Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные подходы к разработке ИТК: тенденции, актуальные задачи .6
1.1. Инструментарий для разработки электронных тренажеров. Критерии оценки 6
1.2. Актуальность использования методов инженерии знаний при разработке ИТК 25
1.3. Анализ применимости игровой составляющей в образовательных ИТК 32
Глава 2. Структура и особенности функциональных связей ИТК 54
2.1. Инженерия знаний в приложении к разработке ИТК 55
2.2. Компетентностная модель как шаблон для генерации модулей ИТК 65
2.3. Представление структуры компетентностной модели в формате Манчестерского синтаксиса с элементами дескриптивной логики 77
2.4. Система автоматической генерации модульной структуры ИТК 81
Глава 3. Внедрение игрового подхода в образовательные ИТК 88
3.1. Проблемы включения игровых элементов в образовательные тренажеры 88
3.2. ИТК в пространстве «обучение - симуляция - игра» 94
3.3. Модель использования игрового образовательного тренажера и алгоритм его функционирования 102
Глава 4. Апробация принципов построения ИТК на примере комплексов «Автомеханик» и «Оптик-технолог» 110
4.1. Общий принцип работы ИТК по специальности «Автомеханик» 111
4.2. Режимы работы ИТК по специальности «Автомеханик» 118
4.3. Апробация ИТК по специальности «Автомеханик» 122
4.4. Применение игровой составляющей на примере ИТК по специальности «Оптик-технолог» 126
Заключение 133
Литература 135
- Актуальность использования методов инженерии знаний при разработке ИТК
- Компетентностная модель как шаблон для генерации модулей ИТК
- Модель использования игрового образовательного тренажера и алгоритм его функционирования
- Апробация ИТК по специальности «Автомеханик»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Использование в образовательном процессе методов инженерии знаний предполагает не только адекватное представление изучаемого объекта, согласованное со структурой предметной области, но и интерактивное взаимодействие с ней пользователя. Задаваемый вопрос должен автоматически переводиться на язык формальной логики, после чего возникают условия для поиска ответа в рамках заданной структурой понятий и связей между ними. В последние годы возник спрос на интерактивные обучающие тренажеры – программы, поддерживающие обучаемого на каждом шаге решения задач. Такие тренажеры могут контролировать действия обучаемого и использовать полученную от него информацию для предоставления помощи.
Интерактивные тренажерные комплексы (ИТК) – позволяют формировать навыки работы с реальным оборудованием. На монитор компьютера выводится модель инструмента (оборудования) или интерфейс программного продукта, с помощью которой обучаемый выбирает оптимальную для каждой ситуации последовательность манипуляций.
Использование современного учебного программного обеспечение направлено на формирование требуемых компетенций, что соответствует положениям федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения (ФГОС).
Для обеспечения необходимых связей компетентностной модели выпускника (КМВ) и предметной области предлагается применять онтологический подход, а использование игрового подхода в ИТК позволяет повысить уровень мотивации обучаемого.
Цель диссертационной работы – разработка методического и алгоритмического обеспечения ИТК для освоения компетенций на основе предметных онтологий.
Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:
- проведен анализ современного состояния и тенденций в области автоматизации разработки ИТК;
- на основе нормативов ФГОС по специальностям «Автомеханик» и «Оптик-технолог» разработаны модели компетенций, формируемых у обучаемого с помощью ИТК;
- спроектирована система автоматической генерации модульной структуры тренажерных комплексов на основе анализа соответствующих предметных онтологий;
- на основе анализа вариантов использования игровой компоненты в образовательном процессе получены критерии сбалансированности трех основных активностей пользователя: обучение – симуляция - игра (ОСИ) или education – simulation – game (ESG);
- разработан алгоритм использования компьютерных игровых тренажеров для формирования профессиональных навыков;
- разработаны и апробированы ИТК для уровней начального (НПО) и среднего (СПО) профессионального образования.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы, основанные на системном подходе к решаемой проблеме, в том числе методы инженерии знаний, построения графических человеко-машинных интерфейсов, планирования и контроля результатов обучения, методы дескриптивной логики.
