Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и состояние изученности 17
1.1 Система подготовки специалистов как социально-экономическая система 17
1.2 Контур управления процессом обучения в системе подготовки специалистов 19
1.3 Модели компонентов контура управления процессом обучения 22
1.3.1 Модели процесса обучения 22
1.3.1.1 Аспекты моделирования процесса обучения 22
1.3.1.2 Модели предметной области 23
1.3.1.3 Дискретные модели процесса обучения 23
1.3.3.1 Континуальные модели процесса обучения 27
1.4 Модели организации обучения разработчиков ПО 29
1.4.1 Классификация моделей организации обучения 29
1.4.2 Модели электронного обучения 31
1.4.3 Практико-ориентированные модели обучения 32
1.4.4 Модели организации обучения с применением компьютерных игр 35
1.4.4.1 Компьютерные игры как средства электронного обучения 35
1.4.4.2 Классификация компьютерных обучающих игр 36
1.4.4.3 Игры для программистов 40
1.4.4.4 Модели электронного обучения с использованием компьютерных игр 44
1.4.4.5 Модели проектного обучения с использованием компьютерных игр 44
1.5 Методы управления процессом обучения 46
Результаты и выводы к Главе 1 48
Глава 2. Разработка компетентностно-ориентированной модели процесса обучения 50
2.1 Требования к модели 50
2.2 Концептуальная модель процесса обучения 52
2.3 Математическая модель процесса обучения 55
2.3.1 Модель обучающего курса 55
2.3.1.1 Расширяемость модели обучающего курса 64
2.3.1.2 Фрагментируемость модели обучающего курса 66
2.3.2 Модель обучаемого 67
2.3.3 Модель процесса взаимодействия обучаемого с обучающим курсом 68
2.4 Управление процессом обучения 68
2.4.1 Процесс обучения как процесс овладения пространством знаний 68 2.4.2 Функция управления процессом обучения 71
2.4.3 Управляемые параметры модели процесса обучения 72
2.5 Интерпретация процесса обучения как управляемого волнового процесса 74
2.6 Построение пространства знаний обучающего курса 75
2.6.1 Определение пространства знаний, порождаемого обучающим курсом 75
2.6.2 Алгоритм построения пространства знаний 76
2.6.3 Алгоритм расширения пространства знаний 78
2.6.4 Алгоритм фрагментирования пространства знаний 81
2.7 Алгоритмы управления процессом обучения 83
2.7.1 Определение уровня освоенности пространства знаний 83
2.7.2 Задание порогового значения освоенности 86
2.7.3 Алгоритм генерации управляющих воздействий 87
2.8 Алгоритмы оценки результатов обучения 88
2.8.1 Мера освоенности пространства знаний 88
2.8.2 Алгоритм оценки освоенности пространства знаний 92
2.8.3 Выделение контрольных срезов пространства знаний 93
2.8.4 Алгоритм генерации контрольных срезов 95
Выводы к Главе 2 96
Глава 3 Методология управления системой подготовки разработчиков ПО 98
3.1 Требования к системе подготовки специалистов 98
3.2 Анализ содержания предметной области «Разработка ПО» 101
3.3 Структура предметной области «Разработка ПО» 106
3.4 Модель пространства знаний «Разработка ПО» 110
3.5 Модель организации обучения разработчиков ПО 111
3.5.1 Требования к модели организации 111
3.5.2 Модель организации обучения на базовом уровне 111
3.5.3 Модель организации обучения на профессиональном уровне 112
3.6 Метод управления процессом обучения 120
3.7 Принципы управления 122
3.8 Механизмы управления процессом обучения 124
3.8.1 Виды управления процессом обучения 124
3.8.2 Механизм управления на профессиональном уровне обучения 124
3.8.3 Механизм управления на базовом уровне обучения 128
3.9 Компоненты методологии управления обучением 130
Выводы к Главе 3 132
Глава 4 Методы интеграции модели процесса обучения в обучающие игры134
4.1 Способы интеграции процесса обучения в игровой процесс 134
4.2 Интеграция процесса обучения в игру для освоения знаний. 3i подход 136
4.3 Интерпретация компонентов модели процесса обучения в игре для освоения знаний
141
4.3.1 Обучающий курс как Виртуальный Мир 141
4.3.2 Обучаемый как Аватар 143
4.3.3 Процесс обучения как Жизнь Аватара в Виртуальном Мире 144
4.3.4 Разработка обучающего контента игр для освоения знаний 145
4.3.5 Методика описания контента 148
4.3.6 Реализация 3i подхода в игре для освоения знаний 149
4.3.7 Стадии разработки ролевой обучающей игры 153
4.3.8 Метод проектирования игр для освоения знаний 154
4.4 Интеграция процесса обучения в игру для тренировки навыков. Концепция игровых тренажеров 154
4.5 Интерпретация компонентов модели процесса обучения в игровом тренажере 156
