Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Компьютерные методы и средства в учебном процессе 9
1.1. Обзор теоретических основ современного обучения 9
1.1.1 Основные теоретические понятия обучения 9
1.1.2 Программированное обучение 12
1.2. Средства компьютерного обучения 16
1.2.1 Исторический обзор средств компьютерного обучения 16
1.2.2 Средства компьютерного обучения. 20
1.3. Дистанционное образование .22
1.3.1 Задачи и возможности образовательных порталов 28
1.3.2. Нормативные модели пользователей портала 31
Выводы первой главы: 34
Глава 2 Методы построения учебного контента 36
2.1. Типовая структурная модель учебного материала 36
2.1.1. Граф знаний и обучающий кластер 37
2.1.2. Ярусно-параллельная форма представления графа знаний. 41
2.1.3. Планирование учебного процесса 43
2.2. Построение «интегрированного» курса 45
2.2.1 Подготовка учебной сети для работы оптимизирующих алгоритмов 47
2.2.2. Первая фаза алгоритма - перенумерация сети с «разъезжанием» разделов дисциплин 48
2.2.3. Вторая фаза алгоритма - выявление и устранение циклических логических противоречий («восьмёрок») 49
2.3. Адаптация формы представления. 51
2.3.1 Порождение графа знаний в процессе детализации знаний. 52
2.3.2 Весовые характеристики критериев 54
2.3. Тестирование 58
2.4.1. Модели обучения, учитывающие логические связи в потоковой модели знаний 60
2.4.2. Структура возвратов restudy в программах обучения при контроле выходов логических блоков обучения 61
2.4.3. Структура возвратов restudy в программах обучения при контроле входов в логический блок обучения 63
2.4.4. Семантические карты контроля 64
Результаты второй главы: 65
Глава 3 Система дифференцированного обучения - технологическая обеспечивающая часть образовательных функций портала 66
3.1. Задачи системы дифференцированного обучения 66
3.2. Проектирование системы дифференцированного обучения 69
3.2.1 Методы моделирования информационной системы 70
3.2.2 Концептуально-логическая модель учебной информации системы дифференцированного обучения 75
3.2.3. Концептуально-логическая модель учебного процесса в системе дифференцированного обучения 79
3.3. Архитектура системы дифференцированного обучения и средства ее реализации 82
3.3.1 Построение системы дифференцированного обучения по технологии распределенной обработки данных 82
3.3.2 Реализация функция сервера системы дифференцированного обучения 90
3.3.3 Сервер приложений системы дифференцированного обучения... 95
Заключение 99
Приложения 101
Литература
- Исторический обзор средств компьютерного обучения
- Задачи и возможности образовательных порталов
- Ярусно-параллельная форма представления графа знаний.
- Концептуально-логическая модель учебной информации системы дифференцированного обучения
Введение к работе
Год от года растет интерес компаний к различным системам образования. Это связано в первую очередь с более высокой зависимостью конкурентоспособности компаний от квалификации ее сотрудников. Компании отправляют своих сотрудников на переквалификацию, тратя на это огромные средства. И не всегда переквалификация дает ощутимый эффект, а во многих случаях сотрудник меняет место работы сразу или через некоторое время после того, как пройдет переквалификацию. Но это не_единственная_проблема.-Сотрудники, проходя обучение, вынуждены частично или полностью отходить от своих должностных обязанностей в силу того, что даже на вечернее обучение требуется время, которое во многих случаях компенсируется рабочим.
После появления электронного образования и образования через Интернет-компании начали сами работать над созданием собственных систем, которые давали бы возможность проходить переквалификацию, не вставая с рабочего места и подконтрольно компанией. Появляются внутренние банки знаний за счет покупки программных продуктов.
Многие направления связаны с построением систем подбора и сортировки предлагаемой информации в Интернете и последующем предоставлением этой информации пользователю. Но это направление, на взгляд автора, не эффективно. Подбор информации соответствует запросу пользователя, но не всегда соответствует его реальным потребностям. Набор ссылок, материалов, которые предоставляются пользователю, кроме того, что могут быть не поняты пользователем, не содержат никаких систем проверки усвоения материала. Это не дает возможность понять, на сколько пользователь разобрался в предложенном материале. Поэтому предполагается, что структурированный учебник более эффективен для получения новых знаний для пользователя, чем просто некоторый навигатор по Интернет.
