Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Проблемы разработки электронных обучающих систем 11
Общая характеристика систем интерактивного обучения 11
Действующие лица процесса интерактивного обучения 15
Функции обучаемого: 15
Функции преподавателя: 16
Функции администратора системы дистанционного обучения: 17
КЗ. Международные стандарты в области технологий интерактивного
обучения . 17
Стандарты IMS 18
Спецификации IEEE LTSC 22
1.3.3 Стандартизация описания информационных образовательных
ресурсов 23
Концепции описания процесса интерактивного обучения 25
Дидактические структуры компьютерных курсов 31
Адаптация в обучающих системах 33
Выводы по первой главе 36
Глава 2. Модели процесса интерактивного обучения и адаптации 38
2,1 Информационные модели процесса интерактивного обучения 39
2.2. Моделирование обучающих систем с помощью раскрашенных сетей
Петри 46
Мультимножества 47
Формальное определение CPN 48
Функционирование CPN 52
2.2.4. CPN с временным механизмом 54
2.3. Моделирование процесса интерактивного обучения 56
2.3.1. Одноресурсная модель процесса прохождения учебного модуля 57
2.3.2. Модель прохождения учебного курса, состоящего из нескольких
модулей 59
2.3.3 Модель учебного курса как раскрашенная сеть Петри (CPN) 61
2.4. Вероятностные модели процесса обучения 67
2.4.1 Формальное определение модели 68
Пример моделирования 71
Обсуждение предлагаемой методики 74
Допущения и ограничения модели 74
Сокращение числа комбинаций тестовых вопросов 75
2.5. Оценка параметров модели по данным реального процесса обучения ... 75
Оценка вероятностей перехода между состояниями учебного процесса 76
Оценка чувствительности модели к изменению вероятностей перехода между состояниями 78
Выводы по второй главе 80
Глава 3. Модели процессов адаптации в учебных курсах с многоуровневой
структурой 81
Простейшая модель 81
Модель процесса обучения как автомат с линейной тактикой 84
Автомат с поглощающими состояниями 89
Модель двухуровневого обучения с адаптацией 91
Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Моделирование и разработка адаптивного курса по дисциплине
«Дискретная математика» 99
4.1.1. Динамическая модель курса в виде иерархической раскрашенной
сети Петри 105
4.1.2. Модели отдельных модулей 109
4.2. Функционирование модели адаптивного курса 113
Моделирование процесса адаптации 113
Алгоритм функционирования модели 116
Определение матрицы вероятностей перехода 118
4.3. Обзор программных средств создания обучающих систем 122
Методологаи разработки интерактивных учебных курсов 122
Системы разработки интерактивных учебных курсов 125
4.4. Системы интерактивного обучения на базе стандартной СУБД 132
Выводы по четвертой главе 137
Заключение 139
Библиографический список 140
Приложения 149
Приложение 1. Структура и описание базы данных 149
Приложение 2. Акты об использовании материалов работы 153
Введение к работе
Интерактивное, т.е. в значительной мере самостоятельное обучение с использованием современных информационных технологий - одно из важнейших направлений совершенствования системы образования, в том числе и в России. Быстрое развитие телекоммуникаций, и в особенности сети Интернет создало технологическую основу для обмена информацией между организациями и отдельными лицами, вне зависимости от их социального статуса, государственной принадлежности, географического положения и явилось мощным стимулом развития дистанционного образования.
Индустрия компьютерных средств обучения насчитывает уже более двадцати пяти лет. На первых порах в учебном процессе использовались различные программно-методические комплексы для освоения студентами элементов информационных технологий.
В конце 80-х годов стали создаваться компьютерные обучающие системы на базе электронных учебников по различным дисциплинам с текстовыми и графическими фрагментами [11,68,76,80].
Появление Web-технологий в первой половине 90-х годов стало серьезным стимулом для развития информационных технологий в обучении. Во второй половине 90-х годов началось широкое распространение дистанционного обучения, в том числе обучения на базе Интернет. Появилась концепция открытого образования как системы предоставления образовательных услуг с помощью средств, имеющихся в распределенной информационно-образовательной среде, выбираемых пользователем и адаптированных под его конкретные запросы. В работу по созданию и использованию электронных средств поддержки образовательного процесса сегодня включились многие тысячи работников сферы образования. К настоящему времени созданы тысячи программных и информационных образовательных ресурсов.
Развитие интерактивного обучения в нашей стране входит в число стратегических задач всей образовательной системы - и как одного из методов обучения, и как составной части информатизации образования. В опубликованных в 1997 году «Основных положениях концепции очередного этапа реформации системы образования» указывается, что интерактивное обучение, осуществляемое в глобальных сетях, помогает решать основную задачу системы образования в целом - ориентацию на «реализацию общенациональных интересов России, ее конкурентоспособности на мировых рынках труда и цивилизованной конкурентоспособности ее населения в структурах становящегося глобального миропорядка».
В настоящее время успешно работает ряд учебных заведений и фирм, которые специализируются на разработке программно-информационных средств для систем интерактивного обучения. На рынке и в свободном распространении появилось множество электронных курсов по различным дисциплинам. Созданы и предлагаются к продаже программы, предназначенные для самостоятельного использования преподавателями при разработке учебных электронных изданий.
Ведутся работы в направлении стандартизации информационных образовательных ресурсов.
