Когнитивный тьютор

В современном значении название когнитивный тьютор обычно относится к системе, разработанной компанией Carnegie Learning для преподавания математики в старших классах на основе теории когнитивной архитектуры ACT-R (разработанной Джоном Андерсоном). Первые когнитивные тьюторы были созданы, начиная с 1980-х годов, с целью экспериментального подтверждения принципов ACT-R и используются также в других областях, таких как программирование и естественные науки^[1]. Когнитивные тьюторы могут применяться в классе как часть смешанного обучения, сочетающего учебник и программное обеспечение.

Программы Cognitive Tutor используют когнитивное моделирование на базе алгоритмов трассировки моделей и отслеживания знаний. Трассировка модели заключается в проверке каждого действия учащегося (например, ввод значения, нажатие кнопки), а отслеживание знаний — в оценке усвоенных навыков с помощью специальной диаграммы.^[2]. Оба этих механизма используются для мониторинга динамики обучения, предоставления обратной связи и коррекции пути решения задач.

Институт образовательных наук США опубликовал ряд исследований об эффективности Carnegie Cognitive Tutor. В отчёте 2013 года отмечалось, что программы Cognitive Tutor от Carnegie Learning оказывают на математические результаты старшеклассников смешанное влияние^[3]. Из 27 рассмотренных исследований стандартам What Works Clearinghouse удовлетворяли только 6: 5 из них зафиксировали от умеренного до значительного положительного эффекта, а 1 — статистически значимый отрицательный. В другом отчёте того же института за 2009 год положительный эффект был отмечен лишь в 1 из 14 рассмотренных работ по курсу Cognitive Tutor Algebra I. Стандарты What Works Clearinghouse предусматривают большой объём выборки, рандомизацию и контрольные группы, что редко выполнимо на практике в образовательных учреждениях^[4].

Интеллектуальные обучающие системы строятся по четырёхкомпонентной архитектуре: модель предметной области, модель обучающегося, модель обучения^[5] и интерфейс.

Модель предметной области содержит правила, понятия и знания, релевантные обучаемой тематике, и служит для оценки правильности решений и выявления ошибок обучающихся.

Модель обучающегося — центральный компонент системы, описывающий когнитивные и аффективные состояния, а также прогресс освоения знаний. Её функции: сбор и анализ данных о пользователе, представление уровня усвоения материала и диагностика знаний с выбором оптимальной педагогической стратегии^[6].

Модель преподавания на основе этих данных определяет стратегию: когда и насколько интенсивно вмешиваться, какой контент и в какой последовательности предоставлять^[7].

Интерфейс осуществляет доступ к обучающему содержимому и реализует диалоги, подсказки, обратную связь. Именно через интерфейс обучающиеся взаимодействуют с когнитивным тьютором^[7].

Когнитивная модель воспроизводит экспертные знания и навыки, сопоставимые по уровню с профессионалом или продвинутым учеником. Такая модель позволяет системе реагировать на задачи и решения обучающихся сходным образом с живым репетитором^[8]. Система, основанная на когнитивной модели, и называется когнитивным тьютором.

Когнитивная модель выступает своего рода экспертной системой, генерируя варианты решений учебных задач. По действиям обучающегося система строит индивидуальную траекторию разбора задачи и формирует пошаговую обратную связь, корректируя модель знаний пользователя^[9].

Когнитивные тьюторы предоставляют поэтапные инструкции для формирования сложных навыков решения задач^[10]. Чаще всего они реализуют: a) проработанное среду решения задач; b) поэтапную обратную связь; c) конкретные сообщения об ошибках; d) контекстные подсказки (по запросу пользователя); e) индивидуализированный подбор задач^[11]

Таким образом, когнитивные тьюторы контролируют действия обучающегося и оказывают индивидуальную помощь, а также отслеживают общий прогресс и подбирают дальнейшие задания.^[12].

Для этого используются когнитивная модель и алгоритмы: трассировка моделей и отслеживание знаний. В первом случае система следует за индивидуальным путём решения, оперативно предоставляя точную обратную связь; во втором — оценивает уровень усвоения материала с помощью байесовского метода и подбирает задания в соответствии с прогрессом^[12].

