CC BY
133
Тулупова Татьяна Викторовна
Тверской Государственный Технический Университет(ТвГТУ)
Ассистент кафедры ЭВМ Tulupova Tatyana Viktorovna Tver State Technical University Assistant
E-Mail: [email protected] 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации
Автоматизация проектирования обучающих систем
Computer-aided design of training systems
Аннотация: В статье рассматриваются проблемы разработки современных
автоматизированных обучающих систем, общая методология автоматизации их проектирования, использование аппарата САПР для. корректировки структурной организации разрабатываемых автоматизированных обучающих систем в зависимости от результатов тестирования знаний, полученных с их помощью.
Предложена общая структура системы автоматизированного проектирования обучающих систем с корректировкой на основе математической модели, рассматривающей обучение как процесс управления.
Abstract: The paper deals with the problems of developing advanced automated training systems and the general methodology of automation of their design, the use of CAD for adjusting the structural organization of the automated training systems based on the results of testing. The general structure of the computer-aided design training systems has been proposed.
Ключевые слова: Системы автоматизированного проектирования (САПР);
автоматизированные обучающие системы (АОС); оптимальное обучение; автоматизация проектирования обучающих систем.
Keywords: CAD, automated training systems, optimal training, ^mputer-aided design of training systems.
***
Качество подготовки студентов во многом определяется качеством средств, используемых при обучении. В современной системе высшего образования возрастает роль информационных технологий, которые открывают новые возможности для повышения эффективности и качества подготовки студентов.
Развитие информационных технологий, используемых в образовании, способствовало появлению программных средств совершенно различных форм: автоматизированных
обучающих систем, электронных учебных пособий, различных средств контроля знаний, программ тестирования. Новые информационные технологии способствуют развитию существующих форм обучения и появлению новых. Средства гипертекста и мультимедиа позволяют представлять учебные материалы в наглядной форме, обеспечивая удобный поиск необходимой информации. Контроль знаний дает возможность оперативно оценить уровень усвоения учебного материала студентами.
На сегодняшний день широкое распространение получили автоматизированные
обучающие системы (АОС), которые представляют собой программные средства, объединяющие средства обучения с различной структурой и формой представления знаний, включающие системы диагностики и контроля знаний. Современные АОС различаются, как по сложности своей структурной организации, наглядности представления данных, функциям, так и по сложности их разработки. На рисунке 1. представлена обобщенная классификация автоматизированных обучающих систем по алгоритмическому построению, по функциональному признаку и по структуре.
Рис. 1. Классификация автоматизированных обучающих систем
Несмотря на разнообразие автоматизированных обучающих систем, есть ряд общих существенных проблем в области их разработки:
1. Отсутствие стандартных методов разработки обучающих систем.
2. Непостоянство структурной организации АОС.
3. Проблема стандартизации учебных модулей и соответствующей технической реализации;
4. Трудоемкость и значительные временные затраты на разработку АОС.
5. Отсутствие общей методики автоматизации проектирования обучающих систем.
Также АОС должны обеспечивать решение задач оптимального обучения -минимизировать время обучения, при заданном уровне знаний, максимизировать уровень знаний, при заданном времени обучения. При неправильной структурной организации АОС, неправильном выборе методики и стратегии обучения, неправильной форме представления знаний решение этих задач становится невозможным. В процессе первичной разработки АОС разработчик часто выбирает неправильную стратегию обучения, допускает ошибки при выборе структуры, порядке отображения информационных кадров и блоков контроля. В итоге АОС не соответствует требованиям, предъявляемым к современным средствам
компьютерного обучения, не обеспечивает необходимых показателей качества обучения, ее использование в учебном процессе становится неэффективным. Все это приводит к необходимости доработки АОС, а во многих случаях и к полностью новой разработке, что является неэффективным с точки зрения временных и материальных затрат.
