Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Средства и методы организации самостоятельной работы студентов в существующих системах обучения 19
1.1 Специфика организации самостоятельной работы студентов в системе электронного обучения 19
1.2 Существующие системы электронного обучения и их возможности применительно к СРС 22
1.3 Сравнение существующих систем электронного обучения 33
1.4 Методы и средства создания автономных учебных материалов применительно к использованию в СРС 38
1.5 Выводы по первой главе ...50
Глава 2 Модели создания программируемых учебных модулей для самостоятельной работы студентов на базе использования систем электронного обучения 51
2.1 Функциональная модель создания программируемых учебных модулей для СРС в системе электронного обучения 51
2.2 Организация хранения и представления учебного контента на основе объектно-ориентированного подхода 59
2.3 Организация сборки учебного контента 67
2.4 Учет индивидуальных характеристик обучаемого... 75
2.5 Выводы по второй главе 80
Глава 3 Алгоритмы создания программируемых учебных модулей и взаимодействия с ними обучаемого в процессе СРС 82
3.1 Алгоритмы создания индивидуализированньтх учебных модулей по запросам пользователя 82
3.2 Алгоритмы взаимодействия обучаемого с автономным программируемым учебным модулем 92
3.3 Оценка уровня усвоения учебного контента на основе выполнения обучаемым тестовых заданий 97
3.4 Функционирование системы при создании программируемых учебньгх модулей 107
3.5 Выводы по третьей главе ПО
Глава 4 Практическая проверка реализованных на основе предложенных моделей и алгоритмов программируемых учебных модулей 112
4.1 Описание эксперимента 112
4.2 Выбор шаблонов автономных учебных модулей 119
4.3 Автоматизированное формирование структуры и содержания разделов учебных модулей для СРС по дисциплине «Информатика» 123
4.4 Оценка качества автоматизировано сформированных учебных модулей как программной продукции 133
4.5 Выводы по четвертой главе 140
Заключение 142
Список литературы 144
- Специфика организации самостоятельной работы студентов в системе электронного обучения
- Функциональная модель создания программируемых учебных модулей для СРС в системе электронного обучения
- Алгоритмы создания индивидуализированньтх учебных модулей по запросам пользователя
- Описание эксперимента
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время самостоятельная работа студентов (СРС) занимает всё более значимую часть учебной нагрузки. В Государственных образовательных стандартах под СРС по дисциплинам отводится до 60% всей учебной нагрузки при очной форме обучения и этот объем значительно возрастает при заочном обучении. Однако, сама самостоятельная работа обучаемого не претерпевает практически никаких изменений, не используя возможности, которые предоставляют новые информационные технологии; информационная поддержка обучаемого в этой области процесса обучения сводится зачастую к рекомендациям списка литературы, содержащей требуемый материал, либо к раздаче конспекта лекций. Такой подход является не достаточно эффективным, поскольку обучаемый в процессе самостоятельной работы не располагает средствами контроля усвоения им учебного материала и корректировки процесса обучения. В то время как предъявляются всё большие требования к качеству образования, итоговый контроль успеваемости, проводимый в конце семестра, не дает полной объективной картины траектории обучаемого, поскольку на него влияет множество дополнительных факторов. При этом внедрение в образование новейших технологий подразумевает использование новых методик организации процесса обучения, предоставляющих в достаточной мере возможности реализации обратной связи в течение всего взаимодействия обучаемого с системой.
К основным видам самостоятельной работы студента и в традиционной форме обучения и при использовании систем электронного обучения (СЭО), как это показано в работе [44], относятся: подготовка к практическим и лабораторным занятия и семинарам, выполнение контрольных и курсовых работ,
7 изучение материала, отводимого в рабочих программах учебных курсов под самостоятельную проработку.
Особенностями самостоятельной работы студентов являются: а) отсутствие жесткой регламентации ее содержания государственными образовательными стандартами; б) отсутствие жестких временных ограничений на освоение тех или иных разделов изучаемой дисциплины; в) трудности приобретения необходимых знаний, умений в условиях от сутствия постоянной дидактической и методической помощи со стороны пре подавателя; г) сложность организации эффективного текущего контроля за усвоением материала, изучаемого в рамках СРС.
Одним из решений указанных выше проблем является создание личност-но-ориентированных автономных программируемых учебных модулей для СРС с использованием технологий электронного обучения и систем управления базами данных. Следует отметить, что непосредственное использование концепции баз данных и известных СУБД для решение данной задачи не является эффективным по следующим причинам. Во-первых, характерной чертой учебной информации является широкий спектр семантического содержания и синтаксических форм ее представления, в то же время, существующие СУБД обладают ограниченными возможностями по представлению такого типа информации. Во-вторых, для формирования учебного контента необходимо располагать возможностью представления сложных семантических конструкций, ориентированных на обучение, которые сложно реализовать с помощью внутреннего языка СУБД. В-третьих, для выдачи обучаемому учебного контента в нужной форме (аудио, видео, текст и др.) необходимо «привязывать» процедуры его обработки к типу контента, что отсутствует в существующих СУБД .
