Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы повышения качества образования в средней общеобразовательной школе на основе применения интеллектуальной обучающей системы
1.1 Необходимость применения современных информационных технологии в образовательном процессе
1.2 Сущностные характеристики современных обучающих средств и факторы повышения эффективности образовательного процесса при применении обучающей системы 41
1.3 Интеграция обучающей системы в образовательный процесс средней школы
1.4 Разработка информационно-логической и структурной модели обучающей системы
Выводы по первой главе 9!
ГЛАВА 2. Организация и постановка эксперимента по определению эффективности применения обучающей системы с элементами искусственного интеллекта 10
2.1 Программная реализация обучающей системы с элементами искусственного интеллекта 10:
2.1.1 Состав и функции основных модулей обучающей системы
2.1.2 Параметризация обучающей системы
2.1.3 Разработка системы защиты и дизайн обучающей системы
2.2 Экспериментальная проверка повышения эффективности учебного процесса в средней школе с использованием разработанной обучающей системы с элементами искусственного интеллекта
2.2.1 Подготовка тестовых заданий в соответствии с теорией тестирования и проведение эксперимента
2.2.2 Экспертная оценка качества учебного процесса
Выводы по второй главе
Заключение
Библиографический список
Приложения
- Необходимость применения современных информационных технологии в образовательном процессе
- Сущностные характеристики современных обучающих средств и факторы повышения эффективности образовательного процесса при применении обучающей системы
- Экспериментальная проверка повышения эффективности учебного процесса в средней школе с использованием разработанной обучающей системы с элементами искусственного интеллекта
- Подготовка тестовых заданий в соответствии с теорией тестирования и проведение эксперимента
Введение к работе
Развитие и широкое применение информационных технологий является глобальной тенденцией мирового развития и научно-технической революцией последних десятилетий.
Современное общество характеризуется интенсивным участием в процессе информатизации. Информатизация общества - это глобальное социальное явление, которое характеризуется накоплением, обработкой, хранением, передачей и использованием информации.
Сегодня информатизация как технико-технологическая база становления информационного общества выступает национальным стратегическим ресурсом, определяющим не только общий уровень социального и культурного развития государства, но и его место в глобальном процессе мирового развития. Основной задачей системы образования является удовлетворение потребностей государства в выполнении социального заказа. Современные запросы влекут за собой непрерывное совершенствование учебного процесса, поэтому процесс обучения должен быть достаточно гибким для быстрой адаптации к меняющимся требованиям. Одним из средств, способствующих повышению качества подготовки учащихся и формированию соответствующей образовательной среды, являются новые информационные технологии обучения, базирующиеся на применении обучающих систем с элементами искусственного интеллекта. При разумной организации они интенсифицируют процесс обучения, обеспечивают формирование глубоких знаний, выработку прочных умений и твердых навыков, а также вносят свой вклад в процесс воспитания учащихся.
В настоящее время процесс обучения, основанный на опыте и интуицш работников средней школы, нуждается в серьезном совершенствовании і научном обосновании принимаемых решений. Это особенно актуально і условиях все возрастающих требований к подготовке учащихся, необходимості частого обновления учебных планов и учебно-методического обеспечения необходимости повышения качества учебного процесса в условия:
4 современной России. Необходим поиск новых подходов, обеспечивающий целесообразную перестройку системы образования с учетом жизненных реалий.
Наиболее перспективными средствами разрешения этих проблем являются инструментальные системы, которые принято называть обучающими системами с элементами искусственного интеллекта [31,32,50,64,106].
К основным достоинствам данных обучающих систем относятся:
возможность использования преимуществ индивидуального обучения;
обучение навыкам самостоятельной работы;
освобождение учителя от рутинной работы;
возможность использования и тиражирования передового педагогического опыта;
возможность индивидуальной адаптации курса обучения к потребностям обучаемых или условиям обучения.
Многие аспекты применения интеллектуальных обучающих систем разрабатывались педагогами, психологами, специалистами в области информационных технологий: основополагающие проблемы теории педагогических систем и инновационных процессов в образовании (П.Я.Гальперин, В.В.Давыдов, М.И.Махмутов и др.), вопросы разработки кибернетической теории обучения и создание автоматизированного обученш (Ю.К.Бабанский, В.П.Беспалько, А.И. Берг, В.М. Глушков, Н.Ф.Талызина Н.Д.Никандров, И.Я.Лернер и др.); исследования, связанные с созданием і использованием в учебном процессе обучающих средств с элементам* искусственного интеллекта, проведены Н.П.Брусенцовым, П.Л Брусиловским. В.А. Петрушиным и др.
В исследованиях российских ученых (А.А.Андреева, Н.В.Апатова Е.И.Машбиц, Е.С.Полат, И.П.Норенкова и др.) сформулированы общиі принципы построения обучающих систем, определены основные направление их применения в образовании. Но при этом они не учитывают особенностеі функционирования средних общеобразовательных школ.