4.5.1 Обучающий курс как Мир Квестов 156
4.5.2 Обучаемый как Игрок 157
4.5.3 Процесс обучения как Аркада 157
4.5.4 Разработка обучающего контента для игровых тренажеров 158
4.5.5 Методика описания контента 159
4.5.6 Метод проектирования игровых тренажеров 160
4.5.7 Режим тестирования в игровых тренажерах 160
4.6Способы проверки решений заданий 163
4.6.1 Классификация способов проверки решений 163
4.6.2 Проверка текста решения 163
4.6.3 Проверка результата работы решения 164
4.6.4 Проверка частичного решения 165
4.6.5 Проверка решений заданий на составление программного кода 166
Выводы к Главе 4 169
Глава 5 Программно-методический комплекс поддержки управления системой подготовки разработчиков ПО 171
5.1 Требования к структуре комплекса 171
5.2 Система управления процессом обучения 172 5.3 Инструментальные средства разработки обучающих компьютерных игр 173
5.3.1 Специфика разработки обучающих компьютерных игр 173
5.3.2 Среда разработки ролевых 3D обучающих игр 175
5.3.3 Среда разработки 2D игровых тренажеров 178
5.4 Программно-методический комплекс средств обучения разработчиков ПО 180
5.4.1 Игры для освоения знаний 180
5.4.1.1 Игра для обучения объектно-ориентированной технологии программирования 180
5.4.1.2 Игра для развития навыков применения системного подхода 193
5.4.2 Игры для тренировки навыков 194
5.4.2.1 Игра для тренировки навыков алгоритмизации 194
5.4.2.2 Комплекс игровых тренажеровдля тренировки навыков программирования198
5.5 Оценка качества разработанных обучающих игр 208
Выводы к главе 5 209
Глава 6 Апробация и анализ эффективности методологии управления подготовкой разработчиков ПО 211
6.1 Пример применения методологии управления подготовкой разработчиков ПО 211
6.2 Организация управления на профессиональном уровне обучения. Проектное обучение с обучающими играми как объектами разработки ПО 215
6.2.1 Построение пространства знаний предметной области «Разработка компьютерных игр» 215
6.2.2 Проект 1. Разработка обучающей 3D игры 222
6.2.2.1 Построение пространства знаний, требуемых для разработки игры 223
6.2.2.2 Организация управления проектом 224
6.2.2.3 Знания и навыки, приобретенные в результате разработки игры 227
6.2.2.4 Освоенные компетенции 230
6.2.3 Проект 2. Разработка среды создания игровых тренажеров 230
6.2.3.1 Построение пространства знаний, требуемых для разработки среды 230
6.2.3.2 Организация управления проектом 232
6.2.3.3 Тестирование среды разработки 233
6.2.3.4 Знания и навыки, приобретенные в результате разработки среды 234
6. 2.4 Проект 3. Разработка игры для обучения алгоритмизации 237
6.2.4.1 Построение пространства знаний 237
6.2.4.2 Организация управления проектом 237
6.2.5 Проект 4. Разработка комплекса игровых тренажеров 238 6.3 Организация управления на базовом уровне обучения. Применение обучающих игр как средств обучения 239
6.3.1 Применение обучающих игр для изучения дисциплины «Языки программирования высокого уровня 239
6.3.2 Организация дистанционного обучения с использованием игровых тренажеров240
6.4 Оценка эффективности методологии 240
6.4.1 Метод оценки 240
6.4.2 Оценка эффективности применения обучающих игр на базовом уровне обучения 241
6.4.3 Оценка эффективности применения обучающих игр на профессиональном уровне обучения 242
6.4.4 Оценка системного эффекта применения методологии 244
Выводы к Главе 6 248
Заключение 249
Библиографический список
- Модели компонентов контура управления процессом обучения
- Математическая модель процесса обучения
- Модель пространства знаний «Разработка ПО»
- Разработка обучающего контента игр для освоения знаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Уровень развития общества сегодня во многом определяется уровнем развития информационных технологий {Information Technologies, IT). Широта и разнообразие применения IT в различных сферах человеческой деятельности, уровень сложности решаемых задач и высокая цена ошибки определяет уровень требований, предъявляемых к профессиональной подготовке 7Т-специалистов. Ошибки в профессиональной деятельности специалистов, работающих в области IT, могут приводить к катастрофическим последствиям и наносить непоправимый ущерб обществу в целом. Специалисты, работающие в областях, связанных с разработкой и внедрением IT, должны обладать высокой профессиональной квалификацией, отработанными навыками практической деятельности, высокой обучаемостью, широтой взглядов и эрудированностью.
