Содержание к диссертации
Введение 5
І.КОМПЬЮТЕРНЬІЕ ОБУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ 15
1.1. Системный анализ компьютерных обучающих систем 22
1.1.1. Современные компьютерные обучающие системы с незамкнутой
системой управления 24
1.1.2. Современные компьютерные обучающие системы с системой управления
"административный контроль" 27
1.1.3. Современные компьютерные обучающие системы с замішутой системой
управления (обратная отрицательная связь) 32
1.1.4. Преимущества и недостатки замкнутых и незамкнутых систем
управления. Комбинированная система управления 38
1.2. Обучающие средства - тренажеры, основанные на принципах машинного
обучения 42
Проблема обучения в системах искусственного интеллекта 43
Обучение с подкреплением 47
Компоненты обучения с подкреплением 48
1.3. Компьютерные системы диагностики процесса обучения 51
Компьютерные системы психодиагностики 52
Компьютерные системы педагогической диагностики 59
Выводы 63
2.ПРИЩИПЫ СОЗДАНИЯ ДИНАМИЧЕСІШХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБУЧЕНИЯ РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ 65
2.1. Организация управления процессом обучения решению задач 65
Современные представления теории управления 65
Постановка задачи управления процессом обучения ученика как неопределенного объекта .- 66
2.2, Моделирование процесса обучения 73
?
Особенности моделирования учебной среды и взаимодействия учителя с учеником 73
Моделирование ситуаций, возникающих в процессе обучения 83
2.3. Особенности разработіш структуры динамических компьютерных тестов-
тренажеров 88
Организация динамических компьютерных тестов-тренажеров 88
Организация модуля учебного материала 89
Генератор задач 90
Организация вычислительного модуля 94
Организация обратной связи и пооперационный контроль 95
Организация управляющего модуля-адаптера 103
Организация интерфейса 104
Выводы 107
3 .ДИАГНОСТИКА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
ОБУЧЕНИЯ 109
3.1. Организация модуля записи деятельности 109
Зались деятельности при решении задач 109
Контент-анализ протоколов деятельности. Функции вознаграждения
и ценности состояния 111
3.2. Стохастическая теория обучаемости Буша и Мострелли, ее применение при
анализе протоколов 114
Математическая схема применяемой стохастической модели 114
Рекуррентное представление с указанием неподвижной точки 117
Непрерывная аппроксимация решения рекуррентного уравнения с указанием неподвижной точки 120
3.3. Метод фазовых портретов для диагностики обучаемости 122
Фазовое пространство динамической системы 122
Экспериментальные фазовые портреты процесса обучения 125
3.3.3. Явление недостаточной специфической обучаемости 127
3.4. Психолого-педагогическая интерпретация результатов эксперимента 133
Достоверность результатов эксперимента, полученных с помощью динамических компьютерных тестов-тренажеров 133
Распределения средних скоростей "движения" обучаемых по уровням самостоятельности. Состояния обучаемых в пространстве скоростей 134
Распределение испытуемых по уровням самооценки 137
Выводы 141
Заключение 143
Библиографический список 145
Приложение 1 159
Приложение 2 168
Приложение 3 170
Введение к работе
Актуальность исследования
Современное общество предъявляет высокие требования к качеству процесса обучения. В связи с этим актуальной становится и проблема управления процессом обучения. Наше общество стоит перед необходимостью создания гибких технологий обучения (под технологией обучения понимают научную организацию обучения). В основу их построения должна закладываться эффективная система управления процессом обучения.
Эффективность управления учебно-познавательной деятельностью зависит от организации контроля над процессом усвоения знаний. Контроль является элементом действия и в то же время направляющим фактором регулирования процесса обучения. Он осуществляет обратную связь в системе управления, его средствами получается необходимая информация о текущем состоянии учебного процесса и производится необходимая коррекция.
В исследованиях [13, 68, 103, 106] выявлены факторы, способствующие повышению эффективности обучения при использовании компьютерных обучающих систем:
Индивидуализация обучения [1 і 3].
Внедрение обучающих систем позволит совместить достоинства индивидуального (в смысле эффективности) и массового (в смысле экономичности) обучения.