Объектом исследования являются результаты использования ИТК в образовательном процессе.
Предметом исследования является использование онтологического подхода и игрового погружения при формировании компетенций обучаемого с помощью ИТК.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
1. Впервые предложена модель автоматической генерации модульной структуры ИТК, основанная на компетенциях ФГОС в онтологическом представлении.
2. Новый алгоритм для автоматизации уровневого формирования результатов освоения компетенций ФГОС на основе модифицированного цикла Колба.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанная система классификационных параметров инструментария для разработки ИТК позволяет обеспечить наиболее полный функционал тренажерных комплексов.
-
Предлагаемая модель автоматической генерации модулей ИТК обеспечивает связь компетентностной модели выпускника и предметной онтологии, тем самым оптимизируя модульную структуру ИТК.
-
С помощью поэлементного анализа трех основных активностей пользователя – ОСИ и его графического представления достигается методическая сбалансированность всего тренажерного комплекса.
-
Полученный алгоритм функционирования модулей ИТК позволил адаптировать классический цикл Колба для освоения требуемых умений и навыков в соответствии с КМВ.
Практическая значимость. На основе предлагаемых моделей и алгоритмов разработаны, апробированы и внедрены в образовательный процесс ИТК уровней среднего и начального профессионального образования по специальностям «Автомеханик» и «Оптик-технолог»
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в государственном образовательном учреждении НПО «Профессиональный лицей №110 “Автосервис”», ГК «ИНФОЛИДЕР» и ЗАО «Корпоративные системы обучения» (Санкт-Петербург)
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной конференции «Информационные системы для обучения и управления персоналом (HRM)» (Санкт-Петербург, 2008 г.); VI Международной научно-практической конференции «Информационные системы для обучения и управления персоналом (HRM-09)» (Санкт-Петербург, 2009 г.); VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010 г.); VII Международной научно-практической конференции «Информационные системы для обучения и управления человеческими ресурсами (HRM-10)» (Санкт-Петербург, 2010 г.); VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Информационные системы для обучения и управления человеческими ресурсами (HRM-11)» (Санкт-Петербург, 2011 г.); I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012 г.); XIX Всероссийской научно-методической конференции «Телематика’2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.); VIII международной конференции «Optics-Photonics Design and Fabrication» (Санкт-Петербург, 2012 г.) III Научно-практической конференции «Инженерия знаний и технологии семантического веба (KESW 2012)» (Санкт-Петербург, 2012 г.).
Публикации. Основные научные результаты диссертационного исследования изложены в 9 печатных работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы, содержащий 84 наименования. Основная часть работы изложена на 192 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков, 7 таблиц, и 2 приложения.
Актуальность использования методов инженерии знаний при разработке ИТК
Утилита Camtasia Player выполняет единственную функцию -проигрывает файлы avi. Можно также добавлять свои комментарии и разнообразную графику, для того чтобы обратить внимание на важные моменты, внести дополнительную информацию и т.д. Кроме этого, есть ещё несколько десятков эффектов, от надписей, до "затуманивания" части изображения.
Главная утилита пакета - Camtasia Recorder. Эта программа предназначена для захвата звука и изображения. Захваченное видео может содержать разнообразные пояснительные надписи. Во-первых, в углу картинки может быть отображен System Stamp - информация о дате и времени создания клипа, имя компьютера и т.д. Во-вторых, к отснятому видео можно добавить watermark (водяной знак). Еще один тип эффекта, который может быть применен к видео, - Caption (сопроводительная надпись).
В процессе интерактивного занятия бывает необходимо каким-то образом обратить внимание зрителя на ту или иную область экрана. Camtasia Recorder позволяет сделать это при помощи инструмента ScreenDraw - в зависимости от заданных настроек можно по-разному выделить нужную область экрана. Для того чтобы пользователю было легче воспринимать действия на экране, щелчки правой и левой кнопкой мыши могут сопровождаться небольшими рисунками. Кроме этого, можно изменить форму курсора и добавить к нему эффект подсветки.