Таким образом, на наш взгляд, целесообразно разработать методы хранения и программные инструментальные средства создания личностно-
8 ориентированных автономных программируемых учебных модулей, используемых обучаемым независимо от системы электронного обучения, на базе которой они были созданы. С целью повышения эффективности работы обучаемого с такими учебными модулями нами предлагается включить в их состав активное содержание для управления процессом обучения и контроля усвоения учебного материала.
На сегодняшний момент рынок образовательных услуг предпринял попытки распространения систем дистанционного обучения, внедрение которых позволяет решить ряд проблем, связанных с организацией всего процесса обучения в целом. Однако, это сопряжено с рядом трудностей и в настоящее время большинство ВУЗов так или иначе используют новейшие технологии, внедряя их в уже существующие процессы обучения, получая таким образом системы электронного обучения.
Одной из важных особенностей СРС на базе использования технологий электронного обучения является то, что в настоящее время значительное число обучаемых располагают за пределами учебного заведения компьютерной техникой с невысокими техническими характеристиками и имеют доступ к Internet по низкоскоростным коммутируемым каналам. При этом стоимость передачи информации по каналам связи остается высокой. Это накладывает жесткие ограничения на использование автономными электронными учебными модулями телекоммуникационных и вычислительных ресурсов.
Кроме решения указанных выше проблем, повышению эффективности обучения способствует использование индивидуального подхода к каждому обучаемому, что дает возможность получить такой учебно-методический материал, который будет являться адаптированным к конкретному обучаемому или группе обучаемых. Подобные реализации позволяют сделать процесс обучения наиболее гибким и получить лучшее усвоение студентами учебного материала. Наличие заложенного в учебно-методическом материале элементов
9 самоконтроля усвоенных знаний студентом положительным образом отражается на качестве усвоения материала.
При этом следует отметить, что в настоящее время отсутствуют системотехнические модели представления контента СРС, основанные на выделении автономных модулей, взаимосвязанных по учебному контенту как внутри, так и между собой.
Согласно классификации, предложенной в работе коллектива отечественных специалистов под руководством Е.С. Полат [74], автономные учебные материалы предназначены для самообразования и предоставляются обучаемому на машинных носителях (дискетах, компакт-дисках). С целью повышения эффективности работы обучаемого с такими материалами нами предлагается включить в их состав активное содержание для управления процессом обучения. В дальнейшем такие учебные материалы будем называть автономными программируемыми электронными учебными модулями.
Под автономным программируемым электронным учебным модулем (далее ЭУМ) будем понимать сгенерированный и скомпилированный СЭО единый файл, содержащий учебно-методический материал, а также внедренные в него скрипты, реализующие переходы между различными блоками изучаемого материала для возможности управления процессом обучения во время СРС на компьютере без постоянного доступа к сетевым ресурсам.
Исходя из вышеизложенного актуальной является разработка моделей и алгоритмов создания автономных программируемых электронных учебных модулей для СРС с использованием современных информационных технологий (в том числе СЭО) на базе объектно-ориентированного подхода к хранению и обработке учебно-методической информации (УМИ), позволяющего реализовать индивидуализированное обучение благодаря глубокой структуризации и взаимосвязи элементов учебного контента в условиях рационального использования телекоммуникационных и вычислительных ресурсов.
Настоящая работа направлена на разработку программных инструментальных средств создания автономных программируемых учебных модулей для самостоятельной работы студентов на основе использования объектно-ориентированного подхода к хранению и обработке учебно-методической информации в системах электронного обучения. Основным предназначением разрабатываемых в данной работе учебных модулей является предоставление обучаемым личностно-ориеитированных автономных электронных учебных модулей, содержащих механизмы управления обучением и средства контроля усвоения материала и позволяющих при этом рационально использовать телекоммуникационные и вычислительные ресурсы.
Предметом исследования настоящей диссертационной работы являются модели формирования учебно-методического материала (УММ) на основе объектно-ориентированного подхода к хранению и обработке учебно-методической информации в СЭО и управления обучением при организации СРС, призванные предоставить обучаемому набор дополнительных образовательных услуг на базе новых информационных технологий обучения (НИТО).
Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов создания в системах электронного обучения автономных программируемых учебных модулей, обеспечивающих информационную поддержку самостоятельной работы студентов и позволяющих рационально использовать телекоммуникационные и вычислительные ресурсы.
