Использование интеллектуальной обучающей системы при обучении студентов информационным технологиям Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 004.9; 378

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ОБУЧАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРИ ОБУЧЕНИИ СТУДЕНТОВ ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

л о о

© П.В. Никитин1, И.А. Фоминых2 , Р.И. Горохова3

12

' Марийский государственный университет (МарГУ), 424000, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 1. 3Поволжский государственный технологический университет (ПГТУ), 424000, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3.

Описана разработанная авторами интеллектуальная обучающая система «Автоматизированная среда построения индивидуальных траекторий обучения студентов» (АСПИТС), позволяющая организовать индивидуальное обучение студентов с учетом их мотивации и способностей. Показаны возможности данной системы при обучении дисциплине «Информационные технологии», которая является базовой для студентов всех направлений. Установлено, что внедрение данной системы в процесс обучения в высших учебных заведениях положительно влияет на качество обучения студентов информационным технологиям.

Ключевые слова: интеллектуальная обучающая система; информационные технологии; автоматизация обучения; индивидуализация обучения; дифференциация обучения.

USING INTELLIGENT TRAINING SYSTEM IN TEACHING STUDENTS INFORMATION TECHNOLOGY P.V. Nikitin, I.A Fominykh, R.I. Gorokhova

Mari State University'

1 Lenin sq.' Yoshkar-Ola' Mari El Republic, 424000, Russia. Povolzhsky State Technological University, 3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, Mari El Republic, 424000, Russia.

The paper describes an intelligent training system "Automated environment for building students' individual training routes" developