Когнитивный репетитор

Когнитивный репетитор — это особый вид интеллектуальной системы обучения , которая использует когнитивную модель для предоставления обратной связи учащимся, когда они решают проблемы. Эта обратная связь сразу проинформирует учащихся о правильности или некорректности их действий в интерфейсе репетитора; однако преподаватели по когнитивным навыкам также могут давать контекстно-зависимые подсказки и инструкции, которые помогут учащимся сделать разумные следующие шаги.

Введение

Название Cognitive Tutor теперь обычно относится к определенному типу интеллектуальной системы обучения, созданной Carnegie Learning ACT-R Джона Андерсона для средней школы по математике на основе теории человеческого познания . Однако когнитивные наставники изначально разрабатывались для проверки теории ACT-R в исследовательских целях с начала 1980-х годов, а также для других областей и предметов, таких как компьютерное программирование и естественные науки. ^[1] Когнитивные репетиторы могут быть внедрены в классы как часть смешанного обучения , сочетающего в себе занятия по учебникам и программному обеспечению.

Программы Cognitive Tutor используют когнитивную модель и основаны на отслеживании моделей и отслеживании знаний. Отслеживание модели означает, что когнитивный наставник проверяет каждое действие, выполняемое учащимися, например, ввод значения или нажатие кнопки, а отслеживание знаний используется для расчета необходимых навыков, приобретенных учащимися, путем измерения их на гистограмме под названием Skillometer. ^[2] Отслеживание моделей и отслеживание знаний в основном используются для мониторинга прогресса обучения учащихся, указания им правильного пути к решению проблем и предоставления обратной связи.

Институт педагогических наук опубликовал несколько отчетов об эффективности Carnegie Cognitive Tutor. В отчете 2013 года был сделан вывод о том, что учебные программы Карнеги и когнитивный репетитор оказывают неоднозначное влияние на успеваемость старшеклассников по математике. ^[3] В отчете указано 27 исследований, изучающих эффективность Cognitive Tutor, а вывод основан на 6 исследованиях, соответствующих стандартам What Works Clearinghouse. Среди 6 включенных исследований 5 демонстрируют положительный эффект от среднего до значительного, а одно исследование показывает статистически значимый отрицательный эффект. Другой отчет, опубликованный Институтом педагогических наук в 2009 году, показал, что Cognitive Tutor Algebra I потенциально положительно влияет на успеваемость по математике, основываясь только на 1 исследовании из 14, которое соответствует стандартам What Works Clearinghouse. Следует понимать, что стандарты What Works Clearinghouse называют для относительно большого числа участников истинно случайное распределение по группам, а также для контрольной группы, которая либо не получала лечения, либо получала другое лечение. Такие экспериментальные условия трудно обеспечить в школах, и поэтому лишь небольшой процент исследований в сфере образования соответствует стандартам этого информационного центра, даже если они все еще могут иметь ценность. ^[4]

Теоретические основы

Четырехкомпонентная архитектура

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

Модель предметной области содержит правила, концепции и знания, относящиеся к изучаемой предметной области. Это помогает оценивать успеваемость учащихся и выявлять ошибки учащихся, устанавливая стандарты знаний в предметной области. ^{[ нужна ссылка ]}

Ожидается, что модель ученика, центральный компонент ИТС, будет содержать знания об учениках: их когнитивном и аффективном состоянии, а также их прогрессе в процессе обучения. Функция модели учащегося тройная: собирать данные от учащегося и об учащемся, представлять знания учащегося и процесс обучения, а также проводить диагностику знаний учащегося и выбирать оптимальные педагогические стратегии. ^[6]

Модель обучения использует данные, полученные из модели предметной области и модели ученика, для принятия решений о стратегиях обучения, например, следует ли вмешиваться или когда и как вмешиваться. Функции модели обучения включают доставку инструкций и планирование контента. ^[7]

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

Когнитивная модель

Когнитивная модель воспроизводит знания и навыки предметной области, сравнимые со знаниями и навыками человека-эксперта или продвинутого студента в предметной области. Когнитивная модель позволяет интеллектуальным системам обучения реагировать на ситуации решения проблем так же, как это делает репетитор-человек. ^[8] Система обучения, использующая когнитивную модель, называется когнитивным наставником.

Когнитивная модель — это экспертная система, которая генерирует множество решений проблем, предъявляемых учащимся. Когнитивная модель используется для отслеживания решения каждого учащегося с помощью сложных альтернативных путей решения, что позволяет преподавателю предоставлять пошаговую обратную связь и советы, а также поддерживать целевую модель знаний учащегося на основе успеваемости учащихся. ^[9]

Когнитивные репетиторы

Когнитивные наставники предоставляют пошаговые инструкции по мере того, как учащийся на практике развивает сложные навыки решения проблем. ^[10] Обычно когнитивные наставники предоставляют такие формы поддержки, как: (а) среда решения проблем, разработанная с богатым дизайном и «мыслящим видимым образом»; (б) пошаговая обратная связь по успеваемости учащихся; (c) сообщения обратной связи, относящиеся к ошибкам; (г) контекстно-зависимые подсказки на следующий шаг по запросу учащегося и (д) индивидуальный выбор проблемы. ^[11]

Когнитивные репетиторы выполняют две основные задачи, характерные для человеческого обучения: (1) контролируют успеваемость учащегося и обеспечивают индивидуальное обучение с учетом контекста, и (2) контролируют обучение учащегося и выбирают подходящие действия для решения проблем. ^[12]

Для мониторинга обучения учащегося используются как когнитивная модель, так и два лежащих в его основе алгоритма: отслеживание модели и отслеживание знаний. При отслеживании модели когнитивный наставник использует когнитивную модель в сложных задачах, чтобы проследить индивидуальный путь учащегося и обеспечить быструю обратную связь и рекомендации с учетом контекста. При отслеживании знаний когнитивный наставник использует байесовский метод отслеживания знаний для оценки знаний учащегося и использует эту модель учащегося для выбора подходящих задач для каждого учащегося. ^[12]

Когнитивная архитектура

Разработка когнитивного наставника руководствуется ACT-R когнитивной архитектурой , которая определяет базовую структуру, разрабатывающую когнитивную модель или экспертный компонент когнитивного наставника.

ACT-R , член семейства ACT , представляет собой новейшую когнитивную архитектуру, предназначенную в первую очередь для моделирования человеческого поведения. ACT-R включает в себя декларативную память фактических знаний и процедурную память правил производства. Архитектура функционирует, сопоставляя произведения на основе восприятий и фактов, опосредованные действительными уровнями активации объектов, и выполняя 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 языковая обработка. ^[13]

Применение и использование

Первые реальные применения когнитивных репетиторов были в 1980-х годах и включали репетитора по доказательству геометрии, используемого старшеклассниками, и репетитора по программированию LISP, используемого студентами колледжей в мини-курсе вводного курса программирования в Университете Карнеги-Меллона . ^[1]

С тех пор когнитивные наставники использовались в самых разных сценариях, при этом несколько организаций разработали свои собственные программы когнитивных наставников. Эти программы использовались для учащихся от начальной школы до университетского уровня, но в основном в предметных областях компьютерного программирования, математики и естественных наук. ^[14]

Одной из первых организаций, разработавших систему для использования в школьной системе, был Центр PACT в Университете Карнеги-Меллон. Их цель заключалась в том, чтобы «...разработать системы, которые обеспечивают индивидуальную помощь студентам, когда они работают над решением сложных реальных задач в таких сложных областях, как компьютерное программирование, алгебра и геометрия». ^[14] Самым успешным продуктом PACT стал курс Cognitive Tutor Algebra . Первоначально созданный в начале 1990-х годов, к 1999 году этот курс использовался в 75 школах США, а затем его дочерняя компания Carnegie Learning теперь предлагает репетиторов тысячам школ в США. ^[14]

Было доказано, что когнитивный репетитор Карнеги-Меллона повышает результаты тестов по математике в классах старших и средних классов. ^[15] а их курс алгебры был признан одним из пяти образцовых учебных программ по математике для K-12, разработанных Министерством образования США. ^[14]Центром PACT было проведено несколько исследовательских проектов по использованию когнитивного преподавателя для курсов по Excel и разработке интеллектуальной системы обучения написанию алгебраических выражений под названием г-жа Линдквист . ^[16] Кроме того, в 2005 году Carnegie Learning выпустила «Мост к алгебре» — продукт, предназначенный для средних школ, который был опробован более чем в 100 школах. ^[17]

Программное обеспечение для когнитивного обучения продолжает использоваться. Согласно статье Business Insider Report , Кен Кедингер, 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 компьютерном классе или во время занятий. Когнитивные наставники могут понять множество способов, которыми ученик может ответить на проблему, а затем помочь ему именно в тот момент, когда эта помощь потребуется. Кроме того, когнитивный наставник может адаптировать упражнения в соответствии с потребностями ученика. ^[18]

Ограничения

В настоящее время неясно, эффективен ли Cognitive Tutor для улучшения успеваемости учащихся. ^[3] Cognitive Tutor имел некоторый коммерческий успех, однако могут иметь ограничения, связанные с его дизайном и характером интеллектуальных систем обучения. В следующем разделе обсуждаются ограничения Cognitive Tutor, которые также могут применяться к другим интеллектуальным системам обучения.

Учебный план

В настоящее время создание когнитивного репетитора для всех предметных областей непрактично и неэкономично. Cognitive Tutor успешно используется, но по-прежнему ограничивается обучением алгебре, компьютерному программированию и геометрии, поскольку эти предметные области имеют оптимальный баланс правил производства, сложности и максимальной пользы для учащегося. ^[1]^[19]

В центре внимания разработки Cognitive Tutor была разработка программного обеспечения для обучения конкретным правилам производства, а не разработка содержания учебных программ. Несмотря на многие годы испытаний, улучшений и потенциал для достижения целей обучения, создатели продолжают полагаться в первую очередь на внешние источники для руководства учебной программой. ^[1]

Дизайн

Сложность программного обеспечения Cognitive Tutor требует от дизайнеров тратить сотни часов на каждый учебный час на создание 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 обучения и поддержки учащихся. Ограниченный выбор методов, подсказок и подсказок может оказаться эффективным средством поддержки некоторых учащихся, но может противоречить методам, уже используемым другими. ^[19] Кроме того, возможно, что учащиеся будут использовать систему подсказок и подсказок для преждевременного доступа к ответам, тем самым продвигаясь вперед по упражнениям, что может привести к тому, что они не достигнут целей обучения.

Модель

Когнитивная модель , вдохновившая Cognitive Tutor, основана на предположениях о том, как происходит обучение, что определяет выбранные методы обучения, такие как подсказки, направления и время выполнения подсказок. Учитывая эти предположения, Cognitive Tutor не учитывает все разнообразные способы, которыми репетиторы поддерживают обучение учащихся. ^[20]

