Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретический анализ компьютерных систем управления процессом обучения и учебной деятельностью 13
1.1. Анализ истории развития и становления автоматизированных систем обучения 13
1.2. Учебная деятельность как информационный процесс развития обучающегося 33
1.3. Организационно-технологический подход в управлении учебной деятельностью обучающихся решению задач 50
1.4. Структурно-функциональный анализ учебной деятельности обучающихся в проблемных средах 68
Выводы к главе 1 81
Глава 2 Моделирование систем управления учебной деятельностью 84
2.1. Кибернетический подход к проблеме адаптации обучающихся в проблемных средах 84
2.2. Модель функциональной системы «Обучающийся — Обучающая система» 95
2.3. Моделирование учебной деятельности в проблемной среде
с помощью цепей Маркова 102
2.4. Пазловые проблемные среды ПО
Выводы к главе 2 114
Глава 3 Диагностика учебной деятельности обучающегося конструированию пространственных объектов в пазловых проблемных средах 116
3.1. Компьютерные системы обработки продуктов деятельности обучающегося и управляющего центра 116
3.2. Диагностика обучаемости конструированию пространственных объектов в проблемных средах 134
3.3. Влияние уровня развития базовых когнитивных функций мозга на деятельность обучающихся 145
Выводы к главе 3 162
Заключение 164
Библиографический список 166
Приложения 183
- Анализ истории развития и становления автоматизированных систем обучения
- Организационно-технологический подход в управлении учебной деятельностью обучающихся решению задач
- Кибернетический подход к проблеме адаптации обучающихся в проблемных средах
- Компьютерные системы обработки продуктов деятельности обучающегося и управляющего центра
Введение к работе
Актуальность исследования. В современном обществе наряду с накоплением эмпирических данных в различных областях знаний наблюдается качественный рост теоретических исследований, который выражается в изменении самой парадигмы их проведения. В научной литературе часто встречаются такие понятия, как «качественные изменения», «развитие», «самоорганизация», с помощью которых описывают многообразие меняющегося мира. Изменения коснулись и теории обучения, а с развитием кибернетики и информационных технологий, основанных на применении компьютеров в обучении, обнаружились общие проблемы, и методология их решения подвигла к новому пониманию проблемы управления учебной деятельностью и ее диагностики.
Среди подходов к проблеме управления учебно-познавательной деятельностью на основе средств ИКТ наиболее интересен подход к проблеме обучения, который был предложен Гордоном Паском и развит профессором Растригиным Л.А. Отношения между обучаемым и обучающим рассматриваются как отношения между объектом управления и управляющим устройством, что позволяет применять в обучении методы теории управления.
Современные достижения теории искусственного интеллекта, кибернетики, управления нелинейными системами, психодиагностики и др. позволяют создавать эффективные компьютерные программы для применения в процессе обучения - от различных тестовых оболочек до автоматизированных распределенных обучающих систем. Протоколирование деятельности используется для адаптации программных комплексов к особенностям обучаемого с использованием специально разработанных моделей.
Описанные в литературе (Растригин Л.А., Кудрявцев В.Б., Ковалев И.В., Доррер А.Г., Усачев А.В.) адаптивные компьютерные обучающие системы призваны передать обучаемому предусмотренный объем информации, т.е. организовать, как указывает Беспалько В.П., сообщающее обучение. При таком подходе к управлению процессом обучения основную часть учебной информации обучаемый получает вследствие рецепции, а не продуцирования информации. Априори полагается, что обучаемый ориентирован на достижение целей обучающей системы и является объектом управления. В системах, построенных на принципах, изложенных Растригиным Л.А., представляющих наиболее развитые комплексы, хотя и происходит адаптация к индивидуальным параметрам пользователя, но возникает проблема создания адекватных моделей обучаемого. От точности совпадения параметров модели и оригинала (обучаемого) зависят качество и эффективность управления процессом обучения.
Однако систему «обучающий - обучаемый» необходимо рассматривать, как активную, то есть систему, в которой обучаемый обладает свойством активности, в том числе свободой выбора своего состояния. Помимо возможности выбора состояния обучаемый обладает собственными интересами
и предпочтениями, то есть осуществляет выбор состояния целенаправленно, с учетом обстоятельств конкретной ситуации, специфических условий, в которых он оказался. В связи с этим поиск адекватных параметров модели обучаемого еще более затруднен.