Системный подход к созданию обучающих систем нового уровня для эффективного обучения учащихся дает возможность рассматривать все компоненты современных обучающих систем в тесной взаимосвязи с требованиями социального заказа к выпускнику средней школы. Попытки моделировать учебный процесс помогают подойти к нему как к сложной динамической системе и учесть те возможности, которые открывает применение компьютерных средств обучения. В исследовании учебного процесса модель выступает как важнейшее средство наглядного представления связей и отношений его компонентов. Соответственно для организации и научного исследования учебного процесса средней общеобразовательной школы моделирование становится все более насущно необходимым. Постоянно корректируемая модель должна являться исходным этапом и необходимым условием для построения обучающей системы с элементами искусственного интеллекта.
Модели позволяют находить оптимальные структуры процессе обучения, исходя из поставленной цели. Средствами оптимизации обучение являются: отбор содержания обучения и установление последовательности пр* изучении дисциплины, прочных связей и взаимоотношений между предметами и видами обучения. Чем теснее и глубже эта связь, тем выше уровень научной і профессиональной подготовки учащихся.
Анализ научной литературы и исследований в данном направленні позволил выявить наличие следующих противоречий, которые имеют место 1 современном процессе обучения в подавляющем большинстве средни: общеобразовательных школ:
Между экспоненциальным ростом информации, определяющей содержани образования с ограниченным временем обучения и возможностям] субъектов образовательного процесса.
Между качеством подготовки учащихся и потребностями и ожиданиям: общества.
Образовательный процесс современной школы должен основываться на широком использовании возможностей информационной образовательной среды, для формирования которой требуется активная работа педагогов по подготовке электронных образовательных ресурсов. В то же время недостаточно проработаны принципы создания таких учебно-методических материалов нового поколения.
Между качеством обучения путем проверки соответствия требований к подготовке выпускников уровневым стандартам знаний и путем выявления пробелов в подготовке учащихся.
Между сложившейся традиционной системой образования, включающей в себя как одну из составляющих форму массового обучения, и его индивидуализацией.
Между подготовкой учащихся в средних общеобразовательных школах в соответствии с государственными стандартами и обеспечением функционирования образовательного процесса с учетом индивидуальных особенностей и возможностей учащихся.
Исходя из этого, проблема исследования может быть сформулирована следующим образом: каковы структура и содержание обучения в современных условиях при использовании обучающих систем с элементами искусственногс интеллекта для повышения качества обучения в средних школах в целя> подготовки учащихся, соответствующих социальному заказу.
Объектом исследования является структура и технология созданш интеллектуальной обучающей системы и обучающей системы и её практическая реализация.
Предметом исследования является анализ качества обучения в средни) общеобразовательных школах с использованием обучающей системы, которая предоставляет новые возможности организации учебного процесса, повышена эффективности процесса обучения и улучшение его качества, интеграции обучающей системы с элементами искусственного интеллекта ] образовательный процесс.
Целью работы является разработка и формирование информационно-логической и структурной модели обучающей системы, включающей в себя модель предметной области, модель обучаемого, модель системы знаний обучаемого, стратегию оценки системы знаний обучаемого.
Гипотеза исследования состоит в предположении, что внедрение в образовательный процесс средней школы обучающей системы с элементами искусственного интеллекта обеспечит его совершенствование с целью повышения качества обучения, если:
обучающая система спроектирована как адаптивная система, ориентированная на обеспечение дифференцированного подхода к обучаемым в зависимости от уровня их подготовленности и исследовании возможности контроля знаний учащихся с использованием специально разработанных моделей предметной области, обучаемого и системы его знаний;
преподавателям предоставлена возможность активно участвовать в проектировании и актуализации индивидуальных образовательных траекторий, что обеспечивает личностноориентированный подход к организации процесса обучения;
формирование информационной образовательной среды школы осуществлено на основе системной интеграции обучающих компьютерных технологий и сложившихся педагогических опыта, знаний, традиций.
В соответствии с целью, объектом, предметом и гипотезой исследованш были поставлены следующие задачи исследования:
на основе теоретического анализа научно-методической и психолого' педагогической литературы уточнить классификацию образовательны? программных средств, применяемую в образовательном процессе средней учебного заведения; провести анализ существующих обучающих систем і тенденций их развития;
исследовать и обосновать с педагогических позиций структур} обучающей системы с элементами искусственного интеллекта и ее роль ]
8 совершенствовании образовательного процесса, рассматривая её как адаптивную систему;
определить взаимосвязи и функциональные характеристики ее элементов, разработать необходимые компоненты для создания многофункциональной обучающей системы, позволяющей решать разноплановые задачи и реализовывать различные технологии обучения в зависимости от индивидуальных особенностей и требований пользователя;
выполнить практическую реализацию многофункциональной обучающей системы;
экспериментально проверить эффективность моделей предметной области, обучаемого, системы знаний на основе построения оптимальных образовательных траекторий учащихся, обеспечивающих повышение качества обучения.
