Software & Systems

Информационно-образовательный портал поддержки самостоятельной работы студентов Московского инженерно-физического института  (МИФИ) – система МИФИСТ – разрабатывался в рамках приоритетного национального проекта «Образование» «Инновационная программа инженерно-физического образования для нового этапа развития ядерной науки и промышленности» (2007–2008 гг.).

Цель реализации инновационной образовательной программы – развитие инженерно-физического образования для подготовки специалистов по критическим технологиям, обладающих фундаментальными знаниями, высокой профессиональной компетентностью и умением превращать знания в инновации [1]. Одним из важных факторов, определяющих переоснащение учебно-методической базы, является расширение информационно-образовательной среды МИФИ на основе включения в нее дополнительных возможностей, связанных с поддержкой самостоятельной работы студентов, а не только за счет расширения ее географических размеров – еще 18 учебных заведений по всей стране.

Концепция, положенная в основу развития портала МИФИСТ, соответствует требованиям компетентностного подхода в обучении. Одним из следствий применения модели компетенций к выпускникам Национального исследовательского ядерного университета МИФИ является увеличение объема самостоятельной работы студентов при условии использования активных форм обучения. Именно активные формы обучения, опирающиеся на использование информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), формируют у выпускников важные компетенции [2]:

·     умение гибко адаптироваться в меняющихся ситуациях, самостоятельно приобретая необходимые знания;

·     навыки критического мышления, способность увидеть возникающие в реальном мире трудности и искать пути их рационального разрешения, используя современные технологии;

·     умение грамотно работать с информацией (собирать необходимые факты, анализировать их, выдвигать гипотезы);

·     коммуникабельность, контактность в различных социальных группах, умение работать сообща в разных областях;

·     способность самостоятельно развивать интеллект, повышать культурный уровень.

В таких условиях меняется и роль преподавателя. Знание, которым он обладает, отчуждается, с помощью информационных технологий приобретает вид электронных образовательных ресурсов (ЭОР) и через телекоммуникации доставляется учащимся. Среди функций преподавателя теперь выделяются не только информационные (подготовка, передача, организация работы с учебной информацией) и консультационные (по работе с материалами, по выполнению тестов и практических заданий), но и коммуникационные (создание малых групп и организация работы в этих группах) и организационные (организация самих занятий и деятельности обучаемых).

Использование ИКТ для организации самостоятельной работы студентов сопровождается тремя инновационными составляющими развития инженерно-физического образования: активно-деятельностные формы обучения, индивидуальные траектории обучения, дистанционная поддержка учебного процесса.

К инновационным активно-деятельностным формам обучения относятся всевозможные интерактивные учебные элементы. Появляется возможность проведения группового обучения, в том числе и проектной формы. Проектная технология обучения составляет основу современного инженерного образования. Эта технология включает в себя совокупность таких приемов и способов обучения, при которых студенты с помощью коллективной или индивидуальной деятельности по отбору, распределению и систематизации материала по определенной теме составляют проект. Особую актуальность проектное обучение приобретает при подготовке выпускников в сфере атомной энергетики и ядерного оружейного комплекса по ядерным специальностям, когда необходимые компетенции начинают вырабатываться при выполнении курсовых проектов в виде научных исследований.

Увеличение объема самостоятельной работы студентов позволяет использовать индивидуальные траектории обучения, то есть осуществлять переход к инновационным технологиям личностно-ориентированного обучения, которые предполагают создание гибкой системы обучения, обеспечивают постоянную диагностику и самодиагностику результатов обучения. В этом случае использование ИКТ позволяет реализовать схему обучения «один ко многим», когда один преподаватель контролирует и направляет обучение каждого студента из десятков и сотен человек, учитывая его индивидуальные возможности и потребности. В этом случае можно говорить о более высоком уровне качества обучения.