От обучаемого - объекта необходимо перейти к обучающемуся -субъекту и проводить управление и диагностику его деятельности в процессе научения решению задач. Такому переходу соответствуют компьютерные системы управления, которые можно определить как динамические информационные системы управления (ДИСУ) учебной деятельностью обучающихся (развивающихся субъектов), поскольку они реализуют свою целевую функцию на основе информации о динамике изменений учебной деятельности в процессе научения решению задач или проблем. Цель функционирования ДИСУ состоит в содействии обучающимся формированию структуры деятельности, позволяющей последним реализовать функцию по решению задач или проблем данного типа в конкретной предметной области. Это отвечает современным представлением о развивающихся системах (Моисеев И.Н., Айламазян А.К., Хакен Г., Шмальгаузен И.И., Лапко А.В. и др.). Такой подход означает, что продуцирование информации обучающимся происходит на основе собственного опыта взаимодействия с окружающим миром. Это предполагает наличие поисковой активности обучающегося как субъекта и, как следствие, отношение к обучающемуся как к активному агенту, производящему поиск решения проблемы в пространстве учебных ситуаций.
Особый интерес представляет деятельность, связанная с решением пространственных задач. Диагностика деятельности по конструированию пространственных объектов имеет большое значение для коррекции качества подготовки будущих инженеров, так как специфика инженерной профессии требует хорошо развитой функции воображения и зрительного синтеза, предоставляющей человеку возможность строить новые объекты в сознании. Именно этот вид зрительного синтеза осуществляют инженеры, работая над новыми проектами. При этом конечные результаты работы воображения и непосредственного восприятия эквивалентны.
Инженерная профессия направлена на преобразование реальной действительности. Если в процессе работы над проектом инженер не в состоянии «увидеть» все возможные последствия своих конструкторских решений, а увидит их после фактической реализации, то, как минимум, это приведет к неоправданным экономическим потерям. Поэтому проблема развития и диагностики способностей студентов инженерных специальностей технических вузов к конструированию пространственных объектов в воображении является актуальной и важной с точки зрения как будущей профессии, так и корректировки способов организации учебного процесса.
Как следует из теорий научения, обучающиеся решению пространственных задач могут осуществлять учебную деятельность либо преимущественно в виде мысленных манипуляций (преобразований) модели задачи, либо путем проб и ошибок. В первом случае учебная деятельность осуществляется с опорой на внутренний контекст (используется метод
наблюдения или самонаблюдение), во втором - с опорой на внешний контекст или фактические реакции среды. Возможная недостаточность уровня развития базовых когнитивных функций мозга (БКФМ) обучающихся, к которым относятся дифференцировка, распознавание, направленное внимание, скорость обработки информации, оперативная память, обусловливает, как правило, второй путь научения.
Динамика самоорганизации учебной деятельности обучающегося существенно зависит от уровня развития БКФМ, диагностика которого связана с нейрофизиологическими обследованиями испытуемых и существенно затруднена дороговизной специфического оборудования и недостатком специалистов соответствующей квалификации. В связи с этим требуется разработка доступных методов первичной диагностики БКФМ, что позволит оптимизировать процесс обучения.
Таким образом, можно выделить группу противоречий между:
современными достижениями средств информатики и ИКТ, теории развивающего обучения, кибернетики, системного анализа и недостаточным уровнем их практического использования при создании и применении компьютерных систем управления и диагностики учебной деятельности при научении решению пространственных задач;
необходимостью первичной диагностики уровня развития базовых когнитивных функций мозга обучающихся, влияющих на обучаемость и определяющих способности к зрительному синтезу при конструировании пространственных объектов, актуальных в инженерной и конструкторской деятельности, и практическим отсутствием соответствующих инструментальных методов на основе средств ИКТ.
Выявленная группа противоречий определяет проблему исследования.
Объект исследования - компьютерные системы управления учебной деятельностью обучающихся решению задач и ее диагностики.
Предмет исследования - создание и применение динамических информационных систем управления и диагностика учебной деятельности обучающихся решению задач конструирования пространственных объектов в зависимости от уровня развития базовых когнитивных функций мозга.
