Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих средств и методов построения автоматизированных систем управления процессом профессиональной подготовки и постановка задач исследования 12
1.1 Анализ существующих технологий профессиональной подготовки 16
1.2 Исследование возможности профессиональной подготовки с использованием образовательных информационных ресурсов 20
1.3 Анализ существующих программных средств реализации процесса профессиональной подготовки 28
1. 4 Анализ сетевых технологий для построения систем профессиональной подготовки 42
1.5 Постановка задач исследования 47
1.6 Выводы по первой главе 48
2 Организация управления адаптивным процессом профессиональной подготовки 50
2.1 Исследование и разработка управления процессом профессиональной подготовки 50
2.2 Исследование и организация комплекса электронных учебно-методических материалов 56
2.3 Разработка и исследование математических моделей адаптивного процесса профессиональной подготовки 64
2.4 Исследование и разработка функциональных особенностей построения автоматизированных средств адаптивного процесса профессиональной подготовки 72
2.5 Выводы по второй главе 84
3. Разработка и исследование структуры автоматизированной системы управления процессом профессиональной подготовки 86
3.1 Разработка структурной схемы и организации данных АСУАПП 86
3.3 Разработка алгоритмов работы АСУАПП 106
3.4 Выводы по третьей главе 114
4. Разработка и исследование структуры технических средств автоматизированной системы управления процессом профессиональной подготовки 115
4.1 Реализация структуры интерфейсов АСУАПП 115
4.2 Концептуальная модель данных АСУАПП 119
4.3 Исследование и разработка структуры средств организации АСУАПП 123
4.4 Пример практической реализации предложенных моделей и направления дальнейших исследований 142
4.6 Выводы по четвёртой главе 152
Заключение 153
Литература 154
Приложения 167
- Анализ существующих технологий профессиональной подготовки
- Исследование и разработка управления процессом профессиональной подготовки
- Разработка структурной схемы и организации данных АСУАПП
- Реализация структуры интерфейсов АСУАПП
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время диверсификация экономики в Российской Федерации является неотъемлемым условием сохранения и усиления позиций РФ, что обуславливает необходимость повышенного внимания к развитию наукоемких, высокотехнологичных отраслей производства.
В результате требуется проведение активной профессиональной подготовки и переподготовки кадров. Наиболее ярко это можно наблюдать в крупных транснациональных корпорациях, таких например как Cisco, IBM, Microsoft и др. Компании такого класса проводят сертификацию как своих, так и чужих специалистов на право проведение технических или иных работ с оборудованием выпускаемым ими. Процесс обучения этих специалистов носит в основном дистанционный характер и никоем образом не связан с аттестационным испытанием, которое проводится в строго определенных центрах. Таким образом, возникает задача обеспечения самостоятельной качественной подготовки будущих сертифицированных специалистов, проживающих в различных регионах.
Эти же проблемы являются существенными и для менее крупных предприятий по различным отраслям хозяйства, где периодически проходит переаттестация специалистов на соответствие той или иной квалификации.
Одним из наиболее эффективных путей решение этой задачи является применение информационно-коммуникационных технологий и современных методик их построения.
Данные технологии предоставляют возможность идентичного проведения подготовки и повышения квалификации специалистов компании, несмотря на их территориальную удаленность, а также являются эффективным средством для централизованного контроля знаний.
Вопросам автоматизированного обучения на основе современных информационно-коммуникационных технологий посвящены работы многих российских и зарубежных ученых, таких как: В.И. Солдаткин, А.Н. Тихонов, А.Д. Иванников, Г.А. Краснова, И.С. Константинов, Mohamed Ally, Vincent Ambrock, David Annand, Terry Anderson, Fathi Elloumi, Dean Caplan и др.
Традиционно для этих целей применяются автоматизированные системы обучения. В настоящее время существует большое количество автоматизированных систем такого класса, таких как: «ОРОКС», «Прометей», «Гекадем», «Дизайнер курсов», PHOENIX Web, Quest Net+, ToolBook и др.
