Когнитивный репетитор
Автоматизированный репетитор

Когнитивный репетитор — это особый вид интеллектуальной системы репетиторства , которая использует когнитивную модель для предоставления обратной связи студентам по мере того, как они работают над проблемами. Эта обратная связь немедленно информирует студентов о правильности или неправильности их действий в интерфейсе репетитора; однако когнитивные репетиторы также имеют возможность предоставлять контекстно-зависимые подсказки и инструкции, чтобы направлять студентов к разумным следующим шагам.

Введение

Название Cognitive Tutor теперь обычно относится к определенному типу интеллектуальной системы обучения, разработанной Carnegie Learning для математики в старших классах на основе теории человеческого познания ACT-R Джона Андерсона . Однако когнитивные репетиторы изначально были разработаны для проверки теории ACT-R в исследовательских целях с начала 1980-х годов, и они также разрабатываются для других областей и предметов, таких как компьютерное программирование и наука. [1] Когнитивные репетиторы могут быть внедрены в классы как часть смешанного обучения , которое объединяет учебники и программные действия.

Программы Cognitive Tutor используют когнитивную модель и основаны на отслеживании модели и отслеживании знаний. Отслеживание модели означает, что когнитивный наставник проверяет каждое действие, выполняемое учениками, например, ввод значения или нажатие кнопки, в то время как отслеживание знаний используется для расчета требуемых навыков, которые усвоили ученики, путем измерения их на столбчатой ​​диаграмме, называемой Skillometer. [2] Отслеживание модели и отслеживание знаний в основном используются для мониторинга прогресса обучения учеников, направления учеников на правильный путь решения проблем и предоставления обратной связи.

Институт педагогических наук опубликовал несколько отчетов относительно эффективности Carnegie Cognitive Tutor. В отчете 2013 года сделан вывод о том, что Carnegie Learning Curricula и Cognitive Tutor оказывают неоднозначное влияние на успеваемость по математике среди учащихся старших классов. [3] В отчете было выявлено 27 исследований, в которых изучается эффективность Cognitive Tutor, и заключение основано на 6 исследованиях, которые соответствуют стандартам What Works Clearinghouse. Среди 6 включенных исследований 5 из них показывают средний или значительный положительный эффект, в то время как 1 исследование показывает статистически значимый отрицательный эффект. В другом отчете, опубликованном Институтом педагогических наук в 2009 году, было обнаружено, что Cognitive Tutor Algebra I может иметь потенциально положительное влияние на успеваемость по математике, основываясь только на 1 исследовании из 14, которое соответствует стандартам What Works Clearinghouse. Следует понимать, что стандарты What Works Clearinghouse требуют относительно большого количества участников, действительно случайного распределения по группам и для контрольной группы, не получающей никакого лечения или получающей другое лечение. Подобные экспериментальные условия трудно обеспечить в школах, и поэтому лишь небольшой процент исследований в области образования соответствует стандартам этого центра обмена информацией, хотя они все еще могут представлять ценность. [4]

Теоретические основы

Четырехкомпонентная архитектура

Интеллектуальные обучающие системы (ИТС) имеют четырехкомпонентную архитектуру: модель предметной области, модель ученика, модель обучения [5] и компонент интерфейса.

Модель домена содержит правила, концепции и знания, связанные с изучаемой областью. Она помогает оценить успеваемость студентов и обнаружить их ошибки, устанавливая стандарт экспертных знаний в области. [ необходима цитата ]

Модель студента, центральный компонент ИТС, как ожидается, будет содержать знания об учениках: их когнитивные и аффективные состояния и их прогресс по мере обучения. Функция модели студента тройная: собирать данные от и об ученике, представлять знания и процесс обучения ученика, а также проводить диагностику знаний ученика и выбирать оптимальные педагогические стратегии. [6]

Модель обучения использует данные, полученные из модели предметной области и модели студента, для принятия решений о стратегиях обучения, таких как вмешиваться или нет, или когда и как вмешиваться. Функции модели обучения включают в себя подачу инструкций и планирование контента. [7]

Компонент интерфейса отражает решения, принятые моделью обучения в различных формах, таких как диалоги Сократа, обратная связь и подсказки. Студенты взаимодействуют с преподавателем через интерфейс обучения, также известный как общение. Интерфейс предоставляет элементы знаний предметной области. [7]

Когнитивная модель

Когнитивная модель воспроизводит знания и навыки предметной области, сопоставимые со знаниями и навыками человека-эксперта или продвинутого студента предметной области. Когнитивная модель позволяет интеллектуальным обучающим системам реагировать на ситуации решения проблем способом, аналогичным человеку-репетитору. [8] Обучающая система, принимающая когнитивную модель, называется когнитивным репетитором.