Новые аспекты использования систем интерактивного обучения возникают в связи с планируемой реформой высшего образования, в частности, в связи с переходом на модульно-рейтинговую систему обучения.
В то же время, при переходе к массовому использованию компьютерного обучения возникает целый ряд нерешенных дидактических и технических проблем. Отметим наиболее актуальные из них [42].
Разработка дидактики и методик, ориентированных на компьютерное обучение, в частности, на возможность адаптации обучающих систем к возможностям конкретного обучаемого.
Разработка инженерных методов создания систем компьютерного обучения как своеобразных педагогически ориентированных информационных
систем с использованием современных методологий и технологий моделирования и разработки таких систем.
Создание методов и моделей для априорной оценки дидактических и эксплуатационных характеристик разрабатываемых обучающих систем.
Снижение трудоемкости подготовки и разработки учебных электронных изданий для массового преподавателя.
Настоящая диссертационная работа посвящена созданию методов анализа и разработки адаптивных обучающих систем, основанных на моделировании процесса интерактивного обучения и использовании современных инструментальных средств. Новым элементом работы является использование теории обучения Л.С. Растригина (1988) и теории вероятностных автоматов с «целесообразным поведением» М.Л. Цетлина (1961, 1969) в качестве основы для создания моделей учебного процесса с адаптацией. Прикладная часть работы ориентирована на создание адаптивной системы обучения студентов, специализирующихся на изучении программирования и информационных технологий, курсу дискретной математики. При этом учитывалась специфика подготовки специалистов для предприятий химико-лесного комплекса.
Поскольку диссертация направлена на решение приведенных выше проблем и использует при этом оригинальный подход к созданию систем с адаптацией, ее тема представляется достаточно актуальной.
Цель работы.
На основе исследования и моделирования процесса интерактивного обучения с адаптацией разработать методы расчета и проектирования компьютерных курсов с различной дидактической структурой. Для достижения поставленной цели планируется решение ряда задач.
Задачи работы.
Разработать систему моделей адаптивных компьютерных курсов с
разветвленной и многоуровневой дидактической структурой, оценить их
особенности.
Исследовать вероятностные характеристики систем интерактивного обучения с адаптацией, построенных на основе концепции автомата с «целесообразным поведением» для различных дидактических структур курсов.
Разработать методику идентификации параметров стохастических моделей по данным учебного процесса.
Разработать и апробировать в реальном педагогическом процессе многоуровневый адаптивный компьютерный курс по дисциплине «Дискретная математика» для студентов специальностей, связанных с информационными технологиями.
Научная новизна
На базе CASE - средств, раскрашенных сетей Петри и теории цепей Маркова создана система моделей процесса интерактивного обучения с разветвленной и многоуровневой структурой.
В развитие концепций адаптивного обучения Л.С. Растригина и стохастического автомата с линейной тактикой М.Л. Цетлина предложены и исследованы модели адаптивных интерактивных курсов с многоуровневой структурой.
Исследованы вероятностные характеристики адаптивного процесса изучения курсов с различной дидактической структурой.
Предложен метод идентификации параметров вероятностных моделей компьютерных курсов по данным учебного процесса.
Практическая значимость
На основе анализа и использования существующих
инструментальных средств для создания электронных курсов разработан и
внедрен в учебный процесс СибГТУ многоуровневый компьютерный курс по
дисциплине «Дискретная математика» для студентов различных форм обучения
специальностей 220400 - Программное обеспечение вычислительной техники и
автоматизированных систем и 210200 - Автоматизация и управление,
Показано, что применение методики идентификации параметров вероятностных моделей, предложенной в диссертационной работе, позволяет прогнозировать успешность учебного процесса для различного контингента учащихся, что делает процесс обучения более предсказуемым, дает возможность гибко менять методику преподавания дисциплины в ходе учебного процесса и в конечном итоге положительно влияет на успеваемость студентов.
Краткое содержание работы.
Во введении представлена актуальность работы, ее цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе работы рассматриваются общая характеристика систем интерактивного обучения, функции действующих лиц процесса интерактивного обучения, а так же международные стандарты в области технологий интерактивного обучения. Кроме того, в первой главе изложены концепции описания процесса обучения: как процесса управления или как динамической игры. Также в первой главе рассматриваются различные дидактические структуры обучающих курсов и различные подходы к адаптации интерактивных обучающих систем к особенностям обучаемого.
Во второй главе рассматриваются информационные модели процесса интерактивного обучения. Также подробно рассматривается моделирование обучающих систем с помощью раскрашенных сетей Петри. Кроме этого, обсуждаются особенности построения вероятностных моделей процесса интерактивного обучения, а также оценка параметров полученной модели по данным реального учебного процесса.
В третьей главе работы предложены различные модели адаптации в учебных курсах с многоуровневой структурой, разработанные на основе концепции автомата с линейной тактикой Цетлина, а также оценка параметров модели на основе данных реального учебного процесса.
В четвертой главе рассматривается модель курса «Дискретная математика», а также обсуждается моделирование процесса адаптации и
алгоритм функционирования модели. Кроме того, в главе представлен обзор программных средств создания обучающих систем, а также обсуждается возможность построения системы интерактивного обучения на базе стандартной СУБД.
В приложениях приведены структура и описание базы данных, а так же акты об использовании обучающей системы по курсу «Дискретная математика».