Для сжатия видеофайлов разработчики Camtasia Studio предлагают пользователям использовать кодек TechSmith Screen Capture Codec (TSCC). Он показывает хорошие результаты при кодировании изображения на любой глубине цветности и минимально нагружает систему, поэтому может использоваться даже в очень слабых конфигурациях.
Утилита Camtasia Theater предназначена для работы с файлами falsh, а в ее настройках можно установить цветовую схему системы навигации, выбрать шрифт для надписей и т.д. Меню, созданные при помощи этой программы, напоминают систему навигации DVD, и могут быть использованы в качестве меню автозапуска.
Производители программного продукта к наиболее важным нововведениям последней версии своей утилиты (на момент написания -Camtasia Studio 7.1) относят совершенно новые клавиатурные команды, а также возможность просматривания всех видеороликов на мобильных устройствах и сайтах-обменниках. К примеру, ролики, созданные с помощью Camtasia Studio, отлично воспроизводятся на iPhone и на сайте YouTube.com. Это важно с точки зрения распространения образовательного контента на мобильные носители и в социальные сети.
К новшествам последней версии относят также и новые, более мощные и функциональные инструменты редактирования видео - снижение минимального порога продолжительности выхода из кадра и полный контроль переходов. А с помощью новой функции «наклон» можно существенно увеличить привлекательность изображения, за счет создания иллюзии объема в кадре [4].
CourseLab - это программный продукт для создания интерактивных учебных материалов (электронных курсов), предназначенных для использования в сети Интернет, в системах дистанционного обучения, на компакт-диске или любом другом носителе.
Для ее использования не требуется знание языка HTML или каких-либо языков программирования. Создание и редактирование учебного материала происходит в среде WYSIWYG - что Вы видите, то и получите в результате. Имеются встроенные средства построения тестов и механизмы анимации объектов, а объектный подход позволяет строить учебный материал практически любой сложности, как из детских кубиков. Открытый объектный интерфейс позволяет легко расширять библиотеки объектов и шаблонов, в том числе и за счет созданных самим пользователем. К дополнительным достоинствам следует отнести возможность вставки в курсы Macromedia Flash, Shockwave, Java, видео в различных форматах и т.п.; простые механизмы вставки и синхронизации звукового сопровождения и возможность импорта в учебный материал презентаций из формата Microsoft PowerPoint. Встроенный механизм захвата экранов позволяет легко создавать симуляции работы различных программных продуктов. Опытному пользователю (разработчику) редактор предоставляет дополнительные возможности через прямой JavaScript-доступ к свойствам объектов и функциям проигрывателя курсов.
CourseLab предоставляет возможность простой и быстрой вставки в учебные модули как отдельных вопросов, так и тестов, состоящих из множества вопросов. CourseLab поддерживает следующие типы вопросов: «единственный выбор» - выбор одного варианта из набора значений (включая как частный случай вопросы типа "true-false"); «множественный выбор» - выбор нескольких вариантов из набора значений; «ранжирование» - расположение вариантов в правильном порядке; числовой ввод одного или нескольких значений; текстовый ввод одного или нескольких значений; парное соответствие - подбор правильных пар вариантов. Используется случайная выборка вопросов из списка [5].
CourseLab дает возможность построить практически любое упражнение или тест с использованием полей ввода, элементов форм, зон нажатия мыши, перетаскивания объектов и т.п. (рис. 5).