Когнитивная модель — это экспертная система, которая генерирует множество решений проблем, представленных студентам. Когнитивная модель используется для отслеживания решения каждого студента через сложные альтернативные пути решения, позволяя преподавателю предоставлять пошаговую обратную связь и советы, а также поддерживать целевую модель знаний студента на основе успеваемости студента. [9]

Когнитивные репетиторы

Когнитивные репетиторы предоставляют пошаговые рекомендации по мере того, как учащийся развивает сложный навык решения проблем посредством практики. [10] Обычно когнитивные репетиторы предоставляют такие формы поддержки, как: (a) среда решения проблем, которая разработана насыщенной и «мыслящей наглядно»; (b) пошаговая обратная связь по успеваемости учащегося; (c) сообщения обратной связи, специфичные для ошибок; (d) контекстно-зависимые подсказки о следующем шаге по запросу учащегося и (e) индивидуальный выбор задач. [11]

Когнитивные репетиторы выполняют две основные задачи, характерные для человеческого репетиторства: (1) контролируют успеваемость учащегося и предоставляют контекстно-зависимые индивидуальные инструкции, и (2) контролируют обучение учащегося и выбирают соответствующие действия по решению проблем. [12]

Для мониторинга обучения студента используются как когнитивная модель, так и два базовых алгоритма, трассировка модели и трассировка знаний. При трассировке модели когнитивный наставник использует когнитивную модель в сложных задачах, чтобы следовать индивидуальному пути студента и предоставлять быструю обратную связь по точности и контекстно-зависимые советы. При трассировке знаний когнитивный наставник использует метод байесовского отслеживания знаний для оценки знаний студента и использует эту модель студента для выбора соответствующих задач для каждого студента. [12]

Когнитивная архитектура

Развитие когнитивного наставника осуществляется на основе когнитивной архитектуры ACT-R , которая определяет базовую структуру, разрабатывающую когнитивную модель или экспертный компонент когнитивного наставника.

ACT-R , член семейства ACT , является самой последней когнитивной архитектурой, посвященной в первую очередь моделированию человеческого поведения. ACT-R включает в себя декларативную память фактических знаний и процедурную память правил производства. Архитектура функционирует путем сопоставления производств на основе восприятий и фактов, опосредованных уровнями активации объектов с реальными значениями, и выполнения их для воздействия на окружающую среду или изменения декларативной памяти. ACT-R использовался для моделирования психологических аспектов, таких как память, внимание, рассуждение, решение проблем и обработка языка. [13]

Применение и использование

Первые реальные применения когнитивных репетиторов появились в 1980-х годах и включали репетитор по доказательству геометрии, используемый учениками старших классов, и репетитор по программированию LISP, используемый студентами колледжей в мини-курсе вводного курса программирования в Университете Карнеги-Меллона . [1]

С тех пор когнитивные репетиторы использовались в различных сценариях, а несколько организаций разрабатывали собственные программы когнитивных репетиторов. Эти программы использовались со студентами, охватывающими начальную школу и университетский уровень, хотя в основном в таких предметных областях, как компьютерное программирование, математика и естественные науки. [14]

Одной из первых организаций, разработавших систему для использования в школьной системе, был Центр PACT в Университете Карнеги-Меллона. Их целью было «...разработать системы, которые предоставляют индивидуальную помощь студентам при работе над сложными реальными проблемами в таких сложных областях, как компьютерное программирование, алгебра и геометрия». [14] Самым успешным продуктом PACT был курс Cognitive Tutor Algebra . Первоначально созданный в начале 1990-х годов, этот курс использовался в 75 школах по всей территории США к 1999 году, а затем его дочерняя компания Carnegie Learning теперь предлагает репетиторов тысячам школ в США [14]