Дистанционная поддержка образовательного процесса позволяет вне аудитории выполнять такие виды учебной деятельности, как лабораторный эксперимент, отработка навыков работы на тренажере, текущий контроль знаний с оценкой компетенций и т.д. Дистанционная поддержка дает возможность МИФИ совместно с филиалами через виртуальные лаборатории использовать уникальное оборудование для фундаментальных ядерно-физических исследований, исследований в области физики высоких энергий, наносистем и сверхпроводников и т.д.

Все сказанное подчеркивает особую актуальность создания системы МИФИСТ для внедрения инновационных технологий в область инженерно-физического образования на новом этапе развития ядерной науки и промышленности.

Назначение системы МИФИСТ – организация информационно-образовательного пространства для самостоятельной работы студентов и создание хранилища учебно-методических материалов. Разработка системы сопровождается созданием информационного, программного, методического и организационного обеспечения образовательного портала для последующего постепенного наполнения его информационными ресурсами и учебными элементами. Разработанная система обеспечивает автоматизированное выполнение функций публикации информационных и учебных материалов преподавателями, доставки учебных материалов учащимся, сбора и оценки выполненных студентами разного вида самостоятельных работ.

Для входа в систему каждому пользователю назначены логин и пароль. Доступ к одним функциям системы возможен только из корпоративной сети МИФИ, к другим – из любого места и в любое время.

Работа пользователей в системе МИФИСТ контролируется подсистемой мониторинга, которая представляет информацию о событиях в виде пользовательских логов. Логи показывают, когда и какой именно пользователь совершал действия в системе, сколько времени он затратил на выполнение тех или иных учебных заданий и тестов, на чтение информационных ресурсов и т.д. На основе анализа логов происходит мониторинг деятельности пользователей системы.

Система МИФИСТ имеет трехуровневую архитектуру и состоит из следующих подсистем (рис. 1): «Учебное управление», «Факультет» (на каждый факультет МИФИ по одной), «Кафедра» (на каждую кафедру МИФИ по одной), «Портфолио студента» (для каждого студента), «Личный кабинет преподавателя» (для каждого преподавателя), «Хранилище учебных материалов».

Основным назначением подсистемы «Учебное управление» являются сбор, обработка и организация доступа к информации на уровне института о самостоятельной работе студентов; создание статистических отчетов по каждому факультету, кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине МИФИ; доступ к оперативной информации по каждому факультету, кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине МИФИ; предоставление другим подсистемам информации о семестровых учебных планах, списки кафедр, факультетов, студентов и преподавателей, результаты сессий в формате MS Excel.

Подсистема «Факультет» осуществляет сбор и обработку статистической информации по отдельному факультету, кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине; создание статистических отчетов; доступ к оперативной информации; предоставление другим подсистемам соответствующей информации.

Подсистема «Кафедра» несет основную нагрузку по организации самостоятельной работы студентов, сбору, обработке и доступу к информации на уровне каждой кафедры. Подсистема выполняет следующие функции: публикация информационных и учебных материалов, а также контролирующих учебных элементов; доступ к учебным материалам; доставка учебных материалов учащимся; оценка результатов самостоятельной работы студентов и вычисление рейтинга; сбор и обработка статистической информации по отдельной кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине факультета; создание статистических отчетов по кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине факультета; доступ к оперативной информации по кафедре, учебной группе, студенту, преподавателю, учебной дисциплине факультета; предоставление другим подсистемам информации (списки кафедр, факультетов, студентов и преподавателей, результаты сессий в формате MS Excel).

Подсистема «Кафедра» реализована на базе системы, разработанной по Программе сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской Федерации по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» как прототип корпоративного ядерного университета [3].

Электронные учебные элементы (создаваемые, модифицируемые и удаляемые) составляют основное учебно-методическое обеспечение системы МИФИСТ. Высокая трудоемкость создания таких элементов может частично компенсироваться их наглядностью, многократной используемостью и возможностью тиражировать в разных формах подготовленные материалы.

