Software & Systems

Компьютерные технологии в настоящее время внедряются практически во все сферы человеческой деятельности. Если ранее применение компьютеров было возможно только в строго формализованных сферах, то сейчас в связи с быстрым ростом производительности компьютеров и повышением их “интеллекта” становится возможным использование компьютерных технологий в слабо формализованных областях. Одной из таких областей является развитие творческих способностей. В этой сфере созрела возможность создания новой образовательной технологии для одаренной молодежи, которая позволила бы использовать компьютер не только в качестве инструмента преподавания, но и как средства наблюдения, прогнозирования и составления индивидуальных планов обучения. Содержание образовательной технологии развития одаренности

В описываемой технологии можно выделить четыре взаимосвязанных между собой блока: измерения и тестирования, компьютерного мониторинга, моделирования, организации и управления (рис. 1).

Рис. 1. Составные части образовательной технологии развития одаренной молодежи

Отличительной особенностью технологии является использование предложенной С.А. Пиявским [1, 2] математической модели, позволяющей описать творческое развитие личности исследователя в области науки и техники (блок моделирования). В этой модели способность личности к творческому труду характеризуется квалификациями Xij для разных элементов (уровней j и функций i) исследовательской деятельности. Уровней исследовательской деятельности четыре: фрагменты, задачи, проблемы и направления; функций – девять: поиск тематики, постановка задачи, формирование идеи плана решения, выбор и освоение обеспечения, реализация отдельных элементов плана решения задачи, синтез результатов, оформление результатов, защита, критика. Практическое измерение квалификации по отдельным элементам научно-технической деятельности (НТД) может быть организовано, например, в рамках измерения категории опыт по [3] (объем, научность, мастерство, осознанность). Тогда содержание этого понятия в модели соотносится с его реальным содержанием по той же схеме, которая предлагается в [4] при оценке педагогической целесообразности учебных компьютерных технологий.

Рис. 2. Взаимодействие пользователей с программным обеспечением моделирования развития одаренной молодежи

В начале творческого пути квалификации человека малы. Их рост связан с двумя параметрами – мотивациями Mij и с величинами внешней помощи Vij – с помощью системы дифференциальных уравнений. Мотивации Mij представляют собой время, которое в текущий период развития человек уделяет каждому элементу НТД. Vij – это величина внешней помощи на элементе (i, j). Значения Xij в последующие периоды развития в модели итеративно по времени вычисляются в зависимости от текущих значений мотиваций Mij и величин внешней помощи Vij. Задачей модели является прогнозирование развития личности исследователя в зависимости от реализуемых стратегий развития, то есть от распределения мотиваций Mij и помощи Vij. Стратегии развития задают во временной последовательности содержание учебной деятельности и научного руководства по творческому развитию личности. Стратегии развития могут быть как внешними, когда распределения задаются пользователем, так и рассчитываемыми моделью из условия максимизации следующих критериев:

· общая квалификация личности (на всем жизненном пути или в конце);

· суммарная мотивация, то есть удовлетворение, получаемое личностью от ее НТД;

· признанная обществом квалификация личности (на уровне защит);

· суммарная величина внешней помощи (минимизируется).

Определение оптимальной стратегии в ее общей постановке возможно (например с помощью принципа максимума Л.С. Понтрягина). Однако при этом возникают некоторые трудности. Первая из них – вычислительного порядка из-за большого количества переменных в задаче. Вторая – невозможность гарантии сходимости при решении задачи. И, наконец, в связи с непредсказуемостью современной жизни и множеством возмущающих факторов, подобный прогноз на всю жизнь будет недостаточно правдоподобен.

В связи с этим более реалистичным является вариант стратегии творческого развития, названной локально-оптимальной. Ее особенность заключается в том, что оптимальность распределения мотиваций и внешней помощи оценивается не на протяжении всей жизни личности, а в каждый момент времени автономно без подробного учета последующего влияния на процесс развития. Это как бы моделирует поведение человека, который учитывает при принятии решений факторы, влияющие на его будущее, однако лишен возможности подробно проследить развитие событий. Такое упрощение позволяет использовать для решения задачи более быстрые средства: методы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений и аппарат линейного программирования.