Реализация поставленной цели позволит: в высокой степени формализовать и автоматизировать процесс создания индивидуализированных автономных программируемых учебных модулей за счет глубокой структуризации исходного учебно-методического материала и объектно-ориентированного подхода к его хранению и обработке; рационально использовать телекоммуникационные ресурсы при передаче автономного электронного учебного модуля на ПК обучаемого и вычисли- тельные ресурсы ПК в процессе работы с автономным электронным учебным модулем; повысить эффективность взаимодействия обучаемого с автономным учебным модулем за счет использования скриптов, включенных в состав программируемого учебного модуля; учитывать индивидуальные способности обучаемого при создании программируемого учебного модуля; обеспечить обучаемому возможность изучения материала автономного программируемого учебного модуля на персональном компьютере без доступа к сетевым ресурсам; обеспечить эффективный контроль усвоения учебного материала в процессе самостоятельной работы студента с автономным программируемым учебным модулем.
Задачи исследования
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:
Провести анализ существующих в настоящее время систем электронного обучения и выявить их возможности с точки зрения реализации индивидуализированного программированного обучения с использованием автономных учебных модулей.
Разработать логическую модель базы данных для хранения учебного контента в системе электронного обучения на основе объектно-ориентированного подхода, позволяющего выполнять сборку отдельных фрагментов автономного электронного учебного модуля из компонентов структурированной учебно-методической информации, рационально использующего телекоммуникационные и вычислительные ресурсы.
Разработать программные инструментальные средства для создания в автоматизированном режиме автономных программируемых учебных модулей.
Разработать программное обеспечение, реализующее алгоритмы взаи-
12 модействия обучаемого с автономным программируемым учебным модулем, позволяющее получать широкую гамму траекторий обучения.
5. Осуществить практическую реализацию предлагаемых моделей и программного обеспечения создания программируемых автономных учебных модулей для СРС в системе электронного обучения и оценить качество полученного программного продукта.
Методы исследования
Результаты исследований, выполненных в работе, базируются на использовании методов модульного и объектно-ориентированного программирования, теории системного моделирования, теории принятия решений, аппарата баз данных, реляционной алгебры, теории множеств и графов.
На защиту выносятся:
Логическая модель базы данных для организации хранения и обработки структурированной учебно-методической информации, реализованная на базе объектно-ориентированного подхода, позволяющая в отличие от существующих в значительной мере упросить последующую сборку взаимосвязанных фрагментов учебно-методического материала за счет использования таблицы рекурсивных связей объектов, а также рационально использовать имеющиеся телекоммуникационные и вычислительные ресурсы.
Программные инструментальные средства для создания автономных программируемых учебных модулей для самостоятельной работы студентов в системе электронного обучения, реализованные на основе использования логических связей между объектами учебно-методической информации внутри фрагментов и отношений между различными фрагментами учебного материала внутри учебного модуля, что позволяет в высокой степени автоматизировать процесс сборки учебных материалов.
Программное обеспечение, реализующее алгоритмы взаимодействия обучаемого с учебным модулем в процессе самостоятельной работы на компьютере без постоянного подключения к сетевым ресурсам на основе исполь-
13 зования языка программирования Java-script, позволяющее получать широкую гамму траекторий обучения. Научная новизна работы заключается в следующем;
1. Предложенная логическая модель базы данных для организации хранения и обработки учебно-методической информации, реализованная на базе объ ектно-ориентированного подхода, позволяет: а) упростить последующую сборку взаимосвязанных фрагментов учебно-методического материала; б) рационально использовать имеющиеся телекоммуникационные и вычислительные ресурсы.
Разработанные программные инструментальные средства для создания автономных программируемых учебных модулей для самостоятельной работы студентов в системе электронного обучения, использующие логические связи между объектами внутри фрагментов и отношения между различными фрагментами внутри учебного модуля, позволяют автоматизировать процесс сборки учебных материалов.
Разработанное программное обеспечение реализует алгоритмы взаимодействия обучаемого с учебным модулем на основе использования языка программирования Java-script, позволяющее получать широкую гамму траекторий обучения.
Практическая ценность Результаты диссертации позволяют:
Организовать эффективное хранение, поиск и обработку учебно-методической информации, необходимой для создания в системе электронного обучения автономных учебных модулей, предназначенные для самостоятельной работы студентов.
Автоматизировать и формализовать процесс подготовки программируемых автономных учебных модулей в системе электронного обучения.
Повысить эффективность использования телекоммуникационных и вычис-
14 лительных ресурсов в процессе доставки обучаемому и работы с автономным ЭУМ за счет рациональной компоновки структуры и содержания учебного контента в ЭУМ.
Повысить эффективность СРС за счет предоставления обучаемым индивидуализированных интерактивных автономных программируемых учебных модулей, позволяющих им самостоятельно в удобное время осваивать учебно-методический материал и контролировать результаты его усвоения.
