Электронная обучающая система на основе единой базы знаний Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Электронная обучающая система на основе единой базы

знаний

Голосовский Олег Анатольевич с.н.с., к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории Оптоэлектроники Таганрогского радиотехнического института Южный федеральный университет, ул. Шевченко, 2, оф. Е-111, г. Таганрог, 347922, Ростовская обл.,

(8634) 312482 golos@pbox.ttn.ru

Аннотация

Обзор современных систем дистанционного обучения показывает, что технология формирования индивидуальных курсов из единой базы знаний до сих пор не закладывалась ни в одну из них. Попытка такой реализации была предпринята автором при разработке обучающей системы Educator. Описаны особенности ее построения и использования. Практические испытания системы на протяжении более 10 лет показали высокую эффективности при обучении школьников старших классов и студентов первых курсов ВУЗов. Инициативный характер проекта не позволил реализовать все преимущества подобных систем, однако опыт его использования дает достаточные основания для запуска полномасштабного проекта.

The review of modern systems of distance learning shows that the technology of formation of individual courses from the uniform knowledge base still wasn't put in one of them. An attempt of such realization was made by the author when developing learning system Educator. Features of its construction and use are described. Practical tests of system for more than 10 years showed high to efficiency when learning school pupil of the senior classes and students of the first courses of higher education institutions. Initiative character of the project didn't allow to realize all advantages of similar systems, however experience of its use gives the sufficient grounds for start of the full-scale project.

Ключевые слова

Распределенное обучение, электронное обучение, информационно -коммуникационные технологии обучения, компьютерные технологии обучения, система управления обучением

distributed learning, electronic learning, information and communication technologies of training, computer based training, learning management system

Введение

Перенос процесса обучения в сетевую среду и использование быстро обновляющихся информационных технологий не снимает с повестки дня главную задачу: эффективное усвоение теоретических знаний и практическое их применение. На смену аудиторным занятиям приходят Системы управления обучением (Learning Management System - LMS), учебники заменяются электронными курсами, но это лишь внешняя атрибутика. По своей сути процесс обучения остается таким же, как и сто лет назад. Интернет заполнило множество разнообразных электронных курсов,

выбор которых только усложнился по сравнению с выбором учебников при традиционном обучении. Система оценки знаний в сетевых LMS стала даже более формальной по сравнению с традиционной. Развиваемые в настоящее время стандарты дистанционного обучения, такие как SCORM [1], направлены на унификацию структуры электронных курсов и LMS, то есть на форму, но не на содержание процесса. Однако возможности современных технологий позволяют не только обновить форму представления знаний, но и кардинально изменить сам процесс обучения и его инфраструктуру. Как показывает обзор современных систем, в такой постановке задача электронного обучения встречается достаточно редко.

Проблемы современных обучающих систем являются следствием проблем сложившейся структуры научных знаний. Необходимая для развития науки дифференциация по различным дисциплинам привела к образованию в рамках каждой специализации собственного языка и своей системы понятий, что не только затрудняет общение между специалистами, но и приводит к появлению все возрастающего количества курсов, содержащих одинаковую информацию, излагаемую различным образом. Назовем это явление дифференциацией научных знаний «по горизонтали». Кроме того существует дифференциация «по вертикали», приводящая к тому, что курсы нижних уровней часто не стыкуются с курсами следующих ступеней. При этом преподаватели более высокой ступени вынуждены компенсировать пробелы нижележащих ступеней. Как правило, времени на это не хватает, и в результате возникает разрыв между ступенями образования, что делает его схоластическим и все более узкоспециальным. Дифференциация научных знаний «по вертикали» также приводит к возникновению большого числа одинаковых по содержанию курсов с большей или меньшей степенью приближения к необходимому уровню следующих ступеней.

Решение проблем дифференциации можно искать в создании единой базы знаний по всем научным дисциплинам, которая должна обладать достаточной глубиной, соответствующей современному уровню их развития. База знаний должна быть хорошо структурирована, например, в виде иерархического дерева, должна пополняться и корректироваться по мере развития науки. В зависимости от целей обучения можно формировать из этой базы курсы различного уровня сложности и различной специализированной направленности. Такие курсы могут быть как внутри-дисциплинарными, так и междисциплинарными. При этом система обучения приобретает новые свойства. Например, появляется возможность создания индивидуальных курсов, адаптированных к целям и возможностям конкретного ученика.

Хорошая структурированность базы знаний, вплоть до вопросов, составляющих содержание отдельных теоретических элементов дисциплин, позволяет преодолеть еще один недостаток современного образования -субъективность (а часто и необъективность) оценки качества усвоения материала. При таком подходе вместо журнала успеваемости используется база данных учебного процесса, что позволяет получать не только интегральную оценку за весь курс, но и карту распределения оценок по всем теоретическим элементам курса. Еще одним плюсом хорошо структурированной базы знаний является возможность привязки практических заданий к соответствующим теоретическими элементам.

Второй краеугольный камень современного образования - его деление на групповое и индивидуальное. Очевидно, что индивидуальное образование в большинстве случаев является более эффективным и качественным по сравнению с групповым, но при этом обладает существенным недостатком: оно слишком дорогостоящее, и, как следствие, элитарное. Возможно, идеальным решением была бы реализация индивидуального образования на основе искусственного интеллекта, однако, несмотря на успехи, достигнутые в последнее время, адаптивные системы пока не состоянии полностью заменить функции человека. На сегодняшний день

решение проблемы возможно путем перенесения индивидуального образования в сетевую среду. При этом несколько учеников получают возможность одновременного живого общения с тьютором в режиме разделения времени.

Таким образом, в качестве признаков образовательной системы на основе единой базы знаний можно назвать следующие:

1. наличие хорошо структурированной базы знаний, из которой формируются индивидуальные курсы;

2. связь теоретических и практических элементов базы знаний;

3. организация учебного процесса на основе базы данных и соответствующей системы управления;

4. реализация индивидуальной формы учебного процесса в сетевой среде с возможным использованием режима разделения времени.

Если последние два пункта в разной форме присутствуют в большинстве современных дистанционных обучающих систем [2], то первые два, не используются ни в одной из них.

