Интеллектуальные обучающие системы на основе интегрированных экспертных систем

Г. В. Рыбина 

Интеллектуальные 

обучающие системы 

на основе 

интегрированных 
экспертных систем

Учебное пособие

Москва

2023

УДК 004.89 
ББК 16.333 

Р93

Рецензенты: 

А. П. Еремеев — док. техн. наук, проф., проф. каф. Прикладной математики 

и искусственного интеллекта Национального исследовательского университета

МЭИ, Лауреат Премии Президента РФ в области образования, Почетный работник 

науки и высоких технологий РФ;

Ю. Ф. Тельнов — док. экон. наук, проф., зав. каф. Прикладной информатики 
и информационной безопасности Российского экономического университета 
им. Г. В. Плеханова, Лауреат Премии Президента РФ в области образования

Рыбина, Г. В.

Р93
Интеллектуальные 
обучающие 
системы 
на 
основе 

интегрированных экспертных систем : учебное пособие /
Г. В. Рыбина. — Москва : Директ-Медиа, 2023. — 132 с. ; ил. 

ISBN 978-5-4499-3347-8 
В первых двух разделах книги даются теоретико-методологические ос
новы построения интеллектуальных обучающих систем (ИОС) на базе архитектур обучающих интегрированных экспертных систем (ИЭС), а третий 
раздел включает описание авторских методик и инструкций проведения 
практических и/или лабораторных занятий с использованием оригинального программного обеспечения обучающих ИЭС по нескольким различным дисциплинам. За счет включения аналитических обзоров и обширной 
библиографии материал книги может быть эффективно использован для 
проведения научных исследований по тематике, связанной с методами и 
технологиями построения ИОС.

Предназначено для студентов бакалавриата, магистратуры и аспиран
туры направлений «Программная инженерия», «Прикладная математика и 
информатика», «Прикладная информатика», «Информатика и вычислительная техника», обучающихся как в НИЯУ МИФИ, так и в других университетах, осуществляющих подготовку специалистов в области 
интеллектуальных систем и технологий, а также для исследователей и разработчиков прикладных интеллектуальных систем с различной архитектурной типологией.

УДК 004.89 
ББК 16.333 

ISBN 978-5-4499-3347-8 © Рыбина Г. В., текст, 2023

© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2023

Оглавление

Введение.........................................................................................................5

Раздел 1. Анализ современных подходов к интеллектуальному 
обучению и построению интеллектуальных обучающих систем................8

1.1. Интеллектуальные обучающие системы как один из основных 
программных продуктов искусственного интеллекта .............................8

1.2. Общая характеристика архитектур интеллектуальных 
обучающих систем и инструментальных средств для их разработки ...12

1.3. Эволюция парадигм и технологий разработки 
интеллектуальных обучающих систем................................................... 17

1.4. Особенности реализации модели обучаемого и модели 
обучения в интеллектуальных обучающих системах ............................ 21

1.5. Место и роль онтологий в интеллектуальном обучении 
на основе использования интеллектуальных обучающих систем......... 25

Раздел 2. Модели и методы построения обучающих интегрированных 
экспертных систем на основе  задачно-ориентированной методологии 
и средств инструментального комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ.................. 33

2.1. Эвристическая модель типовой задачи обучения ........................... 33

2.2. Компетентностно-ориентированная модель обучаемого (М1) 
и методы ее построения .......................................................................... 34

2.3. Модель онтологии в виде семантической сети и методы 
построения прикладных онтологий учебных курсов/дисциплин.......... 37

2.4. Особенности построения текущих моделей обучаемых 
на основе использования прикладных онтологий курсов/дисциплин...43

2.5. Адаптивная модель обучения (М2) и методы ее построения ......... 45

2.6. Модель объяснения (М3) и особенности построения моделей 
профессиональных и универсальных компетенций обучаемых............ 48

2.7. Особенности разработки и использования обучающих 
интегрированных экспертных систем .................................................... 50

2.8. Способы реализации типовых задач интеллектуального 
обучения .................................................................................................. 58

2.9. Базовые принципы интеллектуальной технологии построения 
прототипов обучающих интегрированных экспертных систем............ 61

2.10. Перспективы расширения сферы использования 
обучающих интегрированных экспертных систем................................ 65

2.11. Концепция автоматизированного формирования 
онтологического пространства знаний и умений обучаемых 
на основе разработки и применения обучающих интегрированных 
экспертных систем .................................................................................. 68