Цель работы - повышение эффективности систем управления и диагностики обучающихся конструированию пространственных объектов путем разработки методов и алгоритмов ситуационного управления поисковой активностью на основе структурно-функциональной модели управления учебной деятельностью.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
провести системный анализ существующих компьютерных обучающих систем
и тенденций их развития в контексте перехода от субъект-объектной к субъект-
субъектной парадигме обучения; разработать организационно-технологический
подход в управлении учебной деятельностью обучающихся решению задач в
проблемных средах;
создать систему ситуационного управления процессом адаптации обучающихся к условиям проблемных сред на основе структурно-функциональной модели управления учебной деятельностью обучающихся конструированию пространственных объектов и реализовать ее в пазловой проблемной среде;
на основе математического аппарата цепей Маркова описать и количественно оценить вероятностные характеристики процесса итеративного обучения в пазловой проблемной среде;
разработать инструментальный метод диагностики учебной деятельности обучающихся конструированию пространственных объектов, динамики ее изменения и создать специализированное программное обеспечение для обработки данных диагностики индивидуальных способностей к решению пространственных задач;
экспериментально выявить возможности компьютерной первичной диагностики БКФМ и их влияние на способы осуществления деятельности обучающихся конструированию пространственных объектов.
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. Для нейрофизиологической диагностики уровня развития базовых когнитивных функций мозга обучающихся на добровольной основе проводилось обследование методом вызванных потенциалов Р300.
Научная новизна. Предложен новый подход в создании динамических информационных систем управления учебной деятельностью обучающихся; на основе информационных технологий разработан инструментальный метод исследования деятельности обучающихся конструированию пространственных объектов, позволяющий проводить первичную диагностику базовых когнитивных функций мозга, определяющих способности к зрительному синтезу.
Теоретическая значимость. Предложена структурно-функциональная модель управления деятельностью обучающихся конструированию пространственных объектов, активизирующая адаптационные возможности человека при итеративном решении задач. Разработан инструментальный метод компьютерной диагностики уровня развития воображения и базовых когнитивных функций мозга обучающихся с помощью средств ИКТ.
Практическая значимость. Теоретические исследования завершены созданием компьютерных программ, реализующих динамическое информационное управление учебной деятельностью по научению конструированию пространственных объектов и позволяющих проводить диагностику индивидуальных особенностей обучающихся на основе систем обработки данных количественных характеристик их деятельности, а именно:
создано программное обеспечение, управляющее процессом научения
конструированию пространственных объектов при помощи активизации
различных уровней самоорганизации (адаптации) обучающихся;
разработано программное обеспечение для обработки данных,
содержащихся в протоколах учебной деятельности, позволяющее получать
информацию об обучаемости и проводить первичную компьютерную
нейропсихологическую диагностику уровня развития воображения и
базовых когнитивных функций мозга обучающихся.
Результаты, полученные в ходе исследования, были внедрены на факультете физики, информатики и вычислительной техники Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева и в институте региональной экономики, управления и градостроительства Сибирского федерального университета.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются использованием в ходе работы современных достижений кибернетики, теории управления, принципов компьютерного моделирования, систем искусственного интеллекта, теории конечных автоматов, нейрофизиологии, последовательным проведением нейрофизиологического и компьютерного неиропсихологического диагностического эксперимента и анализом их результатов.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
структурно-функциональная модель управления деятельностью обучающихся при решении задач в проблемной среде, основанная на организационно-технологическом подходе в управлении учебной деятельностью;
динамическая информационная система управления деятельностью обучающихся, позволяющая получить полную обученность конструированию предъявляемого пространственного объекта в пазловой проблемной среде независимо от индивидуальных различий и способностей к пространственному мышлению;
количественная оценка вероятностных характеристик пошагового процесса итеративного обучения конструированию пространственных объектов с использованием математического аппарата цепей Маркова;
инструментальный метод первичной нейропсихологической диагностики уровня развития воображения и базовых когнитивных функций мозга обучающихся с помощью средств ИКТ, который позволяет дифференцировать людей по обучаемости и профессиональной готовности к инженерной и конструкторской деятельности, а также выделять группу риска с возможным недостаточным уровнем развития БКФМ для последующего нейрофизиологического обследования и организации (в случае необходимости) корректирующих мероприятий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1) совместном заседании кафедр информатики и математических методов
физики Красноярского государственного педагогического университета
(2001-2007);
международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1997);
всероссийской конференции «Информатика и информационные технологии в педагогическом образовании» (секция «Проблемы информатизации региона - ПИР-97») (Красноярск, 1997);
научно-практической конференции (Новосибирск, 2003);
международной научно-методической конференции «Развитие системы образования в России XXI века» (Красноярск, КГУ, 2003);
23-м Всероссийском семинаре преподавателей математики университетов и педвузов «Актуальные проблемы преподавания математики в средней школе и педвузах» (Челябинск, 2004);
международной научно-методической конференции «Современные проблемы преподавания математики и информатики» (Тула, 2004);
1-й Региональной конференции (Красноярск, КГПУ, 2004);
11-й научно-педагогической конференции «Педагогика развития: образовательные интересы и их субъекты» (Красноярск, 2004);
II Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Открытое образование: опыт, проблемы, перспективы» (Красноярск, 2006);
международной научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» ВИС-2006 (Барнаул, АлтГТУ, 2006);
научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 2007);
международной научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» ВИС-2007 (Барнаул, АлтГТУ, 2007);
международной научной конференции «Молодежь. Образование. Карьера» (Красноярск, КГПУ им. В.П. Астафьева, 2008).