Использовать разработанное программное обеспечение для управления обучением и контроля за результатами усвоения учебного материала на базе тестирования в рамках самостоятельной работы обучаемого.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Тархову СВ. за полезные, конструктивные советы по реализации механизмов управления обучением в электронном автономном программируемом учебном модуле, а также за помощь в практической реализации электронных автономных программируемых учебных модулей и обсуждении полученных результатов.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Основная часть содержит 154 страницы и включает в себя 33 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 104 наименования. В приложениях приведены: примеры экранных форм автономного электронного учебного модуля, предназначенного для самостоятельной работы студентов; фрагменты исходных кодов программы «Учебный модуль», позволяющие выполнить оценки состояния обучаемого и формирование для него индивидуализированного учебного материала; документы по Программе поэтапного внедрения на кафедре информатики технологий автоматизированного сетевого и дистанционного обучения; свидетельства о регистрации программ в РОСПАТЕНТ; акты о внедрении основных результатов диссертационной работы.
В первой главе представлен анализ возможностей существующих систем электронного обучения с точки зрения информационной поддержки организации самостоятельной работы студентов, рассмотрены средства и методы создания учебно-методических материалов, предназначенных для самостоятельной работы студентов и автономных по отношению системе электронного обучения. Обоснована цель и задачи исследования, выявлены ее особенности и этапы решения.
Во второй главе рассматривается построение моделей и методов создания программируемых учебных модулей для самостоятельной работы студентов. На базе использования методологии функционального моделирования SADT разработана функциональная модель создания автономных электронных учебных модулей. Детально проанализированы функции системы и определены ее основные структурные компоненты, позволяющие в значительной мере формализовать и автоматизировать процесс подготовки автономных по отношению к СЭО электронных учебных моделей, предназначенных для СРС.
Предложены модифицированные методы организации хранения и обработки учебно-методической информации, реализованные на базе объектно-ориентированного подхода. Хранимые в базе данных объекты учебно-методической информации имеют перекрестные ссылки друг на друга (взаимосвязи), сведения о которых хранятся в разделе метаданных объектов. Наличие у объектов логических взаимосвязей позволяет реализовать более совершенные механизмы сборки учебного контента. Предложенный подход позволяет собирать многосвязные структуры фрагментов учебно-методической информации и реализовывать связи как внутри них, так и между отдельными фрагментами одного автономного электронного учебного модуля.
Для организации использования индивидуализированного подхода к генерации и сборке учебного материала предложено учитывать индивидуальные характеристики обучаемого. Применение данного метода дает возможность получить наиболее адаптированный к конкретному обучаемому (группе обу- чаемых) автономный электронный учебный модуль. Для хранения и использования вышеописанных характеристик предложено использовать модель обучаемого, хранящую данные во время всего процесса взаимодействия обучаемого с СЭО.
В третьей главе рассматриваются алгоритмы создания в автоматизированном режиме программируемых учебных модулей, предусматривающие взаимодействие пользователя с системой электронного обучения при сборке автономного электронного учебного модуля. Алгоритм генерации автономных электронных учебных модулей представляет собой четко регламентированную последовательность действий, следование которым позволяет разработчику в диалоге с СЭО создавать на основе запросов пользователя необходимый учебно-методический материал. Предложенная формализация возможна благодаря глубокой структуризации учебного материала до уровня минимальных неделимых с точки зрения хранения и дальнейшего использования объектов, из которых и осуществляться сборка как учебных фрагментов, так и учебного модуля в целом. Индивидуализация процесса генерации учебных модулей в СЭО достигается за счет использования модели обучаемого.
Для оценки состояния обучаемого в процессе его взаимодействия с учебным модулем предлагается подход, основанный на выполнении тестовых заданий, представленных в виде объектов, содержательная часть которых связана с объектами, в которых хранится теоретический материал. Такой подход позволяет на основе обработки результатов выполнения тестовых заданий обучаемым осуществлять для него сборку индивидуализированного учебного материала.
Предложенный алгоритм интерактивного взаимодействия обучаемого с учебным модулем, построенный на основе графа, иллюстрирующего возможность выбора широкой гаммы траекторий обучения, позволяет реализовать четыре вида переходов по учебному контенту и отказаться от жесткого программирования процесса обучения.
В четвертой главе рассматривается практическая проверка реализованных на основе предложенных моделей и алгоритмов автономных электронных учебных модулей для СРС на базе систем электронного обучения.
Обосновывается выбор программных и аппаратных средств для реализации подготовки учебных модулей. Описываются применяемые в процессе сборки шаблоны. Приводится пример практической реализации автономного электронного учебного модуля для СРС по дисциплине «Информатика».
Выполняется оценка качества автономных электронных учебных модулей как программной продукции на основе использования рекомендаций государственных стандартов в области качества программной продукции.