Раздел 3. Практические занятия с использованием обучающих 
интегрированных экспертных систем по различным дисциплинам ......... 73

1. Использование обучающей ИЭС по дисциплине
«Введение в интеллектуальные системы и технологии» ...................... 74

1.1. Практическое занятие № 1........................................................... 74
1.2. Практическое занятие № 2........................................................... 86
1.3. Практическое занятие № 3........................................................... 91

2. Использование обучающей ИЭС по дисциплине
«Интеллектуальные диалоговые системы»............................................ 95

2.1. Практическое занятие № 1........................................................... 95
2.2. Практическое занятие № 2........................................................... 97
2.3. Практическое занятие № 3..........................................................105

3. Использование обучающей ИЭС по дисциплине
«Проектирование кибернетических систем, основанных на знаниях»109

3.1. Практическое занятие № 1..........................................................109

4. Использование обучающей ИЭС по дисциплине
«Динамические интеллектуальные системы».......................................112

4.1. Практическое занятие № 1..........................................................112

Литература..................................................................................................116

Введение 

Данное учебное пособие продолжает серию учебно-методиче
ской литературы, предназначенной для практической поддержки 
большого круга специальностей и специализаций в области искусственного интеллекта (ИИ), в частности, направления «Интеллектуальные системы и технологии», которое входит в состав основных 
образовательных программ по таким направлениям подготовки, как 
«Программная инженерия» (бакалавриат и магистратура), «Прикладная математика и информатика» (бакалавриат и магистратура), 
«Информатика и вычислительная техника» (аспирантура) и др.

В НИЯУ МИФИ учебные планы в рамках направления «Про
граммная инженерия» в настоящее время включают в себя следующие дисциплины: «Введение в интеллектуальные системы и 
технологии», «Интеллектуальные диалоговые системы», «Интеллектуальные информационные системы», «Динамические интеллектуальные системы», «Современные архитектуры интеллектуальных 
систем», «Проектирование кибернетических систем, основанных на 
знаниях», «Интеллектуальные системы и технологии».

Для автоматизированной поддержки всех вышеперечислен
ных дисциплин, начиная с 2008 г. в лаборатории «Интеллектуальные системы и технологии» кафедры «Кибернетика» НИЯУ МИФИ 
осуществляется разработка и активное использование в учебном 
процессе целого ряда обучающих интегрированных экспертных систем (ИЭС), созданных на основе авторской (Г. В. Рыбина) задачноориентированной методологии построения ИЭС и оригинального 
современного инструментария — комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, 
предназначенного для поддержки всех этапов жизненного цикла 
разработки и сопровождения ИЭС различной архитектурной типологии. 

Обучающие ИЭС и веб-ИЭС являются полнофункциональ
ными интеллектуальными обучающими системами (ИОС) нового 
поколения, обеспечивающими реализацию всех базовых моделей 
ИОС (модель обучаемого, модель обучения, модель проблемной 

области, онтологии курсов/дисциплин и др.), а также решение 
комплекса задач интеллектуального обучения (индивидуальное планирование методики изучения учебного курса/дисциплины; интеллектуальный анализ решения учебных задач; интеллектуальная 
поддержка принятия решений). 

Обучающие ИЭС и веб-ИЭС сопровождают практическую 

часть учебного процесса по всем вышеперечисленным дисциплинам 
по направлению «Интеллектуальные системы и технологии». Особое внимание здесь уделяется привитию навыков и умений обучаемых решать такие неформализованные задачи, как: умение строить 
по принципу «сам себе эксперт» моделей простейших ситуаций проблемной области на основе продукций, семантических сетей и фреймов, моделирование стратегий прямого/обратного вывода в ИЭС, 
построение компонентов лингвистической модели подъязыка деловой прозы и другие.

В качестве базовой учебной литературы для студентов и пре
подавателей используются следующие книги:

• Рыбина Г. В. Основы построения интеллектуальных систем. 

Учебное пособие. — М.: «Финансы и статистика», 2014. — 432 с.

• Рыбина Г. В., Паронджанов С. С. Технология построения 

динамических интеллектуальных систем. Учебное пособие. — М.: 
НИЯУ МИФИ, 2011. — 240 с.

• Рыбина Г. В. Интеллектуальные системы: от А до Я. Серия 

монографий в трех книгах. Кн. 1. Кн. 2. Кн. 3 — М.: «Научтехлитиздат», 2014, 2015. 

Полученные научные и практические результаты в области 

теории и технологии построения обучающих ИЭС, а также накопленный многолетний опыт активного применения разработанных 
обучающих ИЭС и веб-ИЭС на практических занятиях по вышеперечисленным дисциплинам, показал необходимость создания нового учебного пособия, как для помощи в выполнении научных 
исследований и разработок в области ИОС в целом, так и с целью 
методической подготовки преподавателей и студентов к работе с отдельными компонентами обучающих ИЭС и веб-ИЭС. 

Учитывая, что в настоящее время, практически, полностью от
сутствуют учебные пособия и научные издания (монографии), в которых излагается систематизированный взгляд на достаточно 
обширную проблематику ИОС, здесь кроме представления собственных научных и технологических результатов в этой области, 

автор счел необходимым включить также аналитические обзоры 
отечественных и зарубежных работ, связанных с различными архитектурами ИОС и использованием онтологий в образовательном 
процессе, что значительно расширяет традиционные рамки учебного пособия.

Таким образом, два первых раздела книги содержат теоре
тико-методический материал по основам построения ИОС на базе 
архитектур обучающих ИЭС, а третий раздел включает описание 
конкретных методик и инструкций проведения практических и/или 
лабораторных занятий с использованием оригинального программного обеспечения обучающих ИЭС по нескольким различным курсам. Важно отметить, что материал книги может быть эффективно 
использован для постановки самостоятельных курсов по тематике, 
связанной с методами и технологиями построения собственно ИОС.

Данное учебное пособие предназначено не только для студен
тов бакалавриата, магистратуры и аспирантуры направлений «Программная инженерия», «Прикладная математика и информатика», 
«Прикладная информатика», «Информатика и вычислительная техника», обучающимся в НИЯУ МИФИ. Книга может быть использована 
всеми 
университетами, 
осуществляющими 
подготовку 

специалистов в области интеллектуальных систем и технологий, а 
также широким кругом исследователей и разработчиков программного обеспечения прикладных интеллектуальных систем с различной архитектурной типологией. 

Автор признателен всем студентам и аспирантам лаборатории 

«Интеллектуальные системы и технологии» кафедры «Кибернетика» НИЯУ МИФИ, активно участвовавшим в реализации, апробации и реинжиниринге отдельных компонентов обучающих ИЭС, а 
также выражает особую благодарность аспирантам Е. С. Фонталиной, А. А. Слинькову и А. А. Григорьеву за методическую и техническую помощь в проведении практических и лабораторных занятий 
с использованием обучающих ИЭС по различным дисциплинам. 

Раздел 1. Анализ современных подходов 

к интеллектуальному обучению и 

построению интеллектуальных 

обучающих систем

1.1. Интеллектуальные обучающие системы как 

один из основных программных продуктов 

искусственного интеллекта

Методы искусственного интеллекта (ИИ) лежат в основе клю
чевых технологий ХХI века, а интеллектуальные системы и технологии как основные программно-аппаратные продукты ИИ 
применяются сегодня, практически, во всех сферах человеческой деятельности, причем не только в производственных, но и в социально-значимых областях для управления сложными системами и 
процессами, анализа и принятия решений, мониторинга, прогнозирования, диагностики, поиска и анализа текстовой информации и решения других задач, определенных Указом Президента РФ 
(№ 490 от 10.10.2019) о приоритетных направлениях развития ИИ.

Одним из наиболее распространенных и практически значимых 

классов прикладных интеллектуальных систем являются интегрированные экспертные системы (ИЭС), обладающие масштабируемой 
архитектурой и расширяемой функциональностью. Для построения 
ИЭС создана, динамически развивается и активно используется на 
практике предложенная автором задачно-ориентированная методология [1], принципиальная особенность которой заключается 
в концептуальном и программном моделировании архитектуры разрабатываемых прикладных ИЭС (статических, динамических, обучающих) на всех уровнях конкретизации процессов интеграции в 
ИЭС с ориентацией на наиболее востребованные типы неформализованных задач (НФ-задач), релевантных технологии систем, основанных на знаниях (СОЗ(ЭС)).

