Конспекты уроков по информатике "Экспертные системы на уроках информатики"

Обоснование важности изучения экспертных систем на уроках информатики.

В ФГОС второго поколения школьный курс информатики рассматривается как общеобразовательный предмет, в содержании которого присутствует значительная фундаментальная научная составляющая, ориентированный не только на изучение основ науки информатики как таковой, но и на образование школьника, познание окружающего мира методами и средствами информатики: формализацией и моделированием информационных процессов, алгоритмизацией, проведением компьютерного эксперимента.

В информатике формируются многие виды деятельности, которые имеют общедисциплинарный характер: моделирование объектов и процессов, сбор, хранение, преобразование и передача информации, управление объектами и процессами.

Особенность информатики заключается в том, что значительная часть этой деятельности может быть осуществлена с помощью компьютерных инструментов.

Общеобразовательный предмет информатики с необходимостью отражает все перечисленные аспекты:

- сущность информатики как научной дисциплины, изучающей закономерности протекания информационных процессов в различных средах (системах);

- основные области применения информатики, прежде всего информационные и коммуникационные технологии, управление и социальная сфера;

- междисциплинарный характер информатики и информационной деятельности.

Для разработки уроков выбрана тема – «Изучение принципов работы экспертных систем. Разработка экспертных систем без применения и изучения дополнительных основ программирования». Уроки могут войти в раздел «Моделирование и формализация». Данные разделы изучаются в 9 классе базового курса информатики и ИКТ, в соответствии с требованиями ФГОС.

Основными целями раздела являются:

формирование представления о подходах к классификации моделей;

формирование представления о разновидностях информационных моделей в зависимости от формы представления.

нахождение ориентировочной основы действий учащихся при проведении моделирования.

При изучении темы – «Моделирование и формализация» формируются следующие метапредметные результаты:

умение самостоятельно планировать пути достижения цели, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач.

умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности ее решения.

В методику создания любого информационного объекта: текстового документа, базы данных, электронной таблицы, программы на языке программирования, входит обучение правилам верификации, т. е. проверки правильности функционирования созданного объекта.

Умение строить логическое рассуждение, умозаключение и делать выводы.

Раздел моделирования затрагивает почти все другие темы в изучении информатики, он тесно переплетается с алгоритмикой, программированием, математическими основами информатики и другими, ведь вся информационная деятельность строится на создании моделей какого-либо объекта, системы объектов. Наука «Информатика» практически вся основывается на изучении, создании и применении моделей. Изучает методы их создания, свойства которыми модель должна обладать.

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. Формализованные модели позволяют перейти к математическим моделям, рассчитать их на компьютере и получить количественные результаты. С помощью математических и логических моделей можно изучить основные свойства и принципы работы экспертных систем.

Таким образом, раздел информатики, связанный с моделированием и формализацией может содержать изучение экспертных систем, как попыток построить модель интеллекта.

В создании серии занятий решено не прибегать к использованию языков программирования, для создания экспертной системы будет использована оболочка в которой есть возможность заполнять пустую базу знаний.

Решено создать три урока следующих типов:

урок – лекция;

урок – исследование;

урок – соревнование и защита проектов;

На первом уроке идет апробация уже готовой экспертной системы в виде онлайн-игры «Акинатор». В виде лекции разъясняются теоретические основы экспертных систем, с применением подробной презентации и дальнейшим обобщением полученных знаний.

На втором уроке происходит знакомство с оболочкой «Малая экспертная система 2. 0», разработанная доцентом «Кафедры информатики и систем управления института радиоэлектроники и информационных технологий (ИРИТ) Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева» Бухниным Алексеем Викторовичем.

Данная программа легка в освоении, имеет понятный интерфейс, не требует знаний языков программирования и содержит в себе простой редактор знаний экспертной системы, который, в свою очередь, наделен отладчиком базы знаний, указывающим на возможные ошибки заполняющего ее эксперта. Также оболочка уже содержит небольшие примеры баз знаний, которые подходят для первоначальной демонстрации возможностей программы.