Интенсификация обучения [11, 104].
Она достигается за счет индивидуальности обучения (толпа всегда идет медленнее одного человека), а также за счет того, что обучаемый не привязан ко времени занятия и к преподавателю, а мол<ет заниматься в удобное для себя время.
Использование выразительных средств вычислительной техники, таких, как наглядность, наличие средств моделирования объектов и процессов [48, 93].
Возможность организации постоянного контроля и диагностики степени усвоения знаний, способствующих более прочному закреплению материала [22].
Возможность автоматизации любого вида деятельности появляется в том случае, когда выполняемые человеком функции могут быть в достаточной степени формализуемы и адекватно воспроизведены с помощью технических средств при условии выполнения требований по качеству достигаемого результата.
В англоязычной литературе существуют два термина, касающиеся вопросов компьютерного обучения: машинное обучение и обучение с помощью компьютера [76].
Машинное обучение (machine learning) предполагает создание и использование методов и моделей, обучающих компьютер принимать решения в той или иной области знаний. Иначе говоря, обучение в смысле learning означает самообучение, адаптацию, самоорганизацию и т.п., а понятие "машинное обучение" - соответственно обучение машины (компьютера) путем создания систем, демонстрирующих способность адаптации к окружающей среде путем накопления информации. В русском языке системы такого рода называются обучающимися.
Термин "обучение с помощью компьютера" (machine tutoring) предполагает создание и использование компьютерных систем, основной целью которых является обучение людей какому-либо знанию или умению на основе заложенных в систему моделей. Понятие tutoring в первую очередь связано с вопросами «кого учить?», «как учить?», «чему учить?» и даже «зачем учить?». Системы, разрабатываемые в рамках этого направления, основаны на моделях передачи информации и знаний ученику от учителя с
помощью компьютера. В русском языке такие системы носят название
систем обучения, или обучающих систем [108].
J) Компьютерное тестирование как метод контроля знаний и диагностики
появилось сравнительно недавно и прочно заняло свои позиции. Несомненно, его истоки - психолого-педагогические теории классического тестирования.
Методика составления педагогических тестов описана в работах [1-6; 18-21; 23—25; 96] многих отечественных педагогов: B.C. Аванесова, В.П. Беспалько, В.И. Сосновского и др.
B.C. Аванесов и В.П. Беспалько создали различные концепции
тестирования с общих психолого-педагогических позиций. В своих работах
B.C. Аванесов на основе анализа достижений западной психологии и
тестологии описывает методологические и теоретические основы использования тестового контроля в высшей школе. Автор уделяет большое внимание вопросам обработки тестовых результатов и способам оценки качеств педагогического теста.
В теории поэтапного формирования умственных действий процесс
обучения рассматривается как система определенных видов деятельности,
направленных на достижение решения учебных задач. Эта теория развита в
'* работах [49; 50; 99; 100] П.Я. Гальперина и Н.Ф. Талызиной,
С.А. Архангельского, В.П. Беспалько, М.С. Дмитриева, П.И. Пидкасистого, А.И. Раева, В.П. Симонова. Описаны этапы процесса управления, общие принципы и способы организации процесса обучения.
Одним из важнейших звеньев управления является контроль, осуществляемый в процессе обучения. Ему посвящено множество исследований. Теоретические основы контроля результатов обучения, разработаны Н. Ф. Талызиной на основе деятельностного подхода.
Л.В. Жарова подробно описывает элементы контроля на различных этапах организации самостоятельной работы и соответствующей реализации коррекционной функции контролирующих средств [65].
В.А. Басовой разработана система специальных заданий, позволяющих последовательно выявлять уровни усвоения изучаемого математического материала и соответствующим образом организовывать их самостоятельную работу [14].
Как показывает анализ литературы, в отечественной педагогике и психологии в меньшей степени изучены вопросы учебно-познавательной деятельности учащихся в методиках, где используются компьютерные технологии обучения.
