Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основания исследования и системный анализ его проблематики 20
1.1. Теоретические основания исследования 20
1.2. Системный анализ интеллектуальных моделей представления знаний 32
1.3. Выбор основной модели для представления и контроля знаний 62
Глава 2. Методологические аспекты представления и контроля знаний 70
2.1. Анализ методов структуризации знаний на основе адаптивных семантических моделей 70
2.2. Общие модели представления и контроля знаний в области информатики 91
2.3. Анализ учебных задач в области информатики 99
2.4. Основные методологические положения по представлению и контролю знаний в области информатики на основе адаптивных семантических моделей 114
Глава 3. Методические основы представления и контроля знаний в области информатики 117
3.1. Педагогические возможности адаптивных семантических моделей при подготовке будущих учителей информатики 117
3.2. Методические положения по разработке адаптивных семантических моделей в области информатики 123
3.3. Методика контроля знаний, основанная на использовании адаптивных семантических моделей 127
3.4. Принципы и критерии структуризации знаний по информатике на основе адаптивных семантических моделей
для различных форм учебных занятий 134
3.5. Разработка семантических моделей по дисциплинам предметной подготовки учителей информатики 148
3.5.1. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Программирование" 148
3.5.2. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Программное обеспечение " 160
3.5.3. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Компьютерное моделирование" 165
3.5.4. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Архитектура компьютера" 172
3.5.5. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины " Теоретические основы информатики " 178
3.5.6. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Математическая логика " 187
3.5.7. Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Компьютерные сети" 192
3.5.8 Разработка семантических моделей по основным темам учебной дисциплины "Основы искусственного интеллекта"... 204
3.6. Обобщенные данные по созданным образовательным моделям в области информатики 213
Глава 4. Экспериментальные исследования и оценка эффективности рекомендаций диссертации 216
4.1. Программные средства автоматизированного обучения 216
4.2. Принципы построения автоматизированной обучающей системы "КАСПИЙ" 222
4.3. Методика использования в обучении системы "КАСПИЙ"... 239
4.4 Педагогический эксперимент и оценка эффективности
основных результатов диссертационного исследования 258
Заключение 267
Библиография
- Выбор основной модели для представления и контроля знаний
- Анализ учебных задач в области информатики
- Методика контроля знаний, основанная на использовании адаптивных семантических моделей
- Принципы построения автоматизированной обучающей системы "КАСПИЙ"
Введение к работе
Актуальность тема. Современные информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) и стремительное развитие сетевых образовательных услуг вызвали комплекс инноваций по реорганизации существующих образовательных систем всех уровней образования - от школы до вуза. Как следствие, меняется характер и динамика информационного взаимодействия обучающихся с преподавателем, что существенным образом влияет на выбор форм, методов, средств и технологий обучения.
Одной из отличительных особенностей современного этапа развития образовательных систем является поиск педагогами-исследователями эффективных способов применения формальных методов представления знаний и организации процесса обучения на основе использования достижений кибернетики, синергетики, теории искусственного интеллекта в аспектах развития и расширения понятий, принципов и методов дидактики и педагогических технологий.
Информатика как научная дисциплина представляет собой стремительно развивающуюся область знаний, некоторые разделы которой уже устоялись и являются общепризнанными, а некоторые находятся в стадии становления. Современная дидактика рассматривает изучение научных дисциплин как освоение педагогически адаптированных научных знаний. Применительно к информатике это обстоятельство требует первоначально провести систематизацию и структуризацию её содержания на текущий момент времени. Имея представление о состоянии современной информатики, можно строить дидактическую систему обучения этой области знаний, для чего необходимо разработать методологию структуризации и адаптации этих знаний с учетом требований специальности и социального заказа.
Значимая роль информатики и информационных технологий в модернизации образовательных систем отмечается в научных исследованиях многих известных ученых и педагогов (Бороненко Т.А., Ваграменко Я.А., Власова Е.З., Вострокнутов И.Е., Готская И.Б., Зобов Б.И., Колин К.К., Лапчик М.П., Монахов В.М., Роберт И.В., Стефанова Н.Л., Швецкий М.В. и др.). При этом отмечается необходимость дальнейших исследований, которые бы позволили эффективно использовать потенциал интеллектуальных методов и моделей представления знаний (логических моделей, фреймов, правил продукций, семантических сетей и др.) в системах обучения.
Различные подходы к моделированию содержания образования в области информатики и систематизации учебного материала исследованы в работах Т.А.Азларова, Н.В.Апатовой, А.Г.Гейна, А.С.Лесневского, В.П.Линьковой, Е.А.Ракитиной, Н.В.Матвеевой, Н.В.Марусевой, М.В.Швецкого и др.