Carnegie Mellon Cognitive Tutor продемонстрировал способность повышать результаты тестов по математике у учащихся старших и средних классов, [15] а их курс алгебры был признан одним из пяти образцовых учебных планов по математике для K-12, разработанных Министерством образования США. [14] Центр PACT провел несколько исследовательских проектов по использованию Cognitive Tutor для курсов в Excel и по разработке интеллектуальной системы обучения написанию алгебраических выражений под названием Ms. Lindquist . [16] Кроме того, в 2005 году Carnegie Learning выпустила Bridge to Algebra , продукт, предназначенный для средних школ, который был опробован в более чем 100 школах. [17]

Программное обеспечение для когнитивного обучения продолжает использоваться. Согласно статье в Business Insider Report , Кен Кёдингер, профессор взаимодействия человека с компьютером и психологии в Университете Карнеги-Меллона, описывает, как учителя могут интегрировать программное обеспечение для когнитивного обучения в класс. [18] Он предлагает учителям использовать его в среде компьютерной лаборатории или во время занятий. Когнитивные репетиторы могут понять множество способов, которыми ученик может ответить на проблему, а затем помочь ученику именно тогда, когда эта помощь требуется. Кроме того, когнитивный репетитор может настраивать упражнения, соответствующие потребностям ученика. [18]

Ограничения

На данный момент неясно, эффективен ли Cognitive Tutor для повышения успеваемости учащихся. [3] Cognitive Tutor имел определенный коммерческий успех, однако могут существовать ограничения, изначально связанные с его дизайном и природой интеллектуальных систем обучения. В следующем разделе обсуждаются ограничения Cognitive Tutor, которые могут также применяться к другим интеллектуальным системам обучения.

Учебный план

В настоящее время создание Cognitive Tutor для всех предметных областей непрактично и неэкономично. Cognitive Tutor успешно использовался, но все еще ограничен обучением алгебре, компьютерному программированию и геометрии, поскольку эти предметные области имеют оптимальный баланс правил производства, сложности и максимальной выгоды для обучающегося. [1] [19]

В центре внимания разработки Cognitive Tutor была разработка программного обеспечения для обучения определенным производственным правилам, а не разработка учебного контента. Несмотря на многолетние испытания, улучшения и потенциал для продвижения учебных целей, создатели продолжают в первую очередь полагаться на внешние источники для учебного руководства. [1]

Дизайн

Сложность программного обеспечения Cognitive Tutor требует от разработчиков тратить сотни часов на каждый учебный час для создания программы. Несмотря на затраченное время, проблемы, связанные с удовлетворением потребностей учащегося в рамках ограничений дизайна, часто приводят к компромиссам в гибкости и когнитивной точности. [11]

Практичность диктует, что дизайнеры должны выбирать из дискретного набора методов для обучения и поддержки учащихся. Ограниченный выбор методов, подсказок и намеков может быть эффективным для поддержки некоторых учащихся, но может конфликтовать с методами, которые уже используются другими. [19] Кроме того, возможно, что учащиеся будут использовать систему подсказок и намеков для преждевременного доступа к ответам, тем самым продвигаясь по упражнениям, что может привести к тому, что они не достигнут целей обучения.