Применение компьютерных технологий вносит свою специфику в организацию процесса обучения, обусловленную особенностями и возможностями компьютерной техники, которые позволяют отслеживать не только конечный результат деятельности обучаемого при решении задач (ответ на задание), но и процесс решения. Это дает новые знания о процессе обучения, об организации контроля знаний (пооперационного контроля знаний) при выполнении заданий и диагностировании параметров обучаемости.
Современные достижения теорий искусственного интеллекта, кибернетики, управления нелинейными системами, психодиагностики и др. позволяют создать эффективные компьютерные среды для процесса обучения от различных тестовых оболочек до автоматизированных распределенных обучающих систем.
Среди различных компьютерных обучающих сред особое место занимают динамические среды (ДС), или динамические компьютерные тесты-тренажеры (ДКТТ) [28; 30; 32; 34; 38; 64]. С одной стороны, они достаточно специализированы, с другой - позволяют не только обучить учащихся решению задач, но и получить такую информацию о процессе обучения, которую невозможно получить, используя другие средства.
Динамический компьютерный тест-тренажер - это компьютерная среда, созданная на основе современных представлений о процессе обучения. В ней реализованы достижения таких наук, как кибернетика, системы искусственного интеллекта, теория автоматов, дидактика, позволяющая проводить тренаж по решению задач (обучать решению задач по конкретной тематике, например, преобразование графиков функции в математике) и записывать при выполнении пооперационного контроля информацию - диагностировать динамические параметры решения задач.
В данном компьютерном обучающем средстве организована замкнутая система управления с регулируемой по результатам деятельности обучаемого обратной связью. Адаптация заключается в том, что, осуществляя деятельность по решению задач, обучаемый формирует "заказ" о частоте включения обратной связи. При этом решается одна из основных задач управления - слежение как за локальной (решение текущей задачи), так и за глобальной целью (формирование собственного механизма слежения).
Пооперационная запись позволяет осуществить тестирование динамических параметров процесса обучения. Традиционное тестирование фиксирует только статические характеристики и диагностирует процесс обучения не при выполнении заданий, а через определенные промежутки времени. Это так называемое статусное тестирование. Этот подход неприемлем для изучения динамики процесса обучения, поскольку состояние обученности постоянно меняется: даже после самого процесса тестирования оно уже другое, нежели до него [78].
Таким образом, для более тонкой дифференциации и диагностики необходима информация о динамических характеристиках изменений состояний обучаемого.
В процессе работы изучались возможности, предоставляемые компьютерной техникой для организации процесса обучения, управления им,
организации контроля и диагностики, проводился системный анализ существующих компьютерных систем и методов их использования.
Проведенный анализ показал, что в настоящее время основная масса программных средств поддерживает традиционные формы управления процессом обучения, в которых решается задача регулирования (как правило, адаптация по сложности, типу заданий).
В связи с вышеизложенным тематика диссертационного исследования является актуальной.
Проблема исследования определяется противоречием между необходимостью измерения изменений при выполнении заданий (измерения обучаемости и др. характеристик обучаемого) в процессе обучения для диагностики характеристик обучаемого, с одной стороны, и практическим отсутствием в существующих технологиях методов тестирования динамики процесса обучения - с другой.
Цель работы — совершенствование адаптивных систем управления, разработка принципов построения систем пооперационного контроля, разработка системы диагностики обучаемости для повышения эффективности процесса обучения.
Гипотеза исследования: если в обучении применять динамические компьютерные среды, то:
повышается эффективность обучения;
реализуется дифференцированный подход в обучении;
реализуется возможность адаптивного компьютерного управления учебной деятельностью в процессе выполнения заданий;
повышается эффективность и гибкость управления при использовании пооперационного контроля;
реализуется возможность объективного диагностирования параметров обучаемости.
Для достижения поставленной цели и подтверждения гипотезы были определены следующие задачи:
провести системный анализ существующих компьютерных обучающих систем и тенденций их развития;
выявить требования, предъявляемые к динамическим средствам обучения как к специализированному программному обеспечению, ориентированному на обучение решению задач;
проанализировать систему управления процессом обучения с помощью компьютерных тренажеров;
разработать программное обеспечение компонентов динамических компьютерных систем;
разработать методы анализа и дифференцированной оценки деятельности обучаемых;
экспериментально подтвердить эффективность предложенных методов. Методы исследования основаны на использовании положений теории
вероятности, комбинаторики, системного анализа, методов компьютерного моделирования, кибернетики, теории конечных автоматов. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.