Применению математического аппарата теории графов для моделирования логической структуры учебного материала, систематизации его понятий посвящены исследования В.П.Беспалько, С.А.Бешенкова, И.И.Логвинова, В.П.Мизинцева, И.В.Роберт, А.М.Сохор, А.Ю.Уварова и др. Следует также отметить работы, В.Ф.Волгиной и И.А.Мешковой, в которых графовые модели представления знаний использованы практически.
Наиболее важным с методологической точки зрения представляется подход, предложенный В.С.Ледневым, в основу которого положены три базовые составляющие: опыт личности, виды деятельности и содержание образования. Взаимодействие этих составляющих с позиций кибернетики можно рассматривать как проблемную область исследования информационных процессов в сложных системах.
Однако, в настоящее время практически отсутствуют исследования системного представления знаний в учебных текстах и электронных базах знаний, хотя в теории и методике обучения информатике появляются работы, в которых с целью моделирования логической структуры учебного материала применяются понятия и аппарат семантических сетей, как структуры представления знаний в виде графов, в вершинах которых находятся понятия изучаемой предметной области, а дуги обозначают отношения между ними.
Следует отметить, что традиционная система обучения на разных этапах учебного процесса стремится дать обучаемым как можно больше фактического материала. При таком подходе оценка качества знаний проводится посредством учета количества фактов (понятий, элементов знаний и др.), которыми оперирует обучаемый, и точностью их воспроизведения. Поскольку изучаемые понятия предметной области взаимосвязаны, следуют одно из другого, в стороне остаются связи и отношения между понятиями и правила логического вывода конкретных понятий из более обобщенных категорий предметной области. Такого рода обучение приводит к формализму знаний. При решении творческих задач, к которым относится процесс обучения, необходима система представления знаний, основанная на логико-семантическом подходе, который позволяет отображать условия задачи в виде структурированной модели, в которой учитываются все необходимые для её решения связи между элементами.
Для построения теории обучения, отражающей основные стороны реальной действительности и предоставляющей возможности для совершенствования вузовского обучения, должна быть принята соответствующая модель учебной деятельности. Так как общеизвестные модели в виде графов, матриц, логических уравнений, предикатов и др. не всегда пригодны для описания процесса обучения и ориентированы в основном на анализ количественной информации, то при выборе модели процесса обучения необходимо учитывать субъективные факторы и специфику семантической информации, динамику развития предметной области “Информатика”. Большим потенциалом для решения указанных задач обладают адаптивные семантические модели.
Под адаптивной семантической моделью (АСМ) учебного материала понимается многоуровневая иерархическая структура в виде семантической сети, представленной ориентированным графом, в вершинах которого находятся понятия изучаемой предметной области, а рёбра обозначают связи (отношения) между ними.
Применению формально – математических методов для повышения эффективности отдельных этапов педагогического процесса посвящены работы многих исследователей, в том числе Б.И.Канаева, О.А.Козлова, В.Л.Латышева, Ю.М.Неймана, Н.И.Пака, И.В.Роберт, В.М.Хлебникова, М.Б.Челышковой, В.С.Черепанова и др. Однако, названные и другие авторы при применении формально – математических методов не уделяют должного внимания комплексному описанию и использованию методов представления и контроля знаний как информационного процесса, его исследованию с формально – структурных позиций.
Проблему исследования определяет следующая группа противоречий между:
целесообразностью применения формально – логических моделей представления знаний, комплексного использования потенциальных возможностей средств информационных технологий в профессиональной подготовке будущих учителей информатики и отсутствием теоретических и практических разработок по семантическому подходу к структуризации и систематизации понятий и объектов предметной области “Информатика”, основанных на использовании интеллектуальных моделей представления знаний;
существующими психолого-педагогическими и организационно-методическими достижениями современных теоретических и экспериментальных исследований в области информатики, ИКТ, деятельностного, системного подходов к обучению, личностно-ориентированному образованию и недостаточностью их методического обеспечения, практического применения при создании, использовании автоматизированных обучающих систем на базе интеллектуальных подходов к процессу обучения, ориентированных на использование ИКТ в качестве инструмента познания;
необходимостью совершенствования моделей представления учебного материала в автоматизированных обучающих системах на основе формально- логических, интеллектуальных моделей знаний, более широкого использования средств ИКТ в обучении и недостаточным уровнем применения их достижений в обучении, представлении и контроле знаний в используемой информационно- образовательной среде;
потребностью обеспечить систематичность, массовость и объективность контроля знаний в области информатики и отсутствием инструментария для описания и исследования процессов автоматизированного контроля знаний с использованием современных аппаратно-программных средств ИКТ и семантических моделей.
Таким образом, актуальность данного исследования определяется необходимостью развития теоретических и научно-методических подходов к обучению информатике на основе формализации знаний и использования семантического подхода при создании моделей описания и структуризации учебного материала в этой предметной области.