Соответственно, постоянно усовершенствуется и эксперимен
тально исследуется на практике созданный для автоматизированной 
поддержки этой методологии специальный инструментарий типа 
Workbench (комплекс АТ-ТЕХНОЛОГИЯ) [1; 2], на базовой функциональной платформе которого уже создано несколько поколений 
инструментальных средств (ИС), обеспечивающих автоматизированную и интеллектуальную поддержку процессов разработки и сопровождения прикладных ИЭС на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ).

Детальное описание задачно-ориентированной методологии и 

интеллектуальной программной среды комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ приводится в монографиях автора [1; 2] и многочисленных работах разных лет. Наиболее доступные полнотекстовые работы 
авторского коллектива, опубликованные в периодических русскоязычных журналах, приводятся в списке литературы [3–27], из которых [3–11; 14; 16; 19; 24–26] посвящены теории и технологии 
построения ИЭС на основе задачно-ориентированной методологии, а 
работы [12; 13; 15; 17; 18; 20; 22; 23; 27] непосредственно связаны с 
обучающими ИЭС, находящимися в фокусе внимания данной работы.

Современный опыт применения задачно-ориентированной 

методологии и сложившейся за эти годы технологии прототипирования прикладных ИЭС уже насчитывает несколько десятков ИЭС 
различной архитектурной типологии, разработанных для задач диагностики, проектирования, управления, обучения и др., среди которых значительное место занимают именно обучающие ИЭС, 
которые в полной мере удовлетворяют требованиям самых современных компьютерных технологий обучения с точки зрения реализации процессов индивидуализации, интеллектуализации и вебориентации [1; 2]. 

Анализ обширного потока отечественных и зарубежных пуб
ликаций, проведенный автором в [2; 12; 13; 15–18] и др. работах, 
свидетельствует о том, что усилия значительной части разработчиков по-прежнему направленны на порождение большого количества 
компьютеризированных курсов и систем электронного обучения по 
различным предметам и дисциплинам, включая системы дистанционного электронного обучения и создание многочисленных коммерческих курсов и программ.

Однако, как показано в [2; 12; 29; 30; 33; 46], переход от обра
зовательной парадигмы индустриального общества к образовательной парадигме постиндустриального общества означает отказ от 
понимания образования как способа получения готового знания и 

представления о преподавателе как носителе готового знания, что в 
целом изменяет цели обучения, его мотивацию, формы и методы, а 
также роль преподавателя.

Поэтому традиционные информационные технологии, ориен
тированные только на предоставление обучаемым электронных версий учебного материала (например, в гипертекстовой форме или с 
использованием мультимедийных средств, включая удаленный доступ к этим информационным ресурсам и дистанционное взаимодействие с преподавателем и/или другими обучаемыми), уже не 
удовлетворяют новым требованиям инновационного развития собственно образовательного процесса и механизмов взаимодействия 
обучаемых с компьютером, а также возможностям использования 
доступного пространства знаний и умений.

В настоящее время самые перспективные исследования 

направлены на создание различных средств интеллектуального
компьютерного обучения [2; 12] на основе разработки и использования интеллектуальных обучающих систем (ИОС) различной архитектурной типологии, однако успехи здесь пока достаточно 
ограничены, поскольку реально функционирующие ИОС пока еще в 
очень незначительной степени используют все многообразие методов и средств ИИ [13; 15; 18; 42–45] и интеграционные возможности 
с другими областями научных знаний .

С другой стороны, используя популярность данной проблемы, 

достаточно часто предлагаются «фантазийные» проекты и описания 
ИОС без учета уровня математической, алгоритмической и программной сложности реализации предлагаемых архитектур ИОС, не 
говоря уже о необходимости создания инструментальных средств 
автоматизации их проектирования. 

Исторические рамки зарождения и становления проблематики 

ИОС обычно соотносят с периодом 1970–1980-х гг. и связывают с 
именами Дж. Карбонелла (J. R. Carbonell) [51] и П. Л. Брусиловского [47; 50], которыми было сформулировано общее представление об ИОС как особом классе интеллектуальных систем, в 
архитектурах которых предусмотрена возможность автоматизированной поддержки не только моделей проблемных областей (ПрО), 
но и моделей обучаемых и разнообразных моделей обучения.

За прошедший период было предложено значительное число 

различных подходов и концепций к разработке ИОС, обладающих 
широкой архитектурной типологией и определенной спецификой, 
но которые вполне удовлетворяют всем базовым определениям и