Во взаимосвязи с блоком моделирования работают остальные три блока.

Целью блока измерения и тестирования является выяснение индивидуальных характеристик личности. Программное обеспечение этого блока состоит из ряда программ, производящих автоматизированное тестирование различных характеристик обучаемых. Сюда, в частности, входят программы определения интеллекта, креативности, целевой установки и др.

Блок компьютерного мониторинга обеспечивает хранение в базе данных результатов тестирования обучаемых и измерение параметров их развития (например по многокритериальной оценке выполняемых исследовательских работ) в различные периоды времени, анализ изменения этих результатов и их соответствия прогнозу.

 Блок организации и управления осуществляет непосредственное воздействие на развивающуюся личность на основе моделирования развития. При этом выделяется три уровня (рис. 2) – проектировочный, методологический и практический.

Работа на проектировочном уровне заключается в уточнении модели и ее параметров и приведении их в соответствие с реальностью. Пользователем программного обеспечения в этом случае будет являться разработчик математической модели, а технология ее использования будет выглядеть следующим образом. Пользователь корректирует исходные наборы данных и проводит по ним моделирование. Далее, используя свой опыт, результаты экспертных оценок и результаты, полученные на методологическом уровне, он проводит сравнение показателей моделирования с реальным развитием одаренных личностей. По результатам сравнения набор исходных данных корректируется, и цикл уточнения продолжается. В случае необходимости корректируется и алгоритм модели.

На методологическом уровне происходит составление учебно-развивающих программ для одаренной молодежи. Пользователем здесь является организатор учебного процесса. В данном случае пользователь вначале проводит моделирование по усредненным данным для учебной группы с помощью модели, настроенной разработчиком на проектировочном уровне. Далее на основе результатов моделирования происходит составление типового учебного плана и учебной программы. Полученный план подвергается критической оценке на основе собственного опыта и с привлечением экспертов. После этого происходит переоценка средних данных или корректировка модели (с помощью разработчика на проектировочном уровне). Могут быть также скорректированы усредненные данные обучаемых на основе информации о практическом применении программы.

На практическом уровне пользователь – научный руководитель – индивидуально направляет развитие руководимых одаренных личностей. В данном случае исходные данные для моделирования берутся не из усредненного набора, а выявляются с помощью тестирования и измерения. Далее развитие одаренной личности идет по индивидуализированному учебному плану, составленному с помощью результатов моделирования на основе типового учебного плана. В соответствии с достигнутыми на определенные моменты времени результатами учебный план корректируется научным руководителем. Следует отметить, что на данном уровне пользователем может являться и сам обучаемый, который будет корректировать учебный план на основе самоосознания.

Требования к программному обеспечению блока моделирования

Поскольку центральным и нетривиальным элементом образовательной технологии является моделирование, рассмотрим особенности программного обеспечения этого блока.

В соответствии с описанными выше схемами работы различных пользователей с программным обеспечением моделирования (ПОМ) формулируется ряд требований к его реализации. ПОМ должно:

· производить моделирование творческого развития человека в зависимости от его индивидуальных характеристик при различных стратегиях управления развитием;

· моделировать самостоятельное поведение личности в процессе развития;

· допускать гибкую настройку параметров, характеризующих образовательную среду в моделируемой сфере науки и техники;

· допускать ввод расплывчатой информации и обеспечивать ее автоматическое преобразование в количественные данные, используемые для расчета;

· выдавать результаты расчета в виде, удобном для восприятия пользователем. Это может быть графическое представление и текстовое в виде файлового протокола с качественными оценками по параметрам, характеризующим развитие личности в целом, на протяжении всей жизни;

· обеспечивать возможность настройки всех данных и параметров в диалоговом режиме;

· обеспечивать возможность моделирования в одном задании набора различных стратегий развития в автоматическом режиме;

· допускать работу со многими наборами исходных данных и параметров, а также иметь средства сравнения получаемых стратегий. Реализация программного обеспечения

ПОМ реализовано в виде исполняемого модуля реального режима для среды DOS. Для его разработки использовался компилятор Borland Pascal 7.0. Для запуска требуется наличие следующих ресурсов: 500 K свободной памяти, операционной системы MS-DOS 3.3 и старше (или системы, эмулирующей DOS, в частности Windows-95), математического сопроцессора, видеоадаптера VGA или совместимого, программы-русификатора. Для эффективной работы желательно наличие процессора 486 и старше.