Ключевую роль в IT играет программное обеспечение (ПО). Спрос на разработчиков ПО всех специализаций составляет более 50 процентов от всех остальных специальностей в сфере IT. Потребности в новых кадрах для сектора ПО российского 7Т-рынка увеличиваются с каждым годом. Специальности, связанные с разработкой ПО, относятся к числу наиболее сложных для обучения. Сложность подготовки специалистов, связанных с разработкой ПО, определяется свойствами как самого ПО, так и процесса его разработки. Темпы обновления знаний, необходимых для разработчиков ПО, очень высоки: существующие решения быстро устаревают и теряют актуальность; появляются новые задачи, решение которых требует разработки новых методов, программных средств и технологий.
Содержание программ подготовки разработчиков ПО отражает характер ПО как продукта и разработки ПО как рода деятельности. Практически все дисциплины, включаемые в программы подготовки разработчиков ПО, имеют явно выраженный прикладной характер, для них характерно наличие сильных трансдисциплинарных связей, обусловленных общим объектом изучения.
Организация управления подготовки разработчиков ПО основана на применении традиционного траєкторного подхода. Деятельность обучаемых в рамках этой системы регламентируется обучающим, задающим т. н. траектории обучения в виде последовательности освоения дисциплин и отдельных фрагментов знаний. При этом системные связи, определяющие специфику программ подготовки разработчиков ПО как взаимосвязанных фрагментов пространства знаний, выстраиваются заранее обучающим и отражают его видение этого пространства. Траекторный подход к управлению системой подготовки не ориентирует обучаемого на освоение целостной системы знаний, составляющей содержание программ подготовки, в то время как именно целостный взгляд на предметную область позволяет разработчику в процессе разработки ПО видеть программный продукт в его завершенности, т.е. видеть цель и выстраивать способ ее достижения.
В настоящее время активно развивается компетентностно-ориентированная парадигма организации системы подготовки специалистов, предполагающая комплексное освоение знаний как целостной системы профессиональных компетенций, позволяющая системно повышать качество подготовки специалистов. Переход на качественно новую систему подготовки специалистов требует разработки новых методов организации управления этой системой.
Степень проработанности темы исследования. Исследованиям в области управления образовательным процессом посвящены работы А.П. Свиридова, Д.А.
Новикова, В. Костиневича, А.В. Соловова, Ю.А. Ивашкина, Н.Ф. Добрыниной, И.А. Гири, A.M. Зеневича, R.Bush, F. Mosteller, F.Atkinson, Л. Ю. Уразаевой, И.А. Галимова, Л.А. Найниша, Е.М. Тишиной, Л.Р.Фионовой, И.Д. Столбовой, А.Л. Истомина, И. Б. Герасимовой, Y.-H. Kuo, A.J.Armstrong, F.Lin, A. Polydoropoulou, М.А. Lambrou и др. Большое количество работ посвящено разработке моделей процесса обучения, реализующего традиционный (знаниевый) подход, в то время как модели организации комптентностно-ориентированного процесса обучения пока не достаточно проработаны для их практической реализации. В области организации подготовки разработчиков ПО известны работы О. Shata, R. W. Brown, А. Bradley, М. Alfonso, F. Mora, D. Evans, D. Delaney, G. Mitchell, M. Rosso-Lopart, L. Carter, G. Pollice, I. Richardson, L. Reid, S. Seidman, B. Pattinson, R. Gamble, K. Wilson, S. Mingins и др. В этих работах предлагаются проектно-ориентированные методы управления системой подготовки специалистов, которые уже содержат такие элементы компетентностного подхода, как активное обучение и индивидуализация.
