Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время и в перспективе развитие системы образования и её соответствие требованиям в значительной степени определяется и будет определяться состоянием и качеством алгоритмов и программ систем электронного, дистанционного образования, электронных образовательных ресурсов (ЭОР), методами проектирования и анализа алгоритмов и программ для них, учётом индивидуальных характеристик и потребностей студентов и пользователей.
В России и мире динамично развивается система образовательных порталов. Среди международных проектов можно выделить: 1) Консорциум Open Courseware (OCW) (свыше 100 университетов США, Австралии, Канады и др.); 2) Open Education Recourse Commons (OER); 3) глобальный виртуальный университет в рамках Университета ООН и др.
Создано значительное число автоматизированных обучающих систем и инструментальных средств проектирования ЭОР: 1) Отечественные - БиГОР (База и генератор образовательных ресурсов), Магистр 2008, СДТ RedClass, Прометей, Дельфин и др. и 2) зарубежные (WebCT, Microsoft class server, Adobe acrobat connect, Moodle, Lersus, и др.).
Важнейшими составляющими этих систем являются алгоритмы и программы управления процессом усвоения знаний, организации компьютерного контроля и самоконтроля, выявления структуры знаний студентов и/или пользователей. Их совершенствование - актуальное направление исследований в области систем электронного, дистанционного образования и ЭОР.
Разработке моделей и методов проектирования и анализа алгоритмов и программ компьютерного выявления структуры и контроля знаний посвящены работы И.А. Башмакова, Л.С. Болотовой, B.C. Жданова, Д.О. Жукова, В.В. Нечаева, И.П. Норенкова, Б.М. Позднеева, А.Я. Савельева, А.П. Свиридова, Н.А. Селезнёвой, А.И. Субетто, Н.Ф. Талызиной, А.Н. Тихонова и др. Среди зарубежных авторов следует отметить работы А. Бирнбаума (Birnbaum), Ф. Бодендорфа, Э Вагнера, А. Кобзы, К Кубингера, Ф. Лорда, Дж. Раша, Е. Рича, Р. Вилленски и др.
Однако при проектировании и анализе алгоритмов и программ выявления структуры и контроля знаний не учитываются экономические показатели при синтезе планов контроля, реально не используются безусловные и условные алгоритмы компьютерного выявления структуры знаний, отсутствует программная реализация моделей и методов анализа и синтеза планов компьютерного контроля знаний (ККЗ). Решению этих актуальных проблем посвящено данное диссертационное исследование.
Объект исследования - алгоритмы и программы компьютерного выявления структуры и контроля знаний.
Предмет исследования - модели и методы проектирования и анализа алгоритмов и программ компьютерной идентификации структуры и контроля знаний студентов.
Целью исследования является разработка моделей и методов синтеза экономичных планов ККЗ и условных алгоритмов выявления структуры знаний для систем электронного, дистанционного образования и ЭОР.
Задачи исследования:
Выполнить аналитический обзор методов проектирования и анализа алгоритмов и программ выявления структуры и контроля знаний известных отечественных и зарубежных систем электронного, дистанционного образования и ЭОР с целью определения нерешённых проблем.
Разработать модель синтеза условных алгоритмов идентификации состояния знаний обучаемых (студентов).
Разработать приближенные методы синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов ККЗ при учёте: 1) стоимости задания одного вопроса и анализа ответа на него и 2) потерь при выставлении оценок «зачтено» и «не зачтено» без контроля.
Разработать способ упрощения таблиц покрытия положений учебного материала контрольными заданиями, обеспечивающий сокращение затрат ресурсов памяти и длительности контроля знаний.
Реализовать диалоговую систему «Анализ и синтез планов компьютерного контроля знаний» на основе предложенных автором приближенных методов синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов ККЗ при отсутствии и наличии искажений в распознавании истинности ответов. Теоретико-методологическую основу исследования составляют теория
принятия решений, теория графов, техническая диагностика, вероятностно-статистические методы.
Достоверность и обоснованность подтверждается: 1) согласованностью с имеющимися результатами других авторов, 2) корректностью выводов математических зависимостей в описании разработанных моделей и методов и 3) экспериментальными исследованиями системы дистанционного обучения по курсу «Администрирование сетевых систем» и диалоговой системы «Анализ и синтез планов компьютерного контроля знаний».
В ходе исследования была решена научная задача создания моделей и методов синтеза условных алгоритмов идентификации состояний знания студента и экономичных планов контроля знаний для проектирования программных систем.
Отличие теоретических и эмпирических данных исследования от результатов, полученных другими авторами, состоит в том, что были предложены способы синтеза условных алгоритмов идентификации состояний знаний студентов методом ветвей и границ (МВГ) для двух случаев: без ограничения и с ограничениями среднего времени идентификации.
База исследования. Работа выполнена на кафедре моделирования информационных систем и сетей Российского государственного социального университета (РГСУ) и в SRH-Высшей школе Гейдельберга на оборудовании фирмы Phoenix Contact в рамках совместного проекта.
Основные результаты, полученные лично соискателем, и их научная новизна состоят в том, что:
Предложена модель синтеза условных алгоритмов идентификации состояний знания студента на основе МВГ, позволяющих повысить эффективность программных систем примерно в два раза по сравнению с безусловными алгоритмами.