Компетентностная модель как шаблон для генерации модулей ИТК
Компетенция - динамичная совокупность знаний, умений, навыков, способностей и ценностей, необходимая для эффективной профессиональной и социальной деятельности, личностного развития выпускников; компетенцию они обязаны освоить в процессе подготовки после завершения части или всей образовательной программы. Компетентность - характеристика сформированности результатов, достигнутых выпускниками в процессе подготовки и продемонстрированных на практике в процессе испытания. Компетентность - это компетенция, проявленная и измеренная в конкретном человеке. Основными видами испытаний являются защита курсовых работ и проектов; подготовка рефератов, отчетов по научно-исследовательской работе и т.п. и, конечно, итоговая государственная аттестация (государственные экзамены и защита выпускных квалификационных работ). В ходе испытания следует устанавливать, какую компетенцию (компетенции), в каком объеме знаний, умений, навыков и с каким успехом освоил и продемонстрировал на деле обучаемый (выпускник) [64].
Компетентностная модель выпускника (КМВ) - это совокупность учебно-методической документации, регламентирующей цели и задачи, а также перечень результатов обучения, ожидаемых после завершения образовательной программы. Ожидаемый результат задает минимальный (пороговый) уровень академической и профессиональной подготовленности выпускников. Перечень ожидаемых результатов обучения описывается в КМВ в виде пакета компетенций, которые обязан освоить каждый выпускник этой программы. КМВ разрабатывается при непосредственном участии потенциальных работодателей, занимающих приоритетное положение на рынке труда. В соответствии с требованиями федеральных государственных стандартов высшего профессионального образования, принятых в 2009 г., КМВ должны ежегодно обновляться с учетом тенденций развития сферы профессиональной деятельности выпускника.
Ожидаемый результат подготовки в КМВ описывается с помощью двух групп компетенций выпускника - универсальных и профессиональных.
Универсальные компетенции выпускника инвариантны к видам профессиональной деятельности, т.е. являются надпрофессиональными. В группе универсальных компетенций выделены три подгруппы: социально-личностные, общенаучные и инструментальные компетенции выпускника. Социально-личностные компетенции формируют в процессе подготовки такие важные качества у выпускников, как целеустремленность, организованность, трудолюбие, ответственность, гражданственность, коммуникативность, толерантность, повышение общей культуры и т.п. Общенаучные компетенции формируют понимание роли науки в развитии цивилизации, основных философских учений и теорий, сущности государства и права, владение общей методологией научного познания, готовность применять фундаментальные знания по естественнонаучным направлениям подготовки (физике, математике, информатике и др.) и т.п. Инструментальные компетенции формируют базовые навыки принятия решений в сфере техники и технологий, владение современными информационными и коммуникационными технологиями, владение иностранными языками и т.п. Универсальные компетенции во многом определяются требованиями ФГОС к уровню подготовленности выпускника данного направления и уровня образования (бакалавр, магистр, специалист).
Профессиональные (специальные) компетенции выпускника описывают совокупность основных типичных черт какой-либо профессии, определяющих конкретную направленность образовательной программы. Перечень профессиональных компетенций формируется в соответствии с теми основными видами профессиональной деятельности, к которым должен быть подготовлен выпускник, например: научно-исследовательские, проектные, производственно-технологические и организационно-управленческие. Самой подвижной частью КМВ являются его профессиональные компетенции, так как они определяют профиль подготовки выпускника и являются во многом оригинальными (иначе не было бы деления на направления и специализации).
Предлагаемая структура ИТК основывается на взаимном проникновении компетентностной модели выпускника и онтологии данной предметной области. В этом случае создаваемые модули ИТК формируются не произвольно, а на основе компетенций, перечисленных в соответствующем ФГОС.
Поскольку целью использования ИТК является развитие профессиональных компетенций, то, например, из сочленяемой с онтологией «Автомобиль» модели были удалены такие общие компетенции, как «Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес», «Организовывать собственную деятельность исходя из цели и способов ее достижения, определенных руководителем» и т.п. Кроме того, среди профессиональных компетенций выделяется группа, инвариантная к специфике предметной области ИТК: «Охрана труда», «Безопасность жизнедеятельности» и т.п. Эта группа также по понятным причинам не рассматривалась как источник корректировок онтологической базы знаний.
Ядро компетентностной модели, использованной для построения тренажерных комплексов, представлено на рис. 27, а пример модели для ИТК по конкретной специальности НПО «Автомеханик» приведен на рис. 28 (здесь ПК - профессиональная компетенция; ОП -общепрофессиональные дисциплины; МДК - междисциплинарные курсы).
Модель использования игрового образовательного тренажера и алгоритм его функционирования
«Один предмет или несколько?» В данном случае правильной представляется модель интерактивного тренажерного комплекса, т.е. комплекса интерактивных тренажеров по различным (узким) областям одной предметной направленности. Таким образом, сохраняя привычную рабочую среду, одинаковую для всех тренажеров комплекса, мы обеспечиваем глубокое изучение выбранных (узких) тематик, четко разграниченное рамками отдельного комплекса.
Таким образом, необходимо использовать различные подходы в процессе создания ИТК, усиливая их лучшие стороны и стараясь избегать присущие им проблемы. Компьютерный тренажер не сможет должным образом выполнять свои функции, имея проблемный интерфейс, загружая студентов неоправданно большим потоком информации или используя слишком крутую кривую обучения. Необходимо представить актуальную структуру поощрений, продумать процесс адаптации студента и получения очков за определенные достижения, например, победы над другими игроками. Разрабатывая ИТК, нужно пытаться достичь такого уровня, при котором комплекс имел бы серьезные преимущества по сравнению с традиционными формами обучения. Ведь на данный момент компьютерные игровые тренажеры не рассматриваются даже школами как приемлемый путь достижения требуемых компетенций. И если образовательная составляющая тренажерного комплекса будет слабо отличаться от процесса обучения через учебник, то образовательное сообщество несомненно изберет последний вариант, ведь учебник представляет собой в глазах учащегося источник «бесспорной правды».
В настоящее время на результатах обучения в большинстве случаев не сказывается то, что компьютерные игровые тренажеры используются или нет. Разработчики ожидают слишком многого - сиюминутной способности обучаемого к активному построению знаний через игровой тренажер. Нельзя сказать, что студенты ничему не научатся через компьютерные игры. Они будут учиться играть в компьютерный тренажер, который может оказаться довольно сложным. Непрерывное повторение может также предоставить им фактическую информацию и различные знания, которые возможно перенести в реальный мир из игровой вселенной. Запоминание учебного материала происходит лучше, студенты более мотивированы. Конечно, студенты извлекут уроки из компьютерной игры, но вопрос в том, какие будут различия по сравнению с другими формами обучения. Не вызывает сомнений, что пользователи игрового компьютерного тренажера по специальности «Автомеханик» больше, чем те, кто обучается посредством работы с учебником, будут в состоянии идентифицировать марку или модель конкретного автомобиля, либо инструменты, используемые в диагностических и ремонтных целях (при работе в НТК ученик их постоянно видит).
Немаловажными составляющими процесса обучения через игровой компьютерный тренажер являются наличие грамотного руководителя (учителя) и правильное построение окружающего мира внутри ИТК. Компьютерные тренажеры обладают серьезным преимуществом по сравнению с классическими формами обучения - глубокая вовлеченность в процесс познания. Интерес к «компьютерной игре» не очень отличается от любой другой физической активности, как, например, соревнование по командной сборке модели автомобиля. Собирая модель автомобиля, мы, естественно, познаем много важного, например, понятия силы, инерции, движения, отношения в обществе, элементы материаловедения. Наличие тренера команды или учителя в образовательном процессе позволяет расширить этот конкретный опыт. Тренер может обобщить или упорядочить конкретные события, выявить необходимые элементы, подготовить к последующим соревнованиям, помочь в организации межличностных отношений внутри команды. Усвоение всех необходимых для достижения победы нюансов в соревновании маловероятно без коллективного размышления в команде и активного вмешательства тренера. Таким образом, учитель является тем ориентиром, следуя за которым, ученики смогут усвоить максимальное количество образовательного контента из ИТК.
Окружающая среда внутри компьютерного тренажера, в свою очередь, оказывает фоновое влияние на познавательный процесс. При правильном использовании это, например, картинки, музыкальное сопровождение, реальные модели оборудования и даже всплывающие информационные окна. Ведь студенты склонны сосредоточиваться на них, хотя в большинстве случаях вне мира образовательных игровых тренажеров они не являются полезными элементами, например - всплывающая реклама при работе в Интернете. В действительности игровой тренажер не требует понимания значительной части окружающей среды. Основное действие - это манипуляция активным содержанием. Но окружающая среда является важным элементом для обеспечения процесса погружения. Например, инструменты в тренажере по специальности «Автомеханик» могут быть нейтральным фоном или важными элементами для разборки-сборки различных частей автомобиля (рис. 34).
Апробация ИТК по специальности «Автомеханик»
Поскольку модели элементов создавались для очень ограниченных компьютерных мощностей учреждений начального и среднего профессионального образования, а необходимость в таких тренажерах существует и в рамках высшего профессионального образования, в настоящее время ведутся работы по усовершенствованию графического представления моделей оборудования с использованием ЗБ-технологий (рис. 57).
Логика построения игровой компоненты в этом случае остается прежней: если схема собрана неверно, программа сообщает об этом «конструктору», и если он самостоятельно не исправляет ошибку, дает последовательную серию подсказок для нахождения верного решения.
Реалистичная модель оптической схемы для исследования изображающих систем с лазерным освещением б) Реалистичная модель оптической схемы для исследования геометрических аберраций одиночных линз в) Реалистичная модель оптической схемы для исследования геометрических аберраций многолинзовых систем Так, в случае исследования геометрических аберраций одиночных оптических элементов (рис. 57, б), если пользователь забывает разместить после лазерного источника формирователь «веера» лазерных лучей 1 (технологический шаблон в виде двумерной решетки на пропускание), то вместо картины искаженных координат всех неосевых лучей он получит только одну светящуюся точку в центре. Естественно, в этом случае исследовать аберрации невозможно: система сразу указывает пользователю на ошибку. Если ученик не может самостоятельно исправить схему, ему предлагается набор технологических элементов; на следующем шаге ему указывается, какими именно элементами надо дополнить схему. В окончательном виде пользователь получает информацию о том, в каком именно месте схемы необходимо поместить данный элемент. ИТК по данному направлению был разработан на основе 3D-o6pa30B реального технологического оборудования (рис. 58), что позволило добиться уверенного узнавания учащимися комплекта инструментов и оснастки их будущего рабочего места. После прохождения обучения на тренажере учащиеся решали задания, основанные на правильном выборе последовательности действий с заготовкой или на задаваемых работником технологических параметрах (скорости вращения, подача эмульсии, длительности операций и т.п.), на 40 % лучше, чем в группах сравнения.
Игровой модуль в виде описанных выше плоских «пазлов» для сборки оптических схем апробировался на учащихся второго года обучения по данной специальности в Физико-механическом инженерном колледже им. С. А. Зверева (ФМИК) и был признан полезным для проведения соответствующих тренингов, о чем в диссертационном деле имеются соответствующие акты внедрения. Учащиеся, включенные в игровую команду, соревновались не только в скорости и правильности сборки оптической системы, но и в распознавании заранее полученных результатов технологических измерений по той или иной схеме.
Было установлено, что предложенный алгоритм прохождения обучения на ИТК «Оптик-технолог» с игровой составляющей оказался удачным для получения конкретного опыта (модуль 1), процесса рефлективного наблюдения (модуль 2) и решения нестандартных задач в коллективной форме (модуль 4). Менее удачными были признаны результаты обучения по модулю 3 (освоение абстрактных понятий, концептов) и модулю 5 (индивидуальное решение нестандартных задач).
С учетом контингента учащихся (уровень СПО) и предназначенности тренажера в первую очередь для получения конкретных умений и навыков подобные итоги апробации, по-видимому, можно считать вполне объяснимыми. Его совершенствование в части освоения базы знаний и индивидуализации траектории обучения включены в планы дальнейшей работы над ИТК «Оптик-технолог».