Попытка реализации системы обучения, обладающей вышеперечисленными признаками, была предпринята автором при разработке обучающей системы Educator.

Обучающая система Educator предназначалась для реализации процесса обучения (самообучения) на основе индивидуальных курсов, формируемых преподавателем (или самим учащимся) из пятиуровневой базы знаний. Каждый индивидуальный курс мог включать как теоретические элементы, так и практические задачи, связанные с вошедшими в курс теоретическими элементами. При этом процесс обучения мог осуществляться как в форме личного общения с преподавателем, так и дистанционно через локальную сеть. Особенностями обучающей системы Educator являются:

• наличие базы знаний (БЗ), служащей источником для создания индивидуальных курсов;

• разделение базы знаний на теоретическую и практическую части в соответствии с общепринятой формой представления знаний;

• хорошая структурированность теоретической части БЗ в виде иерархического пятиуровневого дерева (верхний уровень соответствовал общепринятому делению на дисциплины, нижний уровень состоял из элементарных вопросов, составляющих содержание предпоследнего уровня -теоретических элементов дисциплины (ТЭД), который был представлен в БЗ в полнотекстовой форме (подробная детализация знаний использовалась для обеспечения поэлементного контроля подачи и усвоения материала в процессе обучения и позволяла достигнуть высокой объективности оценки качества обучения);

• представление практических элементов дисциплины (ПЭД) в полнотекстовой форме, при наличии связей каждого из ПЭД с соответствующими ТЭД (эта связь обеспечивала практическую направленность курсов, эффективное усвоение теоретического материала и объективную оценку качества обучения);

• возможность коррекции БЗ и ее пополняемость как теоретическими, так и практическими элементами (эта особенность позволяла преодолеть проблему устаревания знаний и учебных материалов);

• оперативность и гибкость формирования индивидуальных курсов из теоретических и практических элементов БЗ с учетом особенностей ученика и процесса обучения, таких как сроки, цели и т.д. (эти качества обеспечивали индивидуализацию и целевую направленность обучения, позволяли использовать в одном курсе элементы различных дисциплин, а также решали проблему обеспечения учебной литературой);

• оперативность и гибкость составления расписаний и сценариев занятий благодаря использованию соответствующих баз данных (эти свойства обеспечивали согласование временных ограничений учеников и преподавателей и упрощали подготовительный процесс);

• автоматизация подготовки, проведения и документирования учебного процесс.

Состав и структура системы Educator

Обучающая система Educator состояла из следующих основных частей (рис.1) : 1 - база знаний (БЗ), 2 - база персонализации учеников (БПУ); 3 - база персонализации преподавателей (БПП); 4 - база индивидуальных курсов (БИК); 5-база сценариев занятий (БСЗ); 6 - база учебных процессов (БУП).

Рис.1. Структура обучающей системы Educator.

База знаний (рис.2) состояла из теоретической и практической частей, в состав которых входили таблицы с полнотекстовым содержанием ТЭД и ПЭД.

Рис.2. База знаний.

Теоретическая часть БЗ была структурирована в виде пяти иерархических уровней: «Дисциплины», «Темы», «Подтемы», «Теоретические элементы

дисциплин», «Вопросы». Каждый уровень был представлен отдельной таблицей. Таблица «Дисциплины» содержала названия дисциплин и номер дисциплины N_DIS. Таблица «Темы» содержала названия разделов соответствующих дисциплин и номер темы N_THM, деление на разделы соответствовало делению на главы. Таблица «Подтемы» содержала названия подразделов соответствующего раздела дисциплины и номер подтемы N_SBT. Следующий уровень иерархии, соответствующий традиционному делению учебного материала на параграфы, представляла таблица «Теоретические элементы дисциплины», содержащая названия этих элементов и их номера N_TED. Последний уровень иерархии БЗ представляла таблица «Вопросы», составлявшая содержание теоретических элементов дисциплины. Каждый из вопросов в пределах одного ТЭД имел собственный номер N_QST.

Отдельные таблицы использовались для полнотекстового содержимого ТЭД и ПЭД. Записи в этих таблицах были связаны с соответствующими литературными источниками. Кроме того, каждый практический элемент был связаны с номерами теоретических элементов, необходимых для его выполнения.

Базы персонализации БПУ и БПП имели простую структуру, показанную на рис.3 и не требующую дополнительных пояснений. Многоточия в нижней части рис.3 означают возможность дополнения перечисленных данных любой другой информацией.

Рис.3. Базы персонализации учеников и преподавателей.

База индивидуальных курсов показана на рис.4. Поскольку каждый вновь создаваемый курс предполагал многократное использование, он создавался вначале, как образец в таблице «Шаблоны индивидуальных курсов». Содержание шаблона курса сохранялось в таблицах «ТЭД шаблонов индивидуальных курсов» и «ПЭД шаблонов индивидуальных курсов». При регистрации в системе для каждого ученика создавался индивидуальный курс на основе образца из таблицы «Шаблоны индивидуальных курсов».

Рис.4. База индивидуальных курсов.

База сценариев заменяла план индивидуальных занятий и использовалась для генерации событий реального времени, происходящих в течение занятия. Содержание сценария составляли события, предусматриваемые преподавателем в определенные моменты времени. События формировались из интервалов, на которые разделялось занятие и реакций системы на их завершение. Интервалы и реакции хранились соответственно в таблицах «Интервалы занятий» и «Реакции на завершение интервалов». Для того, чтобы облегчить работу по созданию сценариев использовалась та же идея шаблонов, что и для создания индивидуальных курсов. Вместо того, чтобы при подготовке к каждому занятию создавать новый сценарий, использовался один из шаблонов, в который при необходимости вносились изменения.

Рис.5. База сценариев занятий

В базу учебных процессов входили две таблицы: «Календарь» и «Учебные процессы» (рис.6).

Рис.6. База учебных процессов.

