Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ вопросов управления процессом обучения при использовании автоматизированных обучающих систем и игровых технологий обучения 10
1.1 Существующие подходы к управлению обучением и современные системы электронного обучения 10
1.2. Анализ возможностей методов активного обучения 18
1.3. Анализ возможностей современных АОС 27
1.4. Цели н задачи исследования 40
Выводы по первой главе 41
Глава 2. Разработка концепции информационной поддержки процесса обучения в рамках компетентностного подхода с использованием ИИС на основе игровых технологий 43
2.1. Концепция информационной поддержки процесса обучения 43
2.2. Функциональная модель процесса формирования учебно-методического материала для ИИС 50
2.3. Разработка схемы управления процессом обучения 56
Выводы по второй главе 63
Глава 3. Разработка моделей и методов поддержки обучения с использованием игровых технологий 65
3.1. Разработка онтологической модели классификации способов описания дидактических единиц учебного материала для игровых технологий 65
3.2. Разработка онтологических моделей представления учебного материла 77
3.3. Разработка метода интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений при репродуктивном обучении 82
Выводы по третьей главе 86
Глава 4. Разработка информационного и программного обеспечения и исследование эффективности предложенного подхода 87
4.1. Информационное обеспечение ИИС поддержки обучения 87
4.2. Алгоритмическое обеспечение ИИС поддержки обучения 93
4.3. Разработка прототипа программного обеспечения ИИС 97
4.4. Анализ эффективности разработанного подхода на основе тестирования обучаемых 107
4.5. Методические рекомендации по проведению занятий с использованием ИИС 114
Выводы по четвертой главе 115
Заключение 117
Список использованной литературы 119
Приложение 128
- Анализ возможностей методов активного обучения
- Функциональная модель процесса формирования учебно-методического материала для ИИС
- Разработка онтологических моделей представления учебного материла
- Анализ эффективности разработанного подхода на основе тестирования обучаемых
Анализ возможностей методов активного обучения
Для разрешения возникающих проблем, описанных в п. 1.1 данной работы предлагается:
формирование единой обучающей среды.
формализованное описание понятий и отношений предметных областей преподаваемых дисциплин на основе онтологического подхода. Существующие в настоящее время системы не могут разрешить вышеуказанные проблемы, поэтому разработка предлагаемой системы является актуальной.
Активный метод обучения - способ организации учебного процесса при котором обеспечивается вынужденная, оцениваемая и управляемая активность обучаемых, сравнимая с активностью преподавателя.
Метод активного обучения отличается нетрадиционной технологией учебного процесса:
- активизирует мышление, и эта активность остается надолго, вынуждает в силу учебной ситуации самостоятельно принимать творческие по содержанию, эмоционально окрашенные и мотнвацнонно оправданные решения;
- развивают партнерские отношения;
- повышают результативность обучения не за счет увеличения объема преподаваемой информации, а за счет глубины и скорости ее переработки;
- обеспечивают стабильно высокие результаты обучения и воспитания при минимальных усилиях обучаемых.
Современная педагогика отказывается от жесткого "авторитарного управления", где учащийся, студент или слушатель выступает "объектом" обучающих воздействий, переходит к системе организации поддержки и стимулирования познавательной самодеятельности объекта учения, созданию условий для творчества, к обучению творчеством, педагогике сотрудничества. На это направлена идеология активного обучения, в котором "школа памяти" уступает место "школе мышления".
Одним из способов создания таких условий является применение учителем методов активного обучения как составной части современных инновационных технологий, широко внедряемых в последнее время в практику школы. Именно активные методы обучения учащемуся раскрыться как личности. Активная мыслительная и практическая деятельность обучаемых в учебном процессе является важным фактором повышения эффективности усвоения и практического освоения изучаемого материала.
Существуют различные классификации методов активного обучения. Так некоторые исследователи относят к ним игровое проектирование, имитационный тренинг, разыгрывание ролей, анализ конкретных ситуаций и т.д. Сторонники когнитивной психологии выделяют так называемые "интерактивные методы", использование которых они соотносят с перечнем характеристик, позволяющим определить когнитивный стиль каждого обучаемого и, в итоге, подобрать наиболее эффективную технологию обучения. К интерактивным относятся как традиционные методы (лекция, открытая дискуссия), так и инновационные (рефлексия, имитация, дебаты, мозговой штурм и др.).