Заключение содержит основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Основания для выполнения работы
Работа выполнена на кафедре информатики Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и связана с выполнением исследований в рамках реализации внутривузовской Программы поэтапного внедрения на кафедре информатики технологий автоматизированного сетевого и дистанционного обучения.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
ХШ Всероссийской научно-методической конференции «Проблемы качества образования», Уфа-Москва, 2003 [39, 87]; VT Всероссийской объединенной конференции «Технологии информационного общества - Интернет и современное общество» (IST/JMS-2003). -Санкт-Петербург, 2003 [88];
8-й Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых. Москва, МИФИ, 2004 [37];
18 XV Всероссийской научно-методической конференции «Актуальные проблемы качества образования и пути их решения в контексте европейских и мировых тенденций». Уфа-Москва, УГАТУ, 2005 [35, 56]; Зимней школе-семинаре аспирантов ФИРТ УГАТУ, Уфа, 2006 [63].
По теме диссертации опубликовано 18 работ.
Основные результаты диссертационной работы внедрены: в Уфимском государственном авиационном техническом университете; в Туймазинском индустриальном техникуме.
Акты внедрения приведены в приложении 5.
Специфика организации самостоятельной работы студентов в системе электронного обучения
Использование систем электронного обучения с точки зрения пользователя дает достаточно широкий диапазон новых возможностей при изучении учебного материала. Наглядность и доступность информации делает процесс обучения более гибким и всё более адаптированным под конкретного обучаемого. При этом процесс обучения претерпевает изменения.
Говоря о самостоятельной работе студентов, необходимо четко определить, что будет под ней пониматься. К самостоятельной работе студентов согласно [44] принято относить как самостоятельную работу на аудиторных занятиях (во время лекций, семинаров, практических занятий и лабораторных работ) , так и внеаудиторную самостоятельную работу студентов (изучение теоретического материала, подготовка к лабораторным работам, практическим и семинарским занятиям, выполнение контрольных и курсовых работ и др.). В дальнейшем в работе будет использоваться понятие СРС, которое будет рассматриваться так как оно регламентировано в образовательных стандартах. Итак, под СРС будем понимать внеаудиторную самостоятельную работу студентов - планируемую учебную, учебно-исследовательскую, научно-исследовательскую работу студентов, выполняемую во внеаудиторное время по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия.
Самостоятельная работа студента ни коем образом не контролируется преподавателем по времени - это одно из основных отличий СРС от лекционных курсов, практических и лабораторных занятий и в целом любых занятий, проводимых аудиторно. Контролем знаний со стороны преподавателя является итоговый контроль, проводимый в конце семестра в форме зачета или экзамена. Таким образом, временной промежуток, отводимый на СРС, никак не регламентируется внутри семестра. При этом сроки выполнения курсовых и контрольных работ, относимых к самостоятельной работе, не совпадающих с окончанием семестра, являются внутренними сроками отчетности и принимаются за установленные. Внутри системы электронного обучения самостоятельная работа также не регламентируется по времени. Длительность каждого сеанса работы с ЭУМ студент определяет самостоятельно, при этом информация о них поступает во время всей работы студента с системой и является одной из составляющих траектории обучения.
Как было уже сказано в предыдущих главах, самостоятельная работа студента включает в себя не только изучение материала, но также выполнение обучаемым каких-либо заданий для получения и закрепления практических навыков, а также самоконтроль усвоенной информации. Таким образом, время изучения одного и того же ЭУМ разными студентами не будет одинаковым в силу различия траектории движения каждого конкретного пользователя. При работе с ЭУМ обучаемому может потребоваться дополнительная информация для восприятия предложенного материала, что неминуемо скажется на длительности работы студента с учебным модулем в целом.
Кроме вышеописанных аспектов, необходимо подчеркнуть также влияние различных психологических составляющих на усвоение информации и время, необходимое на это, хотя в аспекте данной работы эти характеристики не являются областью изучения. Способы восприятия студентами информации различны: кто-то легче усваивает текст, снабженный обильной графикой, кому-то легче воспринимать информацию, подкрепленную формулами; кто-то в принципе тратит больше время на изучение информации. Таким образом, для разных студентов время движения по одному и тому же модулю, даже по одной и той же траектории обучения, будет различным в силу их психологических особенностей.
Продолжительность каждого сеанса работы пользователя с ЭУМ будет являться значимым фактором при работе студента с системой в режиме online, когда время взаимодействия будет фактическим временем, проведенным обучаемым в Internet. При работе студента с автономным модулем на персональном компьютере без доступа к сетевым ресурсам время обращения к уже созданному ранее модулю и движение внутри него являются внутренними характеристиками.
При традиционной организации обучения для того, чтобы самостоятельно изучить какой-либо материал студент вынужден работать с несколькими источниками литературы, содержащими необходимую информацию, зачастую их количество превышает два и более, а глубина изучения может не соответствовать потребностям обучаемого. При использовании учебного модуля, сгенерированного системой электронного обучения, студент получает необходимую ему информацию в виде одного блока, оставляя при этом для себя возможность запрашивать и получать при необходимости дополнительные сведения.
