Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Общая характеристика работы 4
1. АНАЛИЗ ФОРМ И МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛА САПР ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ 10
1.1 Введение 10
1.2 Анализ существующих форм и технологий обучения методам автоматизированного проектирования 14
1.2.1 Подготовка персонала САПР на базе ВУЗов 16
1.2.2 Подготовка персонала САПР в учебных центрах 18
1.2.3 Самостоятельная подготовка персонала САПР 20
1.3 Анализ потенциала Интернет-технологий для подготовки персонала САПР 21
1.4 Анализ существующих технологий Интернет-обучения 26
1.4.1 Модели и методы формализации целей подготовки 27
1.4.2 Методы адаптации учебного материала 30
1.4.3 Методы структурирования информационных ресурсов Интернет-обучения 33
1.5 Выводы 37
2. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ИНТЕРНЕТ - ОБУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛА САПР 40
2.1 Введение 40
2.2 Модель предметных знаний 42
2.2.1 Семантическая модель предметных знаний 44
2.2.2 Структурная модель предметных знаний 46
2.2.3 Структура визуальной модели 48
2.2.4 Визуализация концептов и отношений предшествования 51
Информационная модель обучаемого 53
2.3 Выводы 56
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕКОНСТРУКЦИИ ЦЕЛЕЙ ОБУЧЕНИЯ И АДАПТАЦИИ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 58
3.1 Введение 58
3.2 Разработка метода реконструкции внешней модели персональной программы и синтеза структуры программы 59
3.2.1 Анализ существующих решений и постановка задачи 59
3.2.2 Реконструкция внешней модели и синтез программы подготовки 60
3.3 Разработка методов адаптации учебного материала 67
3.3.1 Постановка задачи 67
3.3.2 Метод адаптации учебного материала основанный на искусственных нейронных сетях 71
3.3.3 Результаты и сравнительный анализ 77
3.4 Выводы 83
4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА САПР 85
4.1 Введение 85
4.2 Выбор архитектуры и реализация компонентов среды опережающего обучения ГИПЕРТЕСТ 86
4.3 Разработка программы обучения методам расчета СПТ 96
4.4 Анализ эффективности предложенных методов 100
4.5 Выводы 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
ЛИТЕРАТУРА 106
ПРИЛОЖЕНИЯ 114
Приложение 1. Акты о внедрении 114
Приложение 2. Информационная модель программы опережающего обучения 118
Приложение 3. Семантическая модель предметной области СПТ 121
Приложение 4. Структурная модель предметной области СПТ 122
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. По мнению специалистов, внедрение САПР в различные сферы инженерной деятельности имеет больший потенциал повышения производительности труда, чем все известные технические нововведения.
Сложность объектов проектирования постоянно возрастает. Примерами могут служить системы контроля и управления (СКУ) энергетических установок, а также системы контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), относящиеся к классу многокомпонентных систем, которые характеризуются большим количеством и многообразием компонентов и связей. Одновременно с усложнением объектов усложняются задачи их проектирования.
Рост сложности объектов и задач проектирования ведет к повышению требований к уровню подготовки эксплуатационного персонала САПР. В настоящее время подготовка эксплуатационного персонала осуществляется либо путем самостоятельного освоения «учебных» версий САПР и изучения технической документации, либо при поддержке поставщиков САПР (специализированные платные курсы, «горячая линия»). Однако самостоятельное обучение не дает полного представления о функциональных возможностях и ключевых особенностях САПР применительно к отраслевой и организационной специфике проектной организации. Кроме того, оно, как правило, не предусмотрено графиком внедрения системы. Высокая стоимость очных курсов вынуждает руководителей предприятий, внедряющих САПР, ограничивать численность обучаемых (например, курс обучения работе с САПР-Альфа - разработчик АО «Аскон» - стоит 12 000 р., обучение с САПР компании Sprat Technologies - 1 500 р. на одного человека в день, курс обучения работе с САПР КОМПАС-ГРАФИК - 18 000 р.), а также проводить обучении уже после того, как система была закуплена. Эти недостатки замедляют процесс внедрения САПР, уменьшают эффективность их эксплуатации и замедляют возврат инвестиций.
