Software & Systems

Одной из важнейших проблем моделирования учебного процесса является проблема моделирования электронного процесса обучения, предполагающая создание ИОС.

Цель использования обучающих систем – повышение эффективности учебного процесса, которая достигается сокращением времени обучения при одновременном повышении уровня знаний, адаптивным управлением процессом обучения, освобождением преподавателя от ряда трудоемких операций и предоставлением преподавателю возможности заниматься творчеством.

В большинстве случаев обучающие системы создаются преподавателями-предметниками или инженерами-программистами, далекими от области электронного обучения. Поэтому большая часть существующих систем характеризуется фиксированными структурой и содержанием, что затрудняет процесс модификации. Кроме того, эти системы не адаптированы к студенту и обучающему процессу, то есть не являются интерактивными.

Под интерактивными системами мы будем понимать обучающие системы, способные активно взаимодействовать с обучаемым и преподавателем.

Анализ литературных источников показывает, что нет единого подхода к созданию обучающих систем. В этой области наиболее известны работы российских ученых [1–5 и др.].

В данной статье предлагается компонентный подход к моделированию ИОС, который позволит любому преподавателю при минимальных усилиях создать ИОС и тем самым повысить эффективность учебного процесса.

Компонентный подход в моделировании ИОС

Идея компонентного подхода заключается в следующем: предполагается наличие набора компонент, работая с которыми, преподаватель может создавать ИОС, адаптирующуюся и самонастраивающуюся под возможности и желания преподавателя, способности студента. Под компонентом понимаются модуль, пакет или подсистема, выполняющие определенные функции. Работа преподавателя сводится к выбору, созданию новых компонент или их модификации.

В статье предлагается функциональная модель ИОС, позволяющая с помощью процедур p1, p2, p3, p4 на основе исходных компонент сформировать систему для обучения.

На основе традиционных процессов обучения авторами разработана модель ИОС (1), которая, используя исходные компоненты и допустимые процессы, позволяет сформировать систему.

Формально ИОС можно представить:

MOS=,                                         (1)

где MOS – ИОС; K={ki} – множество компонент ki системы; P={pi} – набор процедур для формирования компонент; X={xi} – множество параметров, определяющих ИОС, где ,  – входные параметры компоненты k i; Ω – оценка полученного знания.

В данной модели предлагаются компоненты: k1 – исследования, k2 – принятия решения, k3 – формирования контента, k4 – интерактивности, k5 – обучения, k6  – оценивания, k7 – контроля, k8 – теоретического материала, k9 – сценариев обучения, k10 – тестовых материалов, а также процедуры: p1 – выбора компонент концептуальной модели, p2 – модификации компонент (возможность изменения структуры компонент, наполнения ее в содержательном аспекте), p3 – модернизации ИОС (удаление или создание новых компонент), p4 – интегрирования компонент (возможность настройки на конкретную предметную область). Данные процедуры позволяют индивидуализировать обучающие системы под конкретные требования преподавателя и оптимальным образом организовать процесс обучения.

Модель взаимодействия всех компонент показана на рисунке 1. Активными объектами являются компоненты k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7, пассивными – k8, k9, k10.

Основной компонентой предложенной модели является компонента обучения k5. Процесс обучения непосредственно связан с обучаемым, личностные характеристики которого определяются компонентой исследования k1. Основная функция k1 – определение индивидуальных параметров обучаемого. В дальнейшем эти параметры будут использоваться при построении образа обучаемого. Существует широкий спектр методик, тестов для диагностирования личностных особенностей человека, которые позволяют получать развернутое психологическое заключение. Процессы диагностики длительны по времени и приводят к быстрой утомляемости обучаемого. Предлагается автоматизировать компоненту k1, используя менее трудоемкие методики, определяющие психологические и педагогические параметры обучаемого.

На основе выходных параметров компоненты k1 формируется образ обучаемого, который определяет сценарий обучения и тестирования. Компонента k2 идентифицирует образ обучаемого с классами, заложенными в систему (способный, трудолюбивый и т.п.). Компонента k2 прогнозирует дальнейшее обучение каждого класса.