А.А. Вербицкий отмечает [60], что идея применения активных методов обучения не нова, но комплексное использование различных методов, форм и средств активного обучения в сочетании с традиционными - очень редкое явление. Он перечисляет возможное использование активных методов обучения в процессе обучения - это:
1. Вхождение в содержание (должна носить проблемный характер для повышения познавательной активности учащихся).
2. Диагностика исходного уровня знаний (цель - систематизировать необходимые знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплин, указать на имеющиеся недочеты и пробелы в знаниях для дальнейшего их усвоения);
3. Анализ конкретных ситуаций (состоит в изучении и принятии решений по ситуации). Конкретные ситуации часто классифицируют по учебной функции:
- ситуация-проблема, где необходимо выявить и сформулировать проблему;
- ситуация-оценка, где обучаемый должен определить, оценить правильность совершенного действия;
- ситуация-иллюстрация, которая подтверждает или отвергает некоторые теоретические положения или законы;
- ситуация-упражнение - когда обучающиеся должны выполнять практические действия с информацией или предметом;
4. Рефлексия - заключается в проведении самоанализа и анализа той ситуации, которая была задана. Отличительной особенностью всей группы активных методов, во-первых, является то, что обучение проводится в ситуациях, максимально приближенных к реальным, позволяя материал, подлежащий усвоению, ввести в цель деятельности, а не в средства, во-вторых, осуществляется не только обобщение знаний, но и обучение умениям практического использования, что в свою очередь, требует формирования определенных психологических качеств специалистов, и наконец, в-третьих, организуется формирование новой, качественно иной установки на обучение в эмоционально насыщенном процессе коллективного творческого труда [61].
Одним из важных требований к выбору методов обучения является необходимость активизации учебно-познавательной деятельности слушателей. Активная мыслительная и практическая деятельность обучаемых в учебном процессе является важным фактором повышения освоения изучаемого материала.
Непосредственное вовлечение обучаемых в активную учебно-познавательную деятельность в ходе учебного процесса связано с применением соответствующих приемов и методов, получивших название активных методов обучения.
В начале XXI века, информационного века ведущими ресурсами устойчивого развития общества становятся именно знания, их производство, передача и усвоение, что требует изменений во всей системе подготовки и переподготовки руководителей и специалистов.
Игровое обучение происходит в рамках ситуации, имитирующей профессиональную деятельность и носящей условный характер. Игровая деятельность зачастую кажется непродуктивной, так как результаты отсрочены во времени и выражаются в виде умственных знаний, умений и навыков, опыта и поведения и образа мышления, которые весьма трудно замерить.
Игрой называют такой вид человеческой деятельности, который отражает (воссоздает) другие ее виды. Деятельность-игра происходит в из 23 мененных по сравнению по сравнению с действительностью, искусственных условиях (в условиях мнимой, моделируемой, экспериментальной ситуации). Исторический подход к развитию игры как специфической формы деятельности отражен в работах не только психологов, но и педагогов, социологов, философов. На основе различных исследований игрового поведения были разработаны разносторонне направленные методики обучения.
Интерактивное обучение, в отличие от традиционного, имеет целый спектр методологических преимуществ. Оно основано, прежде всего, на активном, эмоционально окрашенном общении участников друг с другом и с преподавателем - игротехником [62].
Эффективная работа преподавателя в режиме интерактивного обучения зависит от нескольких условий:
Первое - соответствие возможностей обучающего целям и задачам данной технологии (игра, тренинг, упражнение). В зависимости от цели избранной технологии преподавателю приходится выступать в том или ином амплуа: то в роли организатора-лидера, то коммуникатора, то, в случае управления конфликтом, фасилнтатора.
Второе — наличие у преподавателя профессионального опыта участия в групповом взаимодействии. Для этого он должен владеть как диалогом, так и мультилогом, - структурированным диалогом. Диалогическое общение в психологии представляется очень важным, так как рассматривается как условие «субъект-субъектных отношений», в противоположность традиционным «субъект-объектным отношениям».