Но простое получение бумажного или электронного учебника не реша-
ет всех проблем, вопрос ставится шире: «Как получить наиболее эффективный «механизм» повышения квалификации сотрудников?». То есть получить учебный курс, который дал бы возможность каждому сотруднику изменить его уровень квалификации в минимальные сроки без отрыва от производства.
В большинстве случаев учебный курс, предоставляемый обучаемому, -это только электронная или бумажная копия обычного учебника для очного образования, дополненная красочными картинками. А обычный учебник построен по принципам традиционного образования без учета преимуществ электронного образования^а точнее^возможности^ индивидуального подхода к каждому обучаемому.
Работы над созданием системы, полностью решающей проблемы потребителей, велись и ведутся постоянно. Существует множество программных продуктов. Но ни один из них до конца не соответствует тем требованиям, которые предъявляют пользователи. Это связанно с тем, что не существовало единого подхода к построению учебных материалов, а, соответственно, и возможностью их использования в других программных продуктах, кроме тех, для которых они изначально были написаны. Даже учебники, написанные в одном стандарте, но в разных программных продуктах, различались между собой и не могли быть включены в один учебный курс. В последнее время ситуация изменилась с появлением общего стандарта SCORM. Этот стандарт становится общим для большинства учебных материалов. Соответственно появилась возможность свести все учебники в некоторый единый материал. Но при этом появилась проблема: как из огромного числа учебных материалов выбрать необходимые данному пользователю. Кроме этого, появилась возможность разбивать материал до минимальных объектов, до абзацев. Таким образом, появилась возможность не только выбрать нужные курсы для обучаемого, но и подать сам курс в необходимой ему форме. Под необходимой формой подразумевается, что, в зависимости от индивидуальных особенностей личности обучаемого, материал может быть предоставлен в нужной ему форме. Т. е. людям, которые лучше понимают
сухой сжатый текст, будет предложен материал максимально сжатый, а обучаемый, более успешно усваивающий визуализированную информацию, получит тот же материал, но наполненный графиками, рисунками, таблицами и т.п.
В данном диссертационном исследовании сделана попытка описать методы построения системы такого типа. Системы, которая в зависимости от особенностей личности, подбирала бы учебный материал и форму его представления под каждого пользователя индивидуально.
Как всякое исследование, настоящая работа должна удовлетворить требованиям конструктивности. Под конструктивностью мы будем понимать доведение теории до реальных характеристик с выделением важных и легко оцениваемых показателей. Конструктивность подразумевает получение таких результатов, которые позволили бы сразу использовать их на практике для проектирования или оптимизации работы реальных автоматизированных обучающих систем. Единственной «некомпьютеризованной» остаётся практическая работа преподавателей над заполнением учебного плана (написание учебных материалов, внесение внутри- и междисциплинарных связей и пр.), автоматическое же оптимальное его преобразование и представление пользователю выполняет персональный компьютер.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методов построения системы обучения, способной максимально эффективно адаптироваться к индивидуальным потребностям пользователя. Для достижения указанной цели в работе необходимо было поставить и решить следующие задачи:
определить наиболее эффективную систему подачи материала обучаемому
выявить возможности современных технических средств обучения, в том числе рассмотреть возможности, предоставляемые такими стандартами как SCORM
построить математическую модель типового электронного учебника, выявить его ключевые свойства
на основе математической модели электронного учебника описать работу конструктора, автоматически создающего междисциплинарный учебный план
описать методы поиска и устранения возможных методических ошибок
построить модель адаптации формы представления материала пользователю
построить модель перехода от одного блока информации к другому, а также возврата к неизученному или забытому материалу, опираясь на результаты тестирования
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс
автоматизированного обучения. В качестве предмета исследования выбраны
методы построения учебного курса и адаптации материала индивидуальным
особенностям пользователя.
Методами и средствами исследования являются: системный анализ,
математическое моделирование, информационное моделирование данных и
знаний, объектно-ориентированный подход к проектированию и
программированию.
