CC BY
103
ложения научных разработок ученых вуза, рынков сбыта его наукоемкой продукции с использованием информационных технологий, а следовательно, повышать конкурентоспособность научных продуктов вуза. В сфере международной деятельности вуза отдел должен помогать анализировать географию научно-образовательных контактов вуза, продвигать его образовательные услуги и наукоемкую продукцию на мировой рынок. В сфере связей с общественностью отдел маркетинга в сотрудничестве с пресс-центром должен проводить активную PR-политику по привлечению спонсоров и арендаторов (с учетом возможностей вуза по предоставлению площадей в аренду), укреплять связи вуза с предприятиями и государственными структурами на территории его влияния.
Выпускники вуза сталкиваются с непростой ситуацией на рынке труда в пределах территории влияния вуза и за ее пределами. Это побуждает включить в состав функций отдела маркетинга отслеживание действий вузов-конкурентов на всех рынках по видам деятельности вуза (образовательная, научная и т.п.), а также разработку мер по
увеличению территории его влияния на основе анализа собранной информации.
Следующая основная функция отдела маркетинга - сбор, обработка и представление информации об объектах изучения: рынке труда на территории влияния вуза, социальном составе, намерениях и платежеспособности потенциальных абитуриентов вуза, потребностях территории в продуктах научной и научно-производственной деятельности вуза и т.п.
Все эти мероприятия позволят вузу более грамотно и эффективно выстраивать как тактическую, так и стратегическую политику в отношении конкурентов и потенциальных потребителей образовательных услуг, уменьшить величину конкурентных рисков, позволить вузу и всей системе высшего образования в целом сэкономить достаточно солидные (в том числе государственные) средства и т.д. Стратегические маркетинговые исследования существенным образом скорректируют планируемые цены на образовательные услуги вуза, его научную и другую деятельность, исходя из реальных затрат на оказание этих услуг, а также спроса на них.
А. БОЛЬШАКОВ, профессор декан факультета электронной техники и приборостроения
Обучение является одним из видов интеллектуальной деятельности и неотъемлемым атрибутом организационнотехнических и организационных систем. Этот тезис позволяет ставить задачу создания автоматизированных обучающих систем (АОС), которые являются мощным средством активизации и персонификации обучения, а также повышения его эффективности.
Интеллектуальные автоматизированные обучающие системы: методология создания
Анализ обучения как объекта управления
Рассмотрим обучение студента(ов) как объект управления. При этом под обучением будем понимать процесс приобретения или восстановления определенных знаний и умений, который может быть подвергнут анализу с позиций классической теории автоматического управления [1]-
Объект управления (обучения) характеризуется изменчивостью структуры. К примеру, можно говорить об обучении одного студента при дистанционном обучении или репетиторстве; об обучении в малых группах по 2-5 человек, что типично для подготовки без отрыва от производства; об обучении в традиционных группах по 20-25 человек, которое практикуется в вузах.
Поведение объекта управления зависит от вектора входных координат X, основные измеряемые или определяемые компоненты которого представляют собой начальные или входные знания (умения, навыки), психофизиологические характеристики (ПФХ) [2], установку на обучение. Входные координаты определяются (измеряются) с помощью процедур тестирования, анкетирования, собеседования, визуального наблюдения. Результаты измерения могут носить как количественный, так и качественный характер.
В общем случае количество ПФХ студента достаточно велико. Например, по наиболее информативному каналу вос-
приятия информации различают «логиков», «аудиалов»,«кинетиков», «визуа-лов»; по скорости принятия решения -«рефлексивный» и «импульсивный» типы и т.д.
Контролируемый процесс обучения студента характеризуется вектором выходных координат Y, основными компонентами которого являются уровень приобретенных знаний, умений, навыков и др. Выходные координаты определяются с помощью зачетов, экзаменов, тестирования, компьютерного контроля и других процедур.
Преподаватель является основным звеном, обеспечивающим организацию обратной связи в процессе обучения. Для усиления и реализации этой связи, повышения ее динамичности он использует такие «исполнительные органы» и управляющие воздействия на обучение, как определенные методики обучения, разнообразные технические средства (ТСО). Таким образом, вектор управляющих воздействий характеризует возможности преподавателя с точки зрения методик обучения.