Таким образом, актуальной задачей является разработка общей методологии автоматизации проектирования обучающих систем.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют создавать программные средства, отвечающие современным требованиям, на основании описания модели объекта проектирования. Проектирование автоматизированных обучающих систем с помощью технологии САПР позволит систематизировать подходы к проектированию и сократить временные затраты на разработку, проектировать АОС для различных предметных областей и различной структурной организации. САПР ОС позволит осуществлять корректировку структурной организации АОС в зависимости от результатов тестирования знаний, полученных с ее помощью, тем самым позволяя достичь необходимых показателей по времени и качеству обучения студентов.
САПР ОС позволит решать следующие задачи:
• Выбор управления учебной деятельностью.
• Моделирование учебных ситуаций.
• Разработка ядра АОС.
• Структурирование практического материала
• Наполнение АОС обучающим материалом. Установление логических связей между кадрами АОС.
• Выбор или разработка аппарата оценки полученных знаний и уровня подготовленности обучаемых.
• Разработка системы электронной помощи и печатной документации.
• Разработка инструкций и рекомендаций по использованию и настройке АОС.
• Анализ минимальных и рекомендуемых аппаратных ресурсов компьютер адля работы АОС
• Учет эргономических аспектов взаимодействия АОС со студентом.
• Оценка эффективности АОС.
• Возможность модификации АОС в связи с изменением внешних факторов, например, изменением учебной программы. Возможность адаптации к различным аппаратным ресурсам.
Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом. В основе структурной организации системы автоматизированного проектирования обучающих систем (САПР ОС) с корректировкой лежит математическая модель процесса обучения.
Обучение может быть представлено как процесс управления образовательной деятельностью студентов с целью формирования у них определенных знаний, навыков и умений. Разделяют две задачи оптимального обучения. Первая задача заключается в максимизации уровня знаний при ограничениях на время обучения, вторая - в минимизации
времени, затрачиваемого на обучение студентов при ограничениях на уровень знаний[2].
Пусть, 2 = Z (3) - функция уровня знаний, Т = Т (3) - функция времени обучения, где 3 - вектор, компоненты которого можно разделить на три группы:
например, начальный уровень знаний по предмету. Такие параметры могут быть измерены с помощью тестирования с последующей обработкой результатов.
материала: структуру и объем учебного материала и т.п.
33 = (31(31 ,3 2), 3\(31 ,32)...31(31 ,3 2)) - группа варьируемых параметров
(проектных переменных) процесса обучения: форма представления и сложность
учебногоматериала, вид и количество упражнений,и т.п.
Таким образом, задачи оптимального обучения могут быть сформулированы следующим образом: первая задача заключается в максимизации функции 2 (3) на множестве D допустимых значений вектора 33 при ограничении на время Т(3) :
Вторая задача оптимального обучения - минимизировать функцию времени Т(3) на множестве 2 допустимых значений вектора 33 при ограничении на 2 (3) :
Сформулированные задачи можно рассматривать как задачи оптимального проектирования процесса обучения, так и как задачи оптимального управления в ходе реализации этого процесса.
На рисунке 2. представлена формализованная структурная схема САПР ОС.
31 = (3\ ,3\....3^) - параметры, характеризующие исходное состояние студента,
32 = (3 ,32.... 3^) - параметры, характеризующие исходное состояние учебного
2 (3) ^ тах
тъ^г>
3, где Т - заданное время обучения.
/3є£>, где Z0 - заданный уровень знаний.
Рис 2. Структурная схема системы автоматизированного проектирования обучающих систем
Группа студентов выступает в качестве объекта управления (ОУ), САПР ОС
выполняет функции устройства управления (УУ). Пусть $ - состояние внешней среды; О -состояние группы студентов; /ж, /с - соответствующие измерители; $ , О - результаты
измерения величин $, О ; и - управляющие (обучающие) воздействия; Я - ресурсы (ограничения на управление); Ь - цель управления, состоящая в переводе группы студентов в требуемое состояние О*.
