Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основу современного инженерного образования составляют активно-деятельностные формы обучения, формирующие базовые навыки экспериментально-исследовательской деятельности. Одним из инструментов реализации подобных форм обучения является виртуальная лаборатория (ВЛ), которая представляет собой электронную среду, позволяющую создавать и исследовать в интерактивном режиме модели систем и процессов. Важной особенностью сетевых ВЛ является то, что они позволяют проводить разработку и эксперименты в любое время из любой точки мира и при этом не требуют установки специального программного обеспечения.
Применение ВЛ в учебном процессе способствует повышению качества и доступности образования, однако создание самих ВЛ остается сложной и трудоемкой задачей. Не меньшую трудоемкость имеет задача оценивания результатов обучения, приобретаемых посредством ВЛ. В отличие от тестов, где проверяются знания, задания ВЛ, как правило, предполагают бесконечное нерегулярное множество правильных ответов, описываемых набором неформальных спецификаций. Для повышения точности педагогических измерений кроме результатов исследовательской деятельности необходимо также фиксировать и оценивать последовательность выполнения задания в ВЛ.
В связи с этим тема настоящего исследования, посвященного разработке методов и средств автоматизации процессов построения вариантов заданий для ВЛ и верификации решений, является актуальной.
Областью исследования являются методологические и теоретические основы построения систем управления обучением.
Объектом исследования являются процессы построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.
Предметом исследования являются модели и методы управления процессами построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.
Целью диссертации является разработка методов и средств автоматизации процессов построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
обзор и анализ подходов к управлению процессами построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ;
создание математической модели ВЛ, позволяющей строить варианты заданий и верифицировать их решения;
создание структуры ВЛ, позволяющей осуществлять управление процессами построения вариантов заданий и верификации решений;
реализация модели виртуальной лаборатории в системе управления обучением AcademicNT;
разработка инструментов создания ВЛ на основе протокола управления удаленной (виртуальной) лабораторией RLCP (Remote Laboratory Control Protocol);
разработка и использование в учебном процессе ВЛ для различных предметных областей обучения;
апробация результатов исследования.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
математическая модель В Л на основе автоматизированного объекта управления, описывающая процессы построения вариантов заданий и верификации их решений;
методика построения вариантов заданий для ВЛ равной сложности;
- методика верификации полного хода решений заданий ВЛ.
Методы исследования. В работе использованы методы теории
алгоритмов, теории автоматов, теории графов, теории множеств, дифференциальной диагностики, проектирования информационных систем, теории вероятностей и математической статистики.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием методов исследования, обоснованием постановок задач и используемых критериев, положительными результатами применения полученных результатов, а также обсуждением на многочисленных конференциях и публикацией статей в рецензируемых изданиях.
Практическая ценность работы. Выполнена реализация модели виртуальной лаборатории с автоматизированными процессами построения вариантов заданий и верификации решений в системе управления обучением AcademicNT на основе расширенного протокола управления RLCP. Для обеспечения разработки виртуальных лабораторий были предложены средства и методики, объединенные в пакет для разработки RLCP-совместимых ВЛ, принятый в качестве основного инструмента разработки ВЛ для системы AcademicNT. Разработанные для различных предметных областей ВЛ использованы на практике в учебном процессе и обеспечили повышение качества образования.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ, выполненных в рамках программы развития НИУ ИТМО: НИУ(2011)/3.1.20.12 «Разработка виртуальных лабораторий и тренажеров информационно-образовательной среды», НИУ (2012)/3.1.22.3 «Методика использования среды тестирования RLCP-совместимых виртуальных лабораторий».
Результаты исследования использованы в учебном процессе кафедры компьютерных образовательных технологий НИУ ИТМО, а именно. Они составили основу для лабораторного практикума и проведения курсового
проектирования в дисциплине «Технология разработки виртуальных лабораторий» для подготовки магистров направления 230400 «Информационные системы и технологии». Средства и методы построения виртуальных лабораторий используются в курсовом проектировании дисциплины «Дистанционные технологии в образовании», а также для подготовки выпускных квалификационных работ специалистов направления 230200 «Информационные системы».
Был создан и использован в учебном процессе комплект виртуальных лабораторий по теории множеств и теории графов для обеспечения лабораторного практикума дисциплины «Дискретная математика» для подготовки бакалавров направления 230400 «Информационные системы и технологии».
Была создана и внедрена в учебный процесс междисциплинарная виртуальная лаборатория по дифференциальному диагнозу, используемая при изучении коматозных состояний в практике скорой помощи и акцентуаций характера в психиатрической практике в Санкт-Петербургском государственном медицинском университете имени академика И.П. Павлова.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научной конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011), I-II Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012-2013), XVIII - XX Всероссийских научно-методических конференциях Телематика (Санкт-Петербург, 2011-2013), Международной научно-практической конференции «Математические методы и модели анализа и прогнозирования развития социально-экономических процессов черноморского побережья Болгарии» (Болгария, г. Поморие, 2012), Международных научно-практических конференциях «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург. 2012-2013), XXIII Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (г. Троицк, Московской области, 2012), Международной конференции «The International Conference on E-Learning and E-Technologies in Education 2012 (ICEEE 2012)» (г. Лодзь, Польша, 2012), VI Международной научно-практической конференции «Информационная среда ВУЗа XXI века". (Куопио, Финляндия, 2012).
Публикации. Список научных трудов по теме диссертационного исследования содержит 16 публикаций, из них две публикации в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора. Результаты научной работы, изложенные в диссертации, получены соискателем лично или при его непосредственном участии. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад соискателя составляет не меньшую долю, чем у других авторов.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах и состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы содержит 111 наименований. Работа иллюстрирована 58 рисунками и 8 таблицами.