Таблица «Календарь» содержала информацию о дате, времени начала, длительности и типе запланированных занятия. В системе Educator тип запланированных занятий разделялся на периодический и разовый. Плановые периодические занятия были привязаны к определенным дням недели, имели одинаковые время начала и длительность. Плановые разовые занятия могли назначаться в любой день недели, в любое время и иметь любую длительность.

Таблица «Учебные процессы» содержала полную информацию по каждому занятию. Для запланированного занятия в таблице «Календарь» резервировалась отдельная запись. После завершения занятия в эту запись вносилась информация о результатах: число повторенных ТЭД; число изученных ТЭД; интегральная оценка

изучения теоретического материала (дифференциальная оценка по отдельным теоретическим элементам вносилась в соответствующие записи таблицы «ТЭД индивидуальных курсов»); число выполненных ПЭД из списка домашних заданий; число ПЭД, выполненных самостоятельно в процессе занятия; интегральная оценка за все выполненные ПЭД; среднее время ответа на один вопрос ТЭД; среднее время, на решение одного ПЭД; средний коэффициент сложности по всем выполненным ПЭД и ряд других параметров. Кроме того, в поля этой записи были включены такие организационные данные, как опоздание на занятие, досрочное завершение занятия, а также статус занятий.

Номер записи таблицы «Учебные процессы» N_PRC использовался в базе индивидуальных курсов для соответствующей привязки к конкретному занятию теоретических и практических элементов в таблицах «ТЭД индивидуальных курсов» и «ПЭД индивидуальных курсов». Эта привязка позволяла собирать статистическую информацию, касающуюся особенностей усвоения теоретического материала и навыков выполнения практических заданий.

Формирование и редактирование базы знаний и индивидуальных курсов.

Для создания иерархической структуры базы знаний в системе Educator было использовано следующее решение: для каждой дисциплины резервировалось 16 тем, на каждую тему выделялось 16 подтем, на каждую подтему - 16 теоретических элементов, а на каждый ТЭД - 16 вопросов. Такого резервирования хватило для изложения содержания дисциплин в рамках проекта Educator, однако при реализации полномасштабного проекта может потребоваться больший запас резервирования.

Для добавления новой дисциплины в состав базы знаний в таблицу «Дисциплины» вносилось ее название, а затем автоматически формировалась иерархическая структура путем добавления пустых записей в соответствующие таблицы: 16 записей в таблицу «Темы», 162 записей в таблицу «Подтемы», 163 записей в таблицу «ТЭД» и 164 записей в таблицу «Вопросы». Для заполнения пустых полей таблиц созданной структуры использовалась форма, показанная на рис.7.

Выбор ДИСЦИПЛИНЫ 1 і Script TEC m Qst m Tsfe-link Prn-link Редактирование названия шаблона КК

Математика |т | і I I I I I Математика 00

Time-изл Тіте-отв Повтор Рейтинг Тема Подтема ТЭД Вопрос

1 1 1 1 1 1 1 1 |С— | ^-5 2 |^| Начальный № I т I I I I " I

ЁЦ. ІСоздание начальной структуры [ o ]Them ] Subt ] Item | Quest ] ["►] Конечный № I

Выбор ТЕМЫ Выбор ПОДТЕМЫ Выбор ТЭД Выбор ВОПРОСА №

Название темы * Название подтемы »• -t Название ТЭД » тТ Содержание вопроса » ? н Ш

1 Теория чисел 1 Рациональные числа. 1 Множество натуральных чис< 1 Какие числа называются на-

2 Элементарная алгебра. 2 Иррациональные и дейстЕ 2 Свойства операций, допустиг 2 Каким символом обозначает

3 Степенные, показательные 3 Числовые последователь! 3 Множество целых чисел. Дог 3 Что называется операцией

4 Тригонометрические функ1 4 Комбинаторика. 4 Правила выполнения операці 4 Что назвается операцией во

5 Векторный анализ. 5 Мнимые и комплексные ч 5 Множество рациональных чи 5 Какие операции называются

6 Дифференциальное и инте 6 Теория вероятности 6 Правила деления. Простые и 6 Какие операции являются д>

7 Планиметрия. 7 Случайные и стохастичес 7 Простые множители. Основні 7 Порядок выполнения ДеЙСТЕ

8 Стереометрия. 8 Математическая статисти! 8 Простые дроби. Свойства пр< 3 Таблица умножения.

9 Линейная алгебра 9 Численные методы 9 Арифметические операции нг 9 Таблица квадратов.

10 Функции нескольких neper 10 10 Особенности и правила возв< 10 Таблица степеней 2.

11 Теория поля 11 11 Десятичные дроби Бесконечі 11 Таблица степеней 3.

12 Теория функций комплекс 12 12 Действия над десятичными д 12 Таблица степеней 5. ы

13 Тензорный анализ. 13 13 Позиционные системы счисл 13 Таблица степеней 7.

14 Вариационное исчисление 14 14 Правила округления десятичі 14 Вычисление степеней соста

15 Функциональный анализ. 15 15 Пропорция. Часть числа. Прс 15

16 Основания математики 16 16 Задачи, использующие цепь 16

* 0 * 0 * 0 Ж

Рис.7. Форма для создания и редактирования содержания дисциплин в базе знаний системы Educator.

Здесь же были предусмотрены операции редактирования - копирование, вставка, перенос, объединение и удаление любого из элементов иерархической структуры с одновременным внесением соответствующих изменений в существующие индивидуальные курсы.

При заполнении таблицы «Полнотекстовые ТЭД» содержание отдельного ТЭД разбивалось на фрагменты в соответствии с таблицей «Вопросы». При этом каждый фрагмент связывался с перечнем источников, использовавшихся при его создании. Эта часть процесса заполнения базы знаний выполнялась вручную путем заполнения соответствующих полей в таблицах «Полнотекстовые ТЭД», «Источники», «Привязка ТЭД и источников».

