Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России идет процесс качественного изменения системы образования: переход к непрерывному образованию - образованию в течение всей жизни, увеличение количества информации при уменьшении часов, отведенных на ее изучение, переход к ЕГЭ вместо классических экзаменов и т.д. При этом повышаются требования к качеству образования и к качеству знаний, полученных выпускниками школ. Важным требованием является и повышение мотивации обучаемых, интереса к изучаемому предмету для лучшего освоения материала.
Сегодня в связи с широким внедрением новых информационных технологий в образовательную систему России, использование компьютеров в учебном процессе - достаточно новый и эффективный способ его оптимизации, повышения наглядности обучающего материала и расширения его возможностей, связанных с включением в процесс обучения текстовой, графической, аудио и видеоинформации, что влечет повышение мотивации обучаемых, а, следовательно, к повышению качества образования. Для популяризации и массового продвижения информационных технологий в систему обучения и развития детей на государственном уровне в течение нескольких лет действуют программы развития единой образовательной информационной среды и национальные проекты в сфере образования. Однако, поскольку достаточно сложно внедрить новые технологии обучения в классическое школьное образование, то информационные технологии в первую очередь - это эффективное средство дополнительного образования учащихся.
Для внесения в систему обучения индивидуальности разрабатываются адаптивные алгоритмы, на базе которых строятся адаптивные информационные системы обучения. Адаптация - это процесс изменения параметров и структуры логико-лингвистической модели обучаемого и выработки соответствующих обучающих воздействий на основе осведомляющей (контрольной) информации с целью достижения директивно заданного состояния обучаемого при его начальной неопределенности и изменяющейся педагогической среде (Д. А. Ловцов, В.В. Богорев и др.).
Адаптация - одно из наиболее развивающихся направлений в системах электронной поддержки обучения. Адаптивная обучающая система - образовательная система, способная каждому ученику помочь достичь оптимального уровня интеллектуального развития в соответствии с его природными задатками и способностями. (Н.П.Капустин). Именно такие системы наиболее полно отражают и воссоздают процесс обучения под контролем преподавателя - индивидуального репетитора.
Таким образом, создание и внедрение информационной среды адаптивного обучения является актуальным и востребованным направлением исследования, позволяющим внедрять информационные технологии в процесс обучения, тем самым, расширяя его возможности и повышая мотивацию обучаемых.
Цель исследования: разработка информационной среды адаптивного обучения для дисциплин естественнонаучного цикла, позволяющей подбирать индивидуальную траекторию обучения на основе оценивания начальных и текущих знаний обучаемого.
Задачи исследования. Исходя из цели работы задачами исследования являются:
Проведение анализа основных тенденций использования информационных технологий для индивидуализации обучения в современной образовательной системе России, определение способов внедрения адаптации знаний обучаемого в учебный процесс, а так же требований к созданию адаптивных обучающих систем.
Разработка структурной, функциональной и логической модели информационной среды адаптивного обучения.
Разработка способа формирования модели курса, а также способа формирования входных тестовых наборов в соответствии с разработанной моделью.
Разработка способа оценивания сложности практических заданий и механизма автоматизированного обучения решению задач.
Апробация разработанной модели на примере адаптивной обучающей системы по физике для школьников и студентов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы дискретной математики и информатики, теории множеств и алгоритмов, математической статистики и алгебры логики. Проведен анализ научно-методической литературы по теме исследования.
Научная новизна.
Разработана модель обучающей системы, позволяющая формально описать информационную среду адаптивного обучения, обучаемого, его знания и результат обучения, отличающаяся от существующих моделей способом построения модели курса и входного контроля, также элементов адаптации в выходном и промежуточном контроле знаний.
Разработан оригинальный способ формирования модели предметного курса для естественнонаучных дисциплин на основе создания частотной характеристики курса -библиотеки основных терминов понятийного аппарата, ранжированных по уровню значимости понятия в курсе. Использование этой библиотеки при разработке тестовых заданий для оценки уровня владения понятийным аппаратом позволяет ранжировать обучаемых по уровням знаний.