Разработка когнитивных тьюторов ведётся на основе когнитивной архитектуры ACT-R, которая определяет структуру экспертного компонента системы.

ACT-R — наиболее современная когнитивная архитектура из семейства ACT, предназначенная в первую очередь для моделирования поведения человека, в том числе памяти, внимания, рассуждений, решения задач, языковой обработки. ACT-R включает декларативную память (фактические знания) и процедурную память (набор продукционных правил); управление осуществляется через сопоставление условий и выполнение правил, активируемых реальными значениями уровня активации^[13].

Первые реальные внедрения когнитивных тьюторов относятся к 1980-м годам: это были система для доказательства геометрических теорем (для старшеклассников) и тьютор по языку LISP для студентов курса программирования в Университете Карнеги — Меллона^[1]

Позже собственные программы когнитивных тьюторов разрабатывали различные организации для использования на разных ступенях образования — от начальной школы до университета, преимущественно по программированию, математике и естественным наукам.^[14].

Одной из первых организаций, внедривших когнитивные тьюторы в учебный процесс, был Центр PACT в Университете Карнеги — Меллона, целью которого была разработка систем индивидуальной поддержки обучающихся при решении сложных практических задач по программированию, алгебре и геометрии^[14]. Наиболее успешным продуктом PACT стал курс Cognitive Tutor Algebra, разработанный в начале 1990-х и использовавшийся к 1999 году в 75 школах США; его развитие продолжила компания Carnegie Learning, распространившая тьюторы на тысячи учебных заведений^[14].

Когнитивные тьюторы Университета Карнеги — Меллона способствовали повышению успеваемости и результатов по математике в средних и старших классах^[15], а курс алгебры был удостоен признания Министерства образования США как один из пяти образцовых учебных курсов по математике для школ^[14]

Среди других проектов — внедрение когнитивных тьюторов в обучение работе с Excel, а также создание интеллектуальной системы Ms. Lindquist для написания алгебраических выражений.^[16]. В 2005 году компания Carnegie Learning выпустила продукт Bridge to Algebra для средней школы; пилотный запуск проводился в более чем 100 школах^[17].

Программное обеспечение когнитивных тьюторов продолжает использоваться; по словам Кена Кёдингера, профессора Университета Карнеги — Меллона, его можно интегрировать как в компьютерные классы, так и непосредственно на уроках. Такие системы учатся подстраиваться под способы решения задач, предлагаемые обучающимися, в критический момент предоставляют подсказку либо разрабатывают индивидуальные задания согласно потребностям учащегося^[18].

На сегодняшний день не существует однозначных данных о значительном увеличении успеваемости благодаря использованию когнитивных тьюторов^[3] Несмотря на коммерческий успех, Cognitive Tutor и аналогичные системы имеют ряд встроенных ограничений, связанных с их архитектурой и концепцией.

Создание когнитивного тьютора для всех предметов нецелесообразно и экономически не обосновано. Применение Cognitive Tutor остаётся успешным лишь в областях алгебры, программирования и геометрии, где оптимальное сочетание структуры знаний и практического эффекта для обучающегося.^[1].^[19]

Разработчики делают упор не на создание курса, а на программную реализацию обучения определённым продукционным правилам; учебный контент зачастую берётся из внешних источников^[1]

Проектирование когнитивного тьютора чрезвычайно трудоёмко: на каждый час учебного материала могут уходить сотни часов разработки.^[11]. Необходимость учитывать особенность обучаемых подчас приводит к снижению гибкости и точности когнитивного моделирования.

На практике авторы таких систем вынуждены ограничиваться ограниченным набором приёмов, подсказок и методик, которые подходят далеко не всем учащимся; кроме того, чрезмерное использование подсказок может привести к недостижению образовательных целей^[19]

Когнитивная модель, на которой основан Cognitive Tutor, базируется на определённых представлениях о механизмах обучения, что напрямую определяет виды подсказок, рекомендации и алгоритмы их предоставления. Однако такие подходы не охватывают всего спектра индивидуальных особенностей, присущих обучению с «живым» репетитором.^[20].