Содержание таблицы «Полнотекстовые ПЭД» обусловлено заложенными в систему принципами проверки правильности решения практических заданий. В системе Educator использовались задания трех типов: тестовые задания,

содержавшие набор из пяти ответов, в которых предусматривалось любое число правильных или отсутствие таковых; контрольные задания, также содержавшие набор из пяти ответов с одним правильным; числовые задания, требовавшие ввода в качестве ответа рационального числа. Процесс заполнения таблицы «Полнотекстовые ПЭД» включал в себя следующие шаги:

1. внесение в таблицу «Полнотекстовые ПЭД» текста задания, наборов правильных и ложных ответов, номера дисциплины, уровня сложности, ссылку на источник, общее число попыток решения, число успешных попыток, среднее время решения, пояснения к решению; эти действия выполнялись вручную в форме, показанной на рис.8., при этом уровень сложности и среднее время решения первоначально определялись экспертным путем, а в процессе дальнейшего функционирования системы корректировались согласно статистическим данным;

2. процедура «рандомизации», состоявшая в случайном перемешивании правильных и ложных ответов с сохранением в одном из полей таблицы местоположения правильных; эта операция выполнялась автоматически в форме, показанной на рис.8.;

3. процедура «линковки», состоявшая в составлении таблицы связей ПЭД с ТЭД, необходимыми для выполнения данного практического задания; эта операция не поддается автоматизации и выполнялась вручную для каждого практического задания.

I Т[ Ш [Г“

I 2б” |2009.С5.7

Найдите все корни уравнения 10х3-бЗх2 + 48х- 9 = 0, при подстановке каждого из которы уравнение (7х - 1,1)+ | - 9 = (х +3,7)у2 +- сов(2у) случится уравнение относительно у, имеющее более одного корня.

І З | 20* | 0| o’

□ □□□□0НИИН

I I ми ™

[ Запись времени решения =2 мим ~]

XI = -0.3 X2 = 3 + V6

її = 0.9 XI = -0.3 хз = 3-т/б XI = 0.3 XI = 0.3 *2 = 3-ч/б

Ищем корни первого уравнения среди множителей свободного члена т.е.±1,± . В результате проверки находим, что ч=-щ-Методом понижения степени или методом Горнера находим многочлен второй степени 10х2 - бОх + 30 и находим еще два корня: Х2 = 3+\/б и хз = 3-^6.

Подстановка в подкоренное выражен оно обращается в ноль, а при х2=3+^[ что говорит об отсутствии действите Определяем число корней второго ур получим: 81п(у)+ 1= 4у2-1. Графическо двух корней, что удовлетворяет треб является XI =0.3 2 ие второго уравнения показывает, что при и хз=3 — т/б принимает отрицательные зна* льных корней. ав нения при її = 0.3. В результате под стан о] решение этого уравнения показывает нал ваниям условия задачи. Т.о. искомым кор 1 /4у3-1 зіп(у)

С/ 'і’у

Рис.8. Форма для заполнения таблицы «Полнотекстовые ПЭД».

Формирование индивидуальных курсов в системе Educator осуществлялось на основе шаблонов. Для создания шаблона использовалась форма, которая применялась для заполнения и редактирования базы знаний (рис.7). С помощью элементов управления в правой части этой формы в шаблон курса в ручном режиме добавлялись необходимые ТЭД. Для редактирования списка ТЭД были предусмотрены операции удаления и изменения порядка следования. На рис.9 показана часть формы, предназначенная для создания шаблонов курсов.

:_гп TskHink PrrHink

Редактирование названия шаблона КК

ІМатематика 00

Выбор существующего шаблона КК

нг Тема Подтема ТЭД 1 Вопрос

Г 1 1 1 ‘ і 1 '

1 1*^ 1 [начальный № |

C+DCEDCED

em Subt Item Quest

Курс математики, содержащий полную школьную программу и расчитанный на учеников со школьным уровнем подготовленности по математике >^4/5, Срок изучения расчитан на один учебный год. Основная

Выбор ТЭД Выбор ВОПРОСА [ № і Теоретическое содержание композитного курса

»Т Название ТЭД т -t Содержание вопроса т ш м - I Название ТЭК ~ -

1 Множество натуральных чис< 1 Какие числа называются на* 1 □ Геометрическое определение трип

2 Свойства операций, допусти г 2 Каким символом обозначает \Ш 2 □ Табличные значения тригонометрії

3 Множество целых чисел Дог 3 Что называется операцией \ 3 □ Взаимосвязи между тригонометрії1

4 Правила выполнения операці 4 Что назвается операцией во 4 О Задачи на вычисление тригономет

5 Множество рациональных чи 5 Какие операции называются 5 О Определение скаляра и вектора

6 Правила деления. Простые и 6 Какие операции являются Д| б О Векторное пространство. Число из

7 Простые множители. Основнг 7 Порядок выполнения ДеЙСТЕ 7 □ Координатный способ задания век

8 Простые дроби. Свойства пр( 8 Таблица умножения. т 8 □ Модульный способ задания вектор

9 Арифметические операции нг Э Таблица квадратов. Э □ Переход от координатного способе

10 Особенности и правила возв* 10 Таблица степеней 2. т 10 О Переход от модульного способа зг

11 Десятичные дроби.Бесконечі 11 Таблица степеней 3. 11 П Связь между углами, которые вект

12 Действия над десятичными д 12 Таблица степеней 5. ИI 12 П Связь между углами, которые вект

13 Позиционные системы счисп 13 Таблица степеней 7. LzJ 13 П Сонаправленные, противонаправл*

14 Правила округления десятич 14 Вычисление степеней соста 14 О Ортогональные векторы

15 Пропорция. Часть числа. Прс 15 15 □ Компланарные векторы

16 Задачи, использующие цель 16 16 О Единичный и нулевой вектор -

* 0 * Запись: И 4 1 ИЗ 764 ► ►! ►-:> |

Описание композитного курса

Рис.9. Часть формы, использовавшейся для создания шаблонов курсов.

Благодаря наличию связей между ПЭД и ТЭД наполнение шаблона курса практическими заданиями можно было выполнять как в ручном режиме, так и автоматически. Были предусмотрены следующие операции редактирования состава ПЭД в шаблоне курса: добавление, удаление и изменение порядка следования. Эти

операции выполнялись с помощью формы, показанной на рис. 10.

’ | 4% Нет фильтра I По-иск

Рис.10. Форма для редактирования состава ПЭД в шаблонах курсов.