Экспериментальная проверка и внедрение основных положений
диссертации проводились с 2004 по 2008 годы на базе факультета физики,
информатики и вычислительной техники, а также нейрофизиологической
лаборатории Красноярского государственного педагогического университета
имени В.П. Астафьева и факультета промышленного и гражданского
строительства архитектурно-строительного института Сибирского
федерального университета.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ. В их числе 14 статей (2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК) и два авторских свидетельства на разработанные программы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, Библиографического списка и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 175 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
Анализ истории развития и становления автоматизированных систем обучения
Современное общество характеризуется тем, что происходит переход от индустриального к постиндустриальному информационному обществу, что сопровождается резким ускорением политических, социальных, технологических и культурологических процессов. Активное и непрерывное ускоряющееся развитие техники, технологий, коммуникаций определяет новые требования к системе образования, которая должна формировать активных, ответственных за принимаемые решения, самостоятельно мыслящих личностей, обладающих знаниями и умениями постоянного совершенствования своего профессионального и общекультурного уровня в условиях использования средств ИКТ [17, 32, 147].
В образовательном процессе, характеризующемся содержанием, формами и методами, выделяют [117] три основных структурных аспекта: познавательный, обеспечивающий усвоение опыта личности; воспитание типологических свойств личности, а также физическое и умственное развитие. Учебная деятельность в образовании является основной. Следовательно, при формировании современного человека особую важность приобретает развитие умения осуществлять эффективную учебную деятельность.
На протяжении многовековой истории человечества проходила смена методов и технологий обучения. В каждую историческую эпоху, адекватно ее условиям, существовала определенная система обучения и контроля за его результатами, отражающая характер общественных взаимоотношений в данный исторический период. На рубеже XIX и XX веков в теории и практике обучения появляется направление, авторы которого отказались от концепции «передачи знаний», основанной преимущественно на способности человека к запоминанию, и выдвинули требование формирования у обучающихся способностей к интеллектуальной деятельности, а также навыков практической деятельности. Эти концепции отождествлялись не столько с теорией преподавания, сколько с теорией учения. При этом особый интерес у исследователей стал вызывать анализ действий обучающегося, а не преподавателя, преподавание же стало считаться функцией учения, а не наоборот. Сейчас эти два вида деятельности не противопоставляются друг другу, так как преподавание тесно связано с учением, а их совокупность образует процесс обучения.
В технологии обучения различают два основных вида деятельности обучаемого: репродуктивную и продуктивную. Репродуктивная деятельность, являясь деятельностью по образцу, копией с деятельности другого человека или копией своей собственной деятельности, освоенной в предыдущем опыте, в управлении как таковом не нуждается. Продуктивная деятельность направлена на получение объективно нового или субъективно нового результата. Она носит динамический поисковый характер, и поэтому возникает необходимость в субъектно-ориентированном управлении. Характерной особенностью учебной деятельности является то, что обучающийся, выступая в роли ее субъекта, овладевающего определенными способами действия, изменяется сам при неизменности объектов, с которыми он взаимодействует. Иными словами, учебная деятельность всегда направлена на субъективно новый для обучающегося результат [15]. Такое понимание учебной деятельности особенно важно в условиях применения средств ИКТ.