Предложен способ формирования входных тестовых наборов, отличающийся от существующих тем, что позволяет оценивать начальные знания обучаемого по всем разделам предметного курса и автоматически формировать индивидуальную траекторию обучения.
Разработана методика оценки сложности практических задач на основе разбиения процесса решения на отдельные операции, что позволяет дифференцировать задания для входного и выходного контроля.
Практическая ценность работы.
Разработанный механизм автоматизированного обучения решению практических задач позволяет проводить обучение на основе пошагового решения вместе с обучаемым.
Предложен способ формирования модели предметного курса в соответствии с государственными стандартами по любому предмету естественнонаучного цикла.
Разработана информационная система адаптивного обучения для довузовского образования по физике использована в образовательном процессе школ г. Муром и Муромского Института (филиала) ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет».
Реализация результатов исследования. Разработанные алгоритмы и адаптивная система обучения по физике были использованы для оценивания входных знаний по физике и в качестве средства дополнительного обучения в общеобразовательной школе №15 г. Муром, на подготовительных курсах по физике и в физической школе при Муромском институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет» (МИ (филиал) ВлГУ), а также студентов 1 курса специальности «Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств».
Работа выполнена на кафедре физики МИ (ф) ВлГУ в рамках государственной бюджетной темы №413/06 "Использование физических объектов и современный физический практикум с применением информационных технологий".
На защиту выносятся следующие результаты работы:
Способ формирования модели предметного курса на основе создания понятийного аппарата курса любой естественнонаучной дисциплины, оценка уровня владения терминами этого понятийного аппарата позволяет в дальнейшем ранжировать обучаемых по уровням знаний.
Способ оценивания сложности практических задач по физике позволяет дифференцировать знания обучаемого; предложенный на базе этого механизм автоматизированного обучения решению практических задач позволяет проводить обучение на основе пошагового решения вместе с обучаемым, тем самым, выполняя функцию индивидуального репетитора.
3. Разработанная методика формирования входных тестовых наборов позволяет
оценивать начальные знания обучаемого и умение применять их на практике при реше-
ний практических задач по всем разделам предметного курса и на основе этого формировать индивидуальную траекторию обучения.
Апробация работы.
Диссертационная работа и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: XVIII, XIV Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (г. Троицк, 2007, 2008 г.); Международной молодежной научной конференции «XV Туполевские чтения» (Казань, 2007); ежегодной преподавательской конференции «Наука и образование в развитии промышленного потенциала и социально-экономической сферы региона» (Муром, 2008); 34 Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2008); научно-методической школе-семинаре «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврА-зЭС» (Москва, 2008); I Всероссийской конференции «Зворыкинские чтения», (Муром, 2009) и других международных, всероссийских и региональных конференциях.
Личный вклад автора. Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2006 - 2009 гг. Основные теоретические и методические результаты получены непосредственно автором. Разработка модели информационной среды адаптивного обучения выполнена лично автором. Разработка адаптивной системы обучения и ее внедрение в образовательный процесс проводилась при участии автора: разработка алгоритмов работы системы, определение структуры, содержания и информационного наполнения системы, внедрение кодов, проведение апробации в Ми (ф) ВлГУ, обработка результатов исследования.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ. Участие в научно-практических конференциях и методических семинарах подтверждается публикацией тезисов 5 докладов. По результатам исследований получены 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ: свидетельство об отраслевой регистрации разработки, отвечающей требованиям новизны, приоритетности и научности (№12028, 23.12.2008) и извещение о государственной регистрации в "Национальном фонде неопубликованных документов" (№50200900042, 11.01.2009 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и приложений. Общий объем диссертации 184 страницы, в том числе 128 страниц основного текста, 13 страниц списка литературы, 43 страниц приложений, 15 таблиц, 32 рисунков.
