ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TS. NGUYỄN VŨ QUỐC HƯNG HÀ NỘI 2004 2 Chơng 1 - Dạy học và sự trợ giúp của máy tính 1.1 Hoạt động dạy học 1.1.1 Chức năng của hoạt động dạy học Dạy học là một hoạt động giao tiếp giữa ngời thầy và học trò. Ngời thầy truyền thụ (dạy) và học trò tiếp nhận (học) tri thức. Mục tiêu là chuyển đợc tri thức cho học trò để học trò có thể phát triển thêm khả năng của mình. Dạy học cũng là hoạt động đợc tiếp cận trên nhiều phơng diện nhằm đáp ứng các vấn đề sau: - Dạy cái gì ? Nội dung của tri thức đợc chuyển tải đợc xác định bởi chuyên gia của môn học. - Dạy cho ai? Cách thức dạy đợc xác định cho từng loại đối tợng học sinh dựa trên cơ sở về tâm lý nhận thức, đó chính là mô hình học trò. - Dạy nh thế nào? áp dụng nh thế nào các phơng pháp s phạm phù hợp với tâm lý nhận thức. Tập hợp các phơng pháp đó hình thành một mô hình s phạm và ta còn nói đến các chiến lợc s phạm khi áp dụng lên một học sinh cụ thể. - Dạy bằng gì? Dạy dới sự trợ giúp của các phơng tiện âm thanh, trực quan đảm bảo cho hoạt động đối thoại hoặc tơng tác giữa thầy và trò. Để sự trợ giúp này có hiệu quả ta phải có một mô hình giao diện - Dạy ở đâu? Nói đến hình thể văn hoá xã hội, nơi ta tiến hành hoạt động dạy học, vị trí là một nhân tố của sự phát triển khi ta đề cập một sự nhận thức bởi sự tơng tác giữa chủ đề và môi trờng của nó. - Tại sao dạy? Mục đích cần đạt tới, từ đó ta có một mô hình kiểm tra đánh giá. Ngời ta phân biệt các thành phần tham gia vào quá trình dạy học nh sau: 3 - Nội dung (N) của tri thức môn học. - Phơng tiện dạy, ngời hay máy (M) - Đối tợng dạy: học trò (HS) chỉ một cấu trúc tâm lý- nhận thức. - Môi trờng văn hoá xã hội (MT) nơi dạy. - Mục đích dạy (MĐ) quy định các tiêu chuẩn thực hiện và kiểm soát - Phơng pháp dạy (P) điều khiển quá trình giao tiếp giảng dạy Sơ đồ kiến trúc của hoạt động dạy học đợc mô tả bởi sơ đồ sau đây: Hình 1.1 Kiến trúc của hoạt động dạy-học Để đạt đợc mục tiêu dạy học, ngời giáo viên phải lập kế hoạch và tiến hành một dãy các thao tác dạy học, chính là chức năng của các modun đợc mô tả ở trên, hoạt động của ngời giáo viên có vai trò chủ đạo trong quá trình hoạt động tơng tác giữa chúng. Muốn nghiên cứu sâu sắc các hoạt động này thì chúng ta cũng cần phải mô hình hoá hoặc hình thức hoá quá trình của nó. MT N P Dạy học MT M HS MĐ N 4 1.1.2 Nhận xét Với các đặc trng đợc nêu ở trên, trong lĩnh vực dạy học ta tìm hiểu xem máy tính , các hoạt động s phạm cũng là một nghệ thuật, vì vậy áp dụng phơng tiện Tin học vào giảng dạy là một vấn đề không đơn giản. 1.2 Vấn đề áp dụng Tin học trong dạy học Tin học trong dạy học có thể đợc tiếp cận trên nhiều phơng diện: là công cụ trong môn học (tính toán, tài liệu, ), là môn học (học lập trình, học xử dụng máy, ), là công cụ trong dạy học (để học, phát hiện, xử lý, ). Xét về phơng diện nào thì Tin học cũng có khả năng tác động đến học trò, đến giáo viên và đến việc quản lý. Vấn đề mà chúng ta quan tâm ở đây chính là công cụ trợ giúp dạy học. 1.2.1 Sơ lợc lịch sử việc Tin học hoá qua trình dạy học Trong quá trình Tin học hoá hoạt động dạy học, ngòi ta đã đi từ các hệ thống trợ giúp dạy học bằng máy tính (CAI: Computer Assisted Instruction) đến các hệ thống thông minh trợ giúp dạy học bằng máy tính (ICAI: Intelligent Computer Assisted Instruction) hay còn gọi là IT (Intelligent Tutor). Cách thức tổ chức dạy học đi từ Computer Based Training - CBT đến Web Based Training - WBT và hiện nay là e-learning. Lịch sử phát