Модель

Когнитивная модель , которая вдохновила Cognitive Tutor, основана на предположениях о том, как происходит обучение, что диктует выбранные методы обучения, такие как подсказки, указания и время подсказок репетитора. Учитывая эти предположения, Cognitive Tutor не учитывает все разнообразные способы, которыми репетиторы-люди поддерживают обучение студентов. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Андерсон, JR; Корбетт, AT; Кёдингер, KR и Пеллетье, R. (1995). «Когнитивный наставник: извлеченные уроки» (PDF) . Журнал наук об обучении . 4 (2): 167– 207. doi :10.1207/s15327809jls0402_2.
  2. ^ Блессинг, Стивен. «The Cognitive Tutor™: Successful Application of Cognitive Science». Carnegie Learning . Получено 17 июля 2014 г.
  3. ^ ab "Отчет о вмешательстве в математику в старших классах: учебная программа Carnegie и когнитивный наставник" (PDF) . Информационный центр образовательных ресурсов . 2013.
  4. ^ "What Works Clearinghouse: Cognitive Tutor Algebra I" (PDF) . Institute of Education Sciences . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-31 . Получено 2016-07-23 .
  5. ^ Self, J. (1990). «Теоретические основы интеллектуальных систем обучения». Журнал искусственного интеллекта в образовании . 1 (4): 3–14 . CiteSeerX 10.1.1.53.6841 . 
  6. ^ Венгер, Э. (1987). Искусственный интеллект и обучающие системы: вычислительные и когнитивные подходы к передаче знаний . Лос-Альтос: Morgan Kaufmann Publishers Inc. ISBN 978-0-934613-26-2.
  7. ^ аб Роджер Нкамбу; Жаклин Бурдо; Риичиро Мидзогучи, ред. (2010). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . Спрингер. п. 308. ИСБН 978-3-642-14362-5.
  8. ^ Корбетт, AT; Кедингер, КР; Андерсон, младший (1997). «Интеллектуальные системы обучения». В Хеландере, ТК; Ландауэр, П. (ред.). Справочник по взаимодействию человека и компьютера . Амстердам: Elsevier Science.
  9. ^ Корбетт, А.; Кауфман, Л.; Макларен, Б.; Вагнер, А.; Джонс, Э. (2010). «Когнитивный репетитор для решения проблем генетики: результаты обучения и моделирование студентов» (PDF) . Журнал исследований образовательной информатики . 42 (2): 219– 239. doi :10.2190/EC.42.2.e. S2CID  62695743.
  10. ^ ВанЛен, К. (2006). «Поведение систем обучения» (PDF) . Международный журнал искусственного интеллекта в образовании . 16 (3): 227–265 .
  11. ^ ab Aleven, V. (2010). «Когнитивное моделирование на основе правил для интеллектуальных систем обучения». В R. Nkambou; et al. (ред.). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . SCI 308. стр.  33–62 .
  12. ^ ab Koedinger, KR; Corbett, AT (2006). «Когнитивные репетиторы: Технологии, приносящие науки обучения в класс». В Sawyer, RK (ред.). Кембриджский справочник по наукам обучения (PDF) . Нью-Йорк: Cambridge University Press.
  13. ^ П. Лэнгли и Дж. Э. Лэрд, «Когнитивные архитектуры: исследовательские вопросы и проблемы». Черновик от 31 октября 2002 г.
  14. ^ abcd "PACT Center @ Carnegie Mellon University, Домашняя страница". Май 2003.
  15. ^ "PACT Center @ Carnegie Mellon University, Текущие исследовательские проекты". Май 2003 г.
  16. ^ "PACT Center @ Carnegie Mellon University, Завершенные исследовательские проекты". Май 2003 г.
  17. ^ "Хронология истории когнитивного репетиторства. (2003-2013)". Инструменты для разработки когнитивного репетиторства .
  18. ^ ab Griswold, Alison (6 марта 2014 г.). «Это когнитивное программное обеспечение для обучения уже оказывает революционное воздействие». Business Insider .
  19. ^ ab Scandura, JM (2012). «Роль автоматизации в обучении: последние достижения в authorIT и TutorIT решают фундаментальные проблемы в разработке интеллектуальных систем обучения» (PDF) . Технология, обучение, познание и обучение . 9 : 3–8 .
  20. ^ ВанЛен, К. (2011). «Относительная эффективность человеческого обучения, интеллектуальных систем обучения и других систем обучения» (PDF) . Педагогический психолог . 46 (4): 197– 221. doi :10.1080/00461520.2011.611369. S2CID  16188384.
  • Центр передовых когнитивных репетиторов в Питтсбурге при Университете Карнеги-Меллона , который исследует когнитивных репетиторов
  • Страница продукта для Cognitive Tutor в Carnegie Learning
  • Оценка программы когнитивного репетитора по алгебре I в государственных школах округа Майами-Дейд
  • Обзор оценок Cognitive Tutor
  • Когнитивные репетиторы: конец скуке и путанице?, Обзорная статья (2018)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cognitive_tutor&oldid=1263242880"