Третье условие эффективности интерактивного обучения эффективности интерактивного обучения связано с соответствующей личностной направленностью самого преподавателя [63].
В практике распространение получил распространение следующий перечень учебных результатов, которые можно обозначить как цели обучения:
Функциональная модель процесса формирования учебно-методического материала для ИИС
В настоящее время наиболее удобным языком функционального моделирования систем является IDEFO (Integrated computer-aided Manufacturing DEFinition methodology - Методология определения интегрированной программы компьютеризации промышленности) в рамках стандарта SADT (Structured Analysis and Design Technique - Методология структурного анализа и проектирования) [83].
Методология SADT разработана Дугласом Россом. На ее основе разработана, в частности, известная методология IDEFO (Icam DEFinition). Методология SADT представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта какой-либо предметной области. Функциональная модель SADT отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями. Основные элементы этой методологии основываются на следующих концепциях:
графическое представление блочного моделирования. Графика блоков и дуг SADT-диаграммы отображает- функцию в виде блока, а интерфейсы входа/выхода представляются дугами, соответственно входящими в блок и выходящими из него. Взаимодействие блоков друг с другом описываются посредством интерфейсных дуг, выражающих "ограничения", которые в свою очередь определяют, когда и каким образом функции выполняются и управляются;
строгость и точность. Выполнение правил SADT требует достаточной строгости и точности, не накладывая в то же время чрезмерных ограничений на действия аналитика.
Правила SADT включают:
ограничение количества блоков на каждом уровне декомпозиции (правило 3-6 блоков);
связность диаграмм (номера блоков);
уникальность меток и наименований (отсутствие повторяющихся имен);
синтаксические правила для графики (блоков и дуг);
разделение входов и управлений (правило определения роли данных);
отделение организации от функции, т.е. исключение влияния организационной структуры на функциональную модель. Методология SADT может использоваться для моделирования широкого круга систем и определения требований и функций, а затем для разработки системы, которая удовлетворяет этим требованиям и реализует эти функции. Для уже существующих систем SADT может быть использована для анализа функций, выполняемых системой, а также для указания механизмов, посредством которых они осуществляются [84, 85, 86].
Результатом применения методологии SADT является модель, которая состоит из диаграмм, фрагментов текстов и глоссария, имеющих ссылки друг на друга. Диаграммы - главные компоненты модели, все функции ИС и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Управляющая информация входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, показана с левой стороны блока, а результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет операцию, представляется дугой, входящей в блок снизу.
Одной из наиболее важных особенностей методологии SADT является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель.
Взаимодействие системы с окружающим миром описывается как вход (нечто, что перерабатывается системой), выход (результат деятельности системы), управление (стратегии и процедуры, под управлением которых осуществляется работа) и механизм (ресурсы, необходимые для проведения работы). Находясь под управлением, система преобразует входы в выходы, используя механизмы и вызывая функции за пределами моделируемой системы.
Модель в нотации IDEF0 представляет собой совокупность иерархически упорядоченных и взаимосвязанных диаграмм. Контекстная диаграмма является вершиной древовидной структуры диаграмм и представ 53 ляет собой самое общее описание системы и ее взаимодействия с окружающей средой, в виде так называемого «черного ящика» (рис.2.3).
После описания системы в целом производится ее разбиение на крупные фрагменты. Этот процесс называется функциональной декомпозицией, а диаграммы, которые описывают каждый фрагмент и взаимодействие фрагментов, называются диаграммами декомпозициями. После декомпозиции контекстной диаграммы производится декомпозиция каждого фрагмента системы на более мелкие и так далее, до достижения нужного уровня подробности описания (рис.2.4).
Построим функциональную модель процесса обучения с использованием игровых технологий.
Для повышения эффективности обучения и поднятия интереса учащихся к учёбе предлагается процесс, где в качестве метода обучения выступает игра (рис. 2.5).
В рамках осуществления учебного процесса с помощью акшвных методов обучения в нашем случае с применением обучающих игр, конкретной задачей является формирование методического материала.
Решение данной задачи можно разделить на несколько этапов:
1. Построение онтологии предметной области
Загрузка входных данных.