triển có thể tóm lợc nh sau: : Đây là giai đoạn nhấn mạnh đến khái niệm giải thuật và chơng trình hoá các hoạt động dạy học. Các ngôn ngữ lập trình phát triển tơng đối mạnh và xuất hiện các hệ tác gia (Authoring System). Các hệ này là công cụ tạo ra các phần mềm dạy học. Dạy học chơng trình hoá là một tập các phơng án dạy gắn với các đơn vị tri thức. Tiến trình của các đơn vị tri thức này là tuyến tính hoặc rẽ nhánh tuỳ thuộc vào mức độ đáp ứng cuả ngời học. Hệ tác gia là công cụ cho phép ngời thầy soạn thảo bài giảng của mình theo một kịch bản cho trớc. Các bài giảng và các chơng trình tin học đợc định hớng đợc gọi là phần mềm dạy học (courseware hoặc didacticiel). 5 : Giai đoạn nàyphần mềm có xu hớng trợ giúp quá trình nhận thức bằng cách tạo lập môi trờng hoạt động khám phá. Cùng với các kết quả nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo (AI: Artificial Intelligence), đặc biệt là hệ chuyên gia, trong CAI bắt đầu hình thành những mô hình về hoạt động nhận thức và các chiến lợc giảng dạy. Đó chính là mầm mống của hệ thống dạy học thông minh (IT). Rất nhiều vấn đề đã đợc đặt ra trong khuôn khổ nghiên cứu của trí tuệ nhân tạo và tâm lý học; khoa học nhận thức cần đợc mô hình hoá bằng các kỹ thuật của công nghệ thông tin. Thực tế cho thấy trong giai đoạn này còn có nhiều hạn chế về kỹ thuật. : Sự phát triển của các phần mềm trợ giúp dạy học gắn rất chặt với công nghệ mới về phần cứng và phần mềm: hay cùng với việc tăng hiệu năng của dung lợng bộ nhớ và tốc độ của máy tính, đặc biệt là môi trờng Internet đã giúp ích rất nhiều cho các nghiên cứu về đa Tin học vào giảng dạy hầu hết các môn học khác nhau. Đây chính là nền tảng kỹ thuật cho hình thức tổ chức dạy học CBT, WBT và e-learning. nhằm mô phỏng thế giới nhận thức. Nó cho phép tiến hành giảng dạy theo chế độ tơng tác, phát triển khả năng học trên cơ sở các tri thức đã lĩnh hội đọc. Mặt khác những thành tựu mới về Tin học (đặc biệt là trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo) đã cho phép hoạt động dạy học có trợ giúp bởi máy tính đi từ kiến trúc "Hệ thống + Học sinh" sang kiến trúc tam giác "Hệ thống + Học sinh + Ngời đồng hành, nghĩa là ngoài giảng viên và học sinh ngời ta giả lập thêm một ngời đồng hành là phần mềm trợ giúp. Vai trò của ngời đồng hành này nhằm trợ giúp hay khuyến khích học sinh học tập một cách thoải mái và hợp lý nhất. Mỗi khi có yêu cầu của học sinh nhằm đợc hỗ trợ từ ngời dạy (hệ thống hoặc giảng viên) nói chung học sinh sẽ đợc đặt vào môi trờng một cách tự nhiên, không cảm thấy có sự kiểm soát và đánh giá; Do vậy sự hỗ trợ của ngời đồng hành là một sự hợp tác giống nh chuyển giao hay trao đổi thông tin nhằm tạo thuận lợi cho việc học tập. 6 Khoa học nhận thức PMDHTM với học tiếp cận HyperText và MultiMedia PMDHTM với đa phơng tiện Trí tuệ nhân tạo PMDHTM Phần mềm tri thức Các vi thế giới Hệ thống PMDH Giải thuật Dạy học chơng trình hoá Thời gian 60 65 80 85 90 PMDHTM: Phần mềm dạy học thông minh PMDH: Phần mềm dạy học Hình 1.2 Lịch sử phát triển của phần mềm dạy học Kiến trúc của các phần mềm dạy học. 1.2.2.1 Phần mềm dạy học. Phần mềm dạy học (PMDH) bao gồm các đơn vị tri thức, các bài tập từ đơn giản đến phức tạp tạo điều kiên cho việc lĩnh hội tri thức. Các chiến lợc s phạm cho phép cấu trúc hóa các đơn vị tri thức trong PMDH. Quá trình giảng có thể là tuyến tính hay phân nhánh. Các phần trình bày phải bao gồm đầy đủ các sự kiện sẽ nảy sinh trong quá trình tơng tác. Các tác động này phải thực hiện theo những lợc đồ nhất định. Việc phân tích, đánh giá các đáp ứng của ngời học thờng dựa trên các yêu cầu đã chuẩn bị sẵn. Số lợng các yêu cầu này là hữu hạn và khó cập nhật. Làm nh vậy thì việc dẫn dắt, 7 trình bày vấn đề rất có hiệu quả, nhng các giải pháp đáp ứng yêu cầu đã cố định và hạn chế sức sáng tạo của ngời học. Hệ tác gia (Authoring System) là phần mềm dạng công cụ cho phép ngời thày soạn bài giảng theo kịch bản đã tạo sẵn, các tuỳ chọn theo chiến lợc s phạm cũng gắn liền trong bài giảng. Các bài giảng là các phần độc lập, do vậy kịch bản không có tính linh hoạt và dễ lỗi thời. Trong các hệ thống này, tri thức và chiến lợc s phạm kết hợp nhau trong một tập các bài giảng. Để xây dựng đợc bài giảng, ngời soạn bài phải tiến hành phân tích bài giảng thành các đơn vị nhỏ hơn song song với việc phân tích đặc thù ngời học. Việc phân tích đặc thù cho phép xác định độ khó của các bớc trình bày. Trên cơ sở đó, kịch bản đợc xây dựng thành các mô đun chơng trình có kèm theo các trắc nghiệm đánh giá nhận thức ngời học. Việc đa tin học vào giảng dạy làm nảy sinh nhiều vấn đề nghiên cứu. Những vấn đề chung là: điều khiển việc học, cấu trúc tâm lý- nhận thức của trò, các nguyên lý học của ngời và các chiến lợc s phạm. Vì bài giảng chuyển tải các tri thức khai báo thành những tri thức dạng thủ tục, nên có thể mất mát thông tin nhiều. Hơn nữa, quá trình học là tổng hợp kết quả của nhiều hành động, điều đó khó có thể làm đợc trong các PMDH. Trong bài giảng kiểu này không thể chứa các yếu tố suy diễn, không cho phép học trò thực hiện quá trình suy luận, không đáp ứng hay phân xử thông minh các câu trả lời của học trò. Mặt khác, các bài giảng gắn với các kịch bản cố định, không tách rời tri thức cần truyền đạt và vì vậy khó áp dụng các chiến lợc s phạm phù hợp với sự tiến hoá trong mô hình học trò, mà mô hình này thực tế là rất đa dạng và phong phú. 8 Hệ thống Hình 1.3: Kiến trúc của PMDH 1.2.2.2 Phần mềm dạy học thông minh. Vào những năm 75-80, các nghiên cứu về Tin học bắt đầu phát triển rất mạnh, xuất hiện các ngôn ngữ rất thuận lợi cho việc lập trình theo các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo nh LISP, PROLOG, SMALLTALK. Những ngôn ngữ nh vậy cho phép mô tả thuận lợi các hoạt động thông minh nh: trò chơi, ngôn ngữ, tối u hoá, giải quyết vấn đề, học và thao tác trên các ký hiệu. Về khía cạnh khác LISP, PROLOG có các thao tác xử lý trên danh sách, ký hiệu và do vậy khá thuận tiện để lập luận với các cơ sở tri thức. Nhờ kỹ thuật biểu diễn tri thức, xử lý logic và các kỹ thuật giải quyết vấn đề, các hệ chuyên gia đợc đa vào nhiều nhiều lĩnh vực áp dụng khác nhau, kể cả lĩnh vực dạy học. Mỗi hệ chuyên gia chuyên ngành là một thể hiện cụ thể các mô hình suy diễn dành cho chuyên ngành. Đặc trng của các hệ này là mô phỏng các hành động thông minh của con ngời trong việc chẩn đoán, hỗ trợ quyết định, dự báo, thiết kế tối u. Vấn đề cơ bản ở đây là biểu diễn tri thức khi giải quyết vấn đề và suy diễn ra những thông tin mới bằng cách kết hợp các sự kiện ban đầu với các tri thức mà hệ đã tích luỹ trong hệ thống. Ngoài đặc tính cơ bản của hệ chuyên gia, một phần mềm dạy học thông minh cần phải có thêm các chức năng khác. Về nguyên tắc, nó bắt chớc cách Học sinh Giao diện tơng tác Bài giảng Nội dung Chiến lợc s phạm Đơn vị tri thức 9 dạy của ngời thày giáo trong chuyển đổi tri thức, nhng chúng còn có thêm các chiến lợc s phạm, chỉ rõ "cần làm nh thế nào" nhằm dẫn dắt quá trình học và thay đổi tác động tuỳ theo tiến