Объект исследования - процесс обучения информатике студентов педагогических и гуманитарных вузов.
Предмет исследования - представление и контроль знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей.
Цель исследования разработка теоретических и методических оснований представления и контроля знаний в области информатики на основе использования адаптивных семантических моделей профессиональных знаний в этой области. Частными целями исследования являлись совершенствование методики контроля знаний обучаемых и обоснование принципов построения и структуры специализированной системы обучения информатике.
Гипотеза исследования. Если в основу моделирования логической структуры учебного материала в области информатики будут положены адаптивные семантические модели представления и контроля знаний, разработать на основе этого подхода соответствующую педагогическую систему, то это обеспечит:
повышение качества подготовки учителей информатики, развитие межпредметных связей в этом образовательном процессе, формирование у обучаемых структурно-организованных знаний в области информатики и умений конструировать модели знаний в различных ее тематических разделах, систематизировать понятия и объекты в данной предметной области;
сокращение времени изложения учебного материала на лекционных и семинарских занятиях с использованием информационных средств представления учебной информации коллективного пользования и индивидуального раздаточного материала;
сокращение времени контроля знаний обучаемых, а также повышение достоверности и полноты этого процесса.
Цель и гипотеза исследования определили следующие его основные задачи:
провести анализ существующих подходов и моделей представления знаний, обосновать выбор основной модели представления и контроля знаний в области информатики;
сформулировать основные методологические и методические положения по: декомпозиции модели учебного материала, его адаптации к уровню подготовки специалиста и состоянию его базовых знаний; определению состава основных учебных моделей, их взаимодействию, выбору критериев структуризации знаний и этапности создания различных учебных моделей;
обосновать принципы и критерии структуризации знаний по информатике на основе адаптивных семантических моделей для различных тем основных учебных дисциплин специальности 030100 (учитель информатики);
разработать методику контроля знаний, соответствующую принципам построения предлагаемой системы обучения;
разработать структуру и предложить состав основных функциональных модулей автоматизированной обучающей системы, ориентированной на использование баз знаний, построенных на основе адаптивных семантических моделей;
разработать методику использования автоматизированной обучающей системы, реализованной на основе адаптивных семантических моделей в области информатики;
провести педагогические эксперименты и исследования по оценке эффективности разработанной методики представления и контроля знаний в реальном учебном процессе.
Теоретико-методологическая база исследования основана на работах:
Абдеева Р.Ф., Моисеева Н.Н., Ракитова А.И., Урсул А.Д. и др., в исследованиях которых с философских позиций рассматриваются состояние, противоречия, тенденции развития системы образования в условиях современного информационного общества;
Бабанского Ю.К., Беспалько В.П., Бордовского Г.А., Ваграменко Я.А., Гершунского Б.С., С.Г. Григорьева, Извозчикова В.А., Колина К.К., Лаптева В.В., Машбица Е.И., Монахова В.М, Разумовского В.Г., Роберт И.В., Румянцева И.А. и др., которые заложили теоретические и методологические основы информатизации образования;
Ершова А.П., Бешенкова С.А., Бороненко Т.А., Бубнова В.А., Вострокнутова И.Е., Гейна А.Г., Готской И.Б., Зобова Б.И., Извозчикова В.А., Кузнецова А.А., Кузнецова Э.И., Лапчика М.П., Пугача В.И., Румянцева И.А., Шапкина В.В., Швецкого М.В. и др, в работах которых исследуются проблемы подготовки учителей информатики;
Беляевой А.П., Власовой Е.З., Извозчикова В.А., Казаковой Е.И., Монахова В.М, Радионовой Н.Ф., Роберт И.В., Сластенина В.А., Стефановой Н.Л., Тряпицыной А.П. и др., посвященных исследованию сущности педагогических технологий обучения;
Анисимова В.И., Братчикова И.Л., Воробьева В.И., Румянцева И.А., Советова Б.Я. и др. в работах, которых рассматриваются проблемы обучения современной информатике в высшей школе;
Буча Г., Вагина В.Н., Исидзуки М., Коямы Т., Ли Т.Б., Мацуби Б., Окамато Т., Попова Э.В., Поспелова Д.А., Растригина Л.А., Уэно Х. и др., заложивших теоретические основы объектно-ориентированного проектирования, представления, структуризации и использования знаний на основе достижений искусственного интеллекта и интеллектуальных обучающих систем.
Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы исследования применялись следующие методы исследования: современной дидактики; искусственного интеллекта; объектно-ориентированного проектирования моделей сложных систем; нечеткой логики; теории информации; математической статистики, педагогики и психологии.