Однако, отнести эти системы к классу автоматизированных систем управления процессом профессиональной подготовки можно с большой натяжкой, поскольку ни одна из них автоматически не влияет на учебный график усвоения знаний, а просто предоставляет слушателям с тем или иным сервисом необходимый контент. Вопросы управления процессом обучения для этих систем возложены либо на преподавателя (тьютера), либо на самого обучаемого в ходе его самоподготовки. В первом случае обычно они предоставляют статичный план, который в отличии от очной формы обучения, никак не адаптируется к аудитории, тем более к конкретным слушателям. Во втором случае требуется высокая самоорганизованность и повышенный уровень интеллекта слушателя.
Таким образом, вопрос адаптации указанных систем к особенностям как самих обучающихся, так и к специфике изучаемой области и предмета, является открытым.
Если автоматизированные обучающие системы как класс имеют более чем сорокалетнюю историю, то в последние два десятилетия активно стало развиваться новое направление - образовательные порталы. Они позволяют значительно расширить возможности обучаемых в плане доступа к образовательным ресурсам, используя внешние глобальные сети. Однако, задачи управления процессом профессиональной подготовки и адаптации к особенностям слушателей в них также не решаются. Таким образом, тематика диссертационной работы направлена на исследование подходов к построению автоматизированных систем управления процессом профессиональной подготовки кадров, является актуальным.
Диссертационное исследование проводилось в рамках НИР «Программно - методическое обеспечение построения лабораторно -практических практикумов для дисциплин естественнонаучного цикла в образовательных технологиях дистанционного обучения» (код проекта 1.1.31, регистрационный номер 0120.0 404424, 2004 г).
Объектом исследования в данной работе являются системы автоматизации процессов профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров для производства.
В качестве предмета исследования рассматривались методы, способы и алгоритмы построения распределенных автоматизированных систем управления процессом профессиональной подготовки.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества подготовки кадров на производстве и в корпоративных системах специального образования (подготовка сертифицированных специалистов), за счёт создания и внедрения автоматизированной распределенной системы управления адаптивным процессом профессионального обучения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи:
- анализ существующих подходов построения систем автоматизированного управления процессом профессиональной подготовки, использующих информационно образовательные ресурсы и базирующихся на современных информационно-коммуникационных технологиях;
- разработка и исследование математической модели управления адаптивным процессом подготовки, а также моделей представления информационного наполнения; - исследование особенностей построения автоматизированных систем профессиональной подготовки на производстве и в корпоративных системах специального образования (подготовка сертифицированных специалистов);
- разработка и исследование структуры и алгоритмов функционирования системы подготовки и ее основных блоков;
- исследование возможностей реализации, создание и внедрение распределенной автоматизированной системы управления процессом профессиональной подготовки с использованием информационно-коммуникационных технологий.
Методы и средства исследований. При решении указанных задач использовались методы: теории вычислительных процессов, теории сетей Петри, теории сетевого планирования, объектно-ориентированного программирования и построения графических человеко-машинных интерфейсов.
Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью математических выкладок, согласованностью основных теоретических решений и их практической реализацией, а также результатами достаточно обширных вычислительных экспериментов по тестированию созданных алгоритмов, которые подтверждают непротиворечивость основных теоретических результатов и выводов.
Анализ существующих технологий профессиональной подготовки
В настоящее время диверсификация экономики в Российской Федерации является неотъемлемым условием сохранения и усиления позиций РФ, что обуславливает необходимость повышенного внимания к развитию наукоемких, высокотехнологичных отраслей производства.
Эффективно функционирующая экономика обеспечивает непрерывную замену устаревших технологий более прогрессивными. Инновационная сфера служит ядром структурных изменений.
Внедрение на предприятиях новейших достижений науки и техники значительно расширяет масштабы производства. Это приводит к тому, что производство усложняется и укрупняется, в нем происходит глубокая дифференциация и специализация.