Перечисленные факторы обусловили актуальность поиска новых форм опережающего обучения методам автоматизации проектирования. Наиболее перспективной формой обучения, потенциально способной разрешить проблему подготовки специалистов САПР (в комплексе с традиционными методами) как в качественном, так и в коли чественном аспекте, является Интернет-обучение. Системы Интернет-обучения обладают целым рядом преимуществ:
1. Относительная дешевизна (услуги Интернет-обучения в 3-5 раз дешевле).
2. Оперативность (любые коррективы в учебной программе Интернет-обучения становятся доступными мгновенно всем обучаемым).
3. Инвариантность к географическому положению обучаемого.
4. Асинхронный режим обучения (отсутствие обязательной привязки к определенному учебному графику).
Несмотря на отмеченные преимущества Интернет-обучения, как существующие системы общего назначения: (Прометей, ОРОКС, Доцент, Blackboard), так и специализированные системы обучения САПР (TRANSTEC - микроэлектроника) не отвечают требованиям опережающей подготовки. Они не предусматривают актуальной для опережающего обучения адаптации программ к персональным целевым установкам и уровню подготовки обучаемого, так как в этих системах отсутствуют модели структурирования предметных знаний и методы динамической компоновки учебного материала, обеспечивающие указанные возможности.
Поэтому актуальна задача создания технологий опережающей подготовки эксплуатационного персонала САПР с применением методов Интернет-обучения, обеспечивающих возможности адаптации учебно-контролирующего материала программ подготовки специалистов в области САПР в соответствии с целевыми установками и персональными особенностями слушателя, и сокращения затрат на разработку программ подготовки за счет повторного использования информационных ресурсов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка комплекса моделей и методов, позволяющих обеспечить сокращение непроизводительных затрат на традиционные формы подготовки эксплуатационного персонала САПР за счет использования опережающего Интернет-обучения, а также повысить качество подготовки за счет целевой персональной настройки программ обучения.
Достижение поставленных целей требует решения следующих задач: 1. Анализ известных подходов к реализации систем Интернет-обучения (как специализированных, так и общего назначения), определение области эффективного применения, а также формулирование требований к моделям и методам подготовки специалистов в области эксплуатации САПР на основе Интернет-обучения.
2. Разработка структурной модели описания знаний предметных областей САПР, позволяющей осуществлять: концептуальное моделирование предметной области знаний, представление динамической составляющей знаний, визуальное представление знаний.
3. Разработка модели обучаемого, учитывающей: персональные целевые установки обучения, текущий уровень знаний обучаемого.
4. Разработка метода реконструкции целевых установок обучаемого и структурного синтеза персональной программы подготовки.
5. Разработка метода адаптивной навигации в пределах учебного материала.
6. Разработка и экспериментальное исследование инструментальных средств проектирования и сопровождения программ обучения эксплуатационного персонала САПР.
Выполнение задачи 2 позволит сократить временные и финансовые затраты на разработку программ подготовки за счет повторного использования информационных ресурсов. Выполнение задач 3, 4 и 5 позволит снизить непроизводительные затраты и повысить качество обучения САПР за счет персонификации материала программ подготовки в соответствии с индивидуальными особенностями обучаемых на этапе опережающей подготовки.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использованы методы объектно-ориентированного программирования, теории графов и множеств, теории баз данных, теории пространств знаний, теории вероятности, теории построения информационных систем и искусственного интеллекта.
Научная новизна результатов исследования. Обоснованы и реализованы следующие методы, модели и средства автоматизации построения и персонализации программ Интернет - обучения САПР:
1. Трехзвенная модель предметных знаний отличается согласованным совместным использованием независимо структурированных компонентов описания предметных знаний - семантического (сеть знаний), структурного (сеть Петри) и визуального (многоаспектный каталог). Согласованность компонентов модели позволяет решать актуальные для опережающего обучения задачи реконструкции персональных целей и адаптивной навигации. Относительная обособленность компонентов позволяет распараллелить процесс и таким образом уменьшить время разработки программ.
