Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время весьма остро встает вопрос обеспечения
качества производимой продукции вообще, и микроэлектронных систем
в частности. Если раньше разработка новых микроэлектронных
(электронных) приборов и систем была ориентирована на длительный
срок эксплуатации и выполнялась специализированными
подразделениями разработчиков аппаратуры, то в настоящее время моральное старение микроэлектронных изделий происходит гораздо быстрее, объемы производства стали меньше. Поэтому все этапы от разработки до изготовления часто выполняются непосредственно на предприятии-изготовителе. Вместе с тем в условиях жесткой конкуренции предприятие не может позволить себе снижать качество продукции. Это приводит к необходимости постоянно расширять компетентности обслуживающего персонала, что связано с требованием регулярного повышения квалификации и освоения новых знаний. При использовании компьютерных технологий обучения возрастает роль интеллектуальнных методов поддержки процесса обучения. Одним из выходов в данном случае является создание интеллектуальнных тренажёрно- обучающих комплексов (ТОК).
Кроме того, подготовка специалистов по электронике в рамках программ высшей школы, очевидно, никогда не потеряет своей актуальности. Поэтому еще одной областью применения ТОК является ее использование при подготовке специалистов в вузовской и профессиональной сферах. Разработка системы велась с учетом возможной профессиональной загруженности обучаемых, поэтому предусматривается возможность доступа к теоретической части и режиму тренинга в любое удобное время, и без обращения к преподавателю. Эта особенность ТОК предоставляет дополнительные возможности и для студентов в плане построения индивидуальной линии обучения.
В преподавании дисциплин, связанных с микроэлектроникой, в настоящее время успешно сосуществуют и дополняют друг друга два направления: традиционное обучение и применение новейших компьютерных технологий с использованием стандартных программных средств (пакеты MATLAB, MULTISIM, и т.д.). Последнее направление весьма актуально в связи с новыми требованиями к образовательным технологиям.
Вопросами создания систем электронного обучения занимаются многие зарубежные и российские ученые, в частности хорошо известны работы Б. Ятленко, А. Бондаренко, Марка Розенберга, А.Я. Савельева, Лисова О.И, Игнатовой И.Г., Тихомирова В.П., Солдаткина В.И., Гусевой А.И., Дэ-Джун Кванг, Мьюнг-Сук Дженни Панг и др.
Актуальность проблемы, посвященной повышению квалификации обслуживающего персонала, обусловлена тем, что в условиях увеличения числа малых предприятий с быстро меняющимся ассортиментом производимой продукции нет возможности обеспечить длительную подготовку специалистов нужной квалификации. Использование ТОК позволяет решить проблему ускорения и повышения качества процесса первичного обучения и повышения квалификации специалистов, в том числе и с использованием методов электронного образования (e-learning).
Построение ТОК, осуществляемое на основе разработки структуры, моделей алгоритмов генерации заданий и контроля правильности решения задач, создания интеллектуального модуля контроля результатов обучения, являются актуальными задачами.
Цель работы
Целью работы является повышение эффективности процессов обучения на основе разработки интеллектуальной системы поддержки управления процессом обучения, принятия решений и обработки информации в обучающих системах, путём создания математического и программного обеспечения тренажёр но-обучающих комплексов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.
Анализ существующих методик подготовки специалистов в рамках технологии e-learning.
Построение формализованной модели области знаний.
Разработка структуры тренажёрно-обучающего комплекса.
Разработка алгоритмов интеллектуальнной поддержки процесса обучения с помощью тренажёрно-обучающего комплекса.
Разработка методик интеллектуального управления процессом обучения.
Разработка адаптивной технологии обучения и алгоритмов автоматической генерации тестовых заданий и контрольных вопросов.
Создание методики интеллектуального тестирования и оценивания знаний.
Программная реализация разработанных алгоритмов для решения
практических задач обучения и повышения квалификации специалистов
в области микроэлектроники.
Объектом исследования является процессы первичного обучения и
повышения квалификаций обслуживающего персонала в области
микроэлектроники
Предметом исследования является структура ТОК как компонента системы обучения, алгоритмы, модели и программная реализация интеллектуальных средств обучения по базовым разделом микроэлектроники, в частности "Преобразование активных двухполюсников", "Метод контурных токов". Микроэлектроника рассматривается как комплекс дисциплин, связанных с расчетом, моделированием и проектированием электронных приборов.
Методы исследования.
Теоретическую и методологическую базу исследования составляют элементы общей теории систем, теория интеллектуальных технологий. При решении конкретных задач использованы теория электрических цепей, интерфейсы дискретных систем, труды отечественных и зарубежных ученых в области e-learning технологии и микроэлектроники.
При создании ТОК были использованы методы объектно-ориентированного программирования. При создании интеллектуальной подсистемы оценивания, генерации тестов и контрольных вопросов применялись методы теории нечетких множеств. При апробации ТОК использовались статистические методы проверки эффективности.