В условиях организации учебного процесса с использованием компьютерных информационных технологий неизбежно возникает ряд теоретических и практических вопросов, касающихся адекватности этих технологий обучения, а также контроля знаний и навыков. Систематизируем и проанализируем современные достижения в области управления процессом обучения на основе средств ИКТ.
Автоматизированная обучающая система — компьютерная эргатическая система, предназначенная для оптимизации процесса обучения с использованием средств ИКТ, а также автоматизации процессов обратной связи и управления на ее основе познавательной деятельностью обучаемого [39, 83, 84, 99, 100, 101]. В дальнейшем будем использовать термин «Автоматизированная обучающая система» (АОС), под которым подразумевается любое компьютерное средство учебного назначения.
Для того чтобы точнее определить место и роль автоматизированных обучающих систем в учебном процессе, проследим за историей их развития.
Попытки механизировать или автоматизировать процесс обучения предпринимались еще в древности [113]. Так, например, американский психолог Грин упоминает средневековую машину, обучавшую рыцарей успешно метать копье. Если рыцарь попадал в центр мишени, то ничего не происходило. Но стоило ему промахнуться и сильно отклониться от центра, мишень поворачивалась через систему рычагов, идущих от мишени к рыцарю, и последний получал ощутимый удар.
Более серьезные работы такого рода начались в XX веке. Первым опытом была машина, построенная С. Пресси: она предъявляла обучающемуся вопросы, повторяя их до тех пор, пока он не давал правильный ответ. Примерно так же функционировала автоматизированная обучающая система с использованием перфокарт, построенная в 1960-х годах в Киеве. Вообще говоря, обучающие машины такого тренажерного типа широко распространены и сегодня. Эти системы постепенно приобретают отсутствовавшие в первых версиях свойства, становясь более универсальными.
Организационно-технологический подход в управлении учебной деятельностью обучающихся решению задач
В настоящем параграфе мы рассмотрим процесс учебной деятельности со стороны его организации. Учебную деятельность осуществляют обучающиеся, т. е. люди. Управление ими имеет специфику, определяемую тем, что оно направлено на формирование такого поведения обучающегося, которое позволит ему получить решение задачи или проблемы. Такой подход позволяет рассматривать систему управления учебной деятельностью с организационно-технологической стороны. Поскольку речь пойдет об организации учебной деятельности, то, следуя работе [75], рассмотрим вначале особенности и принципы учебной деятельности. Особенности учебной деятельности можно разделить на две группы: 1) особенности собственно самой учебной деятельности обучающегося; 2) особенности организации учебной деятельности обучающихся.
Если исходить из предложенной в работах В. Ротенберга [103, 104] концепции поисковой активности, то учебную деятельность обучающегося можно рассматривать как особую форму поискового поведения. Безусловно, она имеет ряд особенностей по отношению к другим формам проявления поисковой активности. Кратко перечислим их:
1) учебная деятельность направлена на освоение других видов человеческой деятельности, включая и овладение самой учебной деятельностью, так как умение учиться является важной компонентной человеческой культуры;
2) учебная деятельность направлена на получение «внутреннего» для субъекта (обучающегося) результата — освоение нового для него опыта в виде знаний, умений, навыков и т. д.;
3) учебная деятельность носит инновационный характер, потому что направлена на получение нового для обучающегося опыта и вследствие этого постоянно требует от обучающегося поисковой активности в условиях неопределенности прогнозирования конечного результата;
4) инновационный характер учебной деятельности сочетается с ограничением собственного целеполагания у обучающегося. Это связано с ограничением свободы выбора обучающегося в раннем возрасте, в полученном опыте пассивного зависимого поведения.
В работе [75] эта особенность учебной деятельности — «...инновационность учебной деятельности и в то же время ограниченность свободы воли и отсутствие или ограниченность собственного целеполагания» — называется парадоксом учебной деятельности, в том смысле, что обучающийся должен проявлять поисковую активность в условиях ограничений на свободу выбора.
5) на учебную деятельность существенно влияют возрастные кризисы и возрастная сензитивность - присущие определенному возрасту человека оптимальные периоды развития психологических свойств и качеств личности.