Логика исследования базируется на выдвинутой гипотезе исследования и предполагает создание целого ряда моделей знаний в различных тематических разделах информатики на основе адаптивных семантических моделей, содержащих адаптивные и управляемые преподавателем процедуры представления и контроля знаний, определения их глубины и качества, формирования информационной модели обучаемого.
Научная новизна исследования состоит в: системном анализе наиболее распространенных моделей представления и контроля знаний, систематизации и обобщении основных методологических положений по представлению и контролю знаний в области информатики на основе адаптивных семантических моделей, разработке методики создания этих моделей, разработке 43 новых учебных моделей по основным дисциплинам профильной подготовки учителей информатики по специальности 030100, разработке принципов построения и структуры оригинальной автоматизированной системы обучения и контроля знаний, создании методики использования этой системы, получении количественных оценок эффективности основных результатов диссертации.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке теоретических основ структуризации знаний на базе адаптивных семантических моделей, проектирования учебных моделей в области информатики, исследования эффективности использования этих моделей в учебном процессе вуза.
Практическая значимость. На основе предложенной методики структуризации знаний разработан образовательный контент по информатике общим объёмом около 26 Мб, создан учебно-методический комплекс по 8 дисциплинам предметной подготовки учителя информатики, разработана и внедрена в учебный процесс Дагестанского государственного педагогического университета автоматизированная обучающая система “КАСПИЙ”.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов исследования обеспечены за счёт использования: указанной состоятельной теоретико-методологической базы исследования, современных методов научных исследований, в том числе современной педагогики и психологии, теории искусственного интеллекта, теории сложных систем и математической статистики, опыта ведущих научных и образовательных учреждений страны, результатов обсуждения этих исследований на ряде Международных и Всероссийских научных форумах, данных педагогических исследований в нескольких образовательных учреждениях Республики Дагестан и других субъектов Российской Федерации.
Этапы исследования. Исследования по теме настоящей диссертации проводились в основном в период с 2001 по 2008 годы. Поисковый этап выполнялся в течение 2001 - 2002 годов, констатирующий этап реализовывался в 2003 - 2006 годах, формирующий этап поводился в 2007 - 2008 годах.
Апробация результатов исследования. Материалы, основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались в течение 2001-2008 гг. на целом ряде Международных и Всероссийских научно-методических и научно-практических конференциях и симпозиумах: “Народное образование в XXI веке” (Москва, 2001), “VIII Рязанские педагогические чтения” (Рязань, 2001), “Открытое образование” (Пенза, 2005), “Информатизация образования - 2005” (Елец, 2005), “Информатизация сельских школ” (Анапа, 2005, 2006, 2007, 2008), “XX лет школьной информатике” (Новгород, 2006), «ИТО-Черноземье-2006» (Курск, 2006), "Применение новых технологий в образовании" (Троицк, 2007), “Информатизации образования - 2007” (Калуга, 2007), “Информационные технологии в образовании” (Тула, 2007), "Информационные технологии в образовании" (Москва, 2007), “Информатизация педагогического образования” (Екатеринбург, 2007); “Телематика’2007” (СПб, 2007), “Смешанное и корпоративное обучение” (п. Дивноморское Краснодарского края, 2007), “Информатизация профессионального образования” (Уфа, 2008), “Информатизация образования - 2008” (г. Славянск – на – Кубани, 2008).
Общее количество публикаций по теме диссертации – 58, их общий объём 34 п.л.
Внедрение результатов исследования осуществлялось в процессе подготовки и проведения опытно-экспериментальной и методической работы на базе Дагестанского государственного педагогического университета, Дагестанского института повышения квалификации педагогических кадров (ДИПКПК), Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ). Результаты исследования внедрены в 12 образовательных учреждениях Российской Федерации (см. стр. 34 автореферата).
Положения, выносимые на защиту:
-
Для представления и контроля знаний в области информатики целесообразно использовать адаптивные семантические модели, обеспечивающие эффективную структуризацию, наглядное представление и строгое логическое изложение учебного материала, целостность восприятия его содержания, возможность адаптации компонентов моделей к современному содержанию информатики, уровню подготовки специалистов и качеству базовых знаний обучаемых.
-
Основными методологическими положениями при создании учебных семантических моделей в области информатики следует определить: необходимость структуризации изучаемых понятий, явлений, объектов и технологий, целесообразность использования многоуровневых иерархических структур и идентификации уровней знаний обучаемых, обеспечение возможности построения пирамид знаний с применением современных достижений психосемантики, использования инструментальных средств для создания современного образовательного контента, отвечающего требованием государственных образовательных стандартов.
-
Методические основы представления и контроля знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей должны обеспечивать: адекватное отражение знаний в изучаемой предметной области и ее тематических разделах, учет причинно-следственных и родовидовых связей между понятиями и отдельными разделами учебных дисциплин, рациональную
этапность разработки учебных моделей, возможность адаптации отдельных компонентов этих моделей и моделей в целом к уровню подготовки специалистов, качеству базовых знаний обучаемых и используемым формам учебных занятий.
