Введение к работе
Актуальность
В современном постиндустриальном мире все большее значение приобретает автоматизация различных видов деятельности человека на основе средств ИКТ, в том числе и учебной. В связи с этим научные исследования, проводимые с середины 50-х годов прошлого столетия, были направлены на создание различных обучающих систем (А.И. Башмаков, В.Г. Домрачеев, А.Г. Доррер, Ю.И. Неймарк, Л.А. Растригин, И.В. Ковалев, Б. Скиннер, СВ. Агапонов, З.О. Джалишвили, Д.Л. Кречман и др.), позволяющие управлять учебной деятельностью.
С развитием информационных технологий создавались компьютерные системы управления учебной деятельностью, основанные на моделях передачи информации и знаний объекту. В таких обучающих системах обучаемый является объектом управления, а обучающий рассматривается как управляющее устройство, что позволило применять в обучении методы теории управления (И.В. Мирошник, Д.А. Новиков, Л.А. Растригин).
Как показывает анализ литературы (Г.А. Атанов, Р. Аткинсон, Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, А.И. Берг, А.В. Сивохин, Н.Ф. Талызина, Д. Хартли), среди подходов к проблеме управления учебно-познавательной деятельностью на основе компьютерных обучающих систем наиболее интересен подход к проблеме обучения, который был предложен Г. Паском и развит профессором Л.А. Растригиным, в котором обучение рассматривается как процесс управления. Для использования такого подхода современные достижения теории искусственного интеллекта, кибернетики, управления сложными системами, психодиагностики (К.Р. Червинская) и др. позволяют создавать компьютерные обучающие программы для применения в процессе обучения - от различных тестовых оболочек до автоматизированных распределенных обучающих систем.
Большинство традиционных адаптивных обучающих систем (Л.А. Растригин, В.Б. Кудрявцев, А.С. Строганов, Лю Юн, И.В. Ковалев, А.Г. Доррер, А.В. Усачев), направлены на запоминание учебного материала и применяют тестовый метод контроля для проверки усвоения знаний, позволяющий фиксировать правильность - неправильность выполнения задания. Недостаток данного метода тестирования состоит в том, что можно получить только результативные характеристики процесса научения, но нельзя увидеть, как обучающийся достиг полученного результата.
Системы управления учебной деятельностью обучающихся решению задач в математических проблемных средах исследовались в работах П.П. Дьячука, СВ. Бортновского, И.В. Шадрина. Однако предлагаемые ими системы управления учебной деятельностью не рассматривают процесс научения решению вербальных задач, не учитывают ограничений на ресурсы и принцип взаимной адаптации управляющего центра и обучаемого.
Так как учебная деятельность всегда происходит в условиях ограничений на ресурсы, которые могут быть временными, материальными и т.д., то это существенно влияет на управление учебной деятельностью. Учет ограничений на ресурсы, основными из которых являются объем работ и время деятельности, позволит существенно повысить эффективность систем
автоматического управления учебной деятельностью, представленных в виде динамических компьютерных тестов-тренажеров вербальных задач, а также диагностических систем процессуальных характеристик по научению решению вербальных задач.
Данные системы автоматического управления учебной деятельностью по решению вербальных задач позволяют получать результативные и процессуальные характеристики деятельности обучающихся, с помощью которых можно сформировать не только индивидуальные образовательные траектории, но и диагностировать профессиональные качества выпускников вузов и специалистов.
Использование систем автоматического управления учебной деятельностью по решению вербальных задач в условиях ограничения на ресурсы при решении проблем: функциональной безграмотности населения (В.В. Гаврилюк, В.П. Чудинова); профессиональной подготовки студентов вузов; диагностики уровня развития письменной речи человека; логики его мышления и т. п. является эффективным и актуальным на сегодняшний день.
Следовательно, имеются противоречия:
между необходимостью осуществления эффективного управления учебной деятельностью обучающихся в условиях ограничения ресурсов и недостаточной разработанностью инструментальных средств и методов их применения;
между необходимостью диагностирования процессуальных характеристик деятельности обучающегося при решении задач и отсутствием возможности получить их при использовании традиционных обучающих систем.
Проблема исследования состоит в разработке систем автоматического управления учебной деятельностью по решению вербальных задачи ее диагностики в условиях ограничения ресурсов, позволяющих повысить эффективность учебной деятельности и получать полезный результат (обязательное решение задачи обучающимся) независимо от индивидуальных характеристик обучающегося.
Объект исследования - системы автоматического управления учебной деятельностью обучающихся.
Предмет исследования - создание и применение систем автоматического управления учебной деятельностью по решению задач в вербальных проблемных средах с учетом ограничений ресурсов на основе принципа взаимной адаптации.
