Введение к работе
Актуальность темы. Проблема совершенствования управления учебным процессом приобретает все большую актуальность в связи с введенными изменениями в организацию высшего образования, и зафиксированными требованиями в действующей Конституции России, Законе Российской Федерации "Об образовании". Методология интенсивно развивающейся науки управления учебным процессом базируется на концепциях системного анализа, на использовании математических методов для описания исследуемых процессов и поиска оптимальных решений по количественным критериям эффективности. Именно количественные измерения, математические модели и методы создают предпосылку для широкого использования ЭВМ при решении проблемы проектирования управления учебным процессом.
Задачи, которые в настоящий момент возникают перед высшей школой, во многом связаны с использованием новых информационных технологий, привлечением математических . методов для поиска оптимальных решений построения процесса обучения и использованием ЭВМ для их эффективного применения, которое и создает предпосылку создания систем автоматизации формирования структуры обучения в области САПР в высшем учебном заведении.
Анализ существующих систем показал, что . имеющиеся
математические модели направлены,как правило,на достижение локальных
целей при формировании структуры обучения или являются жестко
привязанными к конкретным условиям и соответственно не учитывают
возникшие в современных условиях свободы ВУЗа при организации
учебного процесса. Эти автоматизированные системы не позволяют
осуществлять проектирование учебных планов на основе манипулирования
курсами и не могут в должной мере обеспечить автоматизацию
формирования структуры обучения. Кроме того, для существующих систем
автоматизированного проектирования учебного процесса характерны
следующие недостатки: отсутствует общесистемная проработка целей
проектирования, полагающихся на требования ГОС; создание
существующих подсистем рассматривается, как правило, изолированно'от других элементов совершенствования системы управления ВУЗом; спроектированные объекты зачастую не имеют единый формат представления данных и не позволяют использовать их другими системами в качестве входной информации; в существующей практике в основном используются эвристические процедуры и недостаточно применяются системный и программно-целевые подходы, математические методы, оптимизационные модели, корреляционный и факторный анализы, имитационное моделирование и др.
Таким образом, актуальность определяется необходимостью повышения эффективности подготовки специалистов в области САПР, что достигается средствами оптимизации построения структуры обучения в ВУЗе.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической
программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в
образовании" и в рамках одного из основных направлений Воронежского
государственного технического университета "Системы
автоматизированного проектирования и автоматизации производства".
Цель и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка комплекса моделей, алгоритмических процедур и программных средств для автоматизации формирования структуры обучения, обеспечивающих повышение эффективности подготовки специалистов в области САПР. Достижение указанных целей предполагает решение следующих задач:
разработка методов и средств оптимизации структуры обучения как объекта проектирования;
разработка комплекса математических моделей формирования структуры обучения;
разработка схемы решения задачи многоальтернативиой оптимизации и построение алгоритмических процедур.для решения задачи оптимального построения структуры обучения;
разработка программных средств автоматизации проектирования структуры обучения на основе моделей многоальтернативной оптимизации и их использование для формирования учебного плана специальности.
Методы исследования. Решение задачи автоматизации формирования структуры обучения основьюается на использовании методов многоальтернативиой оптимизации, методах дискретной оптимизации, экспертного оценивания, теории графов, а также на экспериментальных исследованиях. При разработке программного обеспечения системы формирования оптимальной структуры обучения использовался принцип модульного программирования, новой технологии программирования библиотеки ObjectWindows, развивающей основные идеи Turbo Vision применительно к оболочке Windows.
Научная новизна. Научная новизна основных результатов, выносимых на защиту, заключается в следующем:
предложен подход к формированию структуры обучения.в области САПР, отличающийся общесистемной проработкой целей, ориентированных на требования ГОС и использованием эвристических процедур во взаимодействии с математическими методами для поиска оптимальных решений по количественным критериям эффективности;
сформирована структурная схема многоальтернативной оптимизации, позволяющая получить оптимальную, относительно заданных требований, структуру обучения по специальности в ВУЗе за счет организации двух поисковых режимов, использующих формализованную информацию, заложенную в структуре и - параметрах оптимизационных моделей, эвристическую информацию, содержащуюся в наглядно-образных аналогах задач синтеза, и неформальные соображения проектировщика при рациональном выборе на множестве доминирующих варйзнтов, а также раскрывающих основные неопределенности, свойственные задачам структурной оптимизации;
разработаны модели многоальтернативной оптимизации структуры обучения, позволяющие уменьшить размерность дихотомической оптимизационной модели и допускающие возможность решения каждой из них существующими методами дискретной оптимизации, благодаря чему обеспечивается возможность получения оптимальной структуры обучения в смысле выполнения требований: адекватности структуры обучения , требованиям ГОС; логичности в последовательности изучения дисциплин в разработанном учебном плане; минимального дублирования изучаемой информации в процессе обучения в ВУЗе; максимальной эффективности распределения зачетов, экзаменов, курсовых работ и проектирований во время обучения в ВУЗе; минимального времени формирования основных компонент структуры обучения; минимальных колебаний нагрузки сгудентов по семестрам; минимальных колебаний учебной нагрузки преподавателей кафедры по семестрам;
построены алгоритмические процедуры решения задачи многоальтернативной оптимизации, позволяющие формировать учебный план специальности, отвечающий перечисленным требованиям, на основе разработанных моделей и с привлечением методов дискретной оптимизации для их решения.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в следующем:
работа выполнена в рамках х/д НИР "Автоматизация
образовательной деятельности по подготовке специалистов в области
САПР", единого' заказа-наряда Госкомвуза России по направлению
"Информатизация образования", а . также в рамках научно-
исследовательской работы ГБ НИР 96.04 "Моделирование и оптимизация в информационных системах";
в рамках разработанной структуры программного комплекса формирования структуры обучения в области САПР обеспечивается решение задач, связанных с проектированием структуры образовательной деятельности, основными модулями которой являются: ввод данных из ГОС; разбиение дисциплин на циклы дисциплин, установленные ГОС;
определение тематических зависимостей между дисциплинами и их разделами; определение рекомендуемых значений параметров оптимизации; определение экспертных оценок удовлетворения знаний, заложенных в каждую учебную дисциплину, требованиям, предъявляемым к выпускнику ВУЗа; определение критериев оптимизации из списка предложенных и их значимости; непосредственно оптимизация структуры обучения;
разработанный программно-методический комплекс формирования структуры обучения позволяет формировать на основе Государственного Образовательного стандарта и с привлечением группы экспертов оптимальную структуру обучения по специальности, а затем на ее основе формировать рабочие программы по дисциплинам и формировать индивидуальные планы преподавателей кафедры.
Реализация результатов работы. Разработанный на основе
предложенных методов программно-методический комплекс
автоматизированного формирования структуры обучения в области САПР внедрен в учебный процесс на кафедре САПРИС Воронежского государственного технического университета и на кафедре земледелия Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
п обсуждались на конференциях, семинарах и совещаниях: 'Техническая
кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 1992),
Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в
проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993), Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994), третьей международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии" (Крым, май 1995), Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине", (Воронеж, 1996), Всероссийской научно-методической конференции 'Телематика 96" (Санкт-Петербург, 13-17 мая 1996), республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1996), Всероссийском совещании - семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине", (Воронеж, 1996-1997).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 8 рисунков и 1 таблицу.