-
Разработанные в диссертации 43 адаптивных учебных моделей по основным темам 8 профильных учебных дисциплинам специальности 030100 (учитель информатики): «Программирование», «Программное обеспечение ЭВМ», «Архитектура компьютера», «Компьютерное моделирование», «Теоретические основы информатики», «Математическая логика», «Компьютерные сети», «Основы искусственного интеллекта», могут быть использованы для повышения эффективности учебного процесса в педагогических и гуманитарных вузах страны по данной специальности.
-
Предложенная в диссертации методика контроля знаний обучаемых, основанная на применении адаптивных семантических моделей и сети запроса учебной информации и обеспечивающая целесообразную последовательность предъявляемых им контрольных заданий и использование деятельностного подхода к процессу контроля знаний, позволяет существенно повысить оперативность и объективность этого процесса.
-
Разработанные принципы построения автоматизированной обучающей системы «КАСПИЙ» на основе модульной структуры и адаптивного пользовательского интерфейса, обеспечивают возможность её эффективного использования и поэтапного развития и совершенствования.
-
Проведенные экспериментальные педагогические исследования и полученные на их основе количественные оценки эффективности основных результатов диссертации подтверждают правомерность основной гипотезы диссертационного исследования.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Основной текст диссертации изложен на 302 стр.
Выбор основной модели для представления и контроля знаний
В теории и методике обучения информатике и в других предметных методиках недостаточно исследованы вопросы использования методов искусственного интеллекта для решения задач структурирования и систематизации понятий учебного курса в целом (или в более общем виде — предметной или образовательной области). Можно сказать, что предыстория нашего обращения к методам искусственного интеллекта состоит в том, что мы изучили проблематику исследований, посвященных применению математического аппарата теории графов для моделирования как процесса обучения в целом (аспект программированного обучения), так и отдельных компонентов методической системы обучения, в частности, логической структуры учебного материала. Фундаментальными в этой области в общедидактическом плане явились работы В.П. Мизинцева, А.Ю. Уварова и И.И. Логвинова (70-е гг.). Если рассматривать методические исследования, то следует отметить работы С.А. Бешенкова, В.Ф. Волгиной и И.А. Мешковой по методике преподавания математики (70-80-е гг.), где графовые модели фактически использованы для представления знаний (термин теории и методологии искусственного интеллекта) [214]: моделирования понятий, моделирования структур учебных текстов. Есть также работы, посвященные систематизации учебного материала и расчету количественных характеристик его свойств на основе графовых моделей (В.П. Беспалько, М.И. Денисова, В.П. Мизинцев, A.M. Сохор). Систематизации понятий информатики на основе сетей Петри посвящена докторская диссертация Т.А.Кувалдиной. Наряду с этим все большее распространение получают так называемые сетевые структуры управления, в которых трудно, а иногда и невозможно выделить уровни или иерархические компоненты системы управления. Переплетение и смешение ветвей власти на уровне государства, "командные" методы организации управления на уровне отдельной фирмы — все это примеры сетевых структур. Поэтому представляется, что следующим (после относительно полного и систематического исследования иерархических многоуровневых систем) перспективным предметом исследований в области моделирования механизмов функционирования организационных систем, в том числе и образовательных, должны стать именно сетевые структуры управления [203]. В то же время методологической основой таких исследований по-прежнему является системный подход [3, 25, 33, 58, 280, 284].
Отметим, что существуют различные подходы к моделированию структуры содержания образования как сложной системы. Если говорить об общепедагогической постановке проблемы отбора и проектирования содержания образования, то следует отметить множество подходов, традиционных и относительно новых: системный ("знаниевый"), деятельностный, личностно ориентированный, культурологический и компетентностный. Как нам представляется, названные подходы не исключают друг друга, и их следует использовать в определенных сочетаниях. Проиллюстрируем этот тезис на примерах компетентностного и деятельностного подходов, первый из которых является новым для отечественной системы образования, а второй приобретает новое звучание в связи с активизацией работы по модернизации образовательного процесса на основе информационных и коммуникационных технологий. (В теории и методике обучения информатике исследования на основе названных подходов ведутся Е.А. Ракитиной и О.Г. Смоляниновой [235, 264]).