Научную новизну работы составляют: * система пооперационного контроля и скрытой записи деятельности
обучаемого для решения задач управления и диагностики процесса
обучения;
адаптивная система управления для эффективного управления процессом обучения при решении задач;
функции, характеризующие процесс обучения (фазовые портреты, функции вознаграждения, ценности состояния), полученные посредством контент-анализа протоколов деятельности обучаемого.
Теоретическая значимость исследования состоит в разработке адаптивных компьютерных систем управления процессом обучения на основе механизма регулируемой обратной связи, введении динамических параметров, характеризующих обучаемость.
Практическая значимость. Теоретические исследования завершены созданием систем адаптивного управления и диагностики на основе алгоритмического и программного обеспечения. А именно:
созданы алгоритмы проведения пооперационного контроля при решении задач и адаптивном управлении процессом обучения;
разработано программное обеспечение, реализующее различные виды пооперационного контроля и адаптивного управления процессом обучения;
" разработаны протоколы записи данных (деятельности) для диагностирующих программ;
разработаны программы диагностики параметров процесса обучения;
применена линейная стохастическая модель обучаемости Р. Буша и Ф. Мостеллера для анализа экспериментальных временных рядов процесса обучения;
получены три авторских свидетельства на разработанные программы (№ 2005610830, № 2005610831 от 11 апреля 2005 года, № 2005610418 от 14 февраля 2005 года).
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных принципов компьютерного моделирования, адаптивных систем управления, обучающих интеллектуальных систем, проведением эксперимента и диагностикой его результатов,
Положения, выносимые на защиту
Адаптивная компьютерная система управления процессом обучения с
регулируемой обратной связью;
Система пооперационного контроля и записи процесса деятельности обучаемого при решении задач;
Комплекс технологических решений и программных компонент диагностики динамических порогов обучаемого.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
совместном заседании кафедр информатики и математических методов физики Красноярского государственного педагогического университета (2001-2005);
II Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов "Молодежь и наука" (Красноярск, 2000);
IV Международной научно-практической конференции "Образование XXI века" (Железногорск, 2002);
Региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы качества педагогического образования" (Новосибирск, 2003);
Всероссийской научно-методической конференции "Совершенствование систем управления качеством подготовки специалистов" (Красноярск, 2003);
Международной научной конференции "56-е Герценовские чтения" по проблемам обучения математике в школе и вузе (Санкт-Петербург, 2003);
22-м Всероссийском семинаре преподавателей математики педагогических вузов и университетов "Математическая и методическая подготовка студентов педагогических вузов и университетов в условиях модернизации системы образования1' (Тверь, 2003);
Всероссийской научно-практической конференции "Современные проблемы преподавания математики и информатики" (Тула, 2004);
9) 23-м Всероссийском семинаре преподавателей математики
педагогических вузов и университетов "Актуальные проблемы
преподавания математики в средней школе и педагогических вузах"
(Челябинск, 2004);
городском межвузовском семинаре преподавателей математики (Красноярск, 2003; 2004);
VII Всероссийском семинаре "Моделирование неравновесных систем" (Красноярск, 2004);
XII Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 2004);
Международной научной конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (Тирасполь, 2005);
VIII Всероссийском семинаре "Моделирование неравновесных систем" (Красноярск, 2005);
ХШ Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 2005).
Экспериментальная проверка основных положений диссертации проводилась с 2001 по 2005 годы на базе средних школ - экспериментальных площадок факультета физики, информатики и вычислительной техники Красноярского государственного педагогического университета имени В.П. Астафьева, Мининской средней школы Емельяновского района, общеобразовательных школ № 15, № 99 г. Красноярска.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ. Полный список представлен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, библиографического списка и трех Приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 180 страницах машинописного текста, иллюстрированного 5 таблицами и 23 рисунками.
