Введение к работе
Актуальность проблемы.
Современный компьютер отличается большими возможностями как информирующая машина и очень слабо приспособлен к решению задач из области контроля знаний, особенно на основе естественных ответов, вследствие чего усилия разработчиков систем автоматизированного обучения направлены, в основном, на информирование обучающихся. Но совершенствование только одной составляющей учебного процесса - системы предъявления информации -не приводит к повышению качества обучения, так как главным препятствием на этом пути всегда была проблема усвоения информации. Поэтому для повышения образовательного уровня необходимо развивать и вторую составляющую -контроль усвоения знаний, до предела стремясь использовать возможности компьютера, ограниченные рамками формализации.
Контроль (а также самоконтроль) на основе естественных ответов - это наиболее актуальная проблема во всей нашей образовательной системе. Особенно её актуальность проявляется в задаче интеграции компьютерных и традиционных учебников. Решение этой задачи по аналогии с современными электронными учебниками, основанными на антропоморфном принципе (когда в компьютерной памяти хранятся не только вопросы, но и эталонные ответы к вопросам), в высшей степени проблематично, так как связано с необходимостью хранить в памяти компьютера эталонные ответы.
Если же выйти за рамки антропоморфизма, т.е. удалить из компьютерной памяти все массивы эталонных ответов, а контроль осуществлять по принципу работы дескрипторных информационно-поисковых систем (ИПС), то задача интеграции компьютерных и традиционных учебников вполне разрешима. На этом принципе построена информационно-дидактическая система «Символ». Особенность её в том, что каждому учебному заданию ставится в соответствие некоторый код, содержащий критерий оценки ответов (аналог запроса в ИПС), благодаря чему отпадает необходимость хранения в компьютерной памяти эталонов. Во время самоконтроля обучающийся действует в прямой последовательности, т.е. сначала вводит в компьютер код задания (КЗ), а затем набирает ответ. Эта последовательность признаётся правильной (аналог выдачи в ИПС), если ответ соответствует критерию, заложенному в КЗ.
Такая организация контроля обеспечивает гораздо большие контролирующие возможности по сравнению с антропоморфным принципом, но возможен вопрос: так как коды заданий студенту известны, а алгоритмы кодирования засекретить невозможно, то где гарантии того, что студент решил задачу, а не декодировал КЗ, или её не решал, а ответ подобрал путём проб и ошибок? Это главная проблема неантропоморфного подхода. В системе «Символ» она решена введением информационного шума. Суть его в том, что при декодировании получается неограниченной длины список ответов, являющихся для соответствующего КЗ правильными (аналог выданных документов в ИПС). Но действительно правильным из них является только один ответ, а все остальные образуют информационный шум (аналог выдачи непертинентных документов в ИПС,
т. е. не отвечающих информационной потребности абонента). Этим обеспечивается достаточно надёжная защита от нахождения правильных ответов путём декодирования, но только при самоконтроле. А во всех случаях внешнего контроля защита должна быть усиленной.
Второй момент, также связанный с неантропоморфным подходом, относится к повторам кодов заданий. Если из двух задач с одинаковыми КЗ решить одну, то решать другую нет необходимости, так как при одинаковых КЗ и ответы должны быть одинаковыми. В связи с этим при кодировании необходимо стремиться к разнообразию КЗ. В ИДС «Символ» разнообразие кодов достигается введением произвольно выбираемых (балластных) знаков. В принципе, таким способом можно обеспечить неповторяемость кодов независимо от числа одинаковых ответов, однако при этом коды удлиняются, вследствие чего при самоконтроле возрастает число ошибок ввода, что может привести к дискредитации компьютерного контроля вообще.
Таким образом, задача совершенствования системы «Символ» сводится к разработке кодирующих алгоритмов, обеспечивающих усиление защиты эталонов и снижение информационного шума во всех его проявлениях. Её решение позволит существенно развить вторую составляющую автоматизированного обучения - контроль знаний, и тем самым повысить эффективность обучения не только на основе традиционных учебников, но и электронных. В этом состоит актуальность задачи кодирования в рамках неантропоморфного подхода, развиваемого в диссертации, так как является составной частью проблемы компьютерного обучения, относящейся к наиболее важным проблемам современности.
Цель исследований: изучение теоретических и прикладных возможностей неантропоморфного подхода, основанного на идеях построения дескрипторных информационно-поисковых систем.
Задача исследований. В настоящее время контролирующие алгоритмы системы «Символ» реализованы в двух вариантах: компьютерном и в виде специализированного устройства «Символ-Тест» (серийно выпускаемых ООО «Феррум» г. Томска). Они рассчитаны только на прямое кодирование. Задача исследований состоит в разработке новых кодирующих алгоритмов, обеспечивающих возможность размещения в правильной последовательности кода задания, балласта и знаков ответа в любом порядке (рассредоточенное кодирование), но при условии, что независимо от системы кодирования дидактических материалов самоконтроль должен обеспечиваться алгоритмами, реализованными при помощи компьютера и устройств «Символ-Тест», на основе которых в настоящее время работает ИДС «Символ».