См. также

Педагогическая психология

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Андерсон, младший; Корбетт, AT; Кедингер, К.Р. и Пеллетье, Р. (1995). «Когнитивный наставник: извлеченный урок» (PDF) . Журнал обучающих наук . 4 (2): 167–207. дои : 10.1207/s15327809jls0402_2 .
^ Благословение, Стивен. «Когнитивный наставник™: успешное применение когнитивной науки» . Обучение Карнеги . Обучение Карнеги . Проверено 17 июля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Отчет о вмешательстве в математику в средней школе: учебная программа Карнеги и преподаватель по когнитивным навыкам» (PDF) . Информационный центр образовательных ресурсов . 2013.
^ «Информационный центр «Что работает: репетитор по когнитивной алгебре I» (PDF) . Институт педагогических наук . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2016 г. Проверено 23 июля 2016 г.
^ Селф, Дж. (1990). «Теоретические основы интеллектуальных систем обучения». Журнал искусственного интеллекта в образовании . 1 (4): 3–14. CiteSeerX 10.1.1.53.6841 .
^ Венгер, Э. (1987). Искусственный интеллект и системы обучения: вычислительные и когнитивные подходы к передаче знаний . Morgan Kaufmann Publishers Inc. Лос-Альтос: ISBN 978-0-934613-26-2 .
^ Jump up to: ^а ^б Роджер Нкамбу; Жаклин Бурдо; Риичиро Мидзогучи, ред. (2010). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . п. 308. ИСБН 978-3-642-14362-5 .
^ Корбетт, AT; Кёдингер, КР; Андерсон, младший (1997). «Интеллектуальные системы обучения». В Хеландере, ТК; Ландауэр, П. (ред.). Справочник по взаимодействию человека и компьютера . Амстердам: Elsevier Science.
^ Корбетт, А.; Кауфман, Л.; Макларен, Б.; Вагнер, А.; Джонс, Э. (2010). «Когнитивный наставник для решения генетических задач: результаты обучения и моделирование учащихся» (PDF) . Журнал образовательных компьютерных исследований . 42 (2): 219–239. дои : 10.2190/EC.42.2.e . S2CID 62695743 .
^ ВанЛен, К. (2006). «Поведение обучающих систем» (PDF) . Международный журнал искусственного интеллекта в образовании . 16 (3): 227–265.
^ Jump up to: ^а ^б Алевен, В. (2010). «Когнитивное моделирование на основе правил для интеллектуальных систем обучения». В Р. Нкамбу; и др. (ред.). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . SCI 308. стр. 33–62.
^ Jump up to: ^а ^б Кедингер, КР; Корбетт, AT (2006). «Когнитивные репетиторы: технологии, приносящие обучающие науки в класс». В Сойере, Р.К. (ред.). Кембриджский справочник по наукам об обучении (PDF) . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
^ П. Лэнгли и Дж. Э. Лэрд, «Когнитивные архитектуры: проблемы и проблемы исследования». Проект от 31 октября 2002 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Центр ПАКТ @ Университет Карнеги-Меллон, домашняя страница» . Май 2003 года.
^ «Центр ПАКТ при Университете Карнеги-Меллон, текущие исследовательские проекты» . Май 2003 года.
^ «Центр ПАКТ при Университете Карнеги-Меллона, завершенные исследовательские проекты» . Май 2003 года.
^ «Хронология истории когнитивных наставников. (2003–2013)» . Авторские инструменты для когнитивного обучения .
^ Jump up to: ^а ^б Грисволд, Элисон (6 марта 2014 г.). «Это программное обеспечение для когнитивного обучения уже оказывает революционный эффект» . Бизнес-инсайдер .
^ Jump up to: ^а ^б Скандура, Дж. М. (2012). «Роль автоматизации в обучении: последние достижения в области AuthorIT и TutorIT решают фундаментальные проблемы разработки интеллектуальных систем обучения» (PDF) . Технология, обучение, познание и обучение . 9 : 3–8.
^ ВанЛен, К. (2011). «Относительная эффективность человеческого обучения, интеллектуальных систем обучения и других систем обучения» (PDF) . Педагогический психолог . 46 (4): 197–221. дои : 10.1080/00461520.2011.611369 . S2CID 16188384 .

Внешние ссылки

Питтсбургский центр повышения квалификации по когнитивным навыкам при Университете Карнеги-Меллона , который занимается исследованием преподавателей по когнитивным навыкам.
Страница продукта 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 растерянности? , Обзорная статья (2018)

[Anderson,_J._R.,_Corbett,_A._T.,_Koedinger,_K._R.,_&_Pelletier,_R._(1995)-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Андерсон, младший; Корбетт, AT; Кедингер, К.Р. и Пеллетье, Р. (1995). «Когнитивный наставник: извлеченный урок» (PDF) . Журнал обучающих наук . 4 (2): 167–207. дои : 10.1207/s15327809jls0402_2 .