Методологической основой исследования явились: современные гуманистически ориентированные философские, психологические и педагогические концепции; концептуальные положения о деятельностной и творческой сущности личности и ее многофакторном развитии; аксиологический подход, рассматривающий человека как высшую ценность; фундаментальные положения общей педагогики; концепции информатизации общества и сферы образования; научно-исторический подход к изучению феномена «информационная технология».
Теоретическую основу исследования составили: концепции целостного подхода к формированию учебной деятельности учащихся (Ю.К.Бабанский. П.Я. Гальперин, Л.В.Занков, В.В. Краевский, И.Я. Лернер, А.М.Матюшкин, М.И.Махмутов, М.Н.Скаткин, Н.Ф.Талызина и др.); теории проектирования педагогических технологий (В.С.Безрукова, В.П. Беспалько, В.И.Боголюбов. И.Я.Зимняя, М.В.Кларин, В.Ю.Питюков, Г.К.Селевко, С.А.Смирнов, и др.): научные работы по проблемам использования информационные технологий е учебном процессе (Ю.С.Брановский, В.И.Гриценко, В.А.Извозчиков. А.П.Ершов, И.Г.Захарова, Ю.А.Кравченко, С.В.Монахов, Е.С.Полат,
9 И.В.Роберт, В.А.Трайнев и др.); проблемы информатизации образования (Д.Б.Богоявленский, А.Г.Кушниренко, В.А.Сластенин и др.); теоретические и методические основы формирования информационной культуры учащихся (В.А. Виноградов, Г.Г.Воробьев, М.Г.Вохрышева, Н.И.Гендина, А.А.Гречихин, Г.А.Жаркова, Н.Б.Зиновьева, Ю.С.Зубов, Г.М.Клименко, С.М.Конюшенко, Б.А.Семеновкер, Э.П.Семенюк, Л.В.Скворцов, И.Г.Хангельдиева и др.); общая теория обучения (Ю.К.Бабанский, В.И.Загвязинский, И.Я.Лернер и др.), теория моделирования учебного процесса (Ю.К.Бабанский, В.П.Беспалько, Е.И.Машбиц, М.В.Кларин и др.), принципы формирования информационной среды учебных заведений (А.А.Андреев, Ю.Н.Афанасьев, В.В.Рубцов. И.К.Шалаев и др.)
Методы исследования:
теоретические - изучение и анализ научной литературы в области педагогики, обучающих систем, информационных технологий; аналитически!: метод оценки качества организации образовательного процесса с использованием обучающей системы; методы новых информационны? технологий; в разработке программного обеспечения использоваласі технология объектно-ориентированного программирования;
экспериментальные - опытно-экспериментальная работа, изучение процесса обучения в ходе самостоятельной работы учащихся, наблюдений зі учащимися, проведение анкетирования и его анализ, бесед с учителями проведения и анализа тестирования учащихся; планирование, подготовка проведение эксперимента и анализ его результатов;
статистико-математические методы по обработка
экспериментальных данных, методы системного анализа, теории множеств теории графов, теории оптимизации, эконометрики, а также метод экспертны: оценок.
База исследования:
10 Основной базой исследования является учебный процесс в средних общеобразовательных школах №5, №1, №17 Г.Кропоткина Краснодарского края и НОУ СПО «Юридический техникум Г.Кропоткина». Научная новизна исследования состоит в том, что:
предложена собственная типология компьютерных средств обучения (однофункциональные и многофункциональные программные средства учебного назначения) в зависимости от числа реализуемых функций и их назначения;
дано определение интеллектуальной обучающей системы как совокупности технических, алгоритмических, программных и информационно-методических средств, предназначенных для реализации адаптивногс обучающего диалога, поиска и обработки учебной информации и для организации качественного процесса обучения;
разработана структурно-функциональная модель учащегося, содержащая инвариантную и специфичную компоненты, использование которое обеспечивает целенаправленный характер формирования профиля пользователз при применении обучающей системы;
определены и функционально обоснованы необходимые компонента обучающей системы (подсистема управления обучением, подсистем; тестирования, подсистема ознакомления с предметной областью), позволяющее решать разноплановые задачи и реализовывать различные технологии обучение в зависимости от индивидуальных особенностей и требований пользователя;
разработана модель формирования оптимальных планов изучени дисциплины на основе иерархической семантической сети; модель обучаемого обеспечивающая возможность учета его характеристик и выбора стратеги] управления процессом обучения;
построены модели тематической и итоговой оценки контроля знанні учащихся. Тематический контроль реализует алгоритм адаптивног тестирования, при котором изменяется модель обучаемого и предоставляемы при тестировании вопросы. Оценка знаний при итоговом контрол
осуществляется путем сравнения построенной в процессе обучения модели системы знаний обучаемого и эталонной моделью структуры предмета.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что разработана авторская классификация образовательных программных средств, созданная на базе выделения количества основных реализуемых в учебном процессе функциональных возможностей; уточнено содержание понятия «интеллектуальная обучающая система», обосновано значение применения обучающей системы для подготовки учащихся средних общеобразовательных школ; разработан подход к обучению, позволяющий повысить качестве обучения при реализации стратегии оптимального автоматизированногс обучения путем использования в учебном процессе обучающих систем с элементами искусственного интеллекта.