Ключевым трендом дальнейшего развития компетентностно-ориентированной системы подготовки специалистов является развитие интерактивных методов и средств обучения. Одним из наиболее эффективных средств интерактивного обучения является применение компьютерных игр. Исследованиям в области применения игр для обучения разработке ПО посвящены работы P. Blanchfield, P. Moze-lius, С. Malliarakis, S. Chickerur, M. Kolling, E. О. S. Cooper, W. Dann, R.Pausch, J.Bergin, D. Sanders, B.Dorn, T. Hainey, T. Connolly, L. Boyle и др. Однако методологические решения по организации управления системой подготовки разработчиков ПО с применением компьютерных игр находятся в стадии становления и требуют дальнейшего развития. В работе исследуется и решается научная проблема разработки методологии управления системой подготовки специалистов в высших учебных заведениях, реализующей компетентностную образовательную парадигму в контексте подготовки разработчиков ПО.
Объектом исследования является система подготовки специалистов в области разработки ПО. Предмет исследования - модели, методы и механизмы управления системой подготовки специалистов в области разработки ПО.
Целью работы является повышение эффективности управления системой подготовки разработчиков ПО за счет разработки методологии управления, основанной на применении обучающих компьютерных игр, позволяющей системно овладевать профессиональными компетенциями, отвечающими современным требованиям.
Задачи:
-
рассмотреть структуру и свойства системы подготовки специалистов в высшем учебном заведении, проанализировать существующие модели описания компонентов системы, выявить специфику системы подготовки разработчиков ПО и сформулировать требования к организации управления системой, отвечающей компетентностному подходу;
-
разработать модель процесса обучения, реализующую компетентностный подход;
-
разработать модель организации обучения в контексте содержания программ подготовки разработчиков ПО и основанную на применении обучающих компьютерных игр;
-
разработать методы и механизмы управления системой подготовки разработчиков ПО, отвечающие модели организации обучения;
-
разработать способ интеграции модели процесса обучения в обучающие компьютерные игры, позволяющий сохранять баланс обучающей и игровой компонент и достигать обучающих целей в игровом процессе;
-
спроектировать и реализовать программно-методический комплекс средств поддержки управления системой подготовки разработчиков ПО;
-
апробировать разработанную методологию управления системой подготовки разработчиков ПО и оценить ее эффективность.
Научная новизна. Разработана методология управления системой подготовки разработчиков ПО, отвечающая компетентностной образовательной парадигме и основанная на использовании обучающих компьютерных игр. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
разработаны метод двухконтурного управления системой подготовки разработчиков ПО, отличающийся использованием в каждом контуре компьютерных игр, и механизмы реализации функции управления системой, позволяющие достигать целей обучения как сформированной совокупности профессиональных компетенций;
-
впервые предложена модель организации обучения разработчиков ПО, основанная на комплексном применении обучающих компьютерных игр как средств обучения и как объектов разработки ПО, позволяющая осваивать структурную упорядоченность и целостность пространства знаний, требуемых для разработки ПО, и мотивировать обучаемых осваивать это пространство;
-
разработан новый метод формализации процесса обучения как волнового процесса освоения пространства знаний, управляемого обучаемым во взаимодействии с этим пространством как системно организованной структурой, приводящего к синтезу целостной системы знаний, и развивающего способности обучаемого решать профессиональные задачи;
-
предложена новая модель обучающего курса на основе алгебраической структуры общего вида, которая позволяет отразить ключевые системные свойства пространства знаний обучающего курса и построить исчисление процесса освоения этого пространства;
-
предложен оригинальный механизм интеграции модели процесса обучения в обучающие игры, основанный на структурном единстве процесса обучения и игрового процесса и эквивалентности достижения цели обучения и игровой цели, позволяющий разрабатывать обучающие игры для освоения знаний, тренировки навыков и тестирования.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Разработанная модель процесса обучения, реализующая компетентностную образовательную парадигму, развивает теорию управления образовательными системами и может быть использована как теоретический базис для разработки новых методов управления системой подготовки специалистов в разных областях, отвечающей требованиям образовательных стандартов нового поколения.
Разработанный программно-методический комплекс средств поддержки управления процессом обучения обеспечивает реализацию компетентностно-ориентированного подхода к управлению образовательными системами, а именно:
система управления процессом обучения предназначена для разработки обучающих курсов, обладающих системными свойствами целостности и делимости, и организации процесса обучения, отвечающего компетентностному подходу;
средства разработки обучающих игр предназначены для создания обучающих игр и игровых тренажеров для изучения дисциплин естественнонаучного и профессионального направлений;
разработанные обучающие игры применимы для обучения студентов высших и средних учебных заведений в рамках системы подготовки специалистов, связанных с разработкой ПО;
игровые тренажеры применимы для обучения и тренировки навыков программирования в колледжах и школах.