Понятие ключевых компетенций представляет главное направление поисков в области целей и содержания образования в зарубежной педагогике, в настоящее время приобретает влияние в сфере управления образованием [245]. М.В. Рыжаков указывает, что "разработка идеи ключевых компетенций является ответом на озабоченность мирового сообщества, связанную с известным противоречием между необходимостью обеспечить всестороннее формирование личности и существенным ограничением по времени, возрасту и возможностям обучающихся" [245, с. 100]. Ключевые компетенции вводятся как конкретизированные цели образования, которые не сводятся к знаниям и умениям, однако последние и есть формы их проявления на разных этапах (ступенях) образования. Всякое противопоставление компетенции знаниям и умениям ошибочно, так как это две стороны одного процесса формирования личности. Быть компетентным означает способность (умение) мобилизовать в данной ситуации полученные знания и опыт. При обсуждении ключевых компетенций обращают внимание на конкретные ситуации, в которых они проявляются. Компетенция соединяет в себе одновременную мобилизацию знаний, умений и способов поведения, настроенных на условия той или иной деятельности. Таким образом, рассмотрение ключевых компетенций не может быть изолировано от условий их реализации, поэтому их можно наблюдать, но трудно оценить. (Заметим в скобках, что понятие ключевых компетенций тесно связано с концепцией непрерывного образования или lifelong education.) М.В. Рыжаков указывает, что для отечественной педагогики такая постановка вопроса не является новой: результаты исследований, посвященных проблеме формирования умений и навыков учащихся, часто соотносимы с ключевыми компетенциями и соответствуют компетентностному подходу в общем смысле (на уровне формирования "предметных", "межпредметных" и "транспредметных" компетенций), только без употребления данного термина. Здесь можно отметить исследования А.Н. Леонтьева, И.А. Зимней, И.С. Якиманской, Н.А. Менчинской и Д.Н.
Анализ учебных задач в области информатики
Существующие до сих пор АОС не позволяют в полной мере судить об уровне знаний обучаемых, имеют жесткую структуру, т.е. являются неадаптивными. Тем самым не полностью реализовано основное назначение и использование ПК в учебном процессе: индивидуализация процесса обучения. Очевидно, учителю необходима некоторая информация о знаниях и целях студентов, наряду со знаниями о предмете. Эту информацию назовем пользовательской моделью. Рассмотрение пользовательской модели позволяет разрабатывать адаптивные системы обучения, которые идентифицируют уровень знаний обучаемых и соответственно представляют каждому пользователю индивидуальную траекторию обучения и индивидуальный учебный материал.
При разработке АОС решающим шагом является отделение знаний о предметной области от знаний методического характера, обеспечивающего планирование обучения. Отметим педагогические возможности, предоставляемые моделью логической структуры учебного материала в виде АСМ. Известно, что обучающие технологии традиционно используются в системе высшего образования в качестве средства передачи информации и обучения студентов. В процессе обучения учащиеся постигают смысл сообщений, хранящихся в компьютерах и "взаимодействуют" с обучающей технологией [190]. При таком использовании компьютера мышление обучаемых ограничивается и контролируется обучающей системой. Отсюда следует, что необходимо расширить возможности компьютера в плане представления информации.
Использование компьютера в качестве инструмента построения знаний вовлекают учащихся в процесс формирования знаний, что способствует их пониманию и усвоению, а не только воспроизведению в памяти того, что получено от преподавателя.
В нашей работе, как изложено выше, рассматривается представление учебного материала и контроля знаний обучаемых в одной из технологий с использованием ИКТ - адаптивных семантических моделей. Более подробные сведения об АСМ изложены в первой главе диссертационного исследования.
Отметим лишь, что выразительность и образность семантических моделей является важным их преимуществом, позволяющим легче выявить и показать логические отношения в учебном материале. Если при обычной методике обучения еще можно обойтись рассмотрением только глобальных структур, то при обучении на основе ИКТ связь и последовательность элементов учебного материала оказывается стержневой проблемой. Использование адаптивных семантических моделей в качестве инструмента построения структуры знаний, а не в качестве обучающей среды, позволяет передать взаимодействия с компьютером в ведение самих обучаемых, что дает им возможность самостоятельно представлять и выражать свои знания. В процессе создания семантических моделей, обучаемые должны анализировать структуры своих собственных знаний, что помогает им включать новые знания в структуры уже имеющихся знаний. Результатом этого является эффективное использование приобретенных знаний.
Итак, представление знаний в области информатики в виде адаптивных семантических моделей позволяет обеспечивать: индивидуальный темп обучения при реализации обратной связи; деятельностный подход при выборе решения задачи с учетом учебных ситуаций; связь новых понятий с существующими понятиями и представлениями, что улучшает понимание; осуществление глубокой обработки знаний, что повышает способность применять знания в новых ситуациях. Модель учебной дисциплины в виде семантической модели показывает последовательность изложения учебного материала, что очень важно для начинающих учителей. Кроме того, последовательность изложения учебного материала может варьироваться, что демонстрирует разработанная нами модель логической структуры учебного материала (см. раздел 2.2). С помощью АСМ можно выбрать ту или иную последовательность изложения учебного материала, по усмотрению педагога (рис.3.1). Причём, можно выбрать наиболее короткий путь достижения учебной цели (см. рис.3.1), что позволяет сократить время обучения.