Использование системы электронного обучения предполагает наличие персонального компьютера, на котором студент может просматривать полученный учебный модуль. Однако, использование технологии получения автономного модуля не накладывает требований на наличие сетевого подключения компьютера при изучении материала. При этом ЭУМ может представлять собой любой требуемый материал: справочные пособия, лекционный материал, задания и прочие. Возможность генерации ЭУМ" малого размера делает возможным хранение их на любых носителях и возможность при необходимости передаче по сети с небольшими затратами трафика.
Функциональная модель создания программируемых учебных модулей для СРС в системе электронного обучения
Модель подготовки учебных модулей в системе электронного обучения разработана на основе использования методологии структурного анализа и моделирования SADT [49] и реализована в системе визуального моделирования AllFusion Process Modeler.
Рисунок 2.1 — Контекстная диаграмма АО В ней на вход подаются следующие параметры: учебно-методический материал, некоторые данные об обучаемом и рабочие программы, на основе которых должны быть созданы индивидуализированные ЭУМ
На выходе получается адаптивный учебный модуль, процесс генерации которого выполняется под регламентацией управляющей информации: ГОС (Государственный образовательный стандарт), учебный план (возможно, индивидуальный учебный план) и методология подготовки учебных курсов.
Исполнителями процесса являются: инженер курса, ГГПС (профессорско-преподавательский состав) и система электронного обучения. Использование в СЭО объектно-ориентированного подхода к организации хранения и обработки УМИ позволяет сделать процесс генерации учебных модулей достаточно быстрым, экономичным как в плане хранения информации, так и относительно трудоемкости его подготовки.
Одна из контекстных диаграмм модели, иллюстрирующая процесс компоновки учебных модулей показана на рисунке 2.2.
В процессе ее реализации из отдельных объектов УМИ, хранящихся в базе данных СЭО, основываясь на формализованных рабочих программах и уровне начальной подготовки обучаемого (параметры модели обучаемого), полученных на предыдущих этапах (рисунки контекстных диаграмм не приводятся), собираются индивидуализированные учебные модули. При этом управляющими параметрами являются результаты структурного анализа рабочей программы, а также методология подготовки учебных модулей.
Контекстная диаграмма процесса компоновки учебных модулей Доступ обучаемых к ЭУМ осуществляется по Intranet/Internet. В случае, если в дальнейшем необходимо скомпилировать автономный от СЭО учебный модуль для передачи его обучаемому, включив в его состав активное содержание (методы обработки входящих в него объектов УМИ), то на рассматриваемом этапе подготовки УММ возможен только один вариант компоновки ЭУМ - в гипертекстовом формате.
Скомпилированный ЭУМ используется обучаемым независимо от СЭО, но, при необходимости, может обеспечивать связь с ее информационными ресурсами посредством гиперссылок.
На контекстной диаграмме, показанной на рисунке 2.3, представлен процесс создания скомпилированного ЭУМ, который может быть как статически адаптированным на этапе сборки гипертекстового контента, так и содержать в своем составе механизмы динамической адаптации, реализованные на основе скриптов (методов объектов).
Наиболее перспективной и удобной для сборки индивидуализированных адаптивных ЭУМ является технология создания скомпилированных руководств, разработанная корпорацией Microsoft. Она позволяет создавать скомпилированный файл (формат СИМ - Compiled Help (HTML) Manual), содержащий гипертекстовую структуру электронного документа и скрипты обработки включенного в документ контента. Гипертекстовая структура обеспечивает возможность простой и логичной навигации по ЭУМ, позволяет включать в состав УМИ статическую и анимированную графику, предоставляет возможность исіюльзования хорошо развитых механизмов поиска необходимой информации внутри ЭУМ. При этом обеспечивается целостность информации, включенной в состав автономного учебного модуля, предназначенного для СРС. Компиляция автономного ЭУМ позволяет в максимальной степени уменьшить объем учебного модуля за счет реализации в формате СНМ эффективных механизмов сжатия информации.
Алгоритмы создания индивидуализированньтх учебных модулей по запросам пользователя
Процесс генерации автономных электронных учебных модулей представляет собой четко регламентированную последовательность действий, следование которым позволяет разработчику в диалоге с СЭО создавать на основе запроса пользователя необходимый материал. Такая формализация возможна только в случае глубокой структуризации учебного материала до уровня минимальных неделимых с точки зрения хранения и дальнейшего использования объектов, из которых и будет осуществляться сборка итогового учебного модуля.
Разрабатываемый алгоритм функционирования программных инструментальных средств создания автономных электронных учебных модулей описывается в графическом виде с использованием блок-схем [18].
Обобщенный алгоритм формирования учебных модулей [33], показанный на рисунке 3.1 построен для модели СЭО, описанной в работе [60].
Данный алгоритм представляет собой наименее детализированную последовательность действий, выполняемых системой электронного обучения и разработчиком учебного контента. Многие из представленных блоков являются предопределенными процессами, что означает их глубокую структурированность при более детальном рассмотрении.
Алгоритм представлен в виде линейной структуры с использованием цикла, в котором последовательно осуществляется формирования множества логически связанных фрагментов, составляющих ЭУМ.