Редактирование данных.
Удаление данных.
Хранение данных.
2. Подбор методов обучения
Разработка моделей описания игровых систем, применяемых в процессе обучения.
3. Формирование методического материала
Разработка моделей представления знаний предметной области дисциплин, по которым ведется подготовка специалистов.
Разработка онтологических моделей представления учебного материла
Продемонстрируем процесс построения онтологии на примере предметной области дисциплины «Технология разработки программного обеспечения» (специальности: 010503 - Математическое обеспечение и администрирование информационных систем и 230105 — Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем).
1. Сначала необходимо разбить дисциплину на разделы. Вводим отношение «Раздел». Пример экземпляра знаний (утверждения): («Технология разработки программного обеспечения», «(имеет)Раздел», «Планирование работ») (рис. 3.5).
2. Для разбиения раздела на составляющие введем отношение «Декомпозиция». Пример экземпляра знаний (утверждения): («Качества программного продукта», «Декомпозиция», «Документация») (рис. 3.6).
3. Введем отношение «Конкретизация» для разбиения на различные виды (типы). Пример: («Программный продукт», «Конкретизация», «Библиотека») (рис.3.7).
4. Для нумерации этапов, например, жизненного цикла ПП, используем отношение «Этап». Пример: («Жизненный цикл», «Этап», «Разработка») (рис.3.8).
5. Отношение «Определение» используем для объяснения значения различных терминов. Пример: («Прикладной программный продукт», «Определение», «Программный продукт, решающий некоторый класс задач») (рис.3.9).
6. Для использования сокращенной формы записи введем отношение «Аббревиатура». Пример: («Программный продукт», «Аббревиатура», «ПП») (рис.3.10).
7. Введем отношение «Должен обладать», пример: («Программный продукт», «Должен обладать», «Качествами программного продукта») (рис.3.11)
Представление учебно-методического материала в виде онтологии позволяет упростить наполнение системы семантической информацией и использовать соответствующие методы для работы с онтологиями при выполнении и обработке запросов [12, 99, 100].
Общая схема разработанной онтологической БЗ, в состав которой входит онтология предметной области, включает основные понятия, определения и темы дисциплин, а также модели формирования учебно-методического материала, тестов и правила их формирования представлена на рис. 3.12.
Онтологическое описание БЗ представлено на языке OWL. Фрагмент такого описания приведен на рис. 3.13.
Анализ эффективности разработанного подхода на основе тестирования обучаемых
Эксперимент является важнейшим средством получения новых знаний не только в области естественных и технических наук, но и в экономике, социологии, политике, психологии, литературоведении и в других отраслях. Экспериментальные исследования дают критерии оценки обоснованности и приемлемости на практике любых теорий и теоретических предположений. Одним из основных этапов любого эксперимента является статистическая обработка экспериментальных данных.
В ходе обработки результатов эксперимента устанавливаются закономерности исследуемых явлений и процессов, происходящих с участием изучаемого объекта, которые позволяют получить достоверный ответ на интересующие исследователя задачи и вопросы.
Для получения надежных и достоверных результатов экспериментальных исследований необходимо осуществить:
- анализ характеристик исследуемого объекта во всем многообразии свойств, предусмотренных целью проведения диссертационного исследования, на основе имеющихся сведений, полученных другими исследователями и опубликованных в источниках информации;
- разработку программы экспериментальных исследований; обоснование выбора количественных параметров (критериев или измеряемых величин) оценки свойств объекта, выбрать их размерности и способы измерения в ходе эксперимента;
- определение всех факторов, влияющих на выбранные на основе поисковых исследований (если в этом есть необходимость) для наблюдения параметры рассматриваемого объекта в условиях протекания изучаемых явлений и процессов;
- рассмотрение причинно-следственных связей между параметрами оценки свойств объекта и выявленными факторами;
- ранжирование факторов по степени их влияния на параметры (критерии) оценки свойств объекта и выделение из них основных (доминирующих);
- определение рациональных интервалов варьирования выделенных факторов для установления соответствующих закономерностей, предусмотренных программой исследований по диссертации;
- фиксирование остальных факторов на определенных (возможно, лучших) уровнях варьирования;
- разработка конструктивно-технологических схем опытно-экспериментальных установок или стендов, обеспечивающих реализацию намеченной программы исследований;
- изучение возможностей моделирования объекта;
- подбор соответствующей существующей или разработка новой измерительной аппаратуры, фиксирующей во время проведения экспериментов измеряемые величины через исполнительные органы (датчики, усилители, компьютеры и т.д.);
- разработка методики тарировки выбранных средств измерения, их установки для надежного измерения или регистрации контролируемых величин;
- разработка методики обработки первичной документации, в том числе журналов наблюдений, протоколов или актов исследований, с обеспечением требований надежности, точности и достоверности результатов эксперимента.