На третьем уроке проводится практическая часть с созданием собственной базы знаний. На нем учащимся предоставляется возможность побыть в образе экспертов, проявить свои знания по другим предметам и на практике понять, как работает экспертная система.

Таким образом, на примере оболочек экспертных систем можно создать серию уроков для изучения основ искусственного интеллекта, экспертных систем как одного из его направлений. Все это объединить с изучением раздела информатики и ИКТ «Моделирование и формализация».

Тема серии занятий:

Теория экспертных систем и способы их создания.

Оборудование для уроков:

ПК, мультимедийный проектор, программное обеспечение: Microsoft Office, Малая экспертная система 2. 0.

Конспекты уроков.

Цели урока №1:

«Сформировать у обучающихся основные понятия об экспертных системах».

Задачи:

дать представление о понятиях: «искусственный интеллект», «экспертная система».

Прогнозируемые УУД:

понимание термина «экспертной системы»;

знание элементов структуры экспертной системы;

представление о функциях коллектива разработчиков экспертной системы;

осознание значимости экспертных систем.

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока.

Урок №1 «Что такое ЭС, назначение, структура, функции, важность для общества».

1. Организационный момент.

2. Постановка целей урока.

Реализация стадии вызова.

Для актуализации имеющихся знаний и пробуждения познавательного интереса используется игровая экспертная система «Акинатор».

На этом этапе работы происходит реализация первой составляющей вводного учебного занятия – мотивация.

Изучение новой темы, реализация стадии осмысления.

В процессе изучения нового материала учащийся отвечает на вопросы учителя и заполняет таблицу (Приложение 1).

При ответе на вопросы учебного материала происходит реализация таких этапов вводного учебного занятия как образное представление об изучаемой теме, а также осмысление практической и социальной значимости. В ходе изложения нового материала учитель задает проблемные вопросы, активизирующие и побуждающие познавательную активность и интерес у учащихся. Например:

привести примеры областей деятельности, где используются экспертные системы;

предположить какие компоненты должна включать в себя экспертная система;

определить может ли один человек совмещать функции эксперта и инженера по знаниям;

предположить, сможет ли в будущем искусственный разум превзойти человеческий.

Весь материал - в документе.

Экспертые системы на уроках информатики

Обоснование важности изучения экспертных систем на уроках информатики.

В ФГОС второго поколения школьный курс информатики рассматривается как общеобразовательный предмет, в содержании которого присутствует значительная фундаментальная научная составляющая, ориентированный не только на изучение основ науки информатики как таковой, но и на образование школьника, познание окружающего мира методами и средствами информатики: формализацией и моделированием информационных процессов, алгоритмизацией, проведением компьютерного эксперимента.

В информатике формируются многие виды деятельности, которые имеют общедисциплинарный характер: моделирование объектов и процессов, сбор, хранение, преобразование и передача информации, управление объектами и процессами.

Особенность информатики заключается в том, что значительная часть этой деятельности может быть осуществлена с помощью компьютерных инструментов.

Общеобразовательный предмет информатики с необходимостью отражает все перечисленные аспекты:

— сущность информатики как научной дисциплины, изучающей закономерности протекания информационных процессов в различных средах (системах);

— основные области применения информатики, прежде всего информационные и коммуникационные технологии, управление и социальная сфера;

— междисциплинарный характер информатики и информационной деятельности.

Для разработки уроков выбрана тема – «Изучение принципов работы экспертных систем. Разработка экспертных систем без применения и изучения дополнительных основ программирования». Уроки могут войти в раздел «Моделирование и формализация». Данные разделы изучаются в 9 классе базового курса информатики и ИКТ, в соответствии с требованиями ФГОС.

Основными целями раздела являются:

• формирование представления о подходах к классификации моделей;

• формирование представления о разновидностях информационных моделей в зависимости от формы представления.

• нахождение ориентировочной основы действий учащихся при проведении моделирования.

При изучении темы – «Моделирование и формализация» формируются следующие метапредметные результаты:

• умение самостоятельно планировать пути достижения цели, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач.

• умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности ее решения

В методику создания любого информационного объекта: текстового документа, базы данных, электронной таблицы, программы на языке программирования, входит обучение правилам верификации, т.е. проверки правильности функционирования созданного объекта.

• умение строить логическое рассуждение, умозаключение и делать выводы.

Раздел моделирования затрагивает почти все другие темы в изучении информатики, он тесно переплетается с алгоритмикой, программированием, математическими основами информатики и другими, ведь вся информационная деятельность строится на создании моделей какого-либо объекта, системы объектов. Наука «Информатика» практически вся основывается на изучении, создании и применении моделей. Изучает методы их создания, свойства которыми модель должна обладать.

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. Формализованные модели позволяют перейти к математическим моделям, рассчитать их на компьютере и получить количественные результаты. С помощью математических и логических моделей можно изучить основные свойства и принципы работы экспертных систем.

Таким образом, раздел информатики, связанный с моделированием и формализацией может содержать изучение экспертных систем, как попыток построить модель интеллекта.

В создании серии занятий решено не прибегать к использованию языков программирования, для создания экспертной системы будет использована оболочка в которой есть возможность заполнять пустую базу знаний.

Решено создать три урока следующих типов:

• урок – лекция;

• урок – исследование;

• урок – соревнование и защита проектов;

На первом уроке идет апробация уже готовой экспертной системы в виде онлайн-игры «Акинатор». В виде лекции разъясняются теоретические основы экспертных систем, с применением подробной презентации и дальнейшим обобщением полученных знаний.

На втором уроке происходит знакомство с оболочкой «Малая экспертная система 2.0», разработанная доцентом «Кафедры информатики и систем управления института радиоэлектроники и информационных технологий (ИРИТ) Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева» Бухниным Алексеем Викторовичем. Данная программа легка в освоении, имеет понятный интерфейс, не требует знаний языков программирования и содержит в себе простой редактор знаний экспертной системы, который, в свою очередь, наделен отладчиком базы знаний, указывающим на возможные ошибки заполняющего ее эксперта. Также оболочка уже содержит небольшие примеры баз знаний, которые подходят для первоначальной демонстрации возможностей программы.

На третьем уроке проводится практическая часть с созданием собственной базы знаний. На нем учащимся предоставляется возможность побыть в образе экспертов, проявить свои знания по другим предметам и на практике понять, как работает экспертная система.

Таким образом, на примере оболочек экспертных систем можно создать серию уроков для изучения основ искусственного интеллекта, экспертных систем как одного из его направлений. Все это объединить с изучением раздела информатики и ИКТ «Моделирование и формализация».

Конспекты уроков информатики

Тема серии занятий:

Теория экспертных систем и способы их создания.

Оборудование для уроков:

ПК, мультимедийный проектор, программное обеспечение: Microsoft Office, Малая экспертная система 2.0.

Конспекты уроков

Цели урока №1: «Сформировать у обучающихся основные понятия об экспертных системах».

Задачи: дать представление о понятиях: «искусственный интеллект», «экспертная система».

Прогнозируемые УУД:

• понимание термина «экспертной системы»;

• знание элементов структуры экспертной системы;

• представление о функциях коллектива разработчиков экспертной системы;

• осознание значимости экспертных систем.

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока

Урок №1 «Что такое ЭС, назначение, структура, функции, важность для общества».

1. Организационный момент

2. Постановка целей урока

3. Реализация стадии вызова

Для актуализации имеющихся знаний и пробуждения познавательного интереса используется игровая экспертная система «Акинатор»
На этом этапе работы происходит реализация первой составляющей вводного учебного занятия – мотивация.

1. Изучение новой темы, реализация стадии осмысления.

В процессе изучения нового материала учащийся отвечает на вопросы учителя и заполняет таблицу (Приложение 1).

При ответе на вопросы учебного материала происходит реализация таких этапов вводного учебного занятия как образное представление об изучаемой теме, а также осмысление практической и социальной значимости. В ходе изложения нового материала учитель задает проблемные вопросы, активизирующие и побуждающие познавательную активность и интерес у учащихся. Например:

• привести примеры областей деятельности, где используются экспертные системы;

• предположить какие компоненты должна включать в себя экспертная система;

• определить может ли один человек совмещать функции эксперта и инженера по знаниям;

• предположить, сможет ли в будущем искусственный разум превзойти человеческий.