В начале работы СЭО получает от пользователя запрос на генерацию ЭУМ, данный запрос является неким входным параметром для СЭО, поэтому помещен в блок ввода информации. После ввода данных СЭО отправляет запрос к модели обучаемого о программе обучения студента. Далее идет поиск готового или формирование алгоритма обучения - блок, в котором выбирается уже существующий или создается новый согласно требованиям алгоритм обучения, в соответствии с которым реализуются управляющие воздействия. Следующим этапом формирования учебного модуля является генерация фрагментов ЭУМ, которая представляет собой циклическую структуру. В начале в БД УМИ посылается запрос, после чего анализируется совокупность выбранных объектов. Использование теории объектного хранения данных позволяет сравнивать не только данные объектов, но и их метаданные. После анализа следует поиск объектов смежных областей знаний. Этот этап необходим для того, чтобы получить, в конечном счете, ЭУМ наиболее полно описывающий заданную тему с возможностью ссылок на понятия, являющиеся базовыми или предшествующими для изучения требуемого материала. Заключительным шагом цикла будет формирование фрагментов ЭУМ.
Таким образом, на выходе из цикла будут получены сформированные фрагменты ЭУМ. На следующем этапе из них собирается гипертекстовый модуль.
Далее идет блок выбора шаблона, в соответствии с которым будет генерироваться ЭУМ. Тот или иной тип шаблона определяется назначением ЭУМ. Так, например, для ЭУМ, предназначенного для последовательного изучения теоретического материала целесообразно использовать шаблон, содержащий управляющие элементы, позволяющие осуществлять последовательную навигацию по УММ, т.е. переходить от одного раздела учебного материала к другому. Для ЭУМ, являющихся информационно-справочными, целесообразно использовать шаблон, позволяющий представить УММ в виде иерархической структуры, а также осуществлять глобальный поиск интересующей обучаемого информации по всему учебному материалу. После того, как получен некоторый сгенерированный ЭУМ, СЭО посылает в модель обучаемого информацию о том, какой материал был запрошен и собран. Это необходимо для того, чтобы при сборке последующих учебных материалов, система могла бы проследить какой материал был уже передан обучаемому и изучен им, что считается таковым априори. Заключительным этапом формирования учебных модулей будет выдача обучаемому автономного ЭУМ.
Рассмотрим данный алгоритм более детально - по блокам. Второй уровень детализации алгоритма, представленного в виде блок-схемы, изображен на рисунке 3.2, который иллюстрирует процесс формирования учебных фрагментов. После того, как в соответствии с запросом пользователя и данными модели обучаемого будет выбран алгоритм обучения, согласно которому будет осуществляться управление процессом изучения учебного модуля студентом во время самостоятельной работы, идет непосредственно сборка отдельных фрагментов, составляющих учебный модуль. Как уже было сказано в предыдущей главе, учебный фрагмент представляет собой дидактически завершенную часть учебного материала, состоящую из отдельных объектов. Примером учебного фрагмента может служить совокупность текстового материала - «определение» и графического файла - «рисунок». Таким образом учебный фрагмент - это несколько взаимосвязанных между собой объектов УМИ и для формирования фрагмента необходимо в первую очередь выделить из всей БД УМИ объекты, входящие в состав учебного модуля. Поэтому, первым этапом алгоритма будет циклическая структура, в начале которой осуществляется ввод информации об искомом объекте УМИ в соответствии с алгоритмом обучения, на основе которой формируется поисковый образ. Искомая информация расположена в метаданных объекта УМИ. После этого в цикле осуществляется поиск требуемых объектов в БД УМИ. Каждый найденный объект УМИ добавляется к совокупности уже выбранных, тем самым они составляют множество объектов, соответствующих запросу. На данном этапе обращение в цикле к БД УМИ завершено.
Следующим шагом осуществляется работа с множеством выбранных объектов. В цикле, когда просматриваются все объекты выбранного множества выполняется анализ дополнительных метаданных - связей между объектами. После этого можно установить назначение найденных в БД объектов УМИ. Можно говорить, что весь учебный модуль может быть условно поделен на три «блока», о чем было упомянуто в предыдущей главе. Один блок - теоретическая часть материала (блок «Теория»), изложенная в виде текста, снабженного иллюстрациями в виде графических изображений и видео-файлов, а также любыми другими файлами мультимедиа. Другой блок - задания для закрепления практических навыков (блок «Задания»). Третий блок - вопросы и задания для контроля, т.е. тестирование (блок «Тест»). Исходя из анализа метаданных объекта, отнесем его к одному из перечисленных выше блоков. Возможна ситуация, когда один и тот же объект будет относиться сразу к нескольким блокам. Так, допустим, один и тот же графический объект может быть необходимым элементов теоретического курса - являться иллюстрацией к какому-либо определению, а так же может выступать необходимой частью задания для практики или же частью вопроса в тестировании. Поэтому на этапе анализа метаданных о назначении того или иного объекта каждый объект УМИ может быть отнесен к одному или одновременно к нескольким блокам.