Учебные элементы в подсистеме «Кафедра» могут быть трех типов: информационные, коммуникационные и контролирующие. Учебные информационные элементы – это глоссарий и ресурс. Коммуникационные элементы предназначены для общения преподаватель–студент: форум, чат, электронная почта. Контролирующими элементами, несущими основную нагрузку при организации самостоятельной работы студентов, могут быть тест, опрос, урок, задание, рабочая тетрадь, Wiki-файл, SCORM-пакет.

Ресурсом может являться любой загруженный файл или веб-страница, например, аудио- и видеофайл, текстовый документ, флэш-анимация. Коммуникационные элементы создают эффект наличия единой коммуникационной среды общения, позволяют своевременно информировать студентов о правилах изучения материала, о планируемых изменениях и контрольных мероприятиях, а также дают возможность слушателям влиять на процесс обучения, общаться между собой и знакомиться с мнением других.

Форумы и чаты могут использоваться для проведения консультаций и дискуссий. Эти элементы используются и при проведении проектного обучения, которое в настоящее время считается наиболее ориентированным на практику. В этом случае студенты формируют малые группы по 3–5 человек и разрабатывают групповой проект. Форум позволяет отследить и оценить вклад каждого студента в итоговый результат.

Контролирующие элементы системы могут быть как с автоматической оценкой результата (тесты, экспресс-опросы, уроки и SCORM-пакеты), так и с открытыми ответами, требующими проверки непосредственно преподавателем. При использовании любых контролирующих элементов результаты оценки для каждого студента автоматически заносятся в общую ведомость.

Учебный элемент «Тест» предназначен для разработки тестов с использованием вопросов различных типов: вопросы с закрытой формой ответа, ответы типа «Да/Нет», короткий открытый ответ, числовой открытый ответ, вопрос на определение соответствия, случайный вопрос и др. Одни и те же вопросы можно повторно использовать в разных курсах.

Элемент «Урок» предназначен для пошагового изучения учебного материала. В этом случае необходимо сформировать дидактические единицы и создать контрольные вопросы на усвоение материала. Преподаватель настраивает траектории прохождения материала таким образом, чтобы по результатам контроля перевести студента на следующий уровень изучения материала или вернуть к предыдущему. Можно использовать адаптивные и стратификационные формы тестирования и обучения.

Использование элементов «Задание» и «Рабочая тетрадь» требует от преподавателя не только доступных для студентов критериев оценки результатов, но и однозначности и понятности алгоритма оценивания. Если студентам заранее известно, каким образом будет оцениваться их задание и какую роль оно сыграет в процессе освоения учебной дисциплины, то и качество выполнения работы значительно выше. Особенностью элемента «Задание» является то, что его выполнение означает создание и загрузку на сервер файла любого формата (реферат, отчет по лабораторному журналу, текст программы на каком-либо языке программирования и т.д.).

Wiki-файл представляет собой среду для создания групповых проектов, в которой отслеживается траектория каждого пользователя и может быть оценен его вклад в формирование итогового отчета.

С помощью SCORM-пакетов создаются тренажеры и эмуляторы программных сред. SCORM-пакет представляет собой связку нескольких пакетов, содержащих контент веб-страниц, упакованную по стандартам SCORM, которая позволяет распознать объекты. В эти пакеты могут входить графика, Javascript-программы, флеш-презента­ции и все, что работает в веб-браузерах. Основное назначение SCORM-пакета – создать интерактивный модуль для выполнения практического или лабораторного задания. Результаты выполнения заданий в этих средах также передаются в итоговую ведомость по учебной дисциплине.

Система МИФИСТ поддерживает стандарт SCORM 2004.