1. Подведение итогов, реализация стадии рефлексии.

Учащимся в течение 5 минут необходимо заполнить последнюю строку (Приложение 1), функциональное назначение которой связано с соотнесением новой информации и имеющихся знаний. В этом случае происходит реализация последнего этапа вводного учебного занятия – рефлексии.

1. Запись домашнего задания.

Домашнее задание:

• Самостоятельно, используя электронные источники, изучить материал по теме «Экспертные системы» и представить его в виде схемы. Работа должна быть выполнена с помощью инструментов рисования MS Word.

Рекомендуемые источники:

• Презентация учителя

• Интернет

Цели урока №2: «Ознакомиться с инструментами и технологиями разработки ЭС».

Задачи: познакомить обучающихся с основными этапами разработки экспертных систем. Научить самостоятельно определять этапы построения моделей. Выработать у учащихся умение анализировать свойства объекта моделирования, сформировать системный подход к объектам моделирования.

Планируемые УУД:

• знание программных средств для создания экспертных систем;

• умение разбивать на этапы процесс разработки ЭС;

• самостоятельное изучение и применение программных средств;

Тип урока: комбинированный

Урок №2 «Способы и технологии разработки ЭС. Применение оболочки «Малая экспертная система 2.0».

1. Организационный момент

2. Постановка целей урока

3. Реализация стадии вызова

Для активизации деятельности и мотивации к предстоящей работе учащимся предлагается вспомнить структуру, роли создателей и режимы работы экспертных систем. Данное задание выполняется в течение 5 минут.

Изучение новой темы, реализация стадии осмысления.

Изучение теоретического материала учащимися происходит самостоятельно на основе подготовленной учителем информации. В процессе освоения материала учащимся необходимо:

• заполнить концептуальную таблицу «Инструментальные средства создания экспертных систем», состоящую из столбцов: инструментальное средство, достоинство, недостаток (Приложение 2).

• составить идивидуальный план, отражающий все вопросы, на которые нужно ответить, чтобы всесторонне осветить тему. Компоненты плана: тема, цель, вопросы.

1. Знакомство с оболочкой для создания ЭС «Малая экспертная система 2.0».

Для удовлетворения познавательного интереса к изучаемой теме, а также формирования навыков работы в экспертных системах, учащимся предлагается изучить программу «Малая экспертная система 2.0» (Приложение 4). Программа бесплатна, и ее можно скачать с домашней страницы автора Алексея Бухнина. Программа «Малая экспертная система 2.0» осуществляет консультации пользователей в конкретной предметной области, база данных которой загружена в настоящий момент. Выбор этой программы для знакомства в качестве оболочки экспертных систем обусловлен рядом достоинств:

• наличием графического интерфейса;

• возможностью загрузки уже созданной базы данных (для знакомства);

• возможностью создания и применения собственной базы данных;

Учащимся объясняется алгоритм работы в данной экспертной системе, Данная программа состоит из двух приложений:

• «Малая экспертная система 2.0», предназначенная для загрузки уже созданных баз данных.

• «Редактор баз данных 1.0», предназначен для создания собственной базы данных.

1. Подведение итогов, реализация стадии рефлексии.

При реализации стадии рефлексии учащимся предлагается вернуться к кластеру и дополнить его с учетом того, что узнали.

1. Запись домашнего задания.

Домашнее задание состоит из нескольких частей:

• Составить презентацию по теме «Экспертные системы», используя программу MS PowerPoint.

• Определить предметную область для создания экспертной системы.

Цели урока №3 «Выработать у обучающихся навыки работы с экспертными системами. Создание базы знаний экспертной системы».

Задачи: систематизировать знания об экспертных системах, углубление этих знаний через самостоятельную и групповую деятельность, практическое применение изученного материала, развитие логического мышления. Развитие познавательных интересов, умения работать в группе. Воспитание коммуникативных умений, взаимопомощи.