Практическая значимость исследования обуславливается четкс выраженной потребностью в совершенствовании и разработке новы> технологий обучения в условиях перехода к непрерывному образованию и егс информатизации. Она заключается в том, что полученные результаты пс формированию моделей предметной области и оценки знаний могут был использованы при разработке обучающих систем с элементами искусственной интеллекта для достижения оптимального управления процессом обучения Материалы диссертационного исследования могут быть также использованы і разработке методик при проведении социологических исследований новьп форм обучения.
Сформированная на основе данных результатов работы обучающая система внедрена в юридическом техникуме и железнодорожном училищі Г.Кропоткина и представляет собой программно-методическое обеспечениі занятий по информатике. Определена её роль и место в учебном процессе разработаны основы методики использования данного программного средств; при проведении занятий, организации самостоятельной работы, подготовка результатов тестирования и их анализу с использованием ЭВМ. Применен» обучающей системы позволило снизить затраты на организацию и проведени
12 учебных мероприятий, перераспределить нагрузку преподавателей с рутинной на творческую, повысить оперативность обеспечения учебного процесса учебно-методическими средствами при изменении структуры и содержания обучения, следствием чего является увеличение мобильности системы образования.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивалась опорой на методологию исходных теоретических позиций, применением различных методов исследования, адекватных природе изучаемого феномена и соответствующих цели и задачам исследования, соблюдением требований технологии педагогического исследования устойчивой повторяемостью фактов, сочетанием и взаимопроверкой результатов, репрезентативностью опытно-экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
Классификация образовательных программных средств, предназначенные для использования в средних учебных заведениях выглядит следующил образом: однофункциональные и многофункциональные программные средств* учебного назначения. В качестве их классификационных признаков выступаю-основное назначение и число ведущих функций.
Интеллектуальная обучающая система представляет собой совокупност] связанных в единое целое технических, программно - алгоритмических, і информационно-методических средств, предназначенных для реализацш адаптивного обучающего диалога, поиска и обработки учебной информации і для организации качественного процесса обучения. Интеллектуальна обучающая система осуществляет подготовку обучаемого на основе моделі предметной области, модели обучаемого, модели контроля системы знанні обучаемого и настройки на требования преподавателя общеобразовательно] школы.
Индивидуализация обучения является одним из факторов повышени качества обучения. Индивидуальный подход к каждому учащемус обеспечивает адаптивностью обучающей системы, которая осуществляется н
13 основе изменения параметров управления учебном процессом, изменения параметров модели обучаемого и модели контроля системы знаний обучаемого. Реализация функционирования подсистем, входящих в структуру обучающей системы, основана на данных моделях.
Формирование многокомпонентной модели обучаемого позволяет осуществить адаптацию обучающей системы к конкретному обучаемому, Поэтому она должна включать в себя сведения о цели обучения; о знания* обучаемого в рамках изучаемого предмета (текущее состояние процессе обучения); об особенностях подачи учебных материалов и выбора контрольны? заданий и вопросов.
Модель предметной области должна отражать взаимосвязи понятий (тем' предметной области и может быть использована для определенш последовательности изучения тем и для получения целостного образа знаний относящихся к данной предметной области. Для её представления предложена модель, позволяющая объединить декларативные и процедурные знания і использовать для анализа модели предметной области аппарат теории графов.
Контроль знаний обучаемого обеспечивает обратную связь и предназначеі для определения уровня знаний учащегося с целью организации эффективной управления обучением в целях повышения его качества. Применен» обучающей системы позволяет построить модель системы знаний обучаемого При тематическом контроле предложено применить базисные характеристики практическая реализация которых позволит повысить адаптивность системы При итоговом контроле вывод об уровне знаний обучаемого можно сделать п< степени сходства модели его системы знаний и эталонной модели структурЕ предмета.
Организация контроля знаний с использованием обучающей системі базируется на тестовом множестве заданий по одной отдельно взятой учебно: дисциплине, которые характеризуются объективной оценкой тестовых заданий н валидность, надежность и дискриминативность. Методом экспертной оценки поел предварительного определения набора критериев показано, что качество учебног
14 процесса с применением обучающей системы в большей степени отвечает их требованиям и успех учебного процесса в большей степени зависит от использования электронных учебных материалов и методического обеспечения.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись на протяжении всего периода исследования, докладывались и обсуждались на:
LVII и LVIII Научной сессии, посвященной Дню радио (Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова, май 2002,2003 г.Москва);
VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», (апрель 2004г., г.Арзамас);
XVI Международной конференции-выставке "Информационные технологии в образовании" (ноябрь 2006г., г.Москва);
научно-практичсеких конференциях филиала Московского государственного открытого университета (МГОУ ) «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе» в Г.Кропоткине (май 2003г, май 2004г);
заседаниях педагогических советов школ и юридического техникума Г.Кропоткина.