trình. Có thể nói phần mềm dạy học thông minh là một hệ chuyên gia có thêm những đặc trng sau đây: - Quản lý có tính s phạm biểu diễn tri thức. - Lập luận trên tri thức và biết cách giả thích các lập luận đó - Hớng dẫn, trợ giúp, điều khiển, phân loại, đánh giá quá trình học của học trò. - Phát triển mô hình tri thức và cập nhật nhằm thích nghi và hoàn thiện chúng. Trong PMDHTM, các mô đun tri thức, chiến lợc dạy và mô hình học trò không gắn nhau mà tách riêng. Các mô đun này thuận lợi cho việc chuyên biệt hoá các chức năng, đồng thời cho phép phân tán các lập luận theo các chức năng đó nhằm làm cho phơng pháp lập luận đợc tinh tế, sâu sắc hơn. Cơ sở tri thức Chiến lợc s phạm Mô hình học trò Hệ thống Hình 1.4: Kiến trúc của một PMDHTM Học sinh Giao diện tơng tác 10 Mođun tri thức (cơ sở tri thức) Cấu trúc modun tri thức cũng nh trong hệ chuyên gia, bao hàm các tri thức chuyên gia và các sự kiện. Quan niệm này rất quan trọng vì ngời học có thể tiếp cận đợc các tri thức này, hệ thống có thể đa ra những giải thích về cách lập luận của mình. Các phơng pháp biểu diễn tri thức đợc chọn sao cho phù hợp với các dữ kiện và các chức năng s phạm của việc dạy học thông minh. Các giải pháp chung bao gồm: hệ logic, hệ sản xuất, mạng ngữ nghĩa, biểu diễn bằng hớng đối tợng. Các lập luận trên cơ sở tri thức cho phép tạo ra các giải pháp giải quyết vấn đề. Một vấn đề quan trọng là phải kết nối với mô đun chiến lợc giảng dạy nhằm bám sát và kiểm soát đợc tiến trình học của học trò. Mođun chiến lợc giảng dạy Từ góc độ s phạm, việc dạy học trong các phần mềm dạy học phải tuân theo cách thức học kinh điển học sinh-thày giáo. Modun này sẽ cho phép áp dụng các chiến lợc sao cho phù hợp với ngữ cảnh học: tiến trình học của học trò và mục tiêu định sẵn cho bài giảng. Nó còn quản lý một cách linh hoạt các quá trình s phạm và sự phát triển nhận thức của học trò sau khi lĩnh hội, luyện tập và vận dụng . Mô hình học trong phần mềm dạy học thông minh có thể là: - Mô hình thực hiện (hay môi trờng học): thực hiện việc học quy nạp. Tác giả xây dựng trong PMDHTM một mô hình nhận thức để khảo sát và giải quyết. Học trò quan sát và thực nghiệm lại trên các dữ liệu. Qua đó chúng hình thành các giả thuyết, khái quát hoá trong khi tự tạo một mô hình hay sơ đồ áp dụng trong tình huống mới. - Mô hình huấn luyện: tiến trình học trớc hết là suy diễn. Tác giả đa vào trong PMDHTM một mô hình nhận thức để phân loại và tổ chức các khái niệm. Học trò phải tạo ra cách tổng hợp và cách chuyển đổi để đa ra kết quả mà trò có thể kiểm soát đợc [...]... việc học Các phát triển đó tạo ra sự khác biệt giữa các VTG và các môi trờng mô phỏng Dạy học thông minh Là một trong các bậc thang của các hình thái dạy học Khác với vi thế giới là nó đa ra nhiệm vụ chính xác Nó dựa trên lập luận đúng để dẫn dắt học trò trong việc giải quyết nhiệm vụ Giảng dạy có trợ giúp khám phá Giảng dạy thông minh phụ thuộc vào tri thức của trò và phát triển theo trò, việc dạy. .. tri thức bản thân của mỗi học trò và xử lý nhận thức của học trò Mô hình học trò đa ra những hệ thống thông tin riêng, một cách lý tởng hệ thống phải thích ứng đợc thái độ của ngời học cũng nh lờng trớc đợc các hành vi kế tiếp và khả năng chuẩn đoán các lỗi Việc phán đoán và áp dụng các chiến lợc s phạm dẫn đến việc làm phù hợp và tối u hoá quá trình học Việc biểu diễn tri thức của học trò phải gắn... một phần mềm trợ giúp việc học chứng minh Geometry dới sự chỉ đạo của PTS Nguyễn Thanh Thuỷ và các cộng sự tại