Анализ проводился на примере студентов 4 курса факультета ИРТ (на примере дисциплины «Технология разработки программного обеспечения», специальностей: 010503 -Математическое обеспечение и администрирование информационных систем и 230105 — Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем).
Для оценки эффективности применения игровых технологий был проведен эксперимент, включающий в себя проведение занятий с исполь 109 зованием игровых технологий и последующее тестирование эффективности усвоения дидактических единиц. Занятия проводятся по дисциплине «Технология разработки программного обеспечения» для студентов специальности «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», производится формирование компетенций, связанных с усвоением следующих дидактических единиц (ДЕ): ДЕ №1- характеристики программных про-дуктов (ПП), ДЕ №2 - классификация ПП, ДЕ №3-Жизненный цикл (ЖЦ) раз-работки программного обеспечения (ПО), ДЕ №4 - ошибки в ПП, ДЕ № 5 - гра-фик разработки ПП, ДЕ №6 - специализации программистов. Примерный план проведения такого занятия (2 академических часа) приведен ниже.
1. Вводная лекция (15 мин.). Формируемая компетенция: первичные знания в области технологии разработки программного обеспечения (ПО) (уровни обученности: 1-3).
2. Репродуктивное упражнение (15 мин.): групповая интеллектуальная игра «Характеристика». Формируемая компетенция: демонстрация знаний основных характеристик ПП (уровни обученности: 1-4).
3. Репродуктивное упражнение (20 мин.): групповая интеллектуальная игра «Определение». Формируемая компетенция: демонстрация умения классифицировать программные продукты (уровни обученности: 1-4).
4. Репродуктивное упражнение (20 мин.): групповая интеллектуальная игра «Порядок». Формируемая компетенция: демонстрация умения упорядочивать процессы ЖЦ (уровни обученности: 1-4).
5. Репродуктивный многоуровневый последовательный (перекрестный) тест (20 мин.). Формируемая компетенция: демонстрация знаний и умений, соответствующих 1-4 уровням обученности.
Проверка усвоения и закрепления когнитивной профессиональной компетенции (уровни обученности 1-4) проводится с помощью репродуктивного многоуровневого последовательного (перекрестного) теста.
Был проведен статистический анализ тестирования обучаемых дневных и вечерних форм обучения в течение 4-х лет. Тесты состоят из пяти вопросов, соответствующих разным уровням обученности (4 варианта), включают в себя вопросы открытого и закрытого типов (табл.4.10). После проведенного эксперимента его результаты были сгруппированы по уровням обученности, которыми обладают дидактические единицы, включенные в тестовые задания, и типам проведенных игр (табл.4.13).
Как видно из таблицы, количество полностью усвоивших (90-100%) дидактическую единицу при использовании игровых методов обучения колеблется от 50 до 100%, а без использования игровых методов - 33%.
Анализ результатов тестирования 299 обучаемых (табл. 4.14, рис.4.19) показывает, чго применение групповых интеллектуальных игр в образовательном процессе для усвоения дидактических единиц (ДЕ) способствует повышению процента обучаемых, полностыо усваивающих ДЕ, что в свою очередь влечет повышение эффективности самого образовательного процесса.
Для усвоения дидактической единицы №1 («характеристики ПП») была проведена групповая шггеллектуальная игра «Характеристика», результаты тестирования показывают, что 99% обучаемых полностыо усвоили дидактическую единицу №1. При этом следует учесть, что данная дидактическая единица соответствует уровню обученности №1.