В результате на предприятиях концентрируются огромные материальные и финансовые ресурсы, расширяются и углубляются производственные связи, требуется непрерывное совершенствование организации и управления производством. В огромной степени увеличивается объем используемой для управления информации, возникает необходимость сокращения сроков ее переработки и использования, повышаются требования к планированию производства, к принимаемым решениям по управлению, которые должны быть научно обоснованными, своевременными и точными. В этих условиях повышение научного уровня планирования и управления становится задачей первостепенного значения. Современные тенденции развития информационных технологий обеспечивают их повсеместное проникновение во все сферы жизни общества, в том числе и в производство. Первоначально появление и внедрение информационных автоматизированных систем управления (АСУ) связывалось с высокоавтоматизированными производственными комплексами типа гибких автоматизированных производств и полностью автоматизированных предприятий. Однако дальнейшее развитие показало целесообразность внедрения информационных автоматизированных систем управления на предприятиях с умеренным уровнем автоматизации. Новой современной тенденцией развития информационных технологий в производственной сфере является все более широкое использование Internet-Intranet технологий для обеспечения взаимодействия между территориально рассредоточенными филиалами предприятия. Внедрение АСУ способствует повышению эффективности и конкурентоспособности производства и обеспечивает качество управления. Накопленный опыт проектирования и внедрения АСУ открывают новые возможности в деле совершенствования процесса автоматизации управления производством. Применение компьютерных средств, при автоматизации управления предприятием, стало в последнее время одной из составляющих, обеспечивающих повышение эффективности производства. При этом все большую актуальность приобретает интеграция систем автоматизации разных уровней (САПР, АС ТПП, АСУ ТП, АСУП), что накладывает дополнительные требования на техническое, математическое и информационное обеспечение систем автоматизации. В функциональной структуре АСУ выделяют подсистемы, отличающиеся по своему назначению и отвечающие конкретным целям и задачам управления. В АСУ предусмотрены следующие функциональные подсистемы: технико-экономическое планирование; оперативное управление основным производством; бухгалтерский учет; управление материально-техническим снабжением; управление кадрами; управление качеством; управление финансами. Круг задач, решаемых каждой подсистемой, весьма значителен и многообразен. Однако, для обеспечения конкурентоспособности предприятий на современном этапе необходимо особое внимание уделить подсистеме АСУ «управлению кадрами». Рассмотрим подсистему управления кадрами. Эта подсистема представляет собой комплекс взаимоувязанных задач: - учета и анализа численности, состава и применения кадров; - определения потребности в кадрах; - планирования источников покрытия потребности в кадрах. Решение этих задач осуществляется как на уровне предприятия (в системе АСУП), так и на отраслевом уровне (в системе ОАСУ), где функционирует подсистема управления кадрами. Наиболее эффективно они решаются в рамках отраслевой автоматизированной системы управления при использовании экономико-математических методов и современных средств вычислительной техники. В состав подсистемы управления кадрами включены следующие задачи: создание и корректировка информационной базы; формирование и печать таблиц для получения форм отчетности на регламентированные запросы; формирование и печать справок на оперативные запросы пользователей; учет и движение кадров; отчетность о качественном и количественном составе работников; учет результатов аттестации; расчет дополнительной потребности в кадрах и др. Функционирование подсистемы управления кадрами должно обеспечить: руководство предприятия оперативной информацией по всем вопросам, касающимся состава и распределения кадров как по отдельным подразделениям, так и по предприятию в целом; планирование дополнительной потребности предприятия в молодых специалистах с высшим и. средним специальным образованием; рациональную расстановку специалистов по тематике плана и комплектование подразделений вновь принятыми сотрудниками; составление перспективного плана социального развития предприятия и проведение различных социологических исследований; выдачу информации для функционирования других подсистем АСУП (изменение анкетных данных, перемещения по работе); интеграцию информации для руководства предприятия с целью оценки общего состояния работы по учету и распределению специалистов предприятия; диалог руководителя с ЭВМ с целью оперативного получения необходимой информации.