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в данной работе использованы понятия теории документальных информационно-поисковых систем дескрипторного типа, и применялись такие разделы дискретной математики, как теория множеств, алгебра логики (прикладная булева алгебра), комбинаторика, алгебра Жегалкина, теория логических схем. Для программной реализации разработанных алгоритмов использовался язык программирования Delphi 2010 Architect.
Научная новизна работы заключается в том, что:
-
в рамках неантропоморфной организации контроля впервые поставлена и решена задача рассредоточенного кодирования. Разработаны новые алгоритмы кодирования учебных задач, отличающиеся повышенной защитой против несанкционированного доступа к эталонным ответам. Алгоритмы представлены в виде компьютерных программ и специализированных устройств как элементов систем автоматизированного обучения;
-
впервые предложен способ неоднократного кодирования заданий, благодаря которому стало возможным управление информационным шумом (снижать его или увеличивать).
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
все предложенные алгоритмы кодирования ответов являются инвариантными относительно любых учебных предметов, таких как математика, физика, русский язык, химия, география, иностранные языки и др. Эти алгоритмы не зависят от семантики кодируемых дидактических материалов и могут быть реализованы программно при помощи компьютера, а также в виде специализированных устройств;
-
новые кодирующие алгоритмы дают большое разнообразие способов формирования КЗ для одних и тех же ответов. Это обеспечивает возможность кодирования задач из сборников любого объёма с применением достаточно коротких КЗ без их повтора, благодаря чему значительно повышается устойчивость защиты от несанкционированного доступа к закодированным эталонным ответам;
-
за счет двойного кодирования и применения паролей обеспечивается управление информационным шумом в большом диапазоне. Благодаря этому возможен как самоконтроль (с применением коротких кодов заданий и с допустимым шумом), так и внешний контроль (когда информационный шум недопустим);
-
все предложенные варианты кодирования не требуют разработки новых контролирующих алгоритмов. Контроль возможен с применением ранее созданных устройств «Символ-Тест» и их компьютерных аналогов, рассчитанных только на прямое кодирование;
-
все виды рассредоточенного кодирования обеспечивают простоту решения задачи интеграции электронных и традиционных, т.е. полиграфически выпускаемых учебников, компьютерная составляющая которых состоит в возможности автоматизации контроля.
Внедрение и реализация в промышленности:
-
программа автоматизированного кодирования заданий внедрена на кафедре высшей математики ТУСУРа (два варианта) и в гимназии № 7 г. Томска (подтверждено соответствующими актами внедрения);
-
кодирующие алгоритмы включены в алгоритмический фонд системы «Символ», они переданы ООО «Феррум» для их реализации в устройствах сбора данных (УСБ) (подтверждено актом внедрения);
-
новые способы кодирования использованы на кафедре высшей математики ТУСУРа при подготовке сборника задач по дискретной математике для
студентов высших учебных заведений (авторы Ю.П. Шевелев, Л.А. Писаренко, М.Ю. Шевелев), по договору № 11/11 ф/м от 20.03.2011 с издательством «Лань» (г. Санкт-Петербург). Новыми алгоритмами закодировано 7450 задач.
Достоверность полученных результатов подтверждается строгими математическими выводами и экспериментальными данными, полученными при внедрении и практическом использовании кодирующих программ. Наиболее важные теоретические положения представлены в виде теорем.
Апробация работы.
Все вопросы, относящиеся к теме диссертации, обсуждались: на семи конференциях различного уровня - от региональных до международных; на научно-методическом семинаре кафедры высшей математики ТУСУРа 16 мая 2011 г.; на научном семинаре кафедры высшей математики Томского политехнического университета (ТПУ) 23 декабря 2011 г.
Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, приведённых в конце реферата. Из них 3 - в электронном виде. Одна статья - в рецензируемом журнале из Перечня ВАК. Из 16 публикаций 8 - без соавторов.
Личный вклад. Все результаты исследований, представленные в восьми публикациях без соавторов, получены автором лично. В основном, это вопросы, относящиеся к рассредоточенному кодированию, его математическому обоснованию и программной реализации. Такие аспекты, как постановка задачи, сфера применения разработок и их внедрения в учебных заведениях, обсуждались с научным руководителем и другими разработчиками системы «Символ». Результаты совместной работы опубликованы в соответствующем соавторстве.
К защите представляются:
-
алгоритмы обратного кодирования ответов по рассредоточенному принципу и их программное представление при помощи компьютера и специализированных устройств;
-
управление информационным шумом на основе неоднократного кодирования индивидуальных заданий.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложена на 150 страницах текста (литература и приложения в это число не входят), набранного в редакторе Microsoft Word 2007 (шрифт - Times New Roman, размер шрифта - 14 pt, междустрочный интервал - 1,5 строки), иллюстрирована рисунками и таблицами. В библиографическом списке приведено 156 литературных источников. В приложениях представлены дополнительные материалы по теме диссертации.