Обучение невозможно без соответствующего учебного материала, который формируется в компоненте k3. Данная компонента настраивает систему в зависимости от способностей обучаемого, требований, стремлений и других параметров, определенных компонентой k1.

Для обеспечения интерактивного обучения необходим контроль процессов обучения и тестирования. Компонента k7 фиксирует состояние системы, параметры обучаемого и в зависимости от полученных значений вырабатывает управляющие воздействия. Управляющие воздействия через компоненту интерактивности оказывают влияние на процесс обучения, тестирования и оценивания. Преподаватель и обучаемый взаимодействуют через компоненту интерактивности, которая является связующим звеном, фиксирующим информацию как от преподавателя, так и от обучаемого.

Компонента k5 позволяет проводить обучение по различным сценариям, построенным на основе моделей обучаемого, преподавателя и модели знаний. В компоненту k6 заложены обобщенные методы оценивания знаний путем тестирования. Поэтому данная компонента включает сценарии тестирования, технологии формирования тестовых заданий (ТЗ), оценивания их качества (пригодность, вес, трудность и т.д.), методы оценивания знаний обучаемого.

На выходе системы по результатам обучения формируются возможные решения, одно из которых выбирает преподаватель (продолжить обучение по тому же учебному материалу, сформировать новый материал, продолжить или повторить оценивание знаний, признать полученную оценку знаний). Действия преподавателя сводятся к выбору одного из предложенных решений.

Моделирование компонент ИОС

Задача разработки модели ИОС сводится к моделированию компонент. 

Модель компоненты исследования представ­лена следующим соотношением:

,                                                       (2)

где X – исходные данные обучаемого, которые являются входными параметрами компоненты k1; S – набор процедур (методик) для исследования обучаемого; H – множество значений параметров индивидуальных характеристик обучаемого, полученных в результате исследования, то есть H – выходные параметры компоненты k1.

По завершениии исследования компонента k2 позволяет распознать образ обучаемого, то есть отнести его к заранее заданным классам. Модель компоненты принятия решения имеет вид

,                                                      (3)

где H – выходные параметры компоненты k1; – множество решающих правил для идентификации обучаемых;  – множество классов (образов) обучаемых.

Процесс обучения невозможен без учебного материала. Компонента k3 подготавливает материал для обучения на основе сценария обучения и образа обучаемого. Основная функция данной компоненты – оснащение ИОС различными сценариями обучения и наполнение учебным материалом. Модель компоненты формирования контента представлена выражением:

,                                               (4)

где ψi – класс обучаемого, ;  – i-й сценарий обучения; Θ – контент ИОС, который формируется на основе учебного материала. Процесс отображения f1:{G´D´S}®Θ выполняется над множествами G, D, Σ, G={gi}, где gi – уровень представления учебного материала, предназначенный для обучаемых ψi класса;  – внешние источники учебного материала; , δi – i-е решение преподавателя; δiÎΔ, где Δ – множество решений преподавателя.

Содержимое компоненты k3 можно представить в виде иерархической структуры (рис. 2), в которой каждый из вышележащих уровней иерархии взаимосвязан с низлежащими уровнями. На верхнем уровне иерархии расположены темы учебного курса. Каждой теме соответствуют всевозможные способы представления учебного материала (уровни учебного материала для ψi класса обучаемых). Учебный материал каждой темы получается в результате отображения , где T – тема учебного курса, . Каждая тема включает множество разделов (подразделов) Q, , где qi – i-й раздел (подраздел)  темы gj-го уровня представления учебного материала.

Компонента обучения k5 основная, она взаимодействует практически со всеми компонентами. Поэтому прежде чем ее формализовать, необходимо остановиться на компонентах k7 и k4.

Во время обучения компонента контроля наблюдает за обучаемым, накапливает информацию о ходе учебного процесса, выявляет отклонения и передает информацию компоненте интерактивности. Компонента интерактивности корректирует, адаптирует учебный процесс под обучаемого путем управляющих воздействий.

