Введение к работе
Актуальность работы. На пороге третьего тысячелетия информационные технологии и научные знания представляют собой важнейший ресурс дальнейшего развития человечества. Одним из первых условий, влияющих на переход мирового сообщества от индустриального этапа к информационному, является информатизация образования, смена и усовершенствование концепции образования. Этим объясняется то внимание, которое уделяют в последние годы правительства, национальные и международные организации использованию новых информационных и коммуникационных технологий в сфере образования [1,2].
В последние годы в области информационных и коммуникационных технологий наблюдается значительный прогресс, в результате которого поколения компьютерного оборудования и программного обеспечения быстро приходят на смену друг другу, появляются различного рода новые информационные технологии. Совершенно очевидными стали тенденции, ведущие к формированию информационного общества. Все это требует критического пересмотра состояния и перспектив развития системы образования.
Повсюду в мире отмечается тенденция к увеличению потока данных. Цифровая технология произвела своего рода революцию, она позволяет объединить в цифровой форме текст, графическое и видеоизображение, речевое и музыкальное сопровождение; на основе этой технологии создаются новые средства представления и передачи знаний, а также средства обучения. Относительно низкая стоимость таких устройств и их большая мощность в значительной степени способствуют их распространению. Неуклонный процесс распространения компьютеров, причем в сфере как формального, так и неформального образования, способствует росту понимания потенциала стратегий компьютеризации в качестве экономически выгодного решения целого ряда проблем, связанных с обучением.
Существующая традиционная система образования уже не в состоянии удовлетворить все возникающие потребности. В настоящее время существует множество направлений, где требуются различного рода образовательные услуги. Это и привычное среднее, высшее общее и профессиональное образование, и переподготовка кадров в связи с использованием на рабочих местах новейшей техники и технологий, и различные образовательные программы для детей. Очевидна при этом и сложность организации учебного процесса по всем направлениям в традиционной системе образования. Сама жизнь диктует нам, чему, как и где учиться. Компьютеры и информационные технологии являются одновременно самым популярным и предметом изучения, и средством организации процесса обучения.
Решением многих существующих проблем на данном этапе может стать интеллектуальная информационно-образовательная среда (ИОС), которая позволит, во-первых, объединить знания и опыт лучших преподавателей, во-вторых, сделать эти знания доступными для тысяч желающих научиться. Первые получат возможность более широкого распространения ценных знаний и методик, а вторые -возможность учиться когда, где и как им удобно. Подобная концепция организации информационно-образовательных услуг будет способствовать повышению уровня образованности населения, и, как следствие, экономическому росту и улучшению благосостояния.
>uv.. І.лЦііОЛАДЬКЛИ БИБЛИОТЕКА
"' mwmm
Важнейшей особенностью ИОС нового поколения является возможность индивидуализации процесса обучения за счет использования различных интеллектуальных средств и методов. Поэтому разработка таких интеллектуальных феноменов поддержки образовательного процесса является важнейшей и актуальной задачей на современном этапе.
Достаточно перспективным направлением считается обучение с использованием компьютерных и сетевых технологий. Развитие этого направление привело к возникновению термина дистанционное обучение или обучение с использованием дистанционных образовательных технологий. Развитием этих технологий стала концепция открытого образования. Следует заметить, что существующие методы и разработки в системе открытого образования, а также используемые программные и технические средства достигли определенной степени развития и могут рассматриваться, как базовый уровень при организации дистанционного образовательного процесса. Однако, вопросы, связанные с методологией и технологией проектирования таких систем, а также задачи обеспечения качества, мониторинга обучения и контроля знаний обучаемых остаются по-прежнему в большей степени открытыми.
Все вышесказанное подчеркивает актуальность проблем разработки методологии и технологии проектирования интеллектуальных систем дистанционного обучения, решению которых и посвящена эта диссертационная работа.
В работе рассматриваются концептуальные основы открытого образования, исследуются существующие подходы, разрабатывается теория, модели и методы для реализации в интеллектуальных системах дистанционного обучения, а также приводится пример разработки действующей среды дистанционного обучения.
Цели и задачи. Целью настоящей диссертационной работы является решение крупной научной проблемы создания методологии и технологии проектирования интеллектуальных систем на основе синтеза методов нечеткой логики, правдоподобных рассуждений, пространств знаний и непараметрической статистки.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
-
Проведен критический анализ существующих систем дистанционного обучения, интеллектуальных средств представления, обработки и контроля знаний и проведено обобщение полученных результатов.
-
Создана методология и технология проектирования интеллектуальных систем дистанционного обучения.
-
Предложена типовая архитектура интеллектуальной информационно-образовательной среды дистанционного обучения, отличающаяся от аналогов модулями интеллектуальной поддержки и мониторинга процесса обучения.
-
Предложены усовершенствованные методы представления и оценки знаний на основе теории пространств знаний, позволяющие оптимизировать структуры хранения знаний в образовательном процессе и минимизировать время анализа существующих знаний.
-
Разработаны теоретические методы адаптивного контроля знаний на основе механизмов нечеткой логики и правдоподобных рассуждений, позволяющие моделировать контроль знаний преподавателя на устном экзамене, что значительно повышает верность оценки учебных достижений.
6. Разработаны методы экспертной оценки характеристик теста и тестовых заданий
на основе методов непараметрической статистики. Областью исследования являются программные инструменталъньге средства разработки интеллектуальных обучающих систем, математическое и программное обеспечение новых информационных технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны усовершенствованные методы представления и оценки знаний на
основе теории пространств знаний, позволяющие оптимизировать структуры
хранения знаний в образовательном процессе и минимизировать время
построения пространства знаний.