Целью работы является повышение эффективности систем управления учебной деятельностью и ее диагностики в вербальной проблемной среде.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: 1) разработать математическую модель информационного взаимодействия управляющего центра и объекта управления (обучающегося), реализующую принцип взаимной адаптации в управлении учебной деятельностью посредством системы петель обратной связи с ограничением ресурсов;
на основе математической модели информационного взаимодействия управляющего центра и обучающегося создать структурно-функциональную модель системы автоматического управления адаптацией обучающихся к условиям проблемных сред с ограничением ресурсов и реализовать ее в вербальной проблемной среде;
используя структурно-функциональную модель системы автоматического управления учебной деятельностью в вербальных проблемных средах, решить задачу оптимизации выполнения объема работ и времени деятельности обучающегося;
разработать инструментальный метод диагностики учебной деятельности обучающихся по расстановке фрагментов текста, динамики ее изменения и получения процессуальных характеристик деятельности обучающихся при решении вербальных задач таких как : оптимальное время решения задач, обучаемость, трудозатраты, суммарный коэффициент обратной связи, фазовые портреты, функцию вознаграждения, функцию ценности и др;
на основе математического аппарата цепей Маркова описать и количественно оценить вероятностные характеристики процесса адаптации к деятельности по решению задач в вербальной проблемной среде.
Методы исследования вытекают из поставленных задач. Для их решения использовались положения теории вероятности, комбинаторики, системного анализа, методов компьютерного моделирования, кибернетики, теории конечных автоматов. При программной реализации полученных концепций использовались методы:
теории алгоритмов и языков программирования;
объектно-ориентированного программирования;
математического моделирования и визуализации, опирающиеся на методы вычислительной математики.
Научная новизна исследования
Разработана математическая модель информационного взаимодействия управляющего центра и объекта управления в виде системы петель обратной связи, заданных рекурсивными уравнениями, описывающих изменение ресурса, величины рассогласования между целевым и текущим состоянием; прогнозируемым и реальным значением функции ценности. В основе модели лежит представление о деятельности как о системе равноценных действий. В модели учитываются синтаксические и семантические свойства действий.
Создана система автоматического управления учебной деятельностью по решению задач в вербальных проблемных средах, в основе которой лежит разработанная модель, позволяющая получать полезный результат независимо от индивидуальных качеств и свойств объекта управления:
а) с ограничением ресурса объема работ, позволяющим оптимизировать
расход ресурса для выполнения заданного объема работ;
б) с ограничением ресурса времени, позволяющим определять
оптимальное время деятельности объекта управления;
Теоретическая значимость
Заложены теоретические основы математической модели
информационного взаимодействия управляющего центра и объекта управления, реализующей управление учебной деятельностью посредством системы петель обратной связи с учетом выделенных ресурсов. Введено новое понятие - суммарный коэффициент петель обратной связи, количественно описывающий адаптацию объекта управления к деятельности по решению задач.
Практическая значимость
Создана система автоматического управления учебной деятельностью по решению задач в вербальной проблемной среде, учитывающая ресурсы, позволяющая проводить диагностику процессуальных характеристик учебной деятельности, а именно находить: оптимальное время решения задач, обучаемость, трудозатраты, суммарный коэффициент обратной связи, фазовые портреты и др.
Достоверность обеспечивается корректным применением математического аппарата теории систем искусственного интеллекта и кибернетики при создании модели информационного взаимодействия управляющего центра и объекта управления и вычислительной математики при решении системы функциональных критериев целевых требований управления. Эффективность систем автоматического управления учебной деятельностью по решению вербальных задач подтверждается экспериментами, проведенными совместно с сотрудниками кафедры математических методов физики и ИТ Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева на базе факультета физики, информатики и ВТ, которые практически подтверждены данными по обучаемости независимых экспертов.
Основные результаты работы, выносимые на защиту
Структурно-функциональная модель системы автоматического управления учебной деятельностью с ограничением ресурса объема работ и времени, позволяющая оптимизировать расход ресурса и время деятельности для выполнения заданного объема работ обучающимися при решении задач в вербальной проблемной среде.
Инструментальный метод диагностики учебной деятельности по расстановке фрагментов текста, позволяющий получить процессуальные характеристики деятельности обучающегося: оптимальное время решения задач, обучаемость, трудозатраты, суммарный коэффициент обратной связи, фазовые портреты, функцию вознаграждения, функцию ценности и др.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседании кафедры математических методов физики и информационных технологий Красноярского государственного педагогического университета (2006-2010); IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Открытое образование: опыт, проблемы, перспективы» (Красноярск, 2008); XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2008); Международной научной конференции «Молодёжь. Образование. Карьера» (Красноярск, 2008); XIV международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (Воронеж, 2009); XII
Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем — 2009» (Красноярск, 2009); IV Международной конференции «Новые информационные технологии в образовании для всех: инновационные методы и модели» (Киев, 2009); XIV Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (Воронеж, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Развивающие информационные технологии в образовании: использование учебных материалов нового поколения в образовательном процессе» (Томск, 2010).
Экспериментальная проверка и внедрение основных положений диссертации проводились с 2006 по 2010 годы на базе факультета физики, информатики и вычислительной техники Красноярского государственного педагогического университета.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ. В их числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК и одно авторское свидетельство на разработанные программы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, Библиографического списка, Приложения. Основное содержание диссертационной работы изложено на 168 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