ПОМ обладает диалоговым интерфейсом для ввода данных и настройки параметров. Интерфейс реализован с помощью объектно-ориентированной библиотеки Turbo Vision 2.0. С целью совместимости со всеми моделями видеоадаптеров для вывода информации в графическом виде используется видеорежим 640´480´16 цветов.

Рис. 3. Блок-схема программы моделирования

В ПОМ реализованы следующие математические методы: решения дифференциальных уравнений Рунге-Кутта [5], принятия решений в условиях неопределенности ПРИНН [6, 7], симплекс-метод для решения задач линейного программирования (ЛП) [8]. Метод ПРИНН и симплекс-метод реализованы в виде отдельных модулей с возможностью дальнейшего использования в любой программе.

Расчетный модуль метода ПРИНН может обрабатывать таблицы практически любого размера. Ограничением здесь является только объем доступной памяти. Модуль состоит из следующих блоков:

·  управления памятью (осуществляет выделение и уничтожение необходимого количества оперативной памяти);

·  перевода качественных оценок в количественные;

·  нормирования критериев;

·  расчета эффективности.

В модуле решения задачи ЛП реализован метод ветвей и границ. Этот метод позволяет решать задачи смешанного ЛП, то есть задачи, в которых определенные (не обязательно все) переменные должны быть целочисленными.

Метод ветвей и границ требует последовательного решения ряда обычных (не смешанных) задач ЛП. С учетом этого модуль реализован в виде трех частей.

1. Внешний цикл, в нем реализован метод ветвей и границ. Внешний цикл вызывает процедуру GO, которая выдает решение задачи и в зависимости от целочисленности полученного решения либо добавляет к задаче ограничения, либо берет задачу из списка. Цикл заканчивается, когда список становится пустым. Подробно этот алгоритм описан в [8].

2. Метод GO обеспечивает решение задачи ЛП, поставленной методом ветвей и границ. Вначале выполняется анализ поставленных дополнительных ограничений, и часть переменных переводится в константы. Далее двухмерные индексы переменных преобразуются в линейные и составляется базисное решение по алгоритму, описанному выше. Затем вызывается метод FindMinimal для нахождения оптимального решения. В самом конце к решению добавляются переменные, переведенные в константы и не включенные в базисное решение.

3. Метод FindMinimal представляет собой реализацию симплекс-метода.

Кроме того, в виде отдельных модулей реализованы модули поддержки работы в автоматическом режиме, сравнения различных стратегий и генерации описания стратегий.

На рисунке 3 изображена блок-схема ПОМ.

ПОМ функционирует следующим образом.

После запуска появляется основное диалоговое окно. Далее пользователь имеет возможность вводить данные расчета и настраивать параметры модели. Ввод и настройка производятся как в основном окне, так и в ряде дополнительных, которые можно вызвать из главного.

Основными данными, настраиваемыми в процессе диалога, являются:

· интеллект, креативность, мотивация, величина доступной внешней помощи;

· начальная квалификация обучаемого по различным функциям НТД;

· степени влияния на мотивацию занятий по различным функциям и на различных уровнях НТД;

· степени важности отдельных функций и уровней научной деятельности;

· частота появления новшеств в моделируемой научно-технической области.

Также указывается вид моделируемой стратегии развития, настраиваются режимы вывода файлового протокола и графической информации.

После завершения диалога рассчитываются внутренние коэффициенты модели на основе введенных исходных данных. При расчете используется метод ПРИНН.

После вычисления внутренних коэффициентов начинает выполняться вычисление стратегии развития, которое заключается в пошаговом решении системы 37 дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта. На каждом шаге при локально-оптимальной стратегии распределения мотивации и внешней помощи вычисляются путем решения задачи линейного программирования. В случае же расчета эмпирической стратегии, это распределение либо принимается жестко заданным, либо вычисляется по определенной схеме в зависимости от текущих достижений личности. Во время расчета стратегии происходит вывод текущей информации на экран и в файл протокола.