Для создания индивидуального курса было достаточно выбрать нужный шаблон и отредактировать его путем добавления, удаления или изменения порядка следования отдельных ТЭД и ПЭД. Для редактирования теоретического содержания курса использовалась форма, показанная на рис. 11.

Выбор ученика Редактирование названия ИКК Дата начала Дата окончания Гц |u|i|f## I I Начальный №

Имя Фамилия [» 1 1 + 1

Выбор курса Выбор нового шаблона композитного курса Выбор ДИСЦИПЛИНЫ 11-

Матфизика 00 ч- Н Физ а Добавление имеющихся задач дисшплины [ 1—'+ |

Выбор тепы Выбор подтемы Выбор ТЭК Теоретическое содержание курса

- Name - ^ Name » - Name » N0 4 Name - *

1 Классическая механика. 1 Основные понятия механики. 1 Геометрия кругового движения 1 И Геометрическое определение трі' |.|

2 Теория относительности 2 Прямолинейное движение. 2 Угловое перемещение и угловая с 2 и Взаимосвязи между тригонометр

; Теория твердого тела. 3 Круговое движение 3 Угловое ускорение и его СВЯЗЬ С Л1 10 г Определение скаляра и вектора.

4 Теория жидкостей. 4 Сложные виды движения. 4 Нормальная составляющая линей) f—, 11 d Векторное пространство. Число и

5 Теория газов. 5 Законы Ньютона. 5 Осо&енности кругового равномерн 12 г Координатный способ задания ве

6 Статистическая физика. 6 Гравитационное взаимодействие. 6 Угловые параметры кругового равн 13 Е Модульный способ задания вектс

Электростатика. 7 Механические силы. 7 Линейные параметры кругового ра 14 Iі Переход от координатного спосо1

8 Электрический ток. 8 Работа и простые механизмы. 8 Особенности кругового равноуско; 15 В Переход от модульного способа

9 Магнетизм. Э Энергия и законы сохранения. 9 Угловые параметры кругового равк 16 И Связь между углами, которые ве

10 Колебания и волны. 10 10 Линейные параметры кругового ра 17 в Связь между углами, которые ве

11 Квантовая механика 11 11 Особенности кругового неравноусі 1Я П Сонаправленные, противонаправ

12 Квантовая теория поля 12 Задачи кинематики. 12 Угловые параметры КНРУ движені 19 В Ортогональные векторы

і: Радиофизика и радиотехника 13 Задачи динамики 13 Линейные параметры КНРУ движе 20 Г Компланарные векторы

14 Резерв 14 Задачи по расчету работы и энерп 14 21 и Единичный и нулевой вектор

15 Резерв 15 Резерв 15 22 п Действия над векторами.

16 Резерв 16 Резерв 16 23 и Результат умножения вектора на

* 0 * о| * 0 24 Id Свойства операции умножения ве -

За Н - ІИЗІ6 ► н к Нет фи; Запись: Н ^ 3 из 16 ► И | Нет фш Запись Н 1 из 16 ► Н V-S нет фи Запись: 1 из853 ► Н Ю 'if. Нет фильтра

Рис.11. Форма для редактирования теоретического содержания индивидуального курса.

Редактирование состава ПЭД индивидуального курса осуществлялось в форме, подобной рис.10.

Организационная составляющая процесса.

Начальная регистрация ученика в системе Educator осуществлялась в форме, показанной на рис.12. При заполнении полей этой формы происходило заполнение таблиц базы персонализации учеников.

Рис.12. Форма для заполнения БПУ.

На следующем шаге в форме, показанной на рис.13, составлялось расписание занятий, в результате чего в таблицы «Календарь» и «Учебные процессы» автоматически добавлялись записи, соответствующие будущим запланированным занятиям.

Ученик Имя Фамилия М 12.02.2014 09-00 10-00 11-00 12 00 13-00 14-00 15-00 16-00 17-00 18-00 19-00 20-00 21-00 | 22-00 | й*

Курс Математика 00 і пнд 10.02.2014 □ □ Eli!

Сценарнії DDSS.01 - Двухчасов ое учеЕ| Т 1 ВТР 11.02.2014 +

СРД 12.02-2014

Год |2014 чтв 13.022014 | І і I Гої

Месяц |февраль [▼"] птн 14 02.2014

сы 15.02.2014

век 16.022014 ♦

«1 ® 1! порядок 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 У

а)

Ученик |Сер Ы 12.022014 09-00 10-00 11 00 12-00 13-00 14-00 15-00 16-00 17-00 18-00 19-00 20-00 21-00 22-00 if.

Курс |Математка 00 Ы ПНД 10.022014 1 1 1 і йі:!

Сценарий IDDSS.OI - Двухчасов ое уче€| т | 11.022014 +

СРД 12.022014 1^7"

Год 2014 Ы ЧТВ 13.022014 > 1 >

Месяц февраль т ПТН 14.022014

Неделя 3 Ы СЕТ 15.02.2014

век 16.022014 ♦

01 а Общий порядок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 23 у

б)

Рис.13. Форма для составления расписания занятий и регистрации их

завершения

Квант длительности занятий был выбран равным 30 минутам, а рабочий период с 9-00 до 22-00. Таким образом, весь рабочий период разбивался на 28 квантов. Для добавления плановых периодических занятий отмечались кванты, соответствующие выбранному дню недели и времени занятия, а затем по нажатию кнопки в правой части формы эти занятия автоматически добавлялись в каждую следующую неделю вплоть до даты завершения курса. Добавленные занятия отображались закрашенными квантами, как показано на рис.13 б). Аналогично осуществлялось добавление плановых разовых занятий с той лишь разницей, что в таблице «Учебные процессы» создавалась только одна запись, соответствующая непосредственно отмеченным квантам.