Планируемые УУД:

• применение полученных знаний при работе с программными средствами;

• умение оценивать результаты своего труда;

• научится учитывать возможности других людей и устанавливать с ними контакты;

Тип урока: закрепление новых знаний. Контрольный урок.

Урок № 3 «Создание экспертной системы»

1. Организационный момент

2. Постановка целей урока

3. Проведение практической работы по созданию экспертной системы

Разделение на группы, объявление ролей

После разъяснения целей урока учитель разделяет учащихся на команды. Поясняется цель и проблема работы, обговариваются правила и регламент.

Описание проблемы: требуется разработать экспертную систему определения вида грибов. Создание этой экспертной системы предложило руководство пункта по сбору лесных запасов. Логично предположить, что та команда, которая сумеет предложить продукт наивысшего качества может рассчитывать на дополнительное материальное вознаграждение (премию). Но не менее важным приобретением в этой ситуации будет безусловный рост авторитета победившей команды. Кроме этого, все участники конкурса получают замечательную возможность испытать свои силы, попытаться открыть в себе что-то новое, и в полной мере реализовать свой интеллектуальный и творческий потенциал.

Примечание: выбор предметной области экспертной системы может зависеть от профиля обучения учащихся.

Цель работы: команде учеников разработать экспертную систему определенной предметной области. Регламент: на разработку и создание экспертной системы отводится 30 минут.

Правила игры: Каждый участник группы работает и является частью коллектива. Требуется внести в базу знания каждого эксперта. Экспертами может выступать часть или вся команда. Результат работы команды – наиболее полная экспертная система. Несогласованность в действиях увеличивает вероятность ошибок.

Разработка экспертной системы

На данном этапе каждая группа разрабатывает экспертную систему. В случае затруднения учащиеся могут обратиться к учителю за консультацией и воспользоваться различными источниками информации (Презентация, собственные планы, Internet, справка программы).

Выполнение отчета о проделанной работе, самооценка

После завершения разработки и реализации экспертной системы каждой группе необходимо подготовить отчет о проделанной работе. Отчет представляется в виде таблицы, соответствующие строки которой заполняют все члены группы.

Выставление отметок членам группы

Каждому участнику группы предлагаются оценочные листы, в которых представлены критерии оценки работы каждого члена коллектива разработчиков (экспертов). На этапе выставления оценок учитель предлагает каждому из учащихся, используя оценочные листы, оценить работу трех других участников группы. Итоговая оценка деятельности каждого участника группы определяется как среднее арифметическое оценок из трех оценочных листов.

Защита проекта

Ученики представляют свой проект и доказывают, что именно их решение в большей мере соответствует поставленной задаче (коллективу разработчиков разработать и создать экспертную систему определения вида грибов), предъявляют учителю отчет о проделанной работе, обосновывают правильность разработанного проекта. Учитель рассматривает отчет как составляющую часть работы (этап рефлексии) по разработке и реализации экспертной системы.

1. Подведение итогов

На этапе подведения итогов урока учитель оценивает получившиеся проекты, кратко характеризует достоинства и недостатки каждого, объявляет отметки за урок как отдельному ученику, так и всей группе, намечает перспективы использования таких проектов в жизни учащихся. Педагог еще раз напоминает учащимся о значимости данной области научного знания для дальнейшего развития информатики и современных ИТ.

Содержание уроков является доступным для учащихся базового курса информатики и ИКТ 9 класса. На уроках есть связь учебной работы, практической деятельности и часть научной работы.

Все занятия данной системы связаны между собой в рамках движения к конкретному результату – созданию собственной экспертной системы. В начале каждого урока происходит повторение ранее изученного материала и объединение его с новым. Учащиеся мотивируются на изучение нового материала.

Приложение 1

Экспертные системы

Приложение 2

Заполните таблицу «Инструментальные средства создания экспертных систем», состоящую из столбцов:

Приложение 3

Групповая оценочная форма (5 бальная шкала)

Индивидуальная оценочная форма

Сводная оценочная форма