Результаты исследования нашли отражение в научных статьях, тезисах докладов, опубликованных автором. Разработанная интеллектуальная обучающая система «Диалог» зарегистрирована в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» за №50200601359 и е отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий», что подтверждается свидетельством № 6601 и публикацией в газете «Инновации в науке к образовании» (№7 (18) июль 2006г.), а также в журнале «Компьютерные учебные программы и инновации» ((№12 2006г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит и: введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы к
15 приложений. Общий объем 187 страниц машинописного текста, включая IS рисунков, 22 таблицы и 11 приложений. Список литературы включает Ш наименований.
Необходимость применения современных информационных технологии в образовательном процессе
Информатизация общества является объективной закономерностьк перехода человечества на качественно новую ступень развития. Она проникас во все сферы человеческой деятельности, коренным образом изменяет общениі людей, влияет на их образ жизни.
«Информатизация - это построение информационного общества усиление роли достоверного, исчерпывающего и опережающего знания во все: областях человеческой деятельности. Компьютеризация является одной и главных частей более широкого процесса информатизации общества. Вмест со всемерным развитием систем связи она служит технической основоі информатизации общества» [93].
Информатизация образования носит системный характер. Это не тольк установка компьютеров в школах или подключение их к Интернету.
Информатизация школы - это, прежде всего, процесс изменени содержания, методов и организационных форм общеобразовательно подготовки учащихся на этапе перехода от школы к жизни в условия информационного общества. Научить жить и работать в быстро изменяющейс среде обитания - одна из важнейших задач школы. А это значит, чт существующие методы и формы учебной работы должны меняться в той мер в какой они несут на себе составляющие нового обучения.
Сегодня информатизация является важнейшим механизмої образовательной системы, направленным на качественное повышени эффективности образования. Ю.С. Брановский [29] подчеркивает, «информатизация образования является одним из приоритетных направление реформирования системы образования. Применение информационны? технологий способствует интеграции различных областей знаний і совершенствованию методической системы обучения».
Проведенный анализ термина «информатизация» [85,86,93] показывает что, несмотря на внешнее различие определений, все они укладываются і одну общую модель, состоящую из трех элементов: информатизация - эт( процесс (элемент 1) повышения эффективности применения информацш (элемент 2) в обществе с помощью перспективных информационные технологий (элемент 3).
Следует отметить, что информационная культура становится фaктopo развития общества. Бурное развитие информационных технологий открывав новые возможности и предъявляет новые требования к образованию.
Осуществление этих требований основывается на дифференциацш содержания образовательных процессов и его концентрации вокру приоритетных направлений науки и профессиональной деятельности. Н современном уровне основой приоритетных направлений науки являете содержание инновационного обучения, которое развивается на базі современных информационных технологий.
В решении этой проблемы важная роль отводится информационно] технологии, которая включает в себя технологию получения, передачи обработки, хранения информации и использования для обеспечени человеческой деятельности.
Понятие «информационные технологии» непрерывно развивается, чт связано с развитием технического и программного обеспечения ЭВМ. Первы этап относится к 50-60-м годам XX века. В то время ЭВМ применялись дл решения вычислительных задач, в них были заложены основы логическог построения машин и продемонстрированы возможности цифрово вычислительной техники. Информатику изучали только технически специалисты.
Второй этап отличался от первого техническим совершенствование ЭВМ, развитием методов и приемов автоматического программирования Получило дальнейшее развитие программное обеспечение, особеннс операционные системы. Операционные системы обеспечивают управление работой ЭВМ в режимах: пакетной обработки, разделения времени. Появилисі разнообразные алгоритмические языки. Составление программ на этих языках стало доступным самим пользователям.
Третий этап связан с появлением персональных ЭВМ в 70-80-х годах. С появлением в США микропроцессоров (1971 г.) начал развиваться новый класс вычислительных машин - микро-ЭВМ. Появление персональных компьютерої поставило решение задач информатизации общества на реальную основу Потребовался новый подход к организации систем обработки данных, і созданию новых информационных технологий. На этом этапе основной парі ЭВМ состоял из мини - и микро-ЭВМ. Именно тогда появились дисплейньк классы, работающие в режиме разделения времени. В 1973 г. впервые чере: сеть оказались соединены компьютеры разных стран: сеть стал международной. Когда в сети оказались тысячи компьютеров, появился новы! механизм доступа к сети ARPANet, названный «протоколом ТСРЯР) (Transmission Control Protocolflnternet Protocol). В 1983 г. этот протокол бьи апробирован.
В России компьютеризация образования началась в 1985 году. В 10-11-: классах был введен предмет «Основы информатики и вычислительно техники». Создавалось учебно-методическое, программное и техническої обеспечение курса информатики. К этому времени была определена цел] изучения информатики в школе, как практическая подготовка пользователе ЭВМ.