При завершении занятия ему присваивался определенный статус, который фиксировался в таблице «Учебные процессы». Перечень статусов занятий определялся правилами, установленными преподавателем. Кроме упомянутых выше плановых периодических и плановых разовых занятий в системе использовались компенсируемые и условно-компенсируемые занятия. Если ученик отсутствовал без уважительной причины и без предварительного уведомления, оно считалось пропущенным. Перечень всех статусов занятий, использовавшихся в системе Educator, приведен ниже:______________________________________________________

Статус занятия Описание статуса

Назначенное плановое периодическое (разовое). Присваивался новым плановым периодическим (разовым) занятиям при составлении или изменении расписания.

Назначенное компенсируемое (условно-компенсируемое). Присваивался новому внеплановому занятию в расписании с одновременным декрементом счетчика в записи «Резерв компенсируемых» («Резерв условно-компенсируемых»).

Отмененное плановое (компенсируемое /условно-компенсируемое) . Присваивался плановому (компенсируемому / условно-компенсируемому) занятию в случае его отмены с одновременным инкрементом счетчика в записи «Резерв компенсируемых» или «Резерв условно-компенсируемых».

Пропущенное плановое (компенсируемое / условно- Присваивался плановому (компенсируемому / условно-

компенсируемое). компенсируемому) занятию в случае его пропуска с одновременным инкрементом счетчика в записи «Резерв пропущенных».

Состоявшееся плановое (компенсируемое /условно-компенсируемое) . Присваивался плановому (компенсируемому / условно -компенсируемому) занятию при нормальном завершении.

Резерв компенсируемых (условно-компенсируемых / пропущенных). Использовался для служебной записи в таблице «Учебные процессы», где учитывалось число компенсируемых (условно-компенсируемых / пропущенных) занятий.

Изменение статуса занятия осуществлялось в форме, показанной на рис.13, с помощью вертикального набора кнопок в правой ее части.

Учебная составляющая процесса.

Основная идея, на которой была построена технология учебного процесса, состояла в присвоении статуса теоретическим и практическим элементам курса, что позволило динамично формировать из них подмножества, соответствующие различным стадиям изучения. Статусы теоретических и практических элементов курса, используемые в системе Educator, приведены в нижеследующей таблице:_

Статус ТЭД ПЭД

Свободный (Р) Включены в рабочую программу курса, но еще не использованы в учебном процессе. Включены в рабочую программу курса, но еще не использованы в учебном процессе.

Демонстрационные (О) Запланированы для объяснения преподавателем на текущем занятии (содержание текущей лекции). Предназначены для демонстрации выполнения преподавателем во время занятия.

Самостоятельные Предназначены для самостоятельного изучения учеником во время занятия. Предназначены для самостоятельного выполнения учеником во время занятия.

Новые ОТ Предназначены для распечатки теоретического материала, пройденного на текущем занятии. Предназначены для распечатки практических заданий домашней работы.

Домашние (Н) Предназначены для подготовки ученика к следующему занятию, включают элементы, изученные на предыдущем занятии и низко-рейтинговые элементы, требующие повторной проверки. Предназначены для подготовки ученика к следующему занятию, включают домашнее задание предыдущего занятия и невыполненные задания предыдущих занятий.

Выполненные Включают пройденные на предыдущих занятиях теоретические элементы с высоким рейтингом. Включают практические задания, выполненные на предыдущих занятиях.

Отложенные Введены для удобства работы с практическими

(O) заданиями во время занятия.

С формальной точки зрения учебный процесс представлял собой изменение статусов ТЭД и ПЭД, входивших в состав курса. На рис.14 показаны типовые графы переходов статусов, применявшихся в системе Educator.

Подготовка к В процессе Завершение занятию занятия занятия

Подготовка к В процессе Завершение

занятию занятия занятия

Рис.14. Переходы статуса элементов, входивших в состав курса

Изначально всем элементам автоматически присваивался статус <^». При подготовке к очередному занятию преподаватель присваивал статус <^» теоретическим элементам, запланированным для объяснения и статус «Б» -элементам, которые должны быть изучены учеником самостоятельно в течение занятия (рис.14-а). В процессе занятия изученным теоретическим элементам присваивался статус «№>, а в конце занятия после распечатки новых теоретических элементов, им присваивался статус «Н».

Для повторения пройденного теоретического материала использовалась цепочка, показанная на рис.14-б. При подготовке к очередному занятию преподаватель присваивал статус «Н» тем элементам со статусом <^», которые по результатам предыдущих опросов имели низкий рейтинг. В результате в список со статусом «Н» вместе с ТЭД, изученными на предыдущем занятии, включались ТЭД, требующие повторного опроса. По результатам опроса а течении занятия этим ТЭД

могли быть присвоены статусы <^» - в случае успешного ответа, <Ю» - при необходимости повторного объяснения материала, или «Б» - для самостоятельного повторения.

На рис.14-в показаны переходы статуса ранее не использованных практических элементов. Перед началом занятия преподаватель формирует из ПЭД со статусом <^» списки для домашнего задания (переход в статус «№>), списки для объяснения выполнения (переход в статус <Ю») и списки для самостоятельного решения в течение занятия (переход в статус «Б»). Заданиям, выполненным во время занятия, присваивался статус <^». Во время самостоятельного решения для удобства и ускорения работы с большим списком заданий была предусмотрена возможность присваивать заданиям статус «О» (временно отложенных). При регистрации завершения занятия статус всех отложенных заданий восстанавливался.

На рис.14-г показаны переходы статуса, происходившие при проверке домашних заданий. При этом правильно выполненным заданиям присваивался статус <^», а заданиям, решение которых вызвало затруднение, присваивался статус <Ю», чтобы перевести их в список заданий, требующих объяснения преподавателя.

Технически преобразования статусов выполнялись с помощью двух форм, показанных на рис.15 и рис.16. Форма, показанная на рис.15, использовалась преподавателем во время подготовки и проведения занятия. Верхняя половина формы предназначалась для работы с практическими, а нижняя - с теоретическими элементами курса.

Рис.15. Форма, используемая преподавателем при подготовке и проведении

занятия.