При организации учебного процесса необходимо учитывать, что в процессе своего развития (онтогенеза) индивид последовательно осваивает способы деятельности, свойственные организационным типам культур, сформировавшихся в процессе развития человечества (филогенез). По классификации Новикова A.M. [75], в истории развития человечества типы организационной культуры представлены: традиционной организационной, ремесленной, профессиональной и проектно-технологической культурой. Причем, как подчеркивает A.M. Новиков, типы организационной культуры не заменяют одна другую, а наличествуют одновременно, параллельно. По мере взросления человека к ранее освоенным типам организационной культуры добавляются новые.
Организация учебного процесса включает в себя, как необходимый элемент, применение той или иной теории учения. Деятельностные теории учения основываются на системах управления информационной учебной деятельностью обучающихся решению задач (проблем), соответствующих проектно-технологическому типу организационной культуры и субъект-субъектной парадигме организации процесса обучения.
Результатом учебной деятельности обучающегося в общем виде является новый опыт (новая информация). Положив в качестве основания классификации принципов учебной деятельности вид новой информации, получаемой обучающимся, A.M. Новиков [75] выделяет: 1) принцип наследования культуры - отражает отношения «новый опыт -объективная реальность»; 2) принцип социализации - отражает отношения «новый опыт - социум»; 3) принцип последовательности - отражает отношения «новый опыт -предшествующий накопленный опыт»; 4) принцип самоопределения - отражает отношения «новый опыт - сам обучающийся».
Поскольку в диссертации исследуются проблемы управления учебной деятельностью, в результате которой обучающийся сам приобретает опыт решения задач или проблем, то основополагающим принципом разрабатываемых систем управления и диагностики учебной деятельности является принцип самоопределения.
Кибернетический подход к проблеме адаптации обучающихся в проблемных средах
Рассмотрим процесс управления процессом обучения с точки зрения кибернетики. Кибернетика (от греч. kybernetike — искусство управления) — наука об управлении, связи и переработке информации [55, 148, 151]. Каждая кибернетическая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею. Опираясь на эти определения, можно говорить о процессе обучения как о кибернетическом процессе и проецировать на него широкий круг методов, разработанных в рамках кибернетики [55, 85, 95, 98].
В кибернетике существуют различные толкования понятия управления. А.А. Ляпунов считает, что управление есть характеристическое свойство жизни в широком смысле [68]. При этом определение управления А.А. Ляпуновым не дается. Специализированными формами автономного управления, с точки зрения физиологии, являются синергии, которые определяются как редукции избыточных свобод или параметров управляемой системы [ПО, 111]. С точки зрения учебного процесса синергии соответствуют навыкам выполнения учебных действий, то есть доведенной до автоматизма последовательности действий, ведущей к решению поставленной задачи.
В работе В.В. Смолянинова [НО] отмечается, что управление деятельностью более высоких уровней проводится на основе эволюционно подготовленных рефлексов, обратных связей и синергии. Для организации гибкого управления учебной деятельностью (как и любой другой) система должна обладать достаточным количеством степеней свободы. Отсюда В.В. Смолянинов делает вывод о том, что всякой организации управления деятельностью должна предшествовать организация необходимых и достаточных свобод — организаторская функция. На,основании этого В.В. Смолянинов дает достаточно абстрактное определение: управление - целевая акция редукции избыточных свобод системной (структурной и/или функциональной) организации.
Существующие адаптивные компьютерные обучающие системы решают стандартную задачу обучения, которая [95, 122] «состоит обычно в том, чтобы обучаемый наилучшим образом запомнил определенные порции информации U...». Эффективность адаптивного обучения зависит от алгоритма обучения О и индивидуальных свойств обучаемого co(t) как объекта обучения: Q = Q(U, со). (7)
Очевидно, что индивидуальные особенности обучаемых априори неизвестны. Для решения проблемы сделать процесс обучения адаптивным, т. е. приспосабливающимся к индивидуальным особенностям обучаемого, необходимо уметь решать проблему идентификации свойств личности. Приспособление осуществляется путем соответствующего выбора порции U обучения и требует решения задачи адаптации: Q(UMO) " min -» U a(t), (8) где Uastj — оптимальная порция обучения, зависящая от индивидуальных черт co(t) ученика. В качестве эффективности обучения Q может выступать число порций учебного материала охватывающих раздел, тему, курс предмета, время обучения и т. п.
Управление процессом обучения в адаптивных системах носит циклический характер. За каждой порцией Ua,t\ учебного материала, предоставляемой обучаемому, следует проверка (контроль) усвоения данной информации, затем корректировка дальнейшего хода процесса обучения с учетом модели обучаемого, его индивидуальных особенностей. Затем все повторяется.