Методология и методы исследования: методы теории управления организационными системами, теории управления образовательными системами, методы системного анализа, общей теории моделирования, теории множеств, математический аппарат универсальных алгебр, методы математической статистики.
Положения, выносимые на защиту.
-
Метод двухконтурного управления системой подготовки специалистов и механизмы реализации функции управления системой в аспекте подготовки разработчиков ПО.
-
Модель пространства знаний обучающего курса на основе алгебраической решетки и способ исчисления процесса освоения этого пространства.
-
Модель волнового процесса освоения пространства знаний, управляемого обучаемым во взаимодействии с этим пространством, и позволяющая достигать целей обучения как сформированной совокупности профессиональных компетенций.
-
Модель организации обучения разработчиков ПО, отвечающая модели процесса обучения, и основанная на применении обучающих компьютерных игр.
5. Механизмы интеграции модели процесса обучения в обучающие компьютер
ные игры и игровые тренажеры.
6. Программно-методический комплекс средств поддержки управления процес
сом обучения, отвечающего компетентностному подходу.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных методов проведения научных исследований, корректным использованием математического аппарата, а также результатами применения разработанной методологии управления системой подготовки разработчиков ПО и программных систем, разработанных на ее основе.
Разработанная методология управления системой подготовки разработчиков ПО применяется на кафедре САПР и ПК ФГОУ ВПО «ВолгГТУ». Компоненты методологии используются в институте кибернетики Томского политехнического университета; на факультете Нано-, био-, инфо- и когнитивных технологий (НБИК) Московского физико-технического института; в Калачевском техникуме-интернате; в Department of Computer and Systems Sciences, Stockholm University, Швеция; в Bhoomaraddi College of Engineering and Technology, Хубли, Индия.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных мероприятиях, наиболее значимыми из которых являются: European Conferences on Games Based Learning (Porto, Portugal,2013; Cork, Ireland, 2012; Copenhagen, Denmark, 2010; Graz, Austria, 2009), IADIS International Conference (Porto, Portugal,
2010), Международные научно-технические конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Сочи, 2007-2011г.), Международные конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Ялта-Гурзуф, Украина, 2006-2013 г.).
Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты работы изложены в 24 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 3-х монографиях, 14 научных публикаций в иностранных источниках, 30 статьях в сборниках научных трудов. Получены 3 свидетельства о регистрации программ на ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Количество страниц - 343, рисунков - 90, таблиц - 24.
Модели компонентов контура управления процессом обучения
Деятельность системы высшего профессионального образования (ВПО) в России регламентируется законодательством Российской Федерации. Новый Федеральный закон РФ "Об образовании в Российской Федерации" № 273-ФЗ [18], вступивший в силу 1 сентября 2013 года, определяет требования к структуре образовательных учреждений и регламентирует взаимоотношения между обучаемыми и лицами, осуществляющими педагогическую деятельность, экономическую деятельность и финансовое обеспечение в сфере образования.
В соответствии с законом система высшего профессионального образования (ВПО) включает в себя совокупность взаимодействующих образовательных учреждений, органов управления учреждениями, федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС) и образовательных программ.
Образовательные учреждения имеют в своей структуре различные подразделения, обеспечивающие осуществление образовательной деятельности с учетом уровня, вида и направленности реализуемых образовательных программ, формы обучения и режима пребывания обучающихся. Управление учреждениями осуществляют соответствующие федеральные органы государственной власти и органы государственной власти субъектов Российской Федерации. Образовательные стандарты регламентируют требования к структуре, условиям реализации и результатам освоения основных образовательных программ.
Для организации образовательного процесса на основе материально технической базы образовательного учреждения создается и обеспечивается функционирование системы подготовки специалистов в различных отраслях. Система подготовки специалистов в высшем учебном заведении (вузе) включает в себя профессорско-преподавательский состав (ППС) и группы студентов, непосредственно участвующие в образовательном процессе; и также администрацию, персонал и материально-технические, финансовые, организационно-методические и информационные ресурсы, используемые для поддержки организации образовательного процесса.
Наличие в составе системы подготовки специалистов вуза таких организационных структур как ППС и группы студентов определяет принадлежность системы подготовки специалистов к классу социальных систем.
Функционирование системы подготовки требует непрерывного финансового обеспечения. Финансовые вложения в такие системы создают интеллектуальный капитал общества, и таким образом являются инвестициями общества в свое развитие будущего. В конечном итоге в результате профессиональной деятельности специалистов, подготовленных в образовательных системах, создается прибавочная стоимость и увеличивается экономический потенциал общества в целом. В такой интерпретации система подготовки специалистов как система общественного производства и потребления материальных благ относится к классу экономических систем.