Исследование и разработка управления процессом профессиональной подготовки
Выделяют три основных подхода к организации управления процессом получения профессиональных знаний в автоматизированных системах: 1. либеральный; 2. консервативный; 3. адаптивный. В первом случае управление со стороны системы отсутствует, слушатель самостоятельно выбирает последовательность изучения материала. Единственной помощью здесь может служить оглавление курса, задающее наиболее целесообразный порядок изучения.
Таким образом, при моделировании либерального подхода слушатель сам определяет последовательность изучения материала, а система лишь может выдавать ему рекомендации и консультировать относительно возможных причин пробелов в знаниях, которые выявляются в ходе контроля знаний.
При консервативном подходе последовательность подачи учебных материалов жестко запрограммирована (и, обычно, дозирована). Эта последовательность описывается в сценарии курса, выполнение которого управляется программно. При программированном обучении [19] автоматизированная система получается негибкой: она одинаково управляет разными пользователями, и теряется одно из преимуществ -индивидуальность процесса получения профессиональных знаний. Введение же альтернативных сценариев, во-первых, сопряжено с большими дополнительными расходами времени и сил разработчика, а, во-вторых, не решает проблему полностью, т.к. по отдельности каждый альтернативный сценарий все равно остается запрограммирован.
При моделировании консервативного подхода система сама определяет последовательность прохождения тем курса в соответствии со связями, отраженными в модели предметной области, "разрешая" переходить к очередной теме только после успешного изучения предшествующих тем.
Наиболее эффективным способом организации управления обучением является адаптивный подход. Система подстраивается под конкретного слушателя, устанавливая очередность и интенсивность изучения материалов на основании достигнутых им результатов.
При моделировании адаптивного процесса управления могут использоваться разные подходы. Например, устанавливаются некоторые контрольные точки, и слушатель может выбирать: начинать ему сразу сдавать эти контрольные точки или сначала "почитать теорию". Пока он сдает эти контрольные точки успешно, система не вмешивается; но если контрольная точка не сдана, система берет управление на себя и не позволяет ему двигаться дальше, пока он не изучит соответствующий этой контрольной точке учебный материал.
При разработке системы управления процессом профессиональной подготовки нельзя идти по пути применения какого-либо одного метода управления взаимодействием с обучаемым. Необходимо предусмотреть различные методы управления, как по инициативе системы, так и по инициативе слушателя [47].
Система, претендующая на то, чтобы называться автоматизированной системой, должна предоставлять возможность использовать любой из рассмотренных выше вариантов. Очевидно, что наиболее трудным для реализации является адаптивный вариант, а два других способы организации управления процессом усвоения профессиональных знаний могут считаться частным случаем адаптивного.
В общем случае схему подготовки можно представить следующим образом (рисунок 2.1). В начале формируется цель (учебный план усвоения материала), на основании которой составляется учебный план. После чего процесс усвоения материала идет строго последовательно согласно составленному плану.
Процесс обучения можно трактовать как процесс управления, что не противоречит современной педагогике [22, 29]. Он реализуется в замкнутой системе и (как для любой замкнутой системы управления, [36]) характеризуется целью управления, имеет объект управления (слушателей), устройство управления и канал обратной связи. Критерием качества управления могут служить результаты контроля знаний.
Схема, приведенная на рисунке 2.1, является упрощенной и формальной. Она не учитывает (и не может учитывать) те особенности, которые накладывает на реальный процесс подготовки участие в нем человека. Но эта схема дает общее представление о предмете обсуждения.
В соответствии с целью подготовки вырабатывается набор управляющих воздействий на слушателя (например, предъявление того или иного учебного материала или контрольно-тестирующего задания). Ответная реакция которого (результаты подготовки, полученные на основе оценки приобретенных знаний) по каналу обратной связи передается устройству управления и позволяет ему корректировать управляющие воздействия для достижения желаемого результата [71].