Общий алгоритм проектирования ОС можно представить в следующем виде. САПР ОС, получая на входе информацию о состоянии среды $ и группы студентов О , а также информацию о цели Ь и ресурсах Я от заказчика, разрабатывает АОС, тем самым выдавая допустимое управление и = А($ , О , Ь, Я), переводящее ОУ из текущего состояния в какое-
то близкое к О* состояние. Здесь А - алгоритм проектирования, который является оператором, перерабатывающим исходную информацию в управление.
Задача синтеза оператора А разделяется на 2 задачи:
• Синтез модели М объекта, связывающей его наблюдаемые входы:
О' = М ($',и)
• Синтез управления с помощью этой модели, который представляет собой
решение задачи минимизации:
^ шт,
и^Я
где
множество
О - М ($ ,и)
допустимых управлений, определяется выделенными для этого ресурсами Я , а искомое состояние О* — заданной целью Ь.
Цель управления может быть задана в следующем виде:
' ф > аг,(/ = 1,..А1)
Ь : = Ъ],(] = 1,..к2)
- Здесь ф,^,щ — критерии - функционалы, определяемые на состояниях объекта
управления. Цели обучения могут быть заданы в виде неравенства, равенства и экстремальных целей[1]. Цели-неравенства определяют тот минимум знаний студента, нарушение которого недопустимо, например, а. - бальная оценка поi — му предмету.
Цели-равенства связаны со знаниями студента, отсутствие которых недопустимо. Экстремальные определяют качество процесса обучения. Например: если ^ — средний балл по i — му предмету, то ^ ^ max.
Цели определяет и формулирует заказчик, в зависимости от предметной области АОС, специфики предмета, выбранной методики обучения и особенностей группы студентов.
Таким образом, процесс автоматизированного проектирования АОС можно представить в виде последовательности этапов (рисунок 3).
Начало
Рис. 3. Этапы автоматизированного проектирования обучающих систем
Этап коррекции проектирования ОС заключается в определение нового множества целей, которое достижимо данной системой обучения, а также в изменении множества ограниченийна проектирование.
САПР ОС содержит знания о планировании и организации процесса обучения, общих и частных методиках обучения. Реализует функцию выбора стратегий обучения или генерации стратегий обучения в зависимости от модели М, ограничений Я и целей Ь. Проектирование осуществляется на основе некоторого плана, который либо выбирается из
библиотеки планов (стратегий обучения), либо генерируется в зависимости от входных параметров, каждая стратегия обучения состоит из определенной последовательности учебных воздействий. В качестве учебных воздействий могут быть: комментарии; тестовые задачи и др. Каждая стратегия обучения характеризуется своим набором и порядком применения учебных воздействий.
Выводы
В статье были рассмотрены проблемы разработки современных автоматизированных обучающих систем, обоснована необходимость создания общей методологии автоматизации проектирования АОС, предложена общая структура системы автоматизированного проектирования обучающих систем с корректировкой. Корректировка структурной организации АОС производится в зависимости от результатов тестирования знаний, полученных с ее помощью, тем самым позволяя достичь необходимых показателей по времени и качеству обучения студентов.
Использование систем автоматизированного проектирования позволит сократить временные затраты на разработку АОС, проектировать АОС для различных предметных областей и различной структурной организации. Таким образом, при проектировании АОС с помощью технологии САПР будут решаться задачи оптимального обучения.
Одной из самых главных задач в работе над САПР ОС является разработка математического обеспечения, включающего все этапы автоматизированного проектирования. В основе структурной организации САПР ОС лежит математическая модель процесса обучения, в которой САПР ОС и группа студентов выступают в качестве управляющего устройства и объекта управления соответственно, а задача обучения сформулирована как задача управления. Так как разработка математического обеспечения является ключевой задачей при создании САПР ОС, она будет рассмотрена подробно в рамках другой статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.для вузов. 2-еизд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000
2. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами - М.: Сов. Радио, 1980
3. Соловов А.В. Электронное обучение: проблематика, дидактика, технология. Самара: Новая техника. 2006.
Рецензент: Гаганов Павел Геннадьевич, ведущий инженер-программист, ООО «НПО Альфа-Телекс».
