Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время тестирующим/обучающим компьютерным системам уделяется большое внимание, как со стороны преподавателей, так и со стороны учеников. С массовым распространением и удешевлением ПЭВМ, развитием глобальной сети Интернет существенно расширяется потенциальная аудитория дистанционно обучаемых и тестируемых.
В вузах наметился также отход от традиционных бумажных(бланковых) методик проверки знаний в направлении электронных учебников и динамичных систем компьютерного тестирования, способных адаптироваться в процессе своей работы под уровень знаний и навыков обучающихся. А следовательно, становится актуальной роль эксперта по знания (учителя), который должен не только грамотно сформулировать вопрос, но и дать анализ возможным вариантам ответа. Так как учитель физически не может постоянно находится в контуре обучающей/тестирующей системы, то требуется реализовать его роль и описать его поведение( в частности, реакцию на ответ) средствами языков и сред программирования. Таким образом, актуальной становится задача разработки и реализации функционала "виртуального учителя", как средства главного планирования, контроля и диспетчеризации всего процесса обучения/ тестирования, начиная с выбора стратегии опроса и завершая сеанс подведением итогов и выработкой рекомендаций для обучаемых.
В диссертационной работе рассматривается трехуровневая WEB-ориентированная архитектура системы компьютерного обучения и тестирования. Предполагается хранение дидактического материала и метаданных на сервере, удаленный доступ пользователей к системе через интернет/интранет, обработку результатов и реализацию адаптивного управления процессом обучения(тестирования) на сервере приложений. Аспекты системы являются управляющими и валидирующими правилами планировщика, который предназначен для поддержки функций виртуального учителя каждого реального пользователя.
Известно, что архитектура любой информационной системы ( в том числе и обучающей ) должна максимально соответствовать информационным потребностям и функциональному разнообразию предметной области. Однако, выбор инструментальных средств и платформ реализации соответствующих приложений не так уж и велик. Если рассматривать интегрированное решение (языковая среда, архив данных, генератор форм и отчетов, сетевое взаимодействие компонент, надлежащий уровень безопасности, оперативный, отложенный и удаленный доступ и т.п.) в контексте "удобная, профессиональная, адаптивная, понятная, быстрая", то подобных предложений остается совсем мало.
UNIX-ориентированные инструментарии, достаточно гибкие и неуязвимые, чаще применяются для реализации разнообразных серверных решений мощных корпоративных информационных систем. Совокупные стоимости владений такими системами достаточно велики.
Среди Windows-ориентированных инструментариев, удовлетворяющих, хотя бы частично, сформулированным требованиям, можно выделить лишь Microsoft Visual Studio с ее окружением и разнообразием технологий построения программного обеспечения. Актуальность разработки приложений под MS Windows обусловлена, прежде всего, широким распространением ОС в пользовательской среде и достаточной простотой работой в ней.
«Обратная связь» компьютерной обучающей и тестирующей системы является актуальным фактором объективного контроля знаний. Если обучающий или тестирующий материал, предлагаемый слушателям, не соответствует уровню обучаемой группы, то крайне затруднительно делать вывод о его усвоении. При этом априорное деление слушателей на «сильных» и «слабых» не всегда возможно, а в условиях, например, удаленного тестирования или заочного обучения нереализуемо. Большинство современных электронных средств обучения обладают теми или иными механизмами адаптивности. Однако оперативность внесения изменений и гибкость многих из них, к сожалению, невысокая. Отчасти, это объясняется необходимостью анализа значительных объемов оперативных данных о динамике обучения или тестирования, что, в свою очередь, требует дополнительного времени, повышенной концентрации вычислительных ресурсов, централизованного управления и ручного вмешательства экспертов предметной области.
Таким образом, актуальным становится разработка алгоритмов статистического анализа результатов тестирования, рассчитанных на максимальную автономность работы(может успешно применяться в распределенных системах) и высокую скорость обработки результатов ("на лету") в рамках концепции обратной адаптивной связи через виртуального учителя.
Предлагаемые в диссертационной работе алгоритмы имеют объектную программную реализацию, выполняются достаточно быстро, не требуют мощных вычислительных ресурсов и составляют основу функционала виртуального учителя для формирования тактики опроса слушателей.
Цель работы - разработка и реализация системы адаптивного управления настройками для средств компьютерного дистанционного обучения и тестирования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
Исследовать адаптивные методики тестирующих систем и разработать архитектуру, алгоритмы и программные средства с использованием аспектно- ориентированного подхода.
Создать схему хранения и манипулирования обучающим/тестирующим контентом.
Реализовать механизм мониторинга, экспертизы и выработки управленческого воздействия на систему в процессе обучения/ тестирования.
Применить оценочные методы и алгоритмы статистического анализа данных "на лету" в контуре функционала виртуального учителя.
Реализовать пользовательский интерфейс и апробировать на реальных данных WEB - ориентированную систему обучения/тестирования.
Методы исследования
Программная реализация предложенных архитектурных решений
обучающей и тестирующей компьютерной системы (ОТКС) базируется на
платформе Microsoft .NET с использованием интегрированных
инструментальных и языковых средств MS Visual Studio.
Апробация системы, накопление статистики, оценка применимости, достоверности и эффективности адаптивного управления ОТКС осуществлялись для различных разделов информатики. При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы теории вероятностей и математической статистики. Математические модели представлены в виде математических расчетов и соответствующих им компьютерных программ. При решении поставленных задач использовались методы математического и компьютерного моделирования, системного анализа , информатики, теории информационного поиска и теории моделей данных.
Научная новизна
Применен аспектно-ориентированный подход к процессу электронного обучения и тестирования.
Разработаны новые аспекты адаптационного ролевого механизма системы на базе предварительного сбора требований и динамических сценариев процесса обучения(тестирования).
Предложена новая роль "виртуального учителя" и определено ее место в системе управления процессом обучения.
Для построения обратной связи в системе виртуального учителя применен аппарат проверки статистических гипотез.
5. На базе современных средств программирования, реализован рабочий прототип системы компьютерного обучения (тестирования).
Достоверность результатов иследования - Научные результаты диссертационной работы получены на основании достоверных знаний прикладной информатики, моделей данных, теории информационого поиска и использовании строгого математического аппарата. Полученные результаты подтверждены положительными отзывами о них при обсуждении на международных и всероссийских научных конференциях.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в реализации предложенных в работе моделей, методов и алгоритмов при разработке системы управления научно-образовательной ОТКС. Предложенные компьютерные и математические модели и алгоритмы, а также система или ее отдельные модули могут быть использованы в качестве программного решения для ОТКС в различных прикладных областях.
Апробация работы
Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на 6-й Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Москва, 2009), на VII и VIII Международных конференциях по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNT2008, 2010) (Алушта, 2008, 2010), на XVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2009) (Алушта, 2009)
Публикации
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе одна работа в издании, входящем в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит ПО страниц машинописного текста, включая 80 рисунков и 56 таблиц. Список литературы включает 87 наименований, в том числе 43 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 125 страниц.