Постановка задач управления обучением
При автоматизации обучения могут преследоваться различные цели, такие как, например, сокращение времени обучения, максимизация уровня знаний, уменьшение стоимости обучения, снижение скорости забывания знаний (умений) и др. В общем случае «целевая функция обучения» является векторным понятием, а степень достижения цели характеризуется набором критериев и требует решения многокритериальной оптимизационной задачи, или скалярной задачи оптимизации на условный экстремум.
Особенностью этих задач является отсутствие в явной, математической форме модели обучаемого, специфический вид управляющих воздействий и ряд других характеристик [3].
Синтез автоматизированных комбинированных обучающих систем
Для учета свойств объекта управления и реализации универсальной комбинированной процедуры автором предлагается структура автоматизированной обучающей системы (АОС). Рассмотрим особенности ее функционирования.
При синтезе управления наиболее важными являются частота обучения и контроля знаний (навыков), метод подачи материала (равномерный, неравномерный), тип используемых ТСО. ТСО применяются для представления информации, моделирования ситуаций и должны отвечать типу преимущественного канала восприятия информации. Следующими аспектами методики являются: динамика сложности материала (линейно-возрастающая, постоянная, нелинейная), вид когнитивного подхода(индук-тивный и дедуктивный) и др.
Вектор координат Z представляет собой некоторые установки, которые приняты преподавателем перед началом обучения, например изучаемая дисциплина, объем лекционных часов, рабочая программа дисциплины и т.п.
При организации учебных занятий приходится учитывать вектор возмущающих воздействий W, к которому относятся, например, длительность, условия (комфортность помещения, время дня проведения занятий) и т.п.
Интеллектуальные АОС, в отличие от традиционных систем обучения, позволяют использовать различные методики, а также достаточно быстро выбирать наиболее подходящую. Поэтому с помощью такой системы достигается широта использования знаний разных преподавателей. Для этого в состав ТСО включена экспертная система (ЭС).
В интеллектуальной АОС орган управления функционирует по двухканальной схеме.
Первый канал реализует прямую связь и образуется цепочкой: идентификация
ПФХ, входной контроль знаний - ЭС -методика обучения - студент. Таким образом формируется управление по возмущению, благодаря которому орган управления выбирает методики обучения, основанные на знаниях координат входного вектора X.
Экспертная обучающая система содержит базу данных, в которой хранится информация о результатах идентификации ПФХ, входного контроля знаний. Кроме этого, ЭС включает в себя базу знаний, необходимую для выбора управляющих воздействий (методик). Для задания знаний используются так называемые модели их представления. В разработанной нами комбинированной АОС на первом этапе функционирования применяются продукционные модели. Выбор данного типа модели обусловлен простотой манипулирования знаниями (добавление, обновление, удаление), а также наличием эффективного механизма получения новых знаний с различной схемой аргументации. Продукции задаются правилами вида: «ЕСЛИ тип мышления - дедуктивный, ТО материал излагается в форме от общего к частному» или «ЕСЛИ студент - рефлексивный, ТО при проведении занятий необходимо ограничение по времени».
Преподаватель контролирует справедливость рекомендаций ЭС, при необходимости проверяет правильность логических выводов.
Второй канал органа управления реализует обратную связь и образуется следующей последовательностью: выходной контроль знаний - преподаватель - задачи, ТСО - студент. Дополнительные знания по выходному контролю поступают и хранятся в базе данных системы, отображаются учителю и влияют на выбор задач. Таким образом, данный канал формирует управление по отклонению, благодаря которому преподаватель (возможно, совместно с ЭС) определяет сложность и конкретный вид задач студенту. Работа этого канала обрат-
ной связи близка к пропорциональному закону регулирования: чем лучше знания на выходе, тем более сложные задаются студенту задачи.
Таким образом, особенностью предложенной системы обучения является то, что она использует известные характеристики объекта управления (студента) и базируется на знаниях. При этом здесь нетрудно провести аналогию с комбинированным управлением по возмущению и отклонению для автоматических систем регулирования.