После формирования стратегии производится вычисление обобщенных параметров для стратегии и запись их в файл протокола. Далее в зависимости от настроек программы происходит либо завершение работы, либо возврат к главному диалоговому окну.

Таким образом, основными результатами работы программы являются:

· графики изменения общей мотивации, квалификации и внешней помощи развивающейся личности во времени;

· графики изменения тех же величин по отдельным функциям и уровням научно-технической деятельности;

· данные об усредненных за определенный период величинах квалификации, мотивации и внешней помощи в файловом протоколе (не для сокращенного варианта протокола);

· прогнозируемые сроки достижения определенного уровня квалификации по различным элементам научной деятельности (в годах);

· затраты времени развивающейся личностью на достижение этих квалификаций;

· затраты времени как развивающейся личностью, так и ее руководителями по различным элементам за весь рассматриваемый период деятельности.

Одной из важнейших особенностей ПОМ является возможность автоматического формирования описания стратегий, то есть перевода результатов из числовой формы в описательную. Эта возможность реализована для методических и практических целей.

Возможна работа в автоматическом режиме, то есть вычисление нескольких стратегий по порядку без участия пользователя. Эта возможность особенно ценна для экспериментальных целей.

Некоторые результаты применения разработанного программного обеспечения

Разработанное программное обеспечение использовалось в основном на проектировочном и методологическом уровнях при организации работы с одаренной молодежью по линии элитной подготовки Самарской государственной архитектурно-строительной академии (СамГАСА) [9] и в рамках Самарской городской целевой программы Кадровый потенциал. На основе типовых исходных данных была рассчитана локально-оптимальная стратегия развития учащихся, начиная с 9 класса по момент окончания вуза. Методологически она была оформлена как последовательность выполнения исследовательских работ различных типов, каждый из которых охватывает различные элементы НТД:

· для школьников – программистская, тестирующая, исследовательская-1, исследовательская-2, аттестационная;

· для студентов – программистская, исследовательская, аспирантская.

Измерение реально достигнутой квалификации проводится на ежегодных конкурсах исследовательских работ. В основу измерения положено определение типа исследовательских работ в соответствии с перечисленной классификацией, а также наличие и уровень реализации в ней соответствующих элементов НТД [10].

Успехи молодежи, охваченной данной технологией, достигнутые на всероссийском уровне, подтверждают эффективность предложенного подхода и, в частности, разработанного программного обеспечения.

Список литературы

1. Пиявский С.А. Математическое моделирование творческого развития исследователя. // Матер. II проблем. сем.: Интеллектуальная и творческая одаренность. - Самара, 1997.

2. Pijavskij Semen. Management of the person’s creative abilities development on the basis of mathematical simulation. III Miedzynarodowa Konferencja Naukowo-Metodyczna «Uzdolnienia Intelektualnei Tworcza Problemy. Koncepcje. Perspektywy.» Warszawa, Borgis Ltd, Wydawnictwa Medycznei Oswiatowe, 1997.

3. Беспалько В.П. Слагаемые педагогической технологии. - М.: Педагогика, 1989.

4. Скибицкий Э.Г., Слуднов А.В. Идентификация педагогической целесообразности компьютерных технологий. // Программные продукты и системы. - 1996. - №1.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике: М.: Наука, 1981.

6. Смирнов О.П., Падалко С.Н., Пиявский С.А. САПР: Формирование и функционирование проектных модулей. - М.: Машиностроение, 1987.

7. Пиявский С.А., Бараховский Б.С. Блок обоснования решений в программном обеспечении МикроЭВМ. - Калинин: Центрпрограммсистем, 1986.

8. Муртаф Б. Современное линейное программирование. - М.: Мир, 1984.

9. Пиявский С.А., Акопов Г.В., Веревкина И.Н. Веди в науку. - Самара: СамГАСА, 1995.

10. Положение о городском конкурсе исследовательских работ учащихся средних учебных заведений - участников городской программы “Кадровый потенциал”. - Самара, 1996.