khoa Công nghệ Thông tin, trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Đây là một phần mềm trợ giúp chứng minh hình học phẳng, học trò đợc đọc bài toán, hớng dẫn viết giả thiết, kết luận, vẽ hình và hớng dẫn chúng minh Trong phần mềm này lồng ghép một vi thế giới các đối tợng hình, cho phép học sinh có... những đặc trng của hoạt động dạy học, những đặc trng đó đã quy định những tính chất cần thiết cho phần mềm dạy học Để đạt tới mức độ dạy học thông minh, phần mềm dạy học thông minh cần phải giải quyết một loạt các vấn đề trong thiết kế và cài đặt mà chủ yếu là xây dựng đợc một cách thức cho phép suy diễn, nhận biết một cách tinh tế các trạng thái của tri thức cũng nh trạng thái của ngời học Đây là một... thức chung của học trò với các tri thức đặc thù của từng học trò Có thể có nhiều cách phối ghép khác nhau, hoặc các học trò riêng rẽ có thể chia sẻ các nhận thức và các sai lạc chung hoặc ghép thành nhóm các học trò với các nhận thức và các sai lạc riêng, hoặc có thể có những hành vi duy nhất cho mỗi học trò đó Một vấn đề khác có liên quan đến mô hình học trò là tiền sử tơng tác giữa hệ dạy và học trò... các hành vi của học trò bao gồm việc chỉ ra kịp thời những mục tiêu của học trò và hiểu đợc các động cơ nằm bên dới các tác động đó của học trò; hơn nữa, làm sao tích hợp đợc sự hiểu biết tơng tự về các hành vi, các mục tiêu dạy với các mục tiêu này của học trò Chiến lợc giải quyết vấn đề đợc nhìn theo các khía cạnh: bản thân PMGDTM phải hình thành từng bớc thực hiện mục tiêu của mình và đoán nhận... học trò đến khi học trò tiếp thu xong Các hệ dựa trên TTNT đòi hỏi hệ có thể hiểu đợc ít nhất một số các ẩn ý của nội dung mà hệ đang truyền đạt Có nhiều cách tiếp cận nhằm dạy trên chủ đề đã cho, và việc chọn chiến lợc dạy thích hợp nhất phụ thuộc rất lớn vào kiểu học trò đợc dạy, tri thức học trò hiện thời (mô hình học trò) và các thao tác nào học trò đã thực hiện (tham chiếu tiền sử học trò) Yêu cầu... liễu, đôi khi gây cảm giác việc học nặng nề Trong khi đó, vi thế giới cha đặt ra nhiều vấn đề s phạm Dạy có trợ giúp khám phá cho phép theo từng giai đoạn học, đa ra những hành vi của vi thế giới đặc trng cho dạy học thông minh 1.3 Những vấn đề nghiên cứu dới góc độ Tin học khi xây dựng phần mềm dạy học thông minh Các PMGDTM phải có phơng pháp lập luận với các tri thức của thế giới thực nhằm phối hợp... ở đây ta coi các tri thức học trò chỉ là một phần của cơ sở tri thức - Các mô hình tri thức sai lạc: mô đun đa ra tri thức sai và các lỗi Việc phân loại lỗi thu thập đợc qua tiến trình học của học trò cho phép hoạch định và đa ra các chiến lợc s phạm, mặt khác cũng đa ra đợc các yếu tố trợ giúp, hớng dẫn và giải thích Việc phân tích lỗi phục vụ cho việc xác định các mô hình học trò Các mô hình trên... hình học trò có thể biểu thị trạng thái tri thức của một học trò ở một thời điểm bất kỳ, tiền sử sẽ chỉ ra những gì đã xảy ra để học trò đạt đợc trạng thái đó Điều này quan trọng cho việc lập luận về trạng thái học trò cũng nh việc hiệu chỉnh mô hình học trò hiện thời Tiền sử có thể đợc dùng để dẫn đến các kiểu tơng tác mong muốn giữa hệ thống và học trò và từ đó cũng có thể học đợc cách tơng tác với học . - Dạy học và sự trợ giúp của máy tính 1.1 Hoạt động dạy học 1.1.1 Chức năng của hoạt động dạy học Dạy học là một hoạt động giao tiếp giữa ngời thầy và. Tin học trong dạy học Tin học trong dạy học có thể đợc tiếp cận trên nhiều phơng diện: là công cụ trong môn học (tính toán, tài liệu, ), là môn học (học