Для описания семантических моделей существует семантический язык (СЯ), с помощью которого выделяются объекты {А1} и отношения {Ю}.3десь {А1} и {R1} входят в множество компонент {SOk}. В данном случае под компонентами понимают не только объекты и отношения, но и составленные из них комплексные объекты и различные ситуации. Компонентами могут быть и логические составляющие: истинность и ложь. Компонентам сопоставляются элементы одного и того же набора - вершины. Обозначим все множество вершин-понятий через SOk. Следует отметить, что деление компонент на объекты и отношения является условным. Отношения могут рассматриваться как объекты, связанные своими отношениями. Объекты могут указывать на тип отношения. Будем считать существенной роль вершин, которые заданы с помощью кортежей [Кузнецов АЛ, 1998]. sol, ,sok , где sol, ,sok є SO.
Кортежи называются элементарными фрагментами (ЭФ). В каждом ЭФ имеется множество вершин соответствующих объектам и одна вершина-отношению. В вершинах учебной семантической модели находятся объект познания, личность познающего и основные компоненты процесса обучения, а связи между вершинами означают отношения между ними.
Известно, что для описания информационно — семантических систем существует большее разнообразие структур, например, дуальная, веерная, пирамидальная [192]. С их помощью, воспользовавшись таблицами связи вершин, можно создать элементарный фрагмент семантической сети для процесса обучения. Очень удобен аппарат семантических сетей также для изучения обобщающих тем по информатике, математике, физике.
Методика контроля знаний, основанная на использовании адаптивных семантических моделей
Дисциплина «Основы искусственного интеллекта» имеет целью ознакомить студентов с основными направлениями исследований в области искусственного интеллекта, экспертных систем, моделями представления знаний, с инструментальными средствами разработки ЭС, обучить их принципам представления знаний, проведению анализа полученных результатов, а также содействовать фундаментализации образования, формированию научного мировоззрения и развитию системного мышления.
При изучении данного курса подробно рассматривают наиболее распространенные модели представления знаний: семантические сети, логические подходы, фреймы и системы продукций. Это разделение носит условный характер, так как многие подходы можно отнести к нескольким классам. В качестве базы для логических подходов выступает язык программирования Пролог. Серьезной проблемой является отсутствие в логическом подходе структуры, так как знания представляются в виде совокупности линейных формул.
Фреймы - универсальная модель представления знаний, эффективна для структурного описания сложных понятий. Однако, в этой модели отсутствует конкретный язык представления знаний, затруднено управление завершенностью и постоянством целостного образа, что приводит к опасности нарушения присоединенной процедуры.
Система продукций - выгодна для выражения знаний, которые могут принимать форму переходов между состояниями. Основным недостатком систем продукций является отсутствие внутренней структуры и зависимости шагов дедуктивного вывода от стратегии выбора, что делает их нередко интерпретируемыми.
Семантические сети. Как известно этот термин обозначает фактически целый класс подходов, для которых общим является использование графических схем с узлами, соединенными дугами. Узлы представляют понятия, а дуги выражают отношения между ними. Учебную дисциплину "Основы искусственного интеллекта" по учебному плану будущие учителя информатики изучают в 9 - семестре. Содержание данной учебной дисциплины можно представить следующими основными темами:
В предыдущих разделах данной главы диссертационной работы приведены разработанные семантические модели по дисциплинам специальности 030100 - учитель информатики. Следует отметить, что процесс разработки семантических моделей предметной области является трудоёмким процессом. Однако, метод семантических сетей достаточно эффективный способ структуризации знаний в такой предметной области как "Информатика". Для разработки семантических сетей содержание учебных дисциплин было представлено основными темами. Далее, воспользовавшись выбранной моделью, и предложенными методологическими и методическими основами представления знаний предметной области разрабатывались семантические модели. В таблице 3.1 приведён перечень дисциплин, которые входят в блок предметной подготовки учителя информатики и данные по соответствующим учебным АСМ.
Кроме семантических моделей разрабатывались контрольные задания к ним. Причём к одной и той же семантической модели можно разрабатывать как несколько контрольных заданий одинаковой сложности, так и различной степени сложности. Согласно разработанного основного алгоритма контроля знаний, при выполнении контрольных работ необходимо из предложенного списка выбрать названия понятий и отношений между ними и подписать ими нужные. Кроме того, необходимо соединить вершины семантической модели, если обучающийся считает, что данные понятия связаны определёнными отношениями.
Как видно из табл. 3.1, по учебным дисциплинам предметной подготовки учителя информатики разработаны 43 семантических моделей и 89 контрольных заданий к ним общим объёмом разработанного контента около 26 Мбайт.