Целью управления системой подготовки специалистов является эффективное использование инвестируемых обществом в систему социально-экономических ресурсов для подготовки специалистов, обладающих уровнем профессиональной компетентности, отвечающим существующим требованиям отрасли и тенденциям ее развития. Управляющую подсистему в системе подготовки специалистов представляют обучаемые. Спецификой управления образовательными системами является то, что обучаемые непосредственно участвуют в процессе обучения и играют в нем ключевую роль, т.к. процесс обучения требует работы самих обучаемых по освоению знаний и развитию профессиональных навыков.
Состав компонентов, специфика связей, социально-экономический характер цели управления и активное влияние студентов как управляемой подсистемы на процесс управления обуславливает принадлежность системы подготовки специалистов к классу социально-экономических систем (рисунок 1.1).
Социально-экономическая система подготовки специалистов В системе подготовки специалистов реализуются два типа управления: административное управление и управление процессом обучения. Административное управление обеспечивает организационную, материальную и финансовую поддержку процесса обучения. Управление процессом обучения устанавливает способы организации преподавателями (обучающий) взаимодействия студентов (обучаемый) с образовательными ресурсами (обучающий курс), позволяющие достигать целей обучения, и определяющие эффективность управления системой подготовки в целом.
Для описания процесса компонентов контура управления процессом обучения используются модели процесса обучения и модели организации обучения. Методы и механизмы управления процессом обучения определяют способы достижения целей обучения (рисунок 1.2).
Математическая модель процесса обучения
Практико-ориентированный подход основан на обучении разработке ПО через разработку реальных или условно-реальных (учебных) проектов.
Проектные модели основаны на обучении разработке ПО с использованием реальных объектов разработки. Выбор реальных объектов проектирования позволяет изучить все этапы процесса проектирования ПО на реальных задачах и довести этот процесс до стадии реализации системы. Ключевыми характеристиками проектной модели являются необходимость решения конкретной исследовательской, информационной или практической проблемы; календарное планирование проекта; исследовательская работа как обязательное условие проекта; командная работа. Например, в [82] предложена проектная модель обучения, предназначенная на обучение командной работе с уклоном на поддержку полного ЖЦ ПО.
В [83] рассмотрена модель обучения, основанная на междисциплинарном подходе (interdisciplinary-basedmodel). Выявлены недостатки проектного обучения, в котором используются учебные проекты, и предложен подход, основанный на условно-реальных («real world-like») IT-проектах. Ключевой характеристикой подхода является создание условий, максимально приближенных к условиям разработки реальных проектов: работы в больших командах и организации взаимодействия с различными заказчиками, что позволяет уменьшить разрыв между разработкой учебных и коммерческих проектов. Процесс обучения разработке ПО разделен на две стадии: на первом и втором курсе студенты разрабатывают небольшие проекты, и таким образом, изучают процесс разработки проекта. На третьем-четвертом курсах студенты разрабатывают крупномасштабный проект, интегрированный в учебную программу. В процессе разработке проекта студентам создаются условия, максимально приближенные к реальным: работа в большой команде, взаимодействие с stakeholders. При этом используется теоретическая база дисциплин, изученных на младших курсах, как в области IT, так и в других областях.
Проблемно-ориентированная модель обучения (Problem-Basedlearning, PBL) [84] основана на разработке учебных проектов с моделированием проблем, возникающих при разработке реальных проектов. Студенты работают в команде, каждый студент ведет свой журнал исследований. Характеристики проблемно-ориентированной модели обучения рассмотрены в [85]. PBL-обучение организуется в контексте задач, аспектов и проблем, которые коррелируются c проблемами реального мира; фокусируется на развитии профессиональных навыков решения проблем; отношения между обучающим и обучаемым рассматриваются как отношения кооперации.
Модель, основанная на концепции рефлексивной практики, (studio-based model), предложена в [86]. В основе модели лежит идея параллельной разработки крупного проекта несколькими командами и совместного обсуждения результатов.
Личностно-ориентированная модель обучения (learner-centered learning), основанная использовании e-mail, Internet, FTP, дистанционного обучения и дискуссионных групп [87], фокусируется на потребностях, навыках и интересах разработчиков ПО.
В [88] предложена проектно-ориентированная модель (project-oriented approach) обучения разработчиков ПО. Модель реализует парадигму chalk&talk в рамках спиральной модели ЖЦ с регулярными групповыми дискуссиями на каждой итерации разработки.