Изменение статусов осуществлялось с помощью двух групп кнопок: для ПЭД -группы в верхней половине формы рис.15, и для ТЭД - аналогичные группы в нижней половине формы. Правые группы кнопок, маркированные буквами «Н», «№>, «В», «Б», <^», служили для перехода к соответствующим спискам элементов с одноименным статусом. Выбранные списки ПЭД отображались в верхней левой

таблице, а списки ТЭД - в нижней левой таблице (см. рис.15). Изменение статуса ПЭД осуществлялось поэлементно. Статус выбранного элемента, отображаемого в правой верхней подформе, изменялся нажатием одной из кнопок верхней левой группы, маркированных буквами <^Ъ>, «Ш», «N1», «ВЬ», «БЪ», <^Ъ>.

Для ТЭД было предусмотрено групповое изменение статуса. Элементы из списка в нижней левой подформе отмечались в первой колонке чекбоксов (см.рис.15), затем статус выбранных элементов изменялся нажатием одной из кнопок нижней левой группы, маркированных буквами <^1», «Н1», «N1», <ЮЬ>, «Б1», «Fi».

Кроме того, изменение статуса ПЭД могло осуществляться автоматически в течение занятия в процессе проверки учеником домашних заданий или при самостоятельном выполнении заданий в форме, показанной на рис. 16.

Г^ГН~

Занятие № 124

Дета

|13.02.2014 Имя Фамилия

ш

I

па

W 5

повторенных ТЭК: | I лы за повтор ТЭК: | і .. Mfc~

Число решенных задач S: [ Оценки за решениие В: Г

П|^идиьи»ш ответ атотствуст] ~

Неправильный ответ Ответ I .

Ввод I Отложкд I Возврат |

Материальная точка движется вдоль оси X. График зависимости проекции скорости точки на ось X изображен на рисунке. Найти путь, пройденный точкой за период с первой по третью секунду движения.

у.| 321 |1Д| | 0,3 | 3 Тело совершает два последовательных, одинаковых по длине перемещения со скоростями V] = 20 м/с под углом И] = 60° к направлению оси Ох и ^ =40 м/с под углом Шз = 120 к тому же направлению. Найти среднюю по перемещению скорость движения. Q Правильный ответ отсутствует

Выберите правильный ответ 23 м/с

Ответ |

Ввод |[Огложка| Возврат + [—"|

20 мtc 25 м/с 17 аi/c 27 м/с

О

Правильный ответ отсутствует

Выберите правильный ответ Ответ |

Ввод | Огл ожка| Возврат ] [+^]р|

Первую половину времени тело движется СО скоростью VI — 20 м/с ПОД углом О!]=60 к заданному направлению, а вторую половину времени - под углом = 120 к тому же направлению со скоростью ^ = 40 м/с. Найти среднюю по перемещению скорость движения.

ТШГ

Неправильный ответ Ответ |

Ввод | ОгложкаЦВозврат | f^f^l

Точка движется вдоль оси ОХ с постоянным ускорением, равным +1 м/с . Найти путь, который пройдет точка за время, равное 4 с, если в начальный момент ее скорость составляла-3м/с.

гг фильтра Поиск

Рис.16. Форма, используемая учеником в течение занятия для выполнения ПЭД.

Соответствующий граф переходов для домашних заданий показан на рис.14-г. Аналогичный граф использовался и при самостоятельном выполнении ПЭД в течении занятия, с той лишь разницей, что вместо статуса «Н» исходным в нем являлся статус «S».

При оценивании учебного процесса в системе Educator использовались два критерия: 1) 5-бальная оценка качества ответов на теоретические вопросы и выполнения практических заданий, и 2) количественная оценка объема работы, выполненной учеником на занятии. Для проверки знания теоретического материала в состав занятия включался блиц-опрос. Ответ на теоретический блиц-вопрос

оценивался величиной V , принимающей значение 0, 1 или 2. Технически эти

осуществлялось с помощью отметки чекбоксов на нижней левой таблице формы

N

рис.15. Итоговая оценка качества Q вычислялась по формуле: Сх = 5^ Si

i=l

где S = V - оценка ответа на i-й блиц-вопрос; N - общее число заданных в течение занятия блиц-вопросов. Количественная оценка равнялась сумме баллов за

/( 2 N ) •

все N ответов: С2 = ! Я . Одновременно с вычислением текущей оценки.

1=1

~ ^ ~

формировался ненормированный рейтинг к-го ТЭД: Ик = Ик + ^ Л'( , где ■

1=1

рейтинг к-го ТЭД, накопленный за все предыдущие занятия; Nк - число блицвопросов, заданных по к-му ТЭД на текущем занятии, а также ненормированный

„ А?

рейтинг п-го вопроса в составе к-го ТЭД: Щ = Щ + ^ Л'( . Для приведения к

1=1

максимальному 100-бальному рейтингу учитывалось общее количество заданных блиц-вопросов, как по к-му ТЭД в целом, так и по п-му вопросу в его составе:

Мк=Мк+Кк и М”=М”+К:, где Мки Щ - число блиц-вопросов,

заданных за все предыдущие занятия по к-му ТЭД и его п-му вопросу, соответственно. Нормированный 100-бальный рейтинг к-го ТЭД и его п-го вопроса

вычислялся в соответствии с соотношениями: Г = 100 ^к/(2Мк) и

г" = 100ЩI(2М" ) . Общее число заданных по к-му ТЭД блиц-вопросов Мк

его нормированный рейтинг Г отображались в нижней левой таблице формы на

рис.15 в двух последних ее столбцах. Аналогичная информация по п-му вопросу в составе к-го ТЭД отображалась в последних двух столбцах нижней правой таблицы той же формы.

