Введение к работе
Актуальность работы. Важными требованием к формированию специалистов высокой квалификации являются повышение качества их подготовки, твердые практические навыки и быстрая адаптация в реальных условиях, что является важнейшим условием создания конкурентных преимуществ современных социально-экономических систем. Это требует внедрения новых подходов к обучению, обеспечивающих наряду с его фундаментальностью развитие творческих и профессиональных компетенций, потребностей и заинтересованности в самообразовании. Наиболее продуктивным способом обучения является диалог обучаемого с высококвалифицированным преподавателем (специалистом). Однако нередко это невыполнимо, т.к. требует большого числа дорогостоящих специалистов.
Одним из перспективных способов решения этой проблемы, а также повышения качества обучения является использование в учебном процессе автоматизированных обучающих систем. Исследования показывают, что знакомство и усвоение нового учебного материала обычно гораздо эффективнее, когда в учебной работе применяются программные обучающие средства. Преимущество такого обучения обусловливается комплексностью реализации таких принципов, как индивидуальный подход к обучаемому, возможность варьирования сложностью учебного материала и его систематичностью, широкие возможности.вывода информации на различные периферийные устройства.
Современные обучающие системы не лишены существенных недостатков. К ним относятся жесткая привязка систем к конкретной предметной области и отсутствие возможности объяснения действий (справочные системы «Windows Vista», «SQL Server Books online» компании Microsoft), упрощенная методика оценки знаний обучаемых («SAP Tutor» компании SAP AG), минимальные возможности адаптации учебного материала, которые учитывают только текущий уровень знаний обучаемого («ELM-ART» (Weber & Brusilovsky), «InterBook», (Brusilovsky, Eklund & Schwarz), «Metalinks» (Weber)).
Дальнейшее повышение качества обучения связано с использованием методов искусственного интеллекта, в т.ч. с созданием обучающих экспертных систем (Э.В. Попов, Г.С. Поспелов, А.А. Большаков, Ф. Хейес Рот, Д. Уотермен, Д. Лената, И. Братко и др).
Значительный вклад в развитие автоматизированного обучения внесли такие ученые, как Б.Ф. Скиннер, Н.А. Кроудер, Г Паск., В.П. Беспалько, П.Я. Гальперин и др. Описанная в их работах теория программированного обучения направлена на повышение эффективности управления процессом обучения на базе кибернетического подхода. Так, В.П. Беспалько выделяет 4 уровня обучения: первый — знания-знакомства с его признаками в виде умения обучаемого опознать, различить знакомый ему ранее предмет, явление, определенную информацию. Второй уровень — знания-копии, для которого признаками является умение пересказать, репродуцировать ранее усвоенную учебную информацию. Третий уровень — знания-умения, для которого важнейшие признаки — умение применить полученные знания в практической деятельности. Наконец, четвертый, творческий уровень — знания-трансформации, умение перенести полученные ранее знания на решение новых задач и проблем. Предполагается, что разным уровням необходимо обучать по-разному.
В качестве объекта исследования автором рассматривается оператор социально-экономических систем, под которым понимается человек, решающий задач первого и второго уровней из узкой области компетенции, например, студенты учебных заведений, бухгалтеры, операторы складских комплексов и др. При этом под обучением понимается процесс приобретения или восстановления определенных знаний.
Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что не решенной является задача построения обучающей экспертной системы, инвариантной к предметной области, объединяющей знания специалистов по педагогике, психологии и предметной области (Н.Р. Немов, Р. Эденборо, А. Грассер, Н. Персон), а также имеющей гибкую систему формирования учебного материала с учетом индивидуальных психологических особенностей восприятия информации обучаемым (Дж. Гриндер, Р. Бэндлер, Ливер Бетти Лу) и оценки знаний на основе аппарата нечетких множеств (Л. Заде, К. Асаи, Д. Ватада, Р. Ягера).
