تحقیق مقاله مدلسازی شناختی یک سیستم آموزش دهنده هوشمند به منظور توان‌بخشی علاقه به یادگیری و خلاقیت دانشجو

چکیده:

سیستم GLITS، یک سیستم آموزش دهنده هوشمند با یادگیری تدریجی است که دارای 3 عامل یاد دهنده ، یادگیرنده و مشکل‌ساز است. عامل یاد دهنده و یادگیرنده هر کدام دارای 5 لایه (زیر سیستم) می‌باشند. لایه‌های یاد دهنده به نام‌های ناظر، ایجاد انگیزش، فرضیه‌ها و تولید مدلهای برنامه می‌باشند. لایه‌های یادگیرنده به نام‌های وضعیتی انعکاسی ، شناختی، معیارها و سنجش، برنامه‌ریزی و همینطور هماهنگی و تولید رفتار می‌باشند. عامل مشکل‌ساز یک عامل بازدارنده است که فعالیت آن باعث کاهش فعالیت لایه‌های مختلف یادگیرنده می‌شود. ابتدا با پرسشنامه مدل یادگیرنده (مدل میانگین کلاس) ساخته می‌شود و با استفاده از آن و به‌کارگیری نحوه آموزش بهینه هوشمند و ارزیابیهای مناسب، لایه‌های مدل یادگیرنده اصلاح می‌گردد که نتیجه کلی بالارفتن کارایی یادگیرنده و توانبخشی علاقه به یادگیری و خلاقیت او می‌باشد.

کلمات کلیدی:

Intelligent agents

عاملهای هوشمند

Cognitive modelling

مدلسازی شناختی

Intelligent tutoring system

سیستم آموزش دهنده هوشمند

Belief, desire, intention agent

عامل BDI

Conceptual modelling

مدلسازی مفهومی

مقدمه: اولین کنفرانس بین‌المللی سیستمهای آموزش دهنده هوشمند[1] (ITS) در سال 1988 در مونترال کانادا برگزار گردید. دومین و سومین و آخرین کنفرانس به ترتیب در سالهای 1992، 1996، . . . و 2004 برگزار گردیده‌اند.

معماری شناختی[2] اولین بار توسط جان روبرت اندرسن در سال 1983 مطرح شد که تفکر تطبیقی انسان را برمبنای شناخت بررسی می‌کرد، شبیه‌ سازی این تفکر به صورت نرم‌افزار ACT* ارائه گردیده است. مدلسازی شناختی در سال 1985 در کتابی با همین عنوان توسط Slack مطرح گردید.

ساختار کنترلی عامل هوشمند BDI[3] که در سیستم مطرح شده در مقاله (سیستم GLITS) مورد استفاده قرار گرفته است، بر مبنای باورها، هدفها (آرزوها) و مقصدها، در اواخر دهه 90 مطرح شد. مهمترین کاربرد این عامل در تشخیص عیب، سیستمهای مدیریت، تجارت ماشینی و آموزش هوشمند بوده است.

پردازش مفهومی اطلاعات اولین بار در سال 1975، در کتابی توسط Roger Schank مطرح گردید ولی مطالب جدید در مدلسازی مفهومی[4] در 1998 توسط Chen و همکارانش ارائه گردید.

طراحی سیستمهای چند عاملی هوشمند[5] براساس معماری لایه‌ای[6] در سال 1996 توسط Muller در کتابی با همین عنوان مورد بحث قرار گرفته است.

در مقاله حاضر یک مدلسازی شناختی از یک سیستم آموزش دهنده هوشمند پویا ارائه شده است که بر مبنای اصول مفهومی و کارکردی آموزش و تجربه طولانی تدریس دروس مختلف توسط اینجانب طراحی شده است. این مدل بنیادی است و سازماندهی تجربیات دوران تدریس است.

از مطالب برخی مراجع در تعاریف پایه‌ای و بیان مفاهیم و اصطلاحات آشنا در سیستم‌های آموزش دهنده هوشمند (ITS) در این مقاله استفاده شده است. امید است که پیاده سازی این سیستم در محیط کاربردی برای آموزش به کمک کامپیوتر بتواند سبب توسعه تکنولوژی در کشورمان گردد.