Эффективность применения практико-ориентированных моделей зависит от механизмов управления процессом обучения, масштабов проектов и степенью их соответствия реальным задачам (таблица 1).
Разработка реальных проектов требует высокой квалификации разработчика и также командной работы, что в настоящее время является очень важным для разработчика ПО. Однако масштабы и, соответственно, трудоемкость разработки реальных проектов, необходимость организации реальных связей с заказчиками ограничивает возможность их применения в учебном процессе.
При использовании условно-реальных проектов в качестве заказчиков выступают сами преподаватели. При этом снижается эффективность работы студентов на этапе сбора и анализа требований, и мотивация такой работы часто оказывается недостаточной высокой. Учебные задания по проектированию, как правило, уже формализованы и значительно менее сложны, чем реальные задачи, в качестве объектов проектирования в них предлагаются упрощенные (адаптированные к учебному процессу) системы. При использовании учебных проектов студенты не чувствуют ответственности за результат разработки, что влияет на принимаемые в процессе разработки решения, и в, конечном итоге, на качество проектов, что существенно снижает эффективность применения проектного подхода.
Модель пространства знаний «Разработка ПО»
Организация процесса обучения на основе разработанной модели позволяет использовать для выделения разделов знаний подпространства элементов фронта. Из определения фронта как множества, формируемого из минимальных элементов всех фильтров, следует, что элементами фронта являются всегда несвязанные элементы. Это означает, что по отношению к области освоенности элементы фронта аккумулируют в себе все текущие знания, полученные обучаемым, и являются достаточным основанием для дальнейшего освоения. Любое множество элементов фронта может быть использовано для оценки текущего уровня знаний и навыков обучаемого, т.к. каждый элемент фронта включает освоенное подпространство знаний, сопоставленное этому элементу. Каждый элемент фронта в любой момент времени аккумулирует в себе знания, достаточные для изучения этого элемента. Это означает, что изучение каждого элемента фронта завершает освоение некоторого раздела знаний, определяемого этим разделом.
После освоения любого элемента фронта множество элементов фронта изменяется: освоенный элемент фронта перемещается из фронта в множество освоенных элементов, и на фронт могут добавляться новые элементы (в частном случае фронт просто сокращается за счет удаления из фронта освоенного элемента). Таким образом, после выполнения каждого действия фронт изменяется частично. Полная смена элементов фронта означает, что освоен новый фрагмент знаний. Поэтому в качестве контрольных срезов для оценки текущего уровня знаний и навыков обучаемого можно выбирать непересекающиеся множества элементов фронта.
Определим контрольный срез как множество несвязанных элементов решетки таких что, любой другой элемент решетки принадлежит либо главному идеалу, либо главному фильтру, определяемыми этим элементом, т.е.: ( ), (2.78) где – пространство знаний; – множество элементов контрольного среза пространства знаний ; – элементы пространства знаний . 2.8.4 Алгоритм генерации контрольных срезов
Из определения контрольного среза следует, что всякий элемент решетки принадлежит некоторому срезу. Для каждого подмножества несвязанных элементов решетки можно определить конечное множество контрольных срезов. Введем понятие базы контрольного среза. Пусть: Base = {a,b,…}, (2.79) где Base – подмножество элементов, определяющих набор контрольных срезов; a, b – элементы, удовлетворяющие условию: ( ). (2.80) Любой элемент будет принадлежать контрольному срезу , определяемому множеством (2.79) тогда и только тогда, если он не принадлежит ни главному идеалу, ни главному фильтру всех элементов этого множества.
Выводы к Главе 2В главе 2 разработана модель процесса обучения, представляемого как процесса взаимодействия обучаемого с обучающим курсом. Разработанная модель включает три взаимосвязанных компоненты: модель обучающего курса, модель обучаемого и модель взаимодействия обучаемого с обучающим курсом. Модель отражает свойства целостности и делимости пространства знаний обучающего курса, представляет процесс обучения как процесс освоения пространства знаний и позволяет оценивать степень достижения цели обучения как овладения компетенциями, т.е. знаниями и умениями в их целостности: для моделирования обучающего курса выбрана алгебраическая решетка, позволяющая адекватно отражать целостность и делимость пространства знаний как системно организованной структуры, и построить исчисление процесса освоения этого пространства; - процесс обучения моделируется как освоение обучаемым пространства знаний в результате выполнения действий, сопоставленных элементам пространства в их логической связности, при этом пространство действий обучаемого структурно эквивалентно пространству знаний, что приводит к синтезу целостной системы знаний у обучаемого; - разработаны алгоритмы построения пространства знаний, отвечающего заданной структуре обучающего курса; декомпозиции пространства знаний, что позволяет разрабатывать модульную структуру курса; - представление процесса обучения как процесса освоения знаний позволило интерпретировать процесс обучения как управляемый волновой процесс, в котором достижение цели обучения за счет управления движением волны освоения знаний в пространстве знаний; - оправлены управляемые параметры процесса обучения, введены понятия дифференциальной и интегральной оценкой освоенности обучающего курса и курса и показана их связь с управляемыми параметрами модели; - введены понятия меры освоенности и контрольного среза пространства знаний и разработаны механизмы оценки результатов обучения, позволяющие оценивать текущий и финальный уровень знаний и навыков по выделенным разделам обучающего курса и по всему курсу в целом.