Анализ исследований, посвященных адаптивным обучающим системам, показывает, что они не учитывают то, что обучаемые являются субъектами и обладают собственными адаптационными механизмами. Как правило, это проявляется в учебной деятельности при научении решению задач, которая изначально предполагает учет активности обучающего. Научение решению задач является целенаправленной деятельностью, связанной не только с решением конкретной задачи, но и с процессом саморазвития и самоорганизации структуры системы действий обучающегося.
Учебная деятельность рассматривается как процесс развития потому, что с ней связано продуцирование новой информации, полученной в результате опыта взаимодействия обучающегося с проблемной средой. Проблемная среда — это совокупность условий, обеспечивающих деятельность обучающегося решению задач. В качестве таких условий можно выделить: а) наличие множества возможных действий или операций, необходимых для выполнения деятельности по решению задачи; б) возможность совершать и исправлять ошибки в процессе решения задач; в) саморегулируемость неопределенности проблемной среды, позволяющая обучающемуся сохранять поисковую активность; г) полезный результат или функцию ценности состояния обучающегося.
Компьютерные системы обработки продуктов деятельности обучающегося и управляющего центра
Как говорилось в первой главе, процесс научения решению задач можно рассматривать как развитие структуры системы действий обучающегося. Структура системы действий обучающегося конструированию пространственных объектов задается матрицей переходных вероятностей и вероятностями состояний деятельности обучающегося (см. 2.2). Структура систем действий по мере научения эволюционирует (совершенствуется) в направлении исключения неправильных действий и действий, которые не приближают решение задачи (например, действия, связанные с просмотром исходных фрагментов).
Учебную деятельность обучающегося в процессе научения решению задач можно представить в виде последовательности случайных событий, каждое из которых связано с тем или иным действием обучающегося. Последовательное изменение состояния деятельности обучающегося, определяемое его действиями, можно представить в виде цепи Маркова. В нашем случае цепь Маркова конечна, так как число состояний (действий) конечно, и неоднородна, так как вероятности перехода Ру(г) зависят от г. Неоднородность цепи Маркова обусловлена как внутренними изменениями в структуре системы действий обучающегося, так и изменениями сигналов проблемной среды, саморегуляцию которых осуществляет обучающийся.
Итеративный характер процесса научения позволяет представить неоднородную цепь Маркова в виде последовательности однородных конечных цепей Маркова. Однородная конечная цепь Маркова под номером т соответствует учебной деятельности обучающегося при решении т-й задачи. Изменение матрицы переходных вероятностей от задачи к задаче характеризует процесс развития структуры системы действий обучающегося.
В нашем случае матрица переходных вероятностей при решении т-й задачи определяется экспериментально как матрица относительных частот наступления событий, связанных с переходами от одного типа действий к другому. Начальное распределение вероятностей состояний деятельности обучающегося при решении т-й задачи полагается неизменным, так как влияние начального распределения вероятностей состояний деятельности обучающегося при решении т-й задачи на распределение вероятностей последующих состояний очень быстро исчезает с возрастанием номера действия к. Практически начиная с к=10 вероятности состояний деятельности обучающегося определяются" матрицей переходных вероятностей. При этом необходимо учитывать, что топология начального распределения неизменна, так как свобода выбора состояний деятельности у обучающегося ограничена просмотром и установкой фрагментов.
Сведение неоднородной конечной марковской цепи к последовательности однородных конечных марковских цепей, каждая из которых отвечает выполнению т-го задания, аналогично представлению неравномерного движения тела в течение времени t последовательностью равномерных движений в. промежутки времени Ati ( t = At;).
Модель учебной деятельности обучающегося при решении т-й задачи, представленная однородной конечной цепью Маркова, описывается графом, узлами которого являются состояния деятельности обучающегося, а дугами -переходы между состояниями. Основная гипотеза, принятая при построении данной модели, состоит в том, что вероятности событий в системе не зависят от ее предыстории.
Исходная информация для модели решения т-й задачи включает список узлов (состояний деятельности) и матрицу вероятностей перехода от узла к узлу. При этом полагаем трудоемкость каждого шага равной единице -совершение одного действия. Матрица переходных вероятностей определяется эмпирически после выполнения каждого задания.