Представленные на рис. 3.9 - 3.60 модели и задания составляют « 40 % от их указанного общего количества и представляют наиболее сложные и имеющие специфические особенности программные продукты учебного назначения.
Семантические модели можно использовать для представления знаний в любой предметной области. Так, нами разработаны семантические модели и контрольные задания к ним по математике на тему "Плоские геометрические фигуры" и экологии - "Факторы риска нарушения экологического баланса Республики Дагестан".
Необходимо особо отметить, что представленные в данной главе диссертации семантические модели и контрольные задания можно использовать как в среде КАСПИИ, рассматриваемой в следующей главе диссертации, так и в среде специальной системной оболочки на автономном ПК. Последнее обстоятельство определяет возможность широкого распространения и использования этих учебных средств в целом ряде образовательных учреждений (см. приложение
Принципы построения автоматизированной обучающей системы "КАСПИЙ"
Внедрение информационных и коммуникационных технологий в учебный процесс дает возможность перехода на качественно иной уровень представления информации. Кроме того, появление средств мультимедиа позволяет создать средства обучения с мощными интерактивными возможностями. С появлением средств мультимедиа стала реальностью передача части .учебного процесса от преподавателя компьютеру, а, следовательно, стало реальным и обучение на расстоянии. Тем не менее, все виды учебной деятельности компьютер на себя взять не может. Это утверждение очевидно для технических, естественнонаучных и физических специальностей, где обязательным является наличие лабораторного практикума, позволяющего приобрести практические навыки и мастерство.
Наиболее трудоемкой задачей педагога-методиста при создании компьютерного учебника является обеспечение дружественного пользовательского интерфейса, стимулирующего учащегося к дальнейшему обучению. Общая структура и интерфейс компьютерного учебника должны обеспечивать помощь обучающимся при изучении теоретического материала или при решении задач путем анализа ошибок и подсказок. Это требует от автора умения прогнозировать ситуации, которые могут возникнуть при работе с компьютерным учебником.
Наиболее распространенные и широко используемые программные средства автоматизации процесса обучения представлены в данном разделе диссертации ниже. Помимо того, что есть учебные пособия различных авторов, существуют также и инструментальные средства для создания этих учебных пособий.
Пакет WebCT никоим образом не ограничивает преподавателя в выборе инструментов для формирования авторских курсов. Диапазон типов учебных курсов может быть от простых структурированных последовательных курсов до динамических, интерактивных виртуальных классов. Структура разрабатываемого курса зависит от содержания и сложности изучаемого материала, а также от методологии взаимодействия учитель - ученик. WebCT обеспечивает постепенную адаптацию учащегося к интерактивной среде обучения и, в конечном счете, она становится альтернативой естественному способу обучения в классной комнате. Для того, чтобы начать обучение в среде WebCT, от учащегося требуется умение работать с электронной почтой и каким-нибудь Web-броузером. В рамках пакета WebCT решаются следующие основные задачи: разработка учебных курсов с использованием разнообразных форм и способов подачи учебного материала; организация процесса обучения, коммуникаций и сотрудничества с помощью набора встроенных стандартных средств; организация системы контроля администрации за ходом учебного процесса [25].
На основе WebCT создан сетевой курс "Основы педагогики высшей школы" [26]. Виртуальный учебный курс "Основы педагогики высшей школы", созданный в программной оболочке WebCT, предназначен для студентов и аспирантов, обучающихся по экономическим специальностям. Курс содержит лекционный материал, тесты для самопроверки студентов, виртуальный семинар, итоговые тесты, также имеется информация о данном курсе, возможность общения с преподавателем и другими студентами по электронной почте. Курс представляет собой систему иерархически связанных окон. На основной странице курса, куда студент попадает после введения своего имени и идентификационного пароля, размещены 4 кнопки: информация, календарь, материалы курса, почта; ниже размещен счетчик посещений данной страницы и ссылка для перехода на страницу работы с другими курсами. При нажатии студентом кнопки "Информация" появляется окно, содержащее информацию о данном курсе, указания по изучению курса. При нажатии кнопки "Календарь", появляется окно с календарем на текущий месяц. Можно указать другой интересующий месяц или год. Текущие сутки выделены в календаре другим цветом. Студент может вводить и читать различные записи в любой день календаря, нажав на соответствующую дату. Календарь очень удобно использовать как расписание, помечая сроки проведения семинаров, сдачи тестов и т.д. Кнопка "Почта" предназначена для переписки с преподавателем и другими студентами. При нажатии кнопки "Материалы курса" выводится непосредственно содержимое курса. Студенту предлагается сначала прочитать лекцию в электронном виде, затем проверить свои знания с помощью теста самопроверки, поучаствовать в виртуальном семинаре и сдать итоговые тесты.