Таким образом, построение системы управления обучением операторов социально-экономических систем на основе создания и использования обучающей экспертной системы, инвариантной к предметной области, объединяющей знания специалистов по педагогике, психологии и предметной области и имеющей гибкую систему формирования учебного материала и оценки знаний, является весьма актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса обучения операторов социально-экономических систем на основе автоматизированных обучающих экспертных систем с учетом индивидуальных психологических особенностей и применения аппарата нечеткой логики для оценки текущего уровня знаний.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Выполнить анализ процесса обучения операторов социально-экономических систем как объекта управления.
Построить информационную модель хранения данных, требуемых для обучения, инвариантную к предметной области, и модель представления и оценивания знаний, учитывающей психологические особенности операторов.
Разработать метод управления обучением операторов с использованием двухканальной схемы управления по возмущению и отклонению.
Разработать методику оценки эффективности управления обучением с учетом однородности групп операторов.
Создать обучающую экспертную систему, функционирующую на основе диагностики текущего уровня знаний и с учетом индивидуальных психологических особенностей восприятия информации операторами.
Провести апробацию методов управления обучением операторов на основе применения обучающей экспертной системы.
Объектом исследования является процесс обучения операторов социально-экономических систем.
Предметом исследования являются методы управления процессом обучения операторов социально-экономических систем.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы искусственного интеллекта, нечеткой логики, статистического анализа, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна:
разработан метод управления обучением на основе двухканальной схемы, отличающийся использованием комбинированных управляющих воздействий на операторов с учетом их психологических особенностей, что позволяет создавать обучающие экспертные системы, ориентированные на индивидуальные особенности операторов социально-экономических систем;
предложена методика сравнительной оценки эффективности управления обучением различными методами (способами) групп операторов, отличающаяся учетом однородности их состава по уровню знаний;
разработана процедура формирования управляющих воздействий, учитывающая психологические особенности восприятия информации, что позволяет адаптировать учебный материал к персональным особенностям конкретного оператора;
предложена методика определения психологических особенностей восприятия информации оператором и оценки уровня знаний, отличающаяся применением аппарата нечетких множеств, что позволяет более точно интерпретировать субъективные ответы тестируемых и автоматизировать эти процессы при создании экспертных обучающих систем.
Практическая ценность работы определяется тем, что содержащиеся в ней теоретические положения и выводы, результаты опытно-экспериментальной работы и практической реализации позволили создать научную базу и практические методики создания обучающих экспертных систем, на основе которых разработаны: инвариантная к предметной области программная оболочка, позволяющая организовывать учебные курсы по различным дисциплинам в высших учебных заведениях; структурированный и формализованный учебный материал для изучения языка программирования, использованный при внедрении проекта в вузах; модель и архитектура, позволяющие применять систему для обучения операторов различного уровня подготовки.
Результаты работы также используются в учебном процессе в Саратовском, Тамбовском государственных технических университетах, на Приволжской железной дороге.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при создании обучающей экспертной системы с учетом психологических характеристик, методик управления обучения операторов, внедренных в ряде вузов, на железнодорожном транспорте.
Достоверность научных результатов и выводов определяется корректным применением методов исследований и подтверждается экспериментальными результатами от практического внедрения предложенных решений для управления процессом обучения операторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на Всероссийских, Международных научно-технических конференциях: Математические методы в технике и технологиях (ММТТ): ММТТ-11 (Владимир, 1998), ММТТ-12 (Великий Новгород, 1999), ММТТ-13 (Санкт-Петербург, 2000). ММТТ-14 (Смоленск, 2001), ММТТ-15 (Тамбов, 2002), ММТТ-16 (Ростов, 2003), ММТТ-17 (Кострома, 2004), НМК «Проблемы научно-методического и организационного обеспечения учебного процесса по интегрированным образовательным программам в структуре учебно-научно-инновационного комплекса» (Саратов, 2002), 9'1' lntena-
tional Conference on Engineering Education (San Juan, Puerto Rico, 2006), НПК «Интернет — на службу обществу» (Саратов, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 свидетельство Роспатента РФ;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 разделов и заключения, изложенных на 133 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц, включает 118 наименований отечественной и зарубежной литературы, приложения.