Научная новизна. В результате исследования получены следующие
результаты, обладающие элементами научной новизны:
проблема обучения рассматривается как часть более общей проблемы получения, структурирования, передачи и преобразования знаний, что позволяет применить в области образования научные методы, основанные на системном анализе и математическом моделировании.
предложены методы автоматизированного изменения формы представления материала пользователю с учетом его личностных психологических предпочтений
сформулированы методические принципы построения современной технологии дифференцированного обучения на основе информационных технологий, включающие:
- построение индивидуального курса для каждого обучаемого. Показано, что построение индивидуального курса уменьшает время
прохождения пользователем курса и повышает эффективность его изучения;
- построение интегрированного курса, что дает возможность избежать
дублирования материала, предоставляемого пользователю, и избежать
получения пользователем материала, который он, в силу недостатков
образования, не может понять;
- алгоритм анализа учебного курса для устранения возможных
методических ошибок в структуре материала.
Исторический обзор средств компьютерного обучения
Практически сразу с появлением компьютеров они начали использоваться в образовании. Стали разрабатываться и средства компьютерного обучения. Первый этап характеризует разработка специализированных пакетов программ — автоматизированных обучающих систем (АОС), ориентированных на создание и сопровождение достаточно простых учебных курсов. В таких системах определение методики обучения и содержание обучающих тестовых воздействий оставлялось педагогу, а выдача заранее подготовленных тестов и результатов тестирования осуществлялась средствами обучающей системы.
Следующим этапом стало создание продуцирующих систем обучения. В этот период основные усилия теоретиков автоматизированного обучения были направлены на поиск и проверку более совершенных моделей обучения на основе когнитивной психологии. Начали активно использоваться идеи и методы представления знаний, разработанные в области искусственного интеллекта. Получили значительное развитие работы в области программированного обучения, которое рассматривалось выше.
Одна из основных задач дидактического программирования в этот период — синтез целенаправленной системы оптимального управления учебными действиями, при выполнении которых состояние знаний и умений учащегося приближается к целевым. Следует отметить, что и до настоящего времени эти проблемы остаются в центре внимания разработчиков компьютерных систем обучения.
В 80-е годы продолжалось развитие инженерии знаний и инструментальных средств разработки систем обучения. На этом этапе проведены серьезные исследования по моделям объяснения, интеллектуальным технологиям формирования моделей предметной области.
Широкое распространение персональных компьютеров привело к изменению общей парадигмы использования компьютеров. Новое поколение компьютеров и применение оптоволоконной связи обусловили появление и быстрое развитие мультимедиа, гипермедиа и сетевых технологий.
Мультимедиа-технологии связаны с процессом создания мультимедийных продуктов, т.е. электронных книг, мультимедиа-энциклопедий, компьютерных фильмов, баз данных и т.д. Характерной особенностью этих продуктов является объединение текстовой, графической, аудио-, видеоинформации, анимации. В отличие от обычных программных средств в мультимедиа-продуктах на первый план выходит непосредственно сама информация, объем которой может составлять порядка сотен мегабайт.
Технологии мультимедиа не только превратили компьютер в полноценного собеседника, но и позволили учащимся, не выходя из учебного класса, присутствовать на лекциях выдающихся ученых и педагогов, стать свидетелями исторических событий прошлого и настоящего, посетить известные музеи и культурные центры мира, интересные и удаленные места планеты.
Мультимедиа-технологии положили начало "электронной книге" новому типу книги, "живые" и озвученные страницы которой отображаются на экране дисплея. Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений технологии электронной книги является создание энциклопедических изданий - электронных энциклопедий.
Гипермедиа-технологии являются развитием гипертекстовых технологий, представляющих удобные возможности работы с текстами. Практически все современные информационно-справочные системы реализуются в технологии гипертекста. Гипермедиа-продукты учебного назначения позволяют учащимся работать с большим объемом материала, представленного не только в виде текста, но также и звука, изображения, видео, и не только читать, но и слушать, смотреть, отбирать материалы, делать выписки.
Гипермедиа-технологии обеспечили скачок в развитии геоинформационных систем (ГИС), которые все чаще используются в образовательных целях и позволяют комплексно представлять информацию о сложных территориальных системах -географических, геологических, экологических, экономических и других.