مدلسازی شناختی سیستم GLITS

سیستم مورد نظر دارای سه عامل هوشمند یاد دهنده[7]، یادگیرنده[8] و مشکل ساز[9] است.

شکل 1 مدل سیستم چند عاملی هوشمند GLITS

1 ساختار مفهومی شناختی مدل یاد دهنده

عامل یاد دهنده دارای 5 لایه (زیرسیستم): ناظر[10]، ایجاد انگیزش[11]، فرضیه‌ها[12]، فراشناختی[13] و تولید مدلهای برنامه[14] است.

شکل 2 مدل عامل یاد دهنده

11) لایه ناظر

این لایه دارای 3 واحد،  تولید هدف‌ها[15]، فعال کردن لایه‌ها[16] و تولید و بررسی آزمون[17] است (شکل 3). در ابتدای کار لایه ناظر واحد تولید هدف را فعال می‌سازد که نتیجه آن ایجاد یک هدف خاص (قصد ارائه یک مبحث درس) می‌باشد)، پس از آن واحد فعال کردن لایه‌ها طبق برنامه‌ای لایه‌های عامل یاد دهنده و همینطور لایه‌های عامل یادگیرنده را فعال می‌سازد. (توضیحات بیشتر در چرخه عملیات یاد دهنده ذکر شده است.)

پس از اتمام ارائه مبحث درس، واحد تولید و بررسی آزمون تعدادی آزمون مناسب تولید می‌کند که پس از دریافت جواب از یادگیرنده و بررسی آنها تصمیم لازم را می‌گیرد.

12) لایه ایجاد انگیزش

این لایه دارای یک واحد تولید انگیزه‌هاست. در ابتدای کار عامل یاد دهنده تعدادی انگیزه ایجاد می‌کند و به عامل یادگیرنده می‌دهد. (شکل4)

13) لایه فرضیه‌ها

این لایه دارای 3 واحد: کتابخانه فرضیه‌ها[18]، انتخاب فرضیه‌ها[19] و تولید مثالها[20] برای فرضیه‌های انتخابی می‌باشد. (شکل 5)

14) لایه فراشناختی

واحد اصلی در لایه فراشناختی واحد تولید مدلهای استدلال[21] است (شکل 6).

15) لایه تولید مدل های برنامه

این لایه دارای یک واحد تولید مدلهای برنامه است. هر برنامه یک ساختار درختی است که روش غیرقطعی انجام یک کار یا وظیفه را نشان می‌دهد. یک مدل برنامه، یک درخت تصمیم‌گیری کلی برای حل یک کار یا وظیفه به طریقه هوشمند و در حالت کلی مسأله است (شکل 7).

چرخه عملیات عامل یاد دهنده برای ارائه دروس (شکل 2)

با سیگنال شروع اولیه عامل یاددهنده چرخه عملیات زیر را فعال می‌سازد.

1) ابتدا واحد فعال کردن لایه‌ها در لایه ناظر شروع به کار می‌کند. این واحد طبق یک برنامه، با ارسال سیگنال فعالیت واحدها یا لایه‌های مورد نظر را فعال می‌سازد. خاتمه موقت عملیات هنگامی است که تمام فعالیتهای لازم برای یک مبحث درس به انجام رسیده باشد و خاتمه کامل زمانیست که تمام مباحث درسهای مختلف ارائه شده باشد.

2) سپس واحد تولید هدف فعال می‌شود و طبق یک برنامه از پیش تعیین شده (لیست سرفصل جلسات درس یعنی هدفهای مختلف یاد دهنده)، هدف فعلی (سرفصل درس فعلی) را تولید می‌کند و آن را به تمام لایه‌های یاد دهنده ارسال می‌کند.

3) پس از اتمام کار واحد تولید هدف و ارسال سیگنال خاتمه  به لایه ناظر، لایه ایجاد انگیزش شروع به فعالیت می‌کند. واحد تولید انگیزه‌ها در این لایه براساس هدف فعلی، انگیزه‌های هدف (کاربردها و فواید درس) را از کتابخانه انگیزه‌ها برمی‌دارد به دو لایه انعکاسی وضعیتی و شناختی در یادگیرنده می‌دهد. 