Разработаны приближенные методы синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов ККЗ при отсутствии и наличии искажений в распознавании истинности ответов, повышающих эффективность программных систем контроля знаний.
Разработан способ упрощения таблиц покрытия положений учебного материала контрольными заданиями, обеспечивающий снижение затрат ресурсов памяти и длительности контроля знаний.
На основе предложенных автором приближенных моделей и методов синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов ККЗ реализована диалоговая система «Анализ и синтез планов компьютерного контроля знаний».
Разработаны программы и планы контроля по компьютерному учебному курсу «Администрирование сетевых систем», а также программа и планы контроля по теории автоматического регулирования для совместного проекта РГСУ и SRH- Высшей школы Гейдельберга, получившего 3-ю премию на Международном конкурсе фирмы Phoenix Contact (Бломберг, ФРГ).
Теоретическая значимость исследования. Разработаны: 1) модель и метод синтеза условных алгоритмов идентификации структуры знаний студента на основе МВГ, позволяющих повысить эффективность разрабатываемой программной системы анализа и контроля знаний, и 2) модели и методы синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов контроля знаний, обеспечивающих сокращение среднего времени контроля знаний.
Практическая значимость исследования заключается в создании модели и метода синтеза условных алгоритмов выявления структуры знаний, требующих примерно в два раза меньше времени реализации по сравнению с безусловными алгоритмами, моделей и методов синтеза экономичных планов ККЗ для программных систем электронного, дистанционного образования и инструментальных средств проектирования ЭОР. Она состоит и в создании диалоговой системы «Анализ и синтез планов компьютерного контроля знаний» (на русском и немецком языках). Система зарегистрирована во ВНТИЦ, регистрация №50201000377 от 17.03.2010 г.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Модель синтеза условных алгоритмов идентификации структуры знаний студентов на основе МВГ, обеспечивающих сокращение времени выявления состояния знаний до 50% по сравнению с безусловными алгоритмами.
Приближенные методы синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов ККЗ, отличающихся учётом стоимости
задания одного вопроса и потерь при выставлении оценок «зачтено» и «не зачтено» без контроля и позволяющих сократить время проведения контроля знаний (КЗ).
Способ упрощения таблиц покрытия учебного материала контрольными заданиями, обеспечивающий сокращение размерности таблиц и на этой основе уменьшающий затраты ресурсов памяти и время контроля знаний.
Диалоговая система «Анализ и синтез планов компьютерного контроля знаний» на основе приближенных моделей и методов синтеза экономичных одноступенчатых и последовательных планов.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные результаты работы представлялись на следующих конференциях и семинарах: Вторая межрегиональная научно-практическая конференция «Наука и молодёжь в XXI веке», г. Троицк, 2004; III Всероссийский научно-педагогический конгресс «Воспитательная работа в современном вузе: проблемы, направления и пути совершенствования», Российский государственный социальный университет (РГСУ), г. Москва, 2003; Презентация совместного проекта РГСУ и SRH-Высшей школы Гейдельберга на Международном конкурсе «xplore New Automation Award 2005» фирмы Phoenix Contact, г. Blomberg, 2005; Научные чтения «Социология и информационные технологии в XXI веке», РГСУ, г. Руза, 2006; 55-я научно-техническая конференция, Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) (МИРЭА), г. Москва, 2006; VI Международный социальный конгресс «Глобализация и будущее России», РГСУ, г. Москв, 2006; Зимние научные чтения «Информационные технологии и коммуникационные ресурсы XXI в. в социальной сфере», РГСУ, г. Руза, 2007; 56-я научно-техническая конференция, МИРЭА, г. Москва, 2007; VII Всероссийский социально - педагогический конгресс «Современной социальное образование: опыт и проблемы модернизации», РГСУ, г. Москва, 2007; Зимние научные чтения «Технологии информатизации современного российского социума», РГСУ, г. Руза, 2008; 57-я научно-техническая конференция, МИРЭА, г. Москва, 2008; 58-я научно-техническая конференция, МИРЭА, г. Москва, 2009; Зимние научные чтения «Современные информационные технологии: теория и социальная практика», РГСУ, г. Руза, 2009; 59-я научно-техническая конференция, МИРЭА, г. Москва, 2010.
Результаты диссертационной работы:
внедрены в учебный процесс кафедры моделирования информационных систем и сетей РГСУ как на стадии изучения отдельных дисциплин («Нейросети и нейрокомпьютеры», «Нейро-нечеткие системы и технологии», «Системы искусственного интеллекта» и др.), читаемых для студентов специальностей «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Программное обеспечение автоматизированных систем и вычислительной техники», так и при проведении ККЗ;
внедрены в рамках совместного проекта РГСУ и SRH-Высшей школы
Гейдельберга (Германия) (третья премия на Международном конкурсе xplore New Automation Award 2005 фирмы Phoenix Contact г. Blomberg, Германия); практически использованы в госбюджетном научно-исследовательском проекте «Гуманизация и интеллектуализация информационных технологий и систем социального, гуманитарного и политехнического образования» в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)». Публикации. Основные результаты диссертационного исследования
опубликованы в 14 печатных работах, из них 3 статьи в журналах,
рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации: диссертационная работа состоит из введения,
четырёх глав, заключения и списка литературы из 75 наименований. Общий
объём основного текста составляет 144 страницы, в том числе 65 рисунков и 29
таблиц.