Определение рейтинга студентов является важнейшей функцией подсистемы «Кафедра» и осуществляется на основе методов кластерного анализа. Рейтинг студента представляет собой сложный показатель и раскладывается на автономные части R1 и R2, учитывающие результаты учебной сессии и самостоятельную работу студентов соответственно. Показатель самостоятельной работы студентов R2 учитывает результаты студента, полученные через автоматические формы контроля знаний (R22), и оценки за проделанные рабочие тетради, задания, форумы, Wiki-файлы (R21). В обоих случаях рассчитывается значимость учебных элементов для учебной дисциплины.

Далее выборка всех студентов разделяется на четыре кластера с помощью метода карманной кластеризации [4]. Полученные кластеры интерпретируются с точки зрения результативности выполнения учебных элементов, и показатель R2 принимает одно из значений – «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно». Полученный результат добавляется к оценке R1, поставленной в сессию. В случае, когда соответствующая дисциплина недостаточно наполнена конкретными учебными элементами, R2=R1-1.

Подсистема «Личный кабинет преподавателя» осуществляет сбор, обработку и организацию доступа к информации о дисциплинах текущего семестра, которые проводит конкретный преподаватель. Подсистема предоставляет доступ к оперативной информации по учебным дисциплинам текущего семестра для ведения занятий отдельным преподавателем, сбор и обработку статистической информации по результатам выполнения текущих самостоятельных заданий студентами, информацию о текущих результатах студентов другим подсистемам (в формате MS Excel).

Подсистема «Портфолио студента» предназначена для сбора, обработки и организации доступа к информации о самостоятельных заданиях в рамках дисциплин текущего семестра, которые должен выполнить студент. Подсистема предоставляет доступ к оперативной информации по учебным дисциплинам текущего семестра для отдельного студента, сбор и обработку статистической информации по результатам выполнения текущих самостоятельных заданий, другим подсистемам информацию о текущих результатах студента (в формате MS Excel).

Назначение подсистемы «Хранилище» –импорт, хранение и экспорт архивированных учебных материалов. Подсистема обеспечивает импорт из подсистемы «Кафедра» архивированных учебных материалов после окончания учебного семестра (дважды в год), каталогизацию учебных материалов, доступ к каталогизированным материалам, экспорт в подсистему «Кафедра» архивированных материалов.

Разграничение доступа к ресурсам в соответствии с назначенной ролью обеспечивает система безопасности. Роли пользователей, которые выполняются в системе, следующие: «Наблюдатель», «Редактор», «Администратор контента» (информационный администратор), «Администратор», «Студент», «Преподаватель».

Роль «Наблюдатель» присутствует во всех подсистемах на всех трех уровнях иерархии системы МИФИСТ. Она предназначена для мониторинга и контроля соответствующих процессов. Функции, которые выполняет «Наблюдатель», заключаются в формировании всевозможных статистических отчетов и выводе их на печать.

Роль «Редактор» присутствует только в подсистемах «Учебное управление» и «Факультет». Она предназначена для ввода или коррекции данных по факультетам, кафедрам, дисциплинам, преподавателям, студентам.

Роль «Информационный администратор» присутствует только в подсистеме «Кафедра», необходима для наполнения соответствующими информационными и учебными материалами кафедральных рубрик.

Роль «Студент» присутствует в двух под- системах: «Кафедра» и «Портфолио студента», ее основным назначением является обучение. Процесс обучения заключается в просмотре информационных и учебных материалов, а также в выполнении тестов, заданий, опросов, рабочих тетрадей и т.д. Помимо этого, возможны создание и отправка сообщений на форум, чат или по электронной почте.

Роль «Преподаватель» создана для трех подсистем: «Хранилище», «Кафедра» и «Личный кабинет преподавателя» и предназначена как для проведения занятий, так и для создания учебных элементов. Кроме этого, из подсистемы «Хранилище» «Преподаватель» может осуществлять восстановление данных в подсистему «Кафедра».

На роль «Администратор» возлагаются функции по управлению пользователями, кафедрами, факультетами, курсами, привязке заданий к учебному плану студента, формированию учебной нагрузки преподавателя, архивированию и восстановлению данных. Эта роль существует во всех подсистемах.