Четвертый этап развития информационных технологий (80-90 гг. характеризуется: количественным ростом ЭВМ, развитием объектно ориентированных и проблемно-ориентированных технологи! программирования. Исследования в области цифровой технологии позволяю распознавать речь, почерк, оживлять графическое изображение. Использование глобальных сетей все глубже входит в жизнь человека. Мощное развитие компьютерной техники позволило придать значимость информационным і коммуникационным технологиям. Новые условия привели к измененик содержания курса информатики. Понятие предмета информатики трактуете; как фундаментальная научная дисциплина об информации и информационны) процессах в природе и обществе.
Несмотря на высокие темпы развития информационны? технологий, в последнее десятилетие Россия не смогла сократить отставание от промышленно развитых стран в уровне информатизации. Такої положение вызвано общеэкономическими причинами (длительный кризис і экономике, низкий уровень материального благосостояния). Дл: ликвидации отставания в сфере информационных технологий разработан; Федеральная целевая программа «Электронная Россия », рассчитанная на 200! -2010 годы.
Сущностные характеристики современных обучающих средств и факторы повышения эффективности образовательного процесса при применении обучающей системы
Повышение эффективности образовательного процесса пр использовании обучающих систем было подтверждено рядом исследовани [16,37,68]. Этому способствуют такие факторы, как:
1. Индивидуализация обучения. Наиболее эффективно, но наименее экономя индивидуальное обучение (один учитель - один ученик). Самая экономична; но наименее эффективная система - массовое обучение [125]. Внедрени обучающих систем позволит совместить достоинства индивидуального обучения (в смысле эффективности) и массового (в смысле экономичности).
2. Интенсификация обучения. Она достигается за счет индивидуальности обучения (толпа всегда идет медленнее одного человека), а так же за счет того, что обучаемый не привязан ко времени занятия и к учителю, а может заниматься в удобное для себя время.
3. Использование выразительных средств вычислительной техники, таких как наглядность, мультимедиа и т.д.
4. Возможность организации постоянного контроля степени усвоения знаний, способствующего более прочному усвоению материала.
5. Сокращение времени на изучение учебного материала. Подобный фактор приводит к экономии от 20 до 80% времени, регламентированного для изучения аналогичного традиционного курса.
Кроме повышения эффективности обучения внедрение интеллектуальных обучающих систем имеет и другие положительные эффекты: работа с системой развивает умения и навыки самостоятельной работы; освобождение учителя от ряда трудоемких и часто повторяющихся операций по представлению учебной информации и контролю знаний: способствуют разработке объективных методов контроля знаний; возможно применение обучающих систем в тех областях деятельности, і которых имеет место низкая эффективность традиционных способов передач знаний; применение обучающих систем позволяет предоставить образовательные услуги более широкому кругу обучаемых, в том числе в рамка дистанционного обучения [108].
Одной из наиболее обоснованных представляется классификация обучающих средств, предложенная в Концепции информатизации образования РФ [128]. Она включает:
1) компьютерные обучающие программы (электронные учебники, тренажеры, тьюторы, лабораторные практикумы, тестовые системы); 2) обучающие системы на базе мультимедиа технологий, построенные с использованием персональных компьютеров, видеотеки, накопителей на оптических дисках; 3) интеллектуальные и обучающие экспертные системы; 4) распределенные базы данных по отраслям знаний; 5) средства телекоммуникации (электронная почта, телеконференции, локальные и региональные сети связи, сети обмена данными и т.д.); 6) электронные библиотеки, распределенные и централизованные издательские системы.
Однако предлагаемая классификация использует в качестве основного критерия тип средств информационных технологий, на базе которого она реализуется.
В концепции информатизации образования [128] предлагается классификация программно-аппаратных комплексов в образовании еще по четырем признакам: дидактической направленности, программной реализации, технической реализации, предметной области применения.
Типологию обучающих программ с точки зрения методических функций предлагает, например, Б.Х.Кривицкий [89]. Он выделяет программы, которые предназначены для тестирования и закрепления знаний, умений и навыков: тренировочные, игровые и имитационные, затем программы обеспечения информационно-поисковой деятельности учащегося и, наконец, программы, в которых стратегию и тактику обучения выбирает обучаемый.
По причине отсутствия однозначной классификации и терминологии в области компьютерных средств обучения к 2005 г. не сложилось единого мнения и относительно определения обучающих систем с элементами искусственного интеллекта.
В 60-х годах при создании первых автоматизированных обучающих систем (АОС) в соответствии с их целью понимался комплекс аппаратных и программных средств, предназначенных для автоматизации процесса обучения [165].
В 70-х годах АОС уже рассматривается как взаимосвязанный комплекс средств информационного, математического и программного обеспечения, организованный на базе ЭВМ и предназначенный для управления процессом обучения [133].
В 80-х годах АОС определялись уже как функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования [133].