Описание эксперимента
Рассмотрим задачу создания логически завершенного фрагмента «Программирование на языке высокого уровня Visual Basic» учебной дисциплины «Информатика» в рамках базового курса информатики для студентов технических университетов.
Выбор в качестве примера СРС по дисциплине «Информатика» основан на том, на кафедре информатики осуществляется планомерное внедрение технологий электронного обучения в учебный процесс в рамках изучения дисциплины «Информатика» (см. приложение 3).
По учебной дисциплине «Информатика» в зависимости от направления подготовки дипломированных специалистов (технические специальности) на СРС отводится от 38% до 67 % от общего числа часов. Самостоятельная работа студентов предусмотрена по всем разделам учебной дисциплины: «Основы теории информации» (от 1% до 5%), «Технические средства реализации информационных процессов» (от 3% до 9%), «Системное программное обеспечение» (от 3% до 10%), «Модели решения функциональных и вычислительных задач» (от 2% до 5%), «Основы алгоритмизации» (от 3% до 8%), «Программирование на языках высокого уровня» (от 13% до 24%), «Классификация программного обеспечения» (от 1% до 2%), «Прикладное программное обеспечение» (от 2% до 13%), «Базы данных» (от 1% до 5%), «Локальные и глобальные сети ЭВМ» (от 2% до 5%), «Основы защиты информации» (от 1% до 4%). Наибольший объем СРС приходится на раздел «Программирование на языках высокого уровня». Этот раздел является достаточно сложным для самостоятельного изучения и при этом содержит большое количество иллюстраций и примеров программ. Именно по этому этот раздел и был выбран для проведения эксперимента.
Определим диапазон варьирования дидактического содержания учебного модуля в количестве 5 вариантов. Это означает, что мы должны составить 5 различных по содержанию вариантов раздела «Программирование на языке высокого уровня Visual Basic».
В качестве семантически неделимых «атомов» возьмем следующие объекты учебного материала:
а) рисунки;
б) формулы;
в) текстовый материал объемом не более 10 строк; и т.д.
Необходимо предусмотреть возможность оперативной оценки результатов усвоения учебного материала рассматриваемого фрагмента и управление обучением (переходами по учебному материалу внутри фрагмента).
Проведя декомпозицию получено 1000 объектов. Отметим, что как показала практика нецелесообразно использовать объекты размером более 500 Кб, а размер модуля не должен превышать 4,5Мб (три дискеты). Предполагается, что объекты заранее созданы лектором и помещены в базу данных системы электронного обучения.
В соответствии с методикой, предложенной в работе, процедура создания и компиляции учебных модулей будет следующая:
Этап 1. На данном этапе в автоматизированном режиме выполняется поиск объектов в базе данных УМИ, необходимых для включения в состав ЭУМ.
Этап 2. Автоматическое формирование фрагментов учебного модуля и в случае нарушения логической целостности выдача сообщения об ошибке.
Этап 3. Выбор шаблона учебного модуля.
Этап 4. Компиляция полученного учебного модуля в автономный файл, передаваемый обучаемому по Internet или на машинных носителях (дискета, flesh-накопители, CD-R).
Исходя из поставленной задачи в соответствии с методами и алгоритмами, изложенными в разделах 3.1 и 3.2 выберем:
для создания программных инструментальных средств сборки учебных модулей - интерпретируемый язык РНР, используемый для создания скриптов и динамического формирования web-страниц на базе шаблонов и информации, хранящейся в базе данных системы;
для хранения объектов УМИ, и информации об обучаемых - СУБД MySQL, предназначенная для хранения объектов УМИ, информации о преподавателях и студентах, учебных занятиях и другой информации, необходимой для функционирования системы;
для функционирования СЭО и Intranet/Internet - web-сервер Russian Apache;
для создания интерактивных компонентов системы, в том числе помещаемых в скомпилированный учебный модуль - объектно-ориентированный язык JavaScript.
Требования к аппаратным средствам, необходимым для их сборки и компиляции ЭУМ в СЭО, а также для функционирования ЭУМ на ПК обучаемого:
- обеспечение функционирования СЭО, позволяющей в автоматизированном режиме собирать ЭУМ;
- обеспечение возможности доставки ЭУМ обучаемым;
- обеспечение возможности работы обучаемых с автономными скомпилированными ЭУМ.
При создании учебного модуля целесообразно учесть ряд параметров, характеризующих размеры файлов с электронными учебными материалами и требуемые для работы с ними ресурсы компьютера. Это объясняется тем, что в настоящее время обучаемые располагают за пределами учебного заведения как новой (с высокими техническими характеристиками) компьютерной техникой, так и компьютерной техникой с низкой производительностью.