Оценки за выполнение практических заданий формировались при работе ученика с формой, показанной на рис.16. Выполнение тестовых и контрольных заданий технически осуществлялось отметкой чекбоксов, расположенных под соответствующими ответами и последующим нажатием кнопки «Ввод». Выполнение числовых заданий предполагало введение рационального числа в поле текстового редактирования «Ответ» с последующим нажатием кнопки «Ввод». Нажатие кнопки «Ввод» для к-го ТЭД регистрировалось, как попытка решения. Успешное решение с

первой попытки оценивалось величиной ~Ук = 2 + Ък , где Ьк -уровень сложности

задания, принимающий значение от 1 до 3. Кроме того для первой успешной попытки учитывалось время выполнения задания. Если время выполнения оказывалось меньше половинного нормы времени решения, то оценка увеличивалась

в 1,5 раза: й = 1,5 V ; если время решения превышало удвоенную норму времени решения, то оценка в 1,5 раза уменьшалась: й = V,\/1,5, в противном случае оценка оставалась неизменной Як = V. Если первая попытка оказывалась неудачной, то каждая следующая ]-я попытка решения сокращала оценку Як в соответствии с формулой: Бк = V/^ •

Для ПЭД итоговая оценка качества С вычислялась по формуле:

N / N

С= 5! -я / X V. где N - число успешных попыток. Количественная оценка, как

1=1 / 1=1

и для ТЭД, представляла сумму баллов за все удачные попытки выполнения:

и

N

С=! Я . Благодаря наличию связей между практическими и теоретическими

1 =1

элементами курса при выполнении к-го ПЭД одновременно обновлялся рейтинг связанных с ним ТЭД по описанному выше алгоритму.

При завершении занятия формировались листы домашнего задания и статистики результатов занятия, вид которых показан на рис.17-а и рис.17-б соответственно. Свободные поля в правой части листа домашних заданий служили для внесения в них ответов с целью ускорения процесса ввода результатов в форме, показанной на рис.16. Лист статистики результатов включал в себя список невыполненных домашних заданий предыдущих занятий, список теоретических элементов, имеющих наименьший рейтинг, и список новых ТЭД, изученных на текущем занятии. В нижней части располагалась сводка оценок за текущее занятие и текущих оценок за весь курс. Итоговый балл занятия представлял количественную оценку, которая определялась, как сумма баллов, набранных в течение блиц-опроса и решения практических заданий. Итоговая оценка занятия представляла 5-бальную оценку качества, которая вычислялась, как среднее арифметическое оценок за блицопрос и за решение ПЭД. Итоговый балл курса вычислялся, как сумма итоговых баллов прошедших занятий курса. Итоговая оценка курса вычислялась, как среднее арифметическое итоговых оценок прошедших занятий курса.

Стэ, «г, э.- хзз-^ае с.- :сы и цдив ас, агьного ОЗУпен ЛЯ

Танге [[с с строго угла ot ?згеп і ^ . Нс.^т:ї хсснупс того х-:= угг..

223

Кот?.:-:генс тс г|:«:«г э угла, х раз;——-і—1 . ІІг.йіи знлчениг бы з?.жгни.ч (ntj

236

З upms.jyi-j.ibH-jii JViyi'^Jbw ,-..<с (л(а) - 0,6 u up ті к аг. =а_ц и. й xl*j = i Ъ=13 . -riitiivu

eto|:»:>h клтег.

250

- эг.фик нез^с горой фунхиик б£х) им:ег вид, пскл-лнный р z іунке. ІІлрмсовл?^ ?скиі

тря jiттт -})уккг(тт»т РчтгІ 0-2

А

/о

265

^,i:: DEKoop а'О. 5). .Найти его могульпуіо формузасшия Начертить чертЕж.

270___________________________________________________________________________________________________

|ц?.:-: з=хт':*|:* 2,—I-/З : С *•. ІІлйтп ere уи эд уль и утл и, ііііїїрлїуе-ісьіе і с с ягси

тгллрцтіи я" l-f ягчтгрт-и'т'- 'тгрт-'^

274__________________________________________________________________________________________________

D-e-кіcf а л, j. с jлдлжы в ьссрутть к- -п фс р :ас |а|—2' Л] —1И°. з;-—ЯС°, э|—J 5. ^:2—45°^ S3— ее |:|—і; v| —til0, у.—30г Haimi юессгср d— 2a ЗЪ +4с, есг.(с о:еэ^зан::ие юекторы

ViUJI-JbJ-J.-JieHbl J ILBVJL'W УК.І'іЛ'1 Є.

а)

б)

Рис.17. Распечатка домашнего задания и статистика результатов занятия.

Заключение.

Несмотря на то, что система Educator воплотила многие из продекларированных выше признаков обучающих систем на основе единой базы знаний, часть из них не было реализовала, вследствие ограниченности ресурсов и возможностей автора. В первую очередь нужно отметить, что система Educator не могла поддерживать работу в глобальной сети. Во-вторых, составить полнотекстовую базу знаний удалось лишь фрагментарно для таких дисциплин, как математика, физика и информатика. Очевидно, что охватить все аспекты такой огромной задачи в инициативном проекте невозможно. Система прошла испытания практического использования при обучении учеников старших классов общеобразовательной школы, и студентов первого-второго курсов ВУЗов в течение

десяти лет и показала высокую эффективность, как при обучении учеников с критическим отставанием от школьной программы, так и учеников, способных опережать ее на один и даже на два года. Причем последнее являлось скорее правилом, чем исключением.

Данный проект позволил отработать и опробовать в действии реализацию основных функций обучающих систем на основе единой базы знаний. Полученный опыт работы с системой Educator позволяет перейти к реализации полномасштабного проекта, поддерживающего работу в сети Интернет, содержащего полную и обновляемую базу знаний по основным дисциплинам, включая не только точные, но и гуманитарные, такие как языкознание, психология, социология и т.д.

Обзор современных обучающих систем, показывает, что ни одна из них не имеет хорошо структурированной базы знаний со связями между теоретическими и практическими элементами дисциплин. Более того, наличие такой базы знаний не оговаривается в существующих стандартах на системы электронного дистанционного обучения (например, в наиболее распространенном в настоящее время стандарте SCORM), хотя большая часть задач, которые ставят перед собой эти стандарты, хорошо коррелирует со свойствами систем обучения на основе базы знаний. Это позволяет предполагать, что подобные системы могут стать полезным элементом парадигмы распределенного обучения.

Литература

1. Advanced Distributed Learning (ADL), Sharable Content Object Reference Model (SCORM®) 2004 2nd Edition Overview, 2004.

2. Богомолов В.А. Обзор бесплатных систем управления обучением// Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)» - 2007. V.10. - №3. - С.439-459. - ISSN 14364522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html