел к выводу, что учебные программы Carnegie Learning и Cognitive Tutor оказывают неоднозначное влияние на успеваемость по математике у учащихся старших классов. В отчете были идентифицированы 27 исследований, изучающих эффективность Cognitive Tutor, и вывод основан на 6 исследованиях, соответствующих стандартам What Works Clearinghouse. Из этих 6 исследований 5 показали умеренный или значительный положительный эффект, а 1 – статистически значимый отрицательный эффект. Другой отчет, опубликованный Институтом образовательных наук в 2009 году, показал, что Cognitive Tutor Algebra I может оказывать потенциально положительное влияние на успеваемость по математике, основываясь только на 1 исследовании из 14, соответствующих стандартам What Works Clearinghouse. Важно понимать, что стандарты What Works Clearinghouse требуют относительно большого числа участников, истинно случайного распределения по группам и наличия контрольной группы, не получающей лечения или получающей иное лечение. Такие экспериментальные условия сложно обеспечить в школах, поэтому лишь небольшой процент образовательных программ соответствует стандартам этого центра, хотя они все равно могут быть ценными.

Четырехкомпонентная архитектура

Интеллектуальные обучающие системы (ITS) имеют четырехкомпонентную архитектуру: модель предметной области, модель обучающегося, модель обучения и интерфейсный компонент. Модель предметной области содержит правила, понятия и знания, относящиеся к изучаемой области. Она помогает оценивать успеваемость обучающихся и выявлять их ошибки, устанавливая эталон компетентности в данной области. Модель обучающегося, являясь центральным компонентом ITS, должна содержать информацию об обучающихся: их когнитивные и аффективные состояния, а также прогресс в процессе обучения. Функция модели обучающегося тройственна: сбор данных об обучающемся и от него, представление знаний и процесса обучения обучающегося, а также диагностика знаний обучающегося и выбор оптимальных педагогических стратегий. Модель обучения использует данные, полученные из модели предметной области и модели обучающегося, для принятия решений о стратегиях обучения, таких как необходимость вмешательства, а также время и способ вмешательства. Функции модели обучения включают в себя предоставление инструкций и планирование учебного материала. Интерфейсный компонент отражает решения, принимаемые моделью обучения, в различных формах, таких как сократические диалоги, обратная связь и подсказки. Обучающиеся взаимодействуют с системой через учебный интерфейс, также известный как средство коммуникации. Интерфейс предоставляет элементы предметных знаний. Обучающая система, использующая когнитивную модель, называется когнитивным тьютором. Когнитивная модель – это экспертная система, содержащая множество решений задач, предлагаемых обучающимся. Когнитивная модель используется для отслеживания хода решения каждой задачи обучающимся, что позволяет системе предоставлять пошаговую обратную связь и рекомендации, а также поддерживать целевую модель знаний обучающегося на основе его успеваемости.

Когнитивные наставники

Когнитивные наставники обеспечивают пошаговое руководство в процессе развития учащимся навыков решения сложных задач посредством практики. Как правило, когнитивные наставники предоставляют следующие виды поддержки: (a) среду решения задач, разработанную таким образом, чтобы она была насыщенной и демонстрировала ход мысли; (b) пошаговую обратную связь об успеваемости учащегося; (c) сообщения об ошибках, сформулированные конкретно для каждой ошибки; (d) контекстно-зависимые подсказки для следующего шага по запросу учащегося и (e) индивидуальный подбор задач. Для отслеживания процесса обучения учащегося используются как когнитивная модель, так и два базовых алгоритма – отслеживание модели и отслеживание знаний. При отслеживании модели когнитивный наставник использует когнитивную модель при решении сложных задач, чтобы следить за индивидуальной траекторией учащегося и предоставлять оперативную обратную связь о точности действий и контекстно-зависимые рекомендации. При отслеживании знаний когнитивный наставник использует простой байесовский метод оценки знаний учащегося и использует эту модель учащегося для выбора подходящих задач для каждого конкретного учащегося.

Применение и использование

Первыми реальными приложениями когнитивных репетиторов стали репетитор по геометрии для доказательств, используемый учащимися старших классов, и мини-курс по информатике в Университете Карнеги — Меллона с использованием репетитора LISP для студентов вузов. Центр PACT при Университете Карнеги — Меллона был одной из первых организаций, разработавших систему для использования в школах. Их целью было «разработать системы, обеспечивающие индивидуальную помощь учащимся при решении сложных задач реального мира в таких областях, как компьютерное программирование, алгебра и геометрия». Курс алгебры, разработанный ими, был признан одним из пяти образцовых учебных планов по математике для K-12, рекомендованных Министерством образования США. Кроме того, в 2005 году компания Carnegie Learning выпустила Bridge to Algebra – продукт для средних школ, который был протестирован более чем в 100 школах. Программное обеспечение для когнитивного обучения продолжает использоваться. Согласно статье Business Insider Report, Кен Кодингер, профессор взаимодействия человека и компьютера и психологии в Университете Карнеги — Меллона, описывает, как учителя могут интегрировать программное обеспечение для когнитивного обучения в учебный процесс. Он предлагает использовать его в компьютерных классах или во время уроков. Когнитивные репетиторы способны понимать различные способы решения задачи учащимися и оказывать помощь именно в тот момент, когда она необходима. Более того, когнитивный репетитор может адаптировать упражнения к индивидуальным потребностям ученика. При разработке Cognitive Tutor основное внимание уделялось созданию программного обеспечения для обучения конкретным правилам и алгоритмам, а не разработке учебного контента. Несмотря на многолетние испытания, улучшения и потенциал для повышения эффективности обучения, разработчики по-прежнему в основном полагаются на внешние источники при определении учебного плана. Практические соображения диктуют, что разработчикам необходимо выбирать из ограниченного набора методов обучения и поддержки учащихся. Ограниченный выбор методов, подсказок и направлений может быть эффективным для одних учащихся, но может противоречить методам, уже используемым другими.