С середины 80-х годов в состав обучающих систем стала в явном виде включаться информация об обучаемом (в частности, модель идеальногс обучаемого) и стратегиях обучения. Наконец, в 90-е годы при построении таких систем начали применять агентно-ориентированную технологию и понимать по; интеллектуальной обучающей системой комплекс программно-аппаратные средств инженерии знаний, в котором представленные в ЭВМ используются для направленного формирования функциональной структуры деятельности у обучаемых, построения системы индивидуального опыта, адекватной требованиям профессии.
Одним из современных перспективных направлений развития обучающих систем является разработка нового поколения систем данного класса.
Можно выделить следующие признаки интеллектуального средства обучения: естественно-языковый пользовательский интерфейс; представление учебного материала в базе знаний и реализация алгоритмов выборки из нее знаний, необходимых для решения данных педагогических задач; реализация моделей знаний и деятельности обучаемого, отражающих его текущие представления об изучаемой предметной области и умения выполнять связанные с ней задачи; адаптация учебного материала и режима обучения к подготовленности и индивидуальным особенностям обучаемого; гибкие возможности диагностики знаний и умений. Среди интеллектуальных обучающих систем наибольшую известность получили экспертно-обучающие и адаптивные обучающие системы. Первые основываются на интеграции технологий компьютерных средств обучения и экспертных систем и предназначены для освоения методов решения так называемых слабо структурированных задач. Адаптивные обучающие системы представляют собой средства обучения, реализующие обратные связи между обучаемым и системой, которые используются для управления учебным процессом: по результатам работы обучаемого осуществляется корректировка сценария его взаимодействия с программой [94].
Экспериментальная проверка повышения эффективности учебного процесса в средней школе с использованием разработанной обучающей системы с элементами искусственного интеллекта
Для проведения эксперимента необходимо было составить тестовые задания в соответствии с классической теорией тестирования и, кроме того учитывающие специфику компьютерных тестов.
Согласно теории тестирования [4,38,83,131], тест может был охарактеризован как эффективный, если он удовлетворяет определённыл базовым требованиям: валидности; надежности; дискриминативности.
Валидность - «комплексная характеристика теста, включающа? сведения об области исследуемых явлений и репрезентативности используемое по отношению к ней диагностики». Тест можно считать валидным, если о позволяет оценить именно то, для чего он предназначен (в нашем случае -степень усвоения учебного материала.
Тест надежен, если он является внутренне согласованным, то есті результаты отдельных заданий положительно коррелируют друг с другом и ( общим показателем теста.
Дискриминативность теста характеризуется способностью егс отдельных заданий и теста в целом дифференцировать тестируемы} относительно минимального и максимального результатов теста.
При подготовке тестовых заданий последовательно были решень следующие вопросы:
- какую учебную дисциплину выбрать в качестве экспериментальной для выборочного контроля;
- каково должно быть количество и содержание тестовых заданий і множестве вопросов и в выборочном множестве;
- для каждого задания определить параметры трудности і дифференцирующей способности;
- как убедиться в валидности, надежности, дискриминативности тестов и при необходимости скорректировать их.
Тестовые задания составлялись для проведения контроля знаний пс учебной дисциплине «Информатика». Преподаватели определили наиболее существенные, важные, характерные понятия и определения курса, дл проверки знания которых и будут далее сформулированы тестовые задания Таким образом, содержательная валидность теста была определена авторам учебных материалов, после изучения которых учащиеся проходят тест. Пр построении тестовых заданий придерживались требований, утвержденных BTV и согласованных в августе 1999г. с Минобразования «Требования к программно - педагогическим тестам, тестовым заданиям и технологии компьютерногс тестирования»: - соответствие квалификационным требованиям, профессиям v должностям; - преемственность по отношению к государственным образовательные стандартам; - соответствие объемам учебных программ; - ориентация на высокие технологии обучения; - содержание тестового задания должно требовать от испытуемого однозначного ответа; - избегать тестовых заданий, требующих развернутых ответов; - основные термины тестового задания должны быть явно и яснс определены; - тестовые задания должны быть прагматически корректными і рассчитаны на испытуемых с заданным уровнем подготовки по конкретное предметной области; - тестовое задание должно формулироваться в утвердительном ши повелительном предложениях; - количество слов в задании на должно превышать 10; - среднее время ответа испытуемого на задание не должно превышать f минут.
Для повышения валидности теста комплектовалось такое количестве заданий, которое потребует от среднего ученика на их выполнение не более 1 часа 20 минут. Таким образом, среднее время ответа испытуемого на одне тестовое задание выбрано - 3 минуты, количество заданий - 25. Тестовая баз по выбранному предмету была достаточно обширна, поэтому былс сформировано несколько равноценных по сложности вариантов теста использующих различные задания. Это дало возможность предъявлять разным группам разные тестовые множества заданий, что затруднило нежелательный обмен информацией между учащимися и повысило валидность теста.
Далее содержание будущего теста необходимо было облечь і конкретную форму, то есть сконструировать тестовое задание, по возможности учитывая все типы вопросов и ответов.