4) پس از تمام شدن کار لایه ایجاد انگیزش و اعلام آن به لایه ناظر، واحد انتخاب فرضیه‌ها در لایه فرضیه‌ها فعال می شود و قوانین و فرضیه‌های کلی (تعاریف و قواعد درس فعلی) را از کتابخانه فرضیه‌ها برمی‌دارد و با یک ترتیب زمانی خاص به لایه انعکاسی وضعیتی  و نیز لایه شناختی در یادگیرنده ارائه می‌دهد. واحد تولید مثالها در لایه فرضیه‌ها، برای هر تعریف یا قاعده درس، یک مثال به لایه شناختی در یادگیرنده تحویل می‌دهد.

5) پس از اتمام کار لایه فرضیه‌ها، لایه فراشناختی فعال می‌گردد و واحد تولید مدلهای استدلال در این لایه، با توجه به موضوع درس فعلی، مدلهای استدلال مناسب برای حل آزمونهای آتی درس را به لایه معیارها و سنجش در یاد گیرنده ارائه می‌دهد.

6) پس از اتمام کار لایه فرا شناختی، لایه مدلهای برنامه فعال می‌گردد و واحد تولید مدلهای برنامه در این لایه، مدل‌های برنامه مناسب برای مباحث درس و حل آزمونها را به لایه برنامه‌ریزی در یاد گیرنده پیشنهاد و ارائه می‌کند.

7) پس از اتمام کار لایه مدلهای برنامه، واحد تولید آزمون در لایه ناظر فعال می‌گردد و با توجه به درس فعلی، یک آزمون با چند قسمت تولید می‌کند و به لایه معیارها و سنجش و همینطور لایه هماهنگی و تولید رفتار در یاد گیرنده ارائه می‌دهد. واحد بررسی آزمون، پس از دریافت جواب از یادگیرنده، با توجه به درست بودن یا کاملاً غلط بودن، دستور تولید هدف بعدی (درس جدید) یا دستور تکرار هدف (درس) فعلی را بر واحد هدف در لایه ناظر ارائه می‌دهد. واحد بررسی آزمون، در صورت کمی غلط بودن یا نیمه غلط بودن جواب آزمون، دستور ارائه مثال دیگر یا تکرار مثال قبل را به واحد تولید مثالها در لایه فرضیه‌ها ارسال می‌کند.

8) اکنون عملیات یاد دهنده برای ارائه یک مبحث درس خاتمه یافته است. برای شروع درس جدید باید چرخه عملیات یاد دهنده دوباره از مرحله 1 تا پایان تکرار شود، این کار تا زمانیکه تمام هدفها (سرفصل مباحث مختلف) تولید و انجام آن به اتمام رسیده باشدادامه می‌یابد که در این وضعیت، یاددهنده به خاتمه کامل می‌رود.

2 ساختار مفهومی شناختی مدل یاد گیرنده

عامل یادگیرنده دارای 5 لایه (زیر سیستم)، انعکاسی   وضعیتی[22] ، شناختی[23]، معیارها و سنجش[24]، برنامه‌ریزی[25] و هماهنگی و تولید رفتار[26] می‌باشد.

شکل 8 مدل عامل یاد گیرنده

21) لایه انعکاسی وضعیتی  (شکل 9)

این لایه دارای یک واحد تولید باورها و یک کتابخانه می‌باشد. کتابخانه باورها، دارای تعدادی وضعیت نوعی[27] (گزاره ساده یا قاعده تولید[28]) است. هر قاعده تولید دارای سه قسمت زیر می‌باشد:

a) شرط (شرطهای) فعالیت[29]

b) کنش (نتیجه)[30]

(c تمرکز

در این واحد، فرضیه‌ها و قوانین کلی (حادثه‌ها) با انگیزه‌های ایجاد شده توسط یاد دهنده ترکیب و همراه با قوانین خاص گرفته شده از لایه شناختی، به کتابخانه باورها داده می‌شود و در آنجا به صورت گزاره‌های ساده یا قواعد تولید اگر آنگاه نگهداری می‌شوند و باورهای عامل را تشکیل می‌دهند.