Преподаватель в АОС является источником управляющих воздействий, реализуемых непосредственно или с помощью технических средств обучения. По мере накопления знаний о необходимых методиках обучения осуществляется их формализация методами искусственного интеллекта в рамках ЭС. При этом достигается выбор стиля обучения, наиболее точно соответствующего особенностям обучаемого.
Определение психофизиологических характеристик студентов
Эффективность процесса обучения как вида интеллектуальной деятельности зависит от многих факторов, в особенности от так называемых психофизиологических характеристик (ПФХ) обучаемого человека. К их числу относят, в частности, способ мышления, тип восприятия информации, влияние временного фактора на принятие решения и ряд других. Знание таких ПФХ позволяет, как показывают исследования, заметно сократить продолжительность обучения и/или повысить его качество.
Поэтому возни-
кает необходимость выявления, определения значений и формального описания ПФХ, наиболее существенно влияющих на процессы обучения и работу студента.
В общем случае количество ПФХ человека достаточно велико. Поэтому при обучении с учетом психофизиологических характеристик обычно необходимо решать следующие задачи:
1) предварительный анализ(эксперти-за) характеристик;
2) выявление значимых характеристик;
3) классификация студентов.
Многообразие характеристик влечет
необходимость выявления наиболее значимых, которые оказывают существенное влияние на обучение в некоторой заданной предметной области, в частности на критерий качества обучения. Один из способов решения этой задачи заключается в следующем.
Вначале ЛПР-психолог формирует по возможности полное признаковое пространство ПФХ. Для этого используются методы интервью, визуальные наблюдения за деятельностью студента. Затем на основе экспертизы производится предварительное исключение малозначимых характеристик. Экспертизу осуществляют привлеченные высококвалифицированные специалисты и/или профессиональные преподаватели в выбранной предметной области.
Далее эти эксперты выполняют поиск наиболее информативных (значимых) характеристик. Для согласования результатов работы независимых экспертов применяется метод экспертных оценок.
На этапе выявления значимых ПФХ эксперты разрабатывают специальные анкеты, которые содержат прямые или косвенные вопросы. Полученные ответы позволяют установить степень принадлежности анкетируемого к тому или иному классу студентов с точки зрения ПФХ, а также наличие или отсутствие определенных качеств.
Анкетирование студентов является достаточно трудоемкой процедурой, а «ручная» обработка результатов опроса нередко сопровождается ошибками. Поэтому для повышения достоверности результатов, уменьшения вероятности ошибок, предоставления возможностей для последующего более сложного анализа разработана специальная программа Testasp.
Реализация интеллектуальной автоматизированной обучающей системы
Рассмотрим результаты использования разработанной авторами АОС в учебном процессе.
Особенностью системы является инвариантность к предметной области: база знаний может быть заполнена учебным материалом по любой дисциплине.
В процессе организации автоматизированного обучения используются три основных элемента: эксперты, экспертная система и обучаемый (студент).
Группа «эксперты», в которую входят преподаватель-предметник и специалисты по психологии и педагогике, предназначена для предоставления экспертной системе (ЭС) всей информации, необходимой для проведения процесса обучения.
Преподаватель наполняет систему знаниями о предметной области (ПО), а также формализует методику определения текущего уровня знаний объекта обучения. Эксперт-психолог формулирует методику
выявления особенностей восприятия обучаемым предлагаемой информации с помощью определения его психофизиологических характеристик. ПФХ связаны с доминирующими каналами восприятия информации обучаемым (аудио- или видеоинформация, графическая или текстовая информация), представляя собой своеобразный фильтр информации, индивидуальный для каждого отдельного человека. Все эксперты выступают как информаторы, которые излагают свои знания или опыт, не обязательно располагая продуманной стратегией обучения или знаниями об устройстве и функционировании самой ЭС. Предоставленные экспертами знания формализуются и записываются в базу данных (БД).