В основу проекта системы МИФИСТ заложены следующие характеристики: масштабируемость, производительность, надежность, открытость, переносимость, совместимость по данным с существующими БД МИФИ, безопасность.

Масштабируемость системы на первом этапе рассчитана на 14 000 пользователей. Система функционирует на базе локальной сети МИФИ и обеспечивает не менее 1 000 одновременных подключений. В дальнейшем, при подключении дополнительных серверов, нагрузка системы может возрасти до 30 000 пользователей.

Открытость системы МИФИСТ означает, что проектирование ее проведено по модульному принципу, который позволяет расширять и модифицировать функционал подсистем.

Конфигурация жестких дисков системы МИФИСТ позволяет создать массивы RAID-5 для увеличения быстродействия без потери защищенности от технических неисправностей в ходе выхода из строя одного из жестких дисков в каждом RAID-массиве. Система резервирования данных позволяет быстро восстановить системные файлы и файлы данных с оптического накопителя.

Переносимость программного обеспечения означает, что в качестве серверной платформы может использоваться как Windows 2003 Server c соответствующим IIS, так и свободно распространяемый программный код OC FreeBSD с Apache + PHP Mod.

Использование в качестве ядра системы МИФИСТ свободно распространяемого программного кода (e107, LMS Moodle) позволяет обеспечить лицензионную чистоту разработки.

Совместимость по данным с существующими БД, в первую очередь системы «АСУ-Деканат», обеспечивается через формат Excel-файлов.

В отношении безопасности информации система МИФИСТ обеспечивает:

·     идентификацию, проверку подлинности и контроль доступа пользователей в систему;

·     регистрацию входа и выхода пользователей из системы;

·     разграничение доступа к различным функциям и данным.

Средства, поддерживающие информационную безопасность, используются на трех уровнях защиты: серверной операционной системы, приложения в виде Интернет-сервера и самой системы МИФИСТ. Такая комплексная защита обеспечивает целостность, конфиденциальность и доступность информации, а также безопасность использования. В качестве организационных мер защиты предусмотрено отдельное помещение с ограниченным доступом.

Внедрение в учебный процесс системы МИФИСТ (за 2007–2008 гг.) привело к созданию большого объема учебно-методического наполнения общеобразовательных и специальных дисциплин по ряду инженерных специальностей, в том числе и связанных с ядерными технологиями. Появился инструментарий для разработки и внедрения инновационных образовательных технологий, в первую очередь, в процесс самостоятельной работы студентов. Эти инновации связаны с активными формами и личностно-ориентированным обучением. Расширилось общение между преподавателями и студентами, активнее стал происходить обмен опытом между самими преподавателями. Появилась возможность определить степень активности каждого преподавателя в области инноваций.

Определение рейтинга студента в соответствии с результатами самостоятельной работы студентов повысило объективность оценки знаний. Использование функций системы МИФИСТ в области мониторинга позволило контролировать процесс подготовки учебно-методических материалов по разным учебным дисциплинам, определять степень их востребованности.

Литература

1.   Инновационная программа инженерно-физического образования для нового этапа развития ядерной науки и промышленности. МИФИ, 2007. URL: www.mephi.ru (дата обращения: 19.01.2009).

2.   Гусева А.И. Системный компетентностный подход к использованию ИКТ в учебном процессе // Науч. сес. МИФИ-2007: сб. науч. тр. М.: МИФИ. 2007. Т. 2. С 92–93.

3.   Корпоративный ядерный университет: предпосылки, концепция, структура / А.И. Гусева, В.В. Харитонов, Б.М. Кербель и др. Северск: СГТИ, 2004. 138 с.

4.   Киреев В.С., Синицын С.В. Двухэтапный алгоритм кластеризации данных // Науч. сес. МИФИ-2006: сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2006. Т. 2. С. 14–15.