Компонента контроля отслеживает процесс обучения. Модель компоненты контроля можно представить в виде

,                                                            (5)

где F – выходной параметр компоненты k5; Z={zi} – состояния обучаемого при работе с i-й темой: zi=(wi, ri, ui, pi), где wi – признак изучения темы ti, wi={0, 1}; ri – признак прохождения аттестации по теме ti, ri={0, 1}; ui – количество итераций аттестации, на которые накладываются ограничения; pi – признак перехода на уровень gi.

Компонента обучения определяется соотношением: ,                                 (6)

где Θ, Σ, N – выходные параметры компонент k3, k9, k4 соответственно; F={fi} – множество знаний, получаемых в процессе обучения, , где A1 – множество знаний, получаемых в процессе восприятия, А2 – множество знаний, получаемых в процессе усвоения (осмысления), А3 – множество знаний, получаемых в результате творческой деятельности;  – параметр, описывающий тактику дальнейших действий преподавателя, .

Новое знание получается путем изменения одного вида знаний в другой под воздействием процессов сопоставления, усвоения, узнавания, анализа и т.п. Знания множества А1, полученные в процессе восприятия, закрепляются и преобразовываются во множество знаний А2, а затем знания множеств А1 и А2 – в знания множества А3.

Модель компоненты интерактивности позволяет адаптировать обучающий процесс под действия обучаемого и преподавателя:

,                                                     (7)

где zi, ψi – выходные параметры компонент k7 и k2 соответственно; Ω – результат оценивания знаний, Ω=(ω1, ω2), где ω1 – традиционная оценка, ω2 – балльно-рейтинговая оценка.

В основу модели компоненты k6 заложены модели оценивания знаний и качества ТЗ. Модель компоненты оценивания можно представить следующим образом:

,                                                 (8)

где О – множество тестовых материалов; Ω – результат оценивания знаний;  – реше-

ния преподавателя: δ1 – возврат на обучение (k5), δ2 – формирование нового контента (возврат на k3), δ3 – повторное оценивание (возврат на k6), δ4 –подтверждение оценки знаний; R – оценка тестового материала, которая получается путем отображения  множества тестовых материалов О с использованием показателей качества ТЗ V, .

Модель компоненты k6 разработана на основе модели оценивания качества ТЗ и модели оценивания знаний.

В заключение следует отметить, что предложенный компонентный подход, используемый при моделировании ИОС, позволяет:

−    создавать совершенные ИОС;

−    адаптировать электронный обучающий процесс под обучаемого;

−    модернизировать ИОС путем изменения структуры и формы компонент;

−    сокращать время на разработку системы за счет уже имеющихся разработанных компонент;

−    корректировать обучающие системы путем изменения компонент по содержанию;

−    повышать качество обучения.

В планах авторов работа над формализацией компонент исследования индивидуальных характеристик обучаемого, принятия решения, компоненты обучения и интерактивности.

Литература

1.   Атанов Г.А., Пустынникова И.Н. Обучение и искусственный интеллект, или Основы современной дидактики высшей школы. Донецк: Изд-во ДОУ, 2002. 504 с.

2.   Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М.: Издат. дом «Филинъ», 2003. 616 с.

3.   Брусиловский П., Сосновский С., Юделсон М. Притягательные ссылки: мотивационный эффект адаптивного аннотирования в обучающей гипермедиа: Электронный журн. 3(4) 2000, URL: http://ifets.ieee.org (дата обращения: 17.12.08).

4.   Галеев И.Х., Сосновский С.А., Чепегин В.И. Серия МОНАП: модели, методы, подходы / Тр. Междунар. конф. Казань: КГТУ, 2002.

5.   Соловов А.В., Меньшикова А.А. Дискретные математические модели в исследовании процессов автоматизированного обучения: Электронный журн. 4(2) 2001, URL: http://ifets.ieee.org (дата обращения: 17.12.08).