При апробации теста необходимо провести на основании полученных статистических результатов другой анализ - на предмет пригодности данногс теста вообще для оценки знаний учащихся, а также оценить статистическук значимость заключения.
Оценка дискриминативности теста может быть проведена достаточж объективно. Вначале следует оценить дискриминативность отдельных тестовые заданий: способно ли каждое из них разделить обучаемых на тех, кто дасі правильный ответ, и на тех, кто ответит неверно.
Подготовка тестовых заданий в соответствии с теорией тестирования и проведение эксперимента
Таким образом, составленный тест по учебной дисциплине «Информатика» достаточно адекватно отражает генеральную совокупность заданий и дает устойчивые результаты при повторном использовании его вариантов.
Для определения уровня усвоения учащимися предложенного курса по дисциплине «Информатика», эффективности применения обучающей системы проводился эксперимент в средних общеобразовательных школах №5, №1, №17 и в юридическом техникуме Г.Кропоткина в течение 2002-2004г.
Для проведения эксперимента были выбраны 4 группы учащихся, общее количество в которых составило 120 человек.
В качестве контрольных групп выбраны: две группы учащихся, общее количество в контрольных группах составило 60 человек. Данные группы изучали курс информатики в 2002-2003 уч.году по традиционному методу.
В качестве экспериментальных групп, также были выбраны две группы, общее количество учащихся в экспериментальных группах составило 60 человек. Данные группы изучали курс информатики в 2002-2003 уч.году с применением обучающей системы.
На первом этапе проводился констатирующий эксперимент, позволяющий определить различия в уровне подготовки по информатике студентов экспериментальных и контрольных групп. Из общего числа учащихся методом случайного отбора составлена выборка из 50 человек экспериментальной группы и 50 человек контрольной группы. Учащимся было предложено ответить на вопросы теста. Оценивание решения каждой задачи проводилось по пятибалльной шкале. Таким образом, максимально учащиеся за выполнение работы могли получить 25 баллов.
Балловые оценки учащихся записывают по возрастанию значений отдельно по первой и по второй выборкам:
Для подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы об одинаковом уровне подготовки учащихся был применён двусторонний критерий Колмогорова-Смирнова.
Критерий Колмогорова-Смирнова ( -критерий) предназначен для сопоставления двух распределений:
а) эмпирического с теоретическим, например, равномерным или нормальным;
б) одного эмпирического распределения с другим эмпирическим распределением.
Критерий позволяет найти точку, в которой сумма накопленных расхождений между двумя распределениями является наибольшей, и оценить достоверность этого расхождения.
При сравнении двух различных выборок возможны следующие гипотезы: HQ: Различия между двумя распределениями недостоверны (судя по точке максимального накопленного расхождения между ними). Hj: Различия между двумя распределениями достоверны (судя по точке максимального накопленного расхождения между ними).
При использовании -критерия имеют место следующие ограничения: 1. Выборки должны быть достаточно большими ( п 50 ).
2. Разряды должны быть упорядочены по нарастанию или убыванию какого-либо признака и отражать его однонаправленное изменение.
Определить, какому уровню статистической значимости соответствует полученное значение X. Если окажется, что A»-l i0 то различия между распределениями достоверны.
Все вычисления проведены с применением программного продукта Microsoft Excel и представлены в приложении 8.
Полученные результаты можно представить в виде графика накопленных эмпирических частостей. Как видно из графика на рисунке 12 и расчётной таблицы (приложение 8), максимальная разность между накопленными эмпирическими частотами составляет с/тах =0,1400. Найденное значение позволяет рассчитать значение эмпирического критерия Яэип и сделать правильное заключение о существовании различий в уровне подготовки экспериментальных и контрольных групп до применения в процессе обучения обучающей системы.
Для сравнения данных двух эмпирических выборок рассмотрим следующие гипотезы:
Но: Различия между двумя распределениями недостоверны (судя по точке максимального накопленного расхождения между ними). Hi: Различия между двумя распределениями достоверны (судя по точке максимального накопленного расхождения между ними).
Найденное значение Лэш = 0,7. Определив уровень статистической
значимости, соответствующий полученному значению А,эмп, находим р = 0,71124, что значительно превышает значение р = 0,05, которому соответствует А = 1,36. Полученный результат можно отразить на схеме оси значимости.
Очевидно, эмпирическое значение критерия А таково, что ЯЭЛ/М 1,36, следовательно, различия между выборками недостоверны и принимаем гипотезу Но (зона незначимости различий между выборками).
Полученный результат говорит о примерно одинаковом уровне подготовки по информатике контрольных и экспериментальных групп до применения в учебном процессе обучающей системы.
В течение 2002-2003 учебного года учащиеся экспериментальных групп обучались информатике с использованием обучающей системы. В ходе обучения особое внимание уделялось приёмам активизации мыслительной деятельности учащихся с широким применением операций сравнения, анализа, синтеза, абстракции, обобщения и конкретизации. В течение полугодия несколько раз проводился промежуточный контроль знаний с целью контролирования процесса формирования знаний, умений и навыков.