Таким образом, ЭС в структуре процесса автоматического обучения рассматривается как система, состоящая из трех основных подсистем: блока определения индивидуальных характеристик, блока определения текущего уровня знаний и блока предоставления знаний.
На первом этапе процесса обучения определяется начальное состояние обучаемого. Блок определения индивидуальных характеристик (БОХ) проводит психологическое тестирование объекта обучения с целью определения индивидуальных ПФХ. Эта информация сохраняется в БД для последующего использования при формировании методики обучения для данного человека.
Блок определения уровня знаний обучаемого (БОЗ) осуществляет предварительный опрос объекта обучения по разделам предметной области, в ходе диалога решая задачу диагностики. Анализ полученных ответов позволяет ЭС сформировать картину состояния объекта и подготовить информацию для модуля планирования и отладки.
Проанализировав результаты ответов обучаемого, блок предоставления знаний (БПЗ) модуля планирования и отладки ЭС формирует индивидуальную методику обучения для данного человека. Условно объект обучения можно представить дву-
мя блоками: интерпретации информации и памяти.
Блок определения характеристик ЭС учитывает это свойство объекта обучения и передает эти сведения БПЗ. Выходная информация, сформированная БПЗ с учетом ПФХ, поступает к обучаемому. Выходные знания представляют собой информацию по предметной области, которую объект обучения способен предоставить на текущий момент времени. Уровень знаний объекта обучения повторно анализируется ЭС, и если он не соответствует установленным критериям, проводится повторное обучение для восстановления недостающей или потерянной информации.
Весь процесс обучения контролируется экспертом по предметной области (преподавателем), который при необходимости может внести коррективы в БЗ экспертной системы.
Данная система применялась авторами в течение учебного года при проведении занятий по программированию [4] . Были выделены две группы студентов: первая обучалась по традиционной методике, вторая - с использованием автоматизированной обучающей системы. Целью обучения являлось достижение максимального уровня знаний при заданном времени обучения. Уровень выходных знаний определялся на итоговом экзамене.
Результаты входного и выходного контроля знаний и их анализ позволяют сделать вывод об эффективности АОС, так как «прирост» уровня знаний составил 25,3%, тогда как для традиционной методики он равен лишь 15,3%. Кроме того, использование автоматизированного обучения снизило «разброс» в уровне знаний на 35,6%, тогда как при традиционной методике этот показатель равен 13,5%.
Подведем итоги. Обучение рассмотрено как управляемый процесс, проанализированы особенности этого объекта управления и подходы к его автоматизации. С этой целью формализовано понятие «студент» с точки
зрения теории управления, сформулированы и решены задачи оптимизации управления обучением по различным критериям (на быстродействие, максимизацию знаний, экономичность). При этом для учета индивидуальных особенностей студентов предложено использовать их психофизиологические характеристики (наиболее информативный канал восприятия информации).
Для учета свойств объекта управления (студента)и реализации универсальной комбинированной процедуры предлагается структура интеллектуальной автоматизированной обучающей системы. Её особенностями являются: всестороннее использование принципа управленческой универсальности; выбор управляющих методик обучения; различные модели представления знаний и механизмы логического и процедурного вывода. Разработана рекурсивная процедура синтеза управления в комбинированной обучающей системе.
Реализация разработанной интеллектуальной автоматизированной обучающей системы в вузах показала ее эффективность по сравнению с традиционными методиками. Так, при изучении курса программирования с помощью ИАОС значительно снизился «разброс» в уровне знаний и повысился их уровень.
Литература
1. Большаков А.А. Автоматизированное обу-
чение студентов // Вестник ТГТУ. - 1999.
- Т. 5. - № 2.
2. Большаков А.А., Шатохин В.В. Иденти-
фикация психофизиологических характеристик операторов // Вестник ТГТУ. -1999. - Т. 5. - № 3.
3. Большаков А.А. Синтез интеллектуальных
организационно-технических систем управления // Вестник ТГТУ. - 2004. - Т. 10.
- № 4а.
4. Большаков А. А., Шатохин В.В. Синтез
автоматизированных комбинированных обучающих систем // Системы управления и информационные технологии. -2004. - № 4(16).
