Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими направлениями реформирования здравоохранения России являются повышение эффективности использования ресурсов здравоохранения, повышения качества медицинской помощи и эффективности труда, внедрение современных медицинских технологий. В ходе проведения реформ наметилась тенденция к индустриализации отраслей здравоохранения, повышению уровня профессиональной подготовки ее работников. Важная роль отводится специалистам в области биомедицинских систем, призванных обеспечить функционирование таких сложных комплексов, как компьютерные томографы, установки ультразвуковых исследований, системы электро-энцефало- диагностики, системы кардиологического мониторинга и др.
Для преодоления противоречия между стремительно нарастающим объемом знаний, подлежащих усвоению, и реальными сроками подготовки специалистов, необходимо определить новые организационные формы обучения, способы получения знаний обучаемыми, закрепления умений и навыков.
Одной из таких форм подготовки и переподготовки высококвалифицированных специалистов в вузах следует считать новую технологию обучения, базирующуюся на применении предметно- и проблемно-ориентированных компьютерных обучающих систем. Использование названных систем способствует повышению эффективности технологий обучения, интенсификации учебного процесса, повышению качества подготовки специалистов.
Таким образом, необходимость создания средств интеллектуальной обучающей системы на основе семантических моделей знаний для обучения специалистов в быстроразвивающихся областях науки и техники делает актуальной разработку базы знаний, моделей обучаемого, стратегий автоматизированного обучения. Использование такой системы предполагает существенное повышение эффективности и качества подготовки инженеров по биомедицинским системам за счет оптимального построения процесса обучения.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биокибернетика, компьютеризация в медицине". Научные результаты, изложенные в диссертации, получены при выполнении следующих научно-исследовательских работ: "Разработка алгоритмического, программного обеспечения процессов диагностики и лечения заболеваний и формирования автоматизированных систем" (тема № 96/27, 1996-2000 год) и "Принципы создания моделей и алгоритмов
автоматизированных лечебно-диагностических и учебных систем" (тема № 9/97, 1997-1998 год).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методики, моделей представления информации учебных курсов, моделей обучаемого, стратегий оптимального обучения специалистов по биомедицинским системам на основе семантических моделей знаний, позволяющие создать интеллектуальные обучающие системы, обеспечивающие сокращение сроков обучения и повышение качества подготовки путем построения оптимального процесса обучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать существующие в настоящее время компьютерные средства обучения с точки зрения возможности их использования для обучения динамически изменяющимся инженерным дисциплинам высшего и последипломного образования в области управления биомедицинскими системами.
-
Сформировать структуру интегрированной экспертно-обучающей системы.
-
Разработать методы представления системы понятий/умений, составляющих содержание учебных курсов.
-
Разработать семантические модели представления и обработки знаний о предметной области обучения.
-
Построить лингвистический процессор анализа ответов обучаемого.
-
Разработать модели контроля и диагностики ошибок обучаемого, оптимального управления процессами обучения в области управления биомедицинскими системами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории множеств, методы вычислительной математики и многоальтернативной оптимизации, теории исследования операций и принятия решений.
Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты:
метод формирования системы понятий учебных курсов, в котором формальное определение понятия задается набором признаков и допускает представление их в виде фреймовой структуры, отличающийся возможностью автоматизированного построения функциональной семантической сети для целей контроля усвоения понятий обучаемым;
процедуры формализованного представления учебных знаний в виде семантических моделей логико-предикатного типа, позволяющие автоматизиро-
вать процедуру определения дидактических параметров учебных заданий и эффективно организовать манипуляцию ими в базе знаний;
иерархическая модель обучаемого, содержащая статистический, поведенческий, стратегический и когнитивный уровни модели, обеспечивающая возможность учета текущих параметров обучаемого и построения гипотез о стратегиях получения знаний, умений и навыков обучаемым;
метод оптимального управления процессом автоматизированного обучения с учетом индивидуальных характеристик обучаемого, базирующийся на педагогических знаниях и отличающийся использованием многоуровневой модели обучаемого;
фуикционально-структурнач схема интегрированной обучающей системы, отличающаяся учетом особенностей содержания предметной области обучения по управлению в биомедицинских системах и использующая мультимедиа средства представления информации, возможностью применения видео- и аудиоаппаратуры.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны методики, семантические модели и стратегии оптимального автоматизированного обучения. Создано проблемно-ориентированное программно-информационное обеспечение интеллектуальной обучающей системы, позволяющее применить полученные результаты в компьютерной подготовке специалистов. Сформированные на ее основе обучающие курсы для студентов специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" внедрены в Воронежском государственном техническом университете и в Воронежском областном клиническом лечебно-диагностическом центре при последипломном обучении специалистов на факультете усовершенствования квалификации врачей. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 153 тыс. рублей (в ценах 1998 года).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: семинары межвузовской кафедры "Медицинские и гуманитарные системы" (ВГТУ, 1995-1998 гг.), семинары межвузовской кафедры "Управление в социальной сфере и медицине" (ВГТУ, 1996-1997 гг.), Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж; 1997), Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1997), Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (Воро-
неж, 1998), Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармацевтической деятельности" (Воронеж, 1998), Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, списка литературы из 100 наименований, приложений на 20 страницах, содержит 27 рисунков и 7 таблиц.