2. Модель обучаемого, которая отличается учетом субъектных и объектных качеств обучаемого. Дуальная модель создает информационные предпосылки для решения задачи реконструкции персональных целей обучения и настройки содержимого программ в функции текущего состояния знаний обучаемого.
3. Метод идентификации целей обучения и синтеза программы подготовки, основанный на продукционной обработке результатов навигационной статистики и инверсном моделировании учебной программы сетью Петри. Метод отличается согласованным учетом структуры и семантики учебного материала. Применение метода позволяет ограничить структуру программы подготовки подмножеством учебных модулей, релевантных персональным целям и текущему состоянию знаний обучаемого.
4. Метод адаптивной настройки навигационных предпочтений по содержанию курсов обучения, основанный на вероятностной модели прогноза, реализованной в виде однослойной искусственной нейронной сети (ИНС). Метод заключается в ранжировании разделов программы в соответствии с текущим состоянием знаний и персональными целями обучения. Отличие предложенного метода заключается в мониторинге динамических характеристик профиля знаний обучаемого - отслеживании изменений профиля знаний с течением времени. Это позволяет строить для каждого обучаемого персонифицированную траекторию освоения материала.
На защиту выносятся:
1. Модель предметных знаний.
2. Модель обучаемого.
3. Метод идентификации целей обучения и синтеза программ подготовки.
4. Метод адаптивной настройки навигационных предпочтений. Практическая ценность результатов работы определяется:
1. Снижением сроков разработки курсов Интернет-обучения САПР и затрат на разработку курсов за счет многоаспектного структурирования учебного материала и повторного использования компонентов знаний;
2. Сокращением непроизводительных затрат на очное обучение, за счет применения опережающей подготовки персонала САПР;
3. Повышением качества обучения за счет применения методов реконструкции целей обучения и адаптации структуры и содержания курсов к текущему уровню предметных знаний обучаемых.
Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих научно-технических программ (НТП) и грантов:
1. НТП «Инновации в высшей школе и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот», подпрограмма «Активизация инновационной деятельности в научно - технической сфере».
2. НТП «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее потенциала», подпрограмма «307. Развитие региональной инфраструктуры научно-инновационной деятельности высшей школы в образовательной и научно-технической сферах».
3. Гранта Национального Фонда Науки, США #0310576 Директората по Образованию и Людским Ресурсам (NSF Directorate for Education and Human Resources) под эгидой проекта CCLI: Individualized Exercises for Assessment and Self-Assessment of Programming Knowledge: QuizPACK.
Основные научные и практические результаты работа реализованы в виде программно методического комплекса и внедрены:
• в Филиале «Хозрасчетный участок пусконаладочных работ» ОАО «Мосэнер-гомонтаж» с 3 марта 2003г;
• в учебном центре «Стиплер-Графике», г. Москва с 9 марта 2004г;
• на кафедре безопасности жизнедеятельности ИГЭУ. А также использованы автором в учебном процессе:
• факультета компьютерных наук Техасского университета в Далласе (Computer Science Department, University of Texas at Dallas) для Интернет-обучения студентов магистратуры по курсу «Системы баз данных» (CS6360 Database systems);
• факультета информатики Питтсбургского университета (University of Pittsburgh) для обучения студентов младших курсов программированию на языке Си.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных научно-технических конференциях:
1. SIGCSE 2004 The 35th Technical Symposium on Computer Science Education, Norfolk, VA USA.
2. ASEE annual conference 2003, Nashville, TN USA.
3. «Образовательные технологии», Воронеж, 2001.
4. «Состояние и перспективы развития электротехнологий X Бенардосовские чтения». Иваново, 2001.
5. «Современное состояние, проблемы и перспективы развития российской экономики» (III Кондратьевские чтения). Иваново, 2000.
6. "Информационная среда вуза", Иваново, 2000.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и включает 122 страницы основного текста, 40 рисунков и 11 таблиц.