Разработка обучающего контента игр для освоения знаний
Для разработки обучающей игры команда разработчиков должна включать автора курса, гейм-дизайнера, программистов, художника. Процесс разработки обучающей игры на основе 3i-подхода должен включать в себя следующую последовательность действий: разработка идеи игрового мира, объединяющую концепцию игры и область знаний обучающего курса; разработка обучающего контента; дополнение обучающего контента игровыми фрагментами; построение структуры обучающего курса; разработка способов расчета параметров модели процесса обучения: о проверка заданий; о оценка действий; о расчет параметров модели обучаемого. - реализация механизмов проверки заданий и оценки уровня знаний. Интеграция процесса обучения в игру для тренировки навыков. Концепция игровых тренажеров
Для развития и тренировки навыков обучаемый должен на практике применить полученные знания теоретического материала. Тренировка навыков обычно предполагает многократное повторение некоторого набора действий, требуемых для решения той или иной (обычно реальной) задачи. Применительно к обучению тренировка навыков предполагает многократное решение заданий, составляющих практическую часть предметной области.
Практические навыки для разработчиков ПО означают, прежде всего, умение разрабатывать программы, что включает в себя изучение синтаксиса языков программирования, разработку алгоритмов, решение задач на разработку программного кода. Для тренировки таких навыков необходима разработка игровых тренажеров, целью которых является решение задач, и процесс решения интегрирован в игровой процесс.
Анализ различных игровых жанров показал, что для тренировки практических навыков в игровом контексте функционально подходят мини-игры. В таких играх многократно выполняется одно задание, которое усложняется при переходе на следующий уровень. Мини-игры не требуют сложных действий от игрока, а освоение правил не занимает много времени. Кроме того, мини-игры значительно проще в разработке по сравнению с другими играми. Мини игры в большинстве случаях не имеют сюжетной линии (или сюжет не играет важной роли в игровом процессе).
В мини-игре, как правило, на игровом поле присутствуют несколько игровых объектов (статических и динамических). Каждый динамический объект связан определенными отношениями с другими динамическими и статическими объектами (например, один объект может уничтожать другой объект или взаимодействовать с ним). Для выполнения игровых заданий игрок должен управлять поведением динамических объектов, используя различные типы отношений между ними.
Для тренировки навыков программирования задания для игровых тренажеров должны быть связаны с разработкой программного кода, но при этом они должны быть каким-то образом встроены в игровые задания. С формальной точки зрения программный код представляет собой цепочку лексем языка программирования. Если сопоставить игровые объекты мини игры с отдельными лексемами языка, то правила мини игры можно интерпретированы таким образом, чтобы игрок, управляя игровыми объектами, последовательно собирал программный код из лексем. Для разработки игрового тренажера на базе мини игр нужно разработать способ интерпретации правил игры с точки зрения построения программного кода из элементов.
Для тренировки навыков игроков с разным игровым опытом, разной скоростью мышления необходимо предусмотреть различные типы тренажеров. Для опытных игроков могут быть использованы жанры, требующие более быстрой реакции, навыков работы с клавиатурой и мышью. Для менее опытных игроков игровой тренажер должен предъявлять более мягкие требования к игровым навыкам. Наиболее подходящий жанр игр для реализации таких тренажеров – логические игры.
Тренировка любых навыков требует многократного выполнения однотипных действий. Однако использование однотипных тренажеров для тренировки навыков программирования может наскучить игроку. Для сохранения интереса игрока необходимо разработка тренажеров с разной игровой механикой и различным визуальным и звуковым оформлением. Такие тренажеры могут быть реализованы как часть виртуального мира в ролевых играх, или использоваться независимо как самостоятельные игры.