-
Разработаны новые методы адаптивного контроля уровня учебных достижений на основе нечетких множеств и схем правдоподобных рассуждений, повышающие верность оценки знаний.
-
Для повышения качества обучения и верности оценки знаний, предложены математические методы и алгоритмы экспертной оценки характеристик теста и тестовых заданий.
-
Предложена новая методология и технология проектирования интеллектуальных систем дистанционного обучения, основанная на синтезе методов нечеткой логики, правдоподобных рассуждений, пространств знаний и непараметрической статистки.
-
Предложена типовая архитектура интеллектуальной информационно-образовательной среды дистанционного обучения, отличающаяся от аналогов модулями интеллектуальной поддержки и мониторинга процесса обучения.
-
Разработано новое математическое и программное обеспечение с использованием интеллектуальных методов представления и оценки знаний для поддержки образовательного процесса дистанционного обучения.
Практическая значимость. На основе предлагаемой методологии и технологии проектирования интеллектуальных систем дистанционного обучения осуществлена разработка следующих компонентов интеллектуальной системы дистанционного обучения:
математическое и программное обеспечение интеллектуальной поддержки
процесса обучения и контроля знаний; инструментальные средства разработки интеллектуальных систем
дистанционного обучения;
математическое и программное обеспечение процесса обучения и
подготовки учебных ресурсов;
алгоритмическое обеспечение проверки уровня учебных достижений,
тестирования, конструирования тестов и распознавания результатов
бумажного тестирования;
математическое и программное обеспечение сбора и обработки статистики
обучения и анализа результатов тестирования. Достоверность разработанной методологии проектирования, математических моделей и методов, алгоритмов и программных средств подтверждается использованием в диссертации математического аппарата теории нечеткой логики и правдоподобных рассуждений, теории пространств знаний и методов представления знаний в интеллектуальных системах, а также соответствующими актами о внедрении результатов исследований, документами о присвоении номеров
государственной регистрации программным продуктам в фонде алгоритмов и программ, почетным дипломом выставки ВВЦ.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методология и технология проектирования интеллектуальных систем дистанционного обучения, ориентированные на математическое и программное обеспечение, разработанное в данной диссертации.
-
Разработанные математические методы организации и обработки знаний на основе теории пространств знаний, позволяющие повысить эффективность структуры хранения знаний в образовательном процессе и минимизировать время построения пространства знаний.
-
Разработанные математические методы адаптивного контроля знаний на основе нечетких множеств и схем правдоподобных рассуждений, повышающие точность оценки знаний.
-
Разработанные математические методы и алгоритмы обработки экспертной оценки характеристик теста и тестовых заданий, на основе непараметрической статистики, повышающие качество обучения и верность оценкизнаний.
-
Типовая архитектура интеллектуальной системы дистанционного обучения, отличающаяся от аналогов модулями интеллектуальной поддержки и мониторинга процесса обучения и соответствующим математическим обеспечением.
-
Программное и математическое обеспечение на основе интеллектуальных методов представления и оценки знаний для поддержки образовательного процесса дистанционного обучения.
Авторский вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны лично автором, или при его непосредственном участии.
Апробация результатов работы. Основные научные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, выставках и конгрессах:
международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин» (Астраханский государственный технический университет, 1998); Первой Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов (Таганрогский государственный радиотехнический университет, 1998); Третьей Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (Таганрог, ТРТУ, 2000); V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, ТРТУ, 2000); Восьмой международной конференции «Открытое образование в России XXI века» (Москва, МЭСИ, 2000); конгрессе «Искусственный интеллект в XXI веке» (Москва, 2001); 2-ой Всероссийской конференции «Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании» (Москва, МЭСИ, 2001); международной научно-методической конференции Телематика (Санкт-Петербург, 2001); III Научно-методической конференции «Развитие системы тестирования в России» (Москва, Центр тестирования Министерства образования РФ, 2001); 1-я Международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления, экономики, права
и инновационных процессов в образовании» (Таганрог, ТИУиЭ, 2001), Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии Разработка и аспекты применения» (Таганрог, ТРТУ, 2001), седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2001), IEEE International Conference on Artificial Intelligence Systems (ICAIS 2002, Divnomorskoe), Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2002 (Санкт-Петербург, 2002), Международных конференций «Искусственные интеллектуальные системы» (IEEE AIS'02) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2002) (Дивноморское, 2002), XII конференции-выставки «Информационные технологии в образовании» (Москва, МИФИ, 2002), Всероссийской конференции-выставке «Современная образовательная среда» (Москва, Всероссийский выставочный центр, 2002), Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург, 2003), X Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2003» (Санкт-Петербург, 2003), 1 конференции «Развитие методов и средств компьютерного адаптивного тестирования» (Москва, МГУП, 2003), Второй Всероссийской научно-методической конференции «Развитие методов и средств компьютерного адаптивного тестирования» (Москва, МГУП, 2004) и др
По теме диссертации опубликовано 49 научных работ, в том числе 2 монографии, статьи в реферируемых журналах (в том числе, из перечня, утвержденного ВАК), 5 отчетов по НИР в рамках программы Министерства образования Российской Федерации «Создание системы открытого образования»
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и 10 приложений, списка использованной литературы из 152 наименований В работе содержится 21 таблица, 34 рисунка Объем работы без учета приложений составляет 252 страницы