Разработка структурной схемы и организации данных АСУАПП
На предварительном этапе, как показал существующий отечественный и зарубежный опыт в области автоматизации разработка, внедрение и эффективное использование программных комплексов, использующихся в автоматизации различных процессов реализуемых на базе современных ЭВМ, требуют комплексного решения широкого спектра задач: организационных, технических, математических, программных, информационных и других. Их решение базируется на соответствующих видах обеспечения.
Под проблемой синтеза структуры системы управления процессом профессиональной подготовки понимается: - определение состава и взаимосвязей элементов системы; - выбор принципов организации взаимодействия элементов; информационное обеспечение работы элементов системы. Предположительно АСУАПП должна в себя включать в себя следующие виды обеспечения: - математическое -методы расчета оценки знаний; - программное - документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы; - информационное - документы, содержащие описания стандартных процедур по эксплуатации данного программного продукта, типовых проектных решений, типовых элементов, конструкций, нагрузок, материалов и другие данные, а также файлы и банки данных на машинных носителях с записью указанных документов; - методическое - документы, в которых отражены состав, правила проведения экспериментов, эксплуатации средств аппаратного обеспечения. Таким образом, ядро системы профессиональной подготовки необходимо создавать в виде пакета программ (ПП). Под ПП понимается комплекс взаимосвязанных программ, обладающих специальной организацией, которая обеспечивает значительное повышение производительности труда пользователя при решении конкретных задач: 1. Организации диалога с пользователем; 2. Реализация работы с информационным обеспечением; 3. Реализация управления системой в целом. Общими особенностями организации ПП являются следующие: 1. Ориентация пакета на определенный класс задач; 2. ПП предоставляет пользователю возможность определить метод обработки данных и форму представления результирующей информации. Это дает возможность пользователю выбрать требуемый вариант обработки информации; 3. Отсутствие требований к уровню профессиональной подготовки основных пользователей системы (разработчиков учебных курсов, тьютеров) в области программирования. Проблема синтеза оптимальной структуры систем применяемых для решения задач автоматизации решается в настоящее время как путем использования опыта создания автоматизированных систем, так и за счет накопления и использования опыта создания и эксплуатации крупных программных комплексов. Этот опыт концентрируется в ряде принципов, на некоторые из которых целесообразно ориентироваться при разработке АСУАПП: 1. Независимость частей системы. Этот принцип предполагает возможность независимой разработки и независимого ввода в действие отдельных частей системы, что позволяет расширять и усложнять систему в процессе ее эксплуатации. 2. Принцип эволюционности в проектировании, т.е. максимальное использование имеющихся разработок, моделей, алгоритмов и навыков проектирования, перенесения их в комплекс программ. 3. Принцип системного единства, состоящий в том, что АСУАПП строится как совокупность подсистем, функционирование которых подчинено общей цели. 4. Принцип иерархического построения системы, обусловливающий многоступенчатую структуру системы с подчинением низших звеньев высшим.
Анализирую все выше сказанное, делаем вывод о том, что АСУАПП представляет собой структуру, как показано на рисунке 3.1 построенную по иерархическому принцип.
Каждый уровень АСУАПП является функционально законченным блоком, что значительно облегчает эксплуатацию всей системы в целом. Применение функциональной декомпозиции при разработке структуры системы значительно упрощает процесс проектирования и разработки, а также наглядно демонстрирует процесс функционирования. Из приведенной схемы видно, что программная реализация системы достаточно сложна, поэтому необходим поиск пути снижения стоимости и времени разработки за счет повторного применения уже сделанных фрагментов. Решением проблемы может стать модульный подход. Поэтому в дальнейшем при проектировании и разработке структуры блоков рассмотренных выше по отдельности, каждый из них разбивается на ещё более мелкие подблоки (модули), каждый из которых будет выполнять определенные, четко сформулированные функции.