[2] Благословение, Стивен. «Когнитивный наставник™: успешное применение когнитивной науки» . Обучение Карнеги . Обучение Карнеги . Проверено 17 июля 2014 г.

[US_Dept_of_Ed,_2013-3] Jump up to: ^а ^б «Отчет о вмешательстве в математику в средней школе: учебная программа Карнеги и преподаватель по когнитивным навыкам» (PDF) . Информационный центр образовательных ресурсов . 2013.

[4] «Информационный центр «Что работает: репетитор по когнитивной алгебре I» (PDF) . Институт педагогических наук . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2016 г. Проверено 23 июля 2016 г.

[5] Селф, Дж. (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 системы обучения: вычислительные и когнитивные подходы к передаче знаний . Morgan Kaufmann Publishers Inc. Лос-Альтос: ISBN 978-0-934613-26-2 .

[Nkambou-7] Jump up to: ^а ^б Роджер Нкамбу; Жаклин Бурдо; Риичиро Мидзогучи, ред. (2010). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . п. 308. ИСБН 978-3-642-14362-5 .

[8] Корбетт, AT; Кёдингер, 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 наставник для решения генетических задач: результаты обучения и моделирование учащихся» (PDF) . Журнал образовательных компьютерных исследований . 42 (2): 219–239. дои : 10.2190/EC.42.2.e . S2CID 62695743 .

[10] ВанЛен, К. (2006). «Поведение обучающих систем» (PDF) . Международный журнал искусственного интеллекта в образовании . 16 (3): 227–265.

[Aleven,_2010-11] Jump up to: ^а ^б Алевен, В. (2010). «Когнитивное моделирование на основе правил для интеллектуальных систем обучения». В Р. Нкамбу; и др. (ред.). Достижения в области интеллектуальных систем обучения . SCI 308. стр. 33–62.

[Koedinger-12] Jump up to: ^а ^б Кедингер, КР; Корбетт, AT (2006). «Когнитивные репетиторы: технологии, приносящие обучающие науки в класс». В Сойере, Р.К. (ред.). Кембриджский справочник по наукам об обучении (PDF) . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

[13] П. Лэнгли и Дж. Э. Лэрд, «Когнитивные архитектуры: проблемы и проблемы исследования». Проект от 31 октября 2002 г.

[home-14] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Центр ПАКТ @ Университет Карнеги-Меллон, домашняя страница» . Май 2003 года.

[15] «Центр ПАКТ при Университете Карнеги-Меллон, текущие исследовательские проекты» . Май 2003 года.

[16] «Центр ПАКТ при Университете Карнеги-Меллона, завершенные исследовательские проекты» . Май 2003 года.

[17] «Хронология истории когнитивных наставников. (2003–2013)» . Авторские инструменты для когнитивного обучения .

[business-18] Jump up to: ^а ^б Грисволд, Элисон (6 марта 2014 г.). «Это программное обеспечение для когнитивного обучения уже оказывает революционный эффект» . Бизнес-инсайдер .

[Scandura,_2012-19] Jump up to: ^а ^б Скандура, Дж. М. (2012). «Роль автоматизации в обучении: последние достижения в области AuthorIT и TutorIT решают фундаментальные проблемы разработки интеллектуальных систем обучения» (PDF) . Технология, обучение, познание и обучение . 9 : 3–8.

[VanLehn,_2011-20] ВанЛен, К. (2011). «Относительная эффективность человеческого обучения, интеллектуальных систем обучения и других систем обучения» (PDF) . Педагогический психолог . 46 (4): 197–221. дои : 10.1080/00461520.2011.611369 . S2CID 16188384 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]