Сетевые технологии — наиболее бурно развивающееся направление информатизации общества в целом и образования в частности. Телекоммуникационные технологии открыли совершенно новые возможности для учащихся и преподавателей.
Обучаемые, получая доступ в среду Интернет, совместно решают практические и научные проблемы, выполняют совместные проекты, работают небольшими исследовательскими коллективами, делятся результатами с другими группами. Использование хорошо структурированной информации, хранящейся в базах данных, служит средством проверки собственных гипотез, помогает учащимся запомнить информацию, способствует формированию приемов выполнения логических операций анализа, сравнения и др.
Задачи и возможности образовательных порталов
Образовательный портал — определенным образом организованный сайт в Интернете, который обеспечивает персонифицированный и настраиваемый интерфейс, дающий возможность пользователям взаимодействовать друг с другом, а также находить и использовать приложения и информацию в соответствии со своими интересами, задачами, функциями (студент, преподаватель, административный работник и т.п.). Он ориентирован на определенную целевую аудиторию, предоставляет средства поиска и накопление информации, средства интерактивного взаимодействия и совместной работы для пользователей, имеет механизмы классификации пользователей и персонификации их информационного обслуживания.
Образовательный портал - адаптивная система.
Согласно одному из определений, адаптивной (от позднелатинского adaptatio — приспособление) называется «образовательная система, способная помочь каждому ученику достичь оптимального уровня интеллектуального развития в соответствии с его природными задатками и способностями. Обладая такими свойствами, как гибкость, полиструктурность, открытость, адаптивная образовательная система выводит обучаемого на более высокий потенциально возможный уровень развития, приспосабливая (адаптируя) его к своим требованиям».[43]
При компьютерном обучении можно выделить три иерархических уровня адаптации к учащимся : адаптация к студентам как категории пользователей; адаптация к группе студентов; адаптация к отдельному студенту.
Первый уровень адаптации предусматривает адаптацию к каждой категории пользователей компьютерной системы обучения в зависимости от их потребностей и обычно реализуется созданием специального интерфейса для каждого класса пользователей. Такой подход характерен для любых компьютерных систем. В интеллектуальных обучающих системах учащемуся необходимо предоставить следующие возможности: обучение, проверка знаний, упражнения, помощь и справочная информация, видео-лекции и их презентации, вопросы преподавателю, конференции, студенческие форумы, электронные методические пособия, ввод комментариев по ходу занятия и др.
Адаптация к группе студентов обеспечивает адаптацию в зависимости от выбранной специальности, образовательной программы, возраста и психологической направленности личности. Этот уровень адаптации базируется, в первую очередь, на решении двух основных вопросов дидактики: «чему учить?» и «как учить?». Ответ на первый вопрос определяет цели обучения, т.е. объем необходимых знаний, умений и навыков и степень их освоения. Решение второго вопроса дидактики («как учить?») обусловливает выбор методов обучения, наиболее подходящих для группы учащихся, а также способов представления информации. На выбор методов обучения и способов представления информации влияют как возраст обучаемого, так и его психологическая направленность личности (ориентация на себя, на задачу, на взаимодействие).
На третьем уровне достигается максимальная степень адаптации к учащемуся, т.к. он основан на учете личностных характеристик студента, его предшествующих и текущих знаний, умений и навыков, опыта, способностей и т.п.
Таким образом можно выделить факторы составляющие модель ученика и модель условий обучения. Факторы, составляющие модель ученика. 1) визуальная группа: выраженность предпочтения визуального восприятия информации (визуал); предпочтение рисунков, графиков, таблиц, анимации, определённых цветов, расположения информации и т.д. 2) аудиальная группа: выраженность предпочтения аудиального восприятия информации (аудиал), предпочитаемые тембр, громкость голоса (при наличии звукового сопровождения). 3) психотипологическая группа: психотип, например, по Айзенку. 4) компьютерная группа: уровень владения компьютером и уровень компьютерной тревожности. 5) логическая группа: логика изложения учебного материала - индуктивная/дедуктивная, аксиоматическая/на примерах и т.д. 6) содержательная группа (досье ученика): что из модели предметной области прошёл, сколько этому времени посвятил, что усвоил (не в общем, а конкретные факты, понятия, связи, алгоритмы из модели).
Ярусно-параллельная форма представления графа знаний.
До сих пор модель знаний была ориентирована на логику связи отдельных -блоков. Оказывается важным при построении учебного материала учитывать и логическую независимость (несвязность) знаний. Независимость -блоков в графе знаний позволяет строить различные варианты последовательностей изложения учебного материала и выбирать из них наилучшие с точки зрения преподавателя и обучающегося.
Ярусно-параллельной формой (ЯПФ) графа знаний называется частичное упорядочение вершин по уровням, на которых расположены независимые по логическим связям і -блоки так, что на 0-м уровне расположены входные знания, а на последнем целевое знание.
На рис.2.3 показаны две различные ЯПФ для графа знаний, который состоит из двух -блоков 1Х и 2 которые являются кластерами и соответственно их объединение тоже является кластером. Как видно из рисунков, ЯПФ состоит из 8 уровней (ярусов), на 0-м уровне входные знания (А1} А2, А3), на последнем, 7-м уровне - целевое знание. На каждом уровне расположены независимые знания. ЯПФ (рис. 2.3а) и ЯПФ (рис. 2.36) отличаются друг от друга различным расположением независимых вершин по уровням.
Можно себе образно представить, что по ЯПФ идет фронт обучения, сначала изучаются входные знания, затем знания 1-го уровня и т.д., до целевых знаний на последнем уровне, причем последовательность изложения знаний на каждом из уровней произвольна. Совокупность независимых знаний на каждом уровне ЯПФ названа логическим уровнем. Таким образом, фронт обучения пробегает последовательность логических уровней обучения.
Все связи в ЯПФ разбиты на два класса: 1) непосредственные связи, которые «передают» знания с предыдущего уровня на последующий; 2) отложенные связи, указывающие на полученные ранее знания, которые студент должен помнить (или ему должны напоминать), пока эти знания будут использоваться при прохождении фронта обучения. Для фиксирования этих двух типов связей в ЯПФ предусмотрены соответствующие поля (рис.2.3.).
Количество непосредственных и отложенных связей и их соотношения могут служить очень важными характеристиками для построения последовательности обучения для различных контингентов обучаемых. Одной из характеристик графа знаний, важной для психологической оценки процесса обучения, является коэффициент забывания - X, значение его равно сумме количества уровней, которые пронизывают все отложенные связи при движении фронта обучения (на рис.2.3. они отмечены « », количество « » в ЯПФ определяет значение коэффициента забывания X).
ЯПФ графа знаний уже дает план учебного процесса, т.е. последовательность прохождения учебного материала фронтально по логическим уровням. Но при фронтальном обучении остается неопределенной последовательность изучения, что неприемлемо для построения компьютерного курса. Далее вводятся ЯПФ - формы графа знаний, рассчитанные на линейную последовательность (цепочку) порций, когда на конкретном логическом уровне находится заранее «заказанное» количество -блоков, которые мы будем теперь называть логическими блоками, привязанными строго к номеру логического уровня. Такие ЯПФ будут называться n-процессорными разложениями, где количество логических блоков на каждом из уровней равно или меньше п.
На рис.3 построено разложение графа знаний из блоков 1Х и 2 Можно заметить, что полученный план последовательности «подачи» материала обладает не очень хоропшми характеристиками. Если связать каждый логический уровень с уроком, то использование «свежих» знаний, полученных на предыдущем уроке, чрезвычайно мало (количество непосредственных связей равно 5, отмечены на рис.2.3в жирной линией). Самая длинная отложенная связь - знание А3, полученное на 3-м уроке, а последнее его использование предполагается на 7-м уроке (коэффициент забывания Х-5).
На рис.2.4 показаны план - разложения графа с ЯПФ, приведенной на рис.2.3а. Практически не исследована проблема «отложенных» знаний. Раздел формальной дидактики, связанный с построением учебных планов, открывает психологам, занимающимся процессом обучения, возможность варьирования планов и их научных оценок по сложности и протяженности логических связей в учебном материале.
В принятых методах оценки знаний обычно оцениваются целевые знания. Оценка полностью доверяется преподавателю. Даже при компьютерной оценке тестов, построенных по принципу меню (выбор одного правильного ответа из нескольких), когда оценка двубалльная (указан правильный ответ — 1, указан неправильный ответ - 0), на долю преподавателя приходится составление контекста неправильных ответов (с оценкой 0) окружающих правильный ответ (с оценкой 1).
Концептуально-логическая модель учебной информации системы дифференцированного обучения
При создании системы дифференцированного обучения, использовался объектно-ориентированный подход, при котором выделяются основные классы объектов, события, которые могут произойти в системе, и методы обработки событий для класса объектов, приписываемых этому классу объектов.
Выделим в модели два вида классов объектов: обеспечивающие процесс обучения и объекты, которые действуют в процессе обучения и которые представляют пользователей системы.
В соответствие с моделью учебного курса основным объектом в системе будет учебный блок. Но учебный блок не будет являться минимальной единицей, минимальная единица - учебные элементы, из которых состоит учебный блок.
Для учебного элемента определены следующие атрибуты: базовый набор свойств: - название; - входное (необходимое) знание - выходное (целевое) знание; - учебный материал; - дата создания; - автор; - дата последней корректировки; - комментарий. базовый набор обрабатываемых событий: - создание нового учебного элемента; - удаление учебного элемента; - подключение учебного материала;
Учебные элементы входят в состав объекта - контейнера учебный блок, который имеет следующие свойства: - карта информационных связей между составляющими блок учебными элементами; - необходимые знания (указание на учебные блоки, знание которых необходимо для изучения этого блока); - ссылка на элемент из вышестоящего/нижестоящего слоя; - входной контроль; - выходной контроль; - слой детализации; - редактор; - дата создания; - дата последней корректировки; - комментарий. базовый набор обрабатываемых событий: - проверка входных знаний (вызывается процедура входного контроля); - проверка выходных знаний (вызывается процедура выходного контроля); - детализация (по умолчанию проверяется наличие следующего слоя у блока, если его нет, происходит событие «порождение нового слоя», иначе происходит переход на новый слой и событие «создание нового учебного блока»). Учебный блок - наследник (специальный), который имеет следующие свойства: - ссылка на элемент - родитель; - группа пользователей (специальность или специализация обучаемых); - карта замен учебных элементов; - редактор; - дата создания; - дата последней корректировки; - комментарий. базовый набор обрабатываемых событий: - проверка входных знаний (вызывается процедура входного контроля); - проверка выходных знаний (вызывается процедура выходного контроля); - детализация (по умолчанию проверяется наличие следующего слоя у блока, если его нет, происходит событие «порождение нового слоя», иначе происходит переход на новый слой и событие «создание нового учебного блока»).
Учебный курс, который имеет следующие атрибуты: - владелец (пользователь, для которого он построен); - карта информационных связей; - дата создания; - дата последней корректировки; - комментарий. базовый набор обрабатываемых событий: - создание учебного курса, которое производится автоматически; - проверка на наличие методических ошибок, при нахождении методической ошибки отправляет уведомление Редактору; - удаление учебного курса;
Нормативные модели для групп пользователей (специальность или специализация), который имеет следующие атрибуты: - название группы; - набор знаний, навыков, которыми должен обладать специалист данной группы; - редактор; - дата создания; - дата корректировки; - комментарий. базовый набор обрабатываемых событий: - создание нормативной модели; - удаление нормативной модели; - открытие для просмотра/редактирования.
Учебный курс формируется на основе блоков учебного материала. Для составления учебного курса используются только основные (универсальные) блоки учебного материала. После того как курс сформирован, конструктор модифицирует учебный курс, используя блоки - наследники. Тем самым достигается индивидуализация курса и минимизируются методические ошибки. Если же ошибка была найдена, то конструктор посылает оповещение об этом редактору курса, который корректирует сформированный курс. Детализация происходит по тому же принципу.
Роль учебных элементов выполняют, либо могут выполнять минимальные элементы информации, которыми могут являться параграф, абзац, таблица и т.п. Выходной контроль — это аттестация материала для пользователя. Входной контроль может просто указывать на элементы, знание которых необходимо для изучения данного материала, и вызывать процедуру их выходного контроля.
Похожие диссертации на Модели и методы построения контента Web-портала учебного заведения