Реализация структуры интерфейсов АСУАПП
За последние годы методы организации интерфейса в системе «человек-компьютер» получили значительное развитие и приобрели определенную логическую завершенность. Интерфейс «человек-компьютер» обеспечивает связь между пользователем и процессом, выполняющим некоторое задание. Это дает возможность пользователю определять, какие задания сделать активными в данный момент, как передавать им данные для обработки и принимать результаты обработки. С точки зрения программного обеспечения в состав интерфейса входят два компонента: набор процессов ввода - вывода и процесс диалога. Пользователь информационной системы взаимодействует с интерфейсом: через интерфейс он посылает входные данные и принимает выходные.
Процессы ввода-вывода служат для того, чтобы принять от пользователя и передать ему данные (часто в формате, неудобном для работы) через различные физические устройства.
Диалог между человеком и компьютером можно определить как обмен информацией между вычислительной системой и пользователем, проводимый с помощью интерактивного терминала и по определенным правилам. Процесс диалога - это механизм обмена информацией, который можно рассматривать как оболочку, включающую все входящие в систему процессы по выполнению определенных заданий.
Традиционно различают четыре основные структуры диалога, на основе которых строится взаимодействие пользователя и информационной системой: - диалог типа меню; - диалог типа вопрос-ответ; - диалог на основе экранных форм; - диалог на основе командного языка. Интерфейсы типа меню облегчают взаимодействие пользователя с компьютеров, поскольку снимают с пользователя необходимость заранее изучать язык общения с системой. На каждом шаге диалога пользователю предъявляются все возможные в данный момент команды в виде наборов пунктов меню, из которого пользователь должен выбрать нужный. Необходимые параметры команд запрашиваются у пользователя программой с пояснительным текстом. Такой способ общения особенно удобен для непрофессиональных пользователей. Для повышения скорости взаимодействия пользователя с программой в структуру типа меню вводится возможность прямого доступа к информации.
Диалог типа вопрос-ответ пригоден как для выбора из списка, так и для ввода данных с клавиатуры. В этом случае не накладываются ограничения на диапазон значений данных, но эта структура в отличие от меню не столь пригодна для использования способа простого указания.
Многие интерактивные системы используют для ввода данных стандартные группы вопросов. Структура диалога типа экранной формы соответствует такой организации ввода, которая обычно используется в прикладных системах бухгалтерских расчетов и обработке заказов. Эта структура работает быстрее по сравнению со структурой типа вопрос-ответ, она может манипулировать более широким диапазоном входных данных, нежели меню, и ее могут использовать пользователи любой квалификации.
Структура типа экранной формы выводит на экран серию вопросов, и от пользователя требуется дать ответ на каждый из них. Большинство диалогов типа экранных форм достаточно гибки и позволяют пользователю отвечать на вопросы в любой последовательности с возможностью редактирования уже введенного ответа. Еще одной областью применения форм является задание параметров запросов в базах данных.
Интерфейс на основе языка команд требует знания пользователем наименований нужных команд и их синтаксиса. Достоинства командного языка заключается в его мощности и гибкости; он более удобен, когда пользователь уже освоил язык. Интерфейс данного типа рассчитан на опытного профессионального пользователя.
Хотя большинство диалогов основываются на какой-то структуре, которая определяет их стиль, обычно они смешанные, использующие комбинацию основных структур. АСУАПП разработана на основе принципа интерактивного диалога пользователя с системой. Взаимодействие программы с пользователем осуществляется в интерактивном режиме посредством многооконного диалогового интерфейса и системы меню. Структура и набор управляющих элементов диалоговых окон стандартизован и позволяет пользователям легко овладевать навыками работы с программой, благодаря схожести элементов управления во всех браузерах. При разработки интерфейса АСУАПП были учтены следующие требования: - интерфейс должен быть интуитивно понятным неподготовленному пользователю. Для этого его элементы должны быть подчинены общему стилю или унифицированы групповым образом, - следует активно использовать пиктограммы, поясняющие действия и предназначения элементов, не загромождая последние наличием избыточной графической информации, - перемещение между окнами приложения должно быть организовано по принципу свободного выбора решения, то есть всегда должна иметься возможность вернуться к исходному состоянию и отказаться от ввода требуемой информации.