Научная новизна.
Диссертационная работа представляет собой совокупность
научно обоснованных технических решений, направленных на
разработку ТОК, обеспечивающих базовое обучение и повышение
квалификации обслуживающего персонала в области
микроэлектроники.
Научная новизна работы состоит в создании новых методик, моделей и алгоритмов повышения эффективности процесса обучения на основе использования интеллектуальных технологий.
В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты.
Сформулированы новые требования к функционированию ТОК и его структуре, применительно к решению задач интеллектуального управления процессом обучения.
Разработана модель области знаний (базы знаний), обеспечивающая применение двух технологий обучения, основанных на индуктивном и дедуктивном методах, в зависимости от индивидуальных компетентностных качеств обучаемых.
Разработан алгоритм формирования заданий в интеллектуальном тренажере (с помощью автоматического генератора заданий).
Предложена адаптивная методика интеллектуального тестирования и рейтингования знаний обучающихся, учитывающая сложность и количество контрольных вопросов, а также динамику успеваемости студентов.
Разработан интеллектуальный блок ТОК для обработки результатов тестирования знаний обучаемых, обеспечивающий управление по индивидуальной траектории обучения по одному из двух возможных методов: индуктивному или дедуктивному;
На базе адаптивно-нечеткой логики разработаны принципы построения, структура, алгоритмы работы и программная реализация ТОК по двум разделам: "Преобразование активных двухполюсников" и "Метод контурных токов".
Проведено экспериментальное исследование предложенных в работе методик и алгоритмов.
На защиту выносятся.
Структура тренажёрно-обучающего комплекса.
Алгоритмы управления работой тренажёрно-обучающего комплекса.
Алгоритмы принятия решения при управлении процессом обучения.
Формализация модели области знаний (микроэлектроника).
Адаптивная технология обучения, методика управления знаниями, структура алгоритма генератора тестов и контрольных вопросов, обработка результатов, полученных при тестировании, и контроля знаний обучаемых.
Методика интеллектуального тестирования и оценивания знаний.
Программная реализация тренажёрно-обучающего комплекса.
Практическая значимость заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение ТОК при обучении теории электрических цепей как базовому разделу микроэлектроники. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов и программной реализации.
Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности изучения базовых разделов микроэлектроники за счет адаптивной технологии обучения, интеллектуальных средств тестирования и оценивания знаний, повышения объективности рейтингования обучающихся. Разработанный тренажерно-обучающий комплекс обеспечивает повышение среднего балла успеваемости студентов, обучающихся по дисциплинам "Теория систем" и "Теория цепей" более чем на 20%, уменьшение времени выполнения контрольных мероприятий в среднем на 30% по сравнению со стандартными технологиями обучения .
Достоверность результатов работы определяется корректным применением математического аппарата и подтверждается результатами использования предложенных решений в учебном процессе, доказавшими преимущества разработанных ТОК, что выражается в повышении среднего балла успеваемости обучающихся и снижении среднего времени выполнения контрольных мероприятий.
Личный вклад автора
Основные результаты получены автором лично. Главными из них являются следующие.
Выполнен аналитический обзор существующих методов в e-learning технологии.
Разработаны требования к функциональным блокам ТОК и его структуре.
Построена модель области знаний, обеспечивающая применение двух технологий обучения, основанных на индуктивном и дедуктивном методах , в зависимости от индивидуальных компетентностных качеств обучаемых.
Предложена адаптивная методика интеллектуального тестирования и рейтингования знаний обучающихся, учитывающая сложность и количество контрольных вопросов, а также динамику успеваемости студентов.
Разработана интеллектуальная система оценивания знаний обучаемых, обеспечивающая индивидуальную траекторию обучения по одному из двух возможных методов: индуктивному или дедуктивному.
Разработаны принципы построения, структура, алгоритмы работы и программная реализация ТОК при изучении курса "Теория цепей" с использованием аппарата нейронных сетей.
Проведено экспериментальное исследование предложенных в работе методик и алгоритмов.
Апробация и внедрение результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы
были доложены на всероссийских межвузовских научно-технических
конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва,
Зеленоград, 2008-2010), на второй международной научно-
методической конференции «Современные проблемы высшего
профессионального образования» (Курск, 2010), на международной
научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной
техники и технологии» (Липецк, 2010) и на всероссийской
межвузовской научно-практической конференции «Актуальные
проблемы информатизации, развитие информационной
инфраструктуры, технологий и систем» (Москва, Зеленоград, 2008).
Публикации по теме диссертации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных трудах. В том числе одна работа в издании из списка, утвержденного ВАК. Без соавторов опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Диссертация изложена на 147 страницах текста, содержит 39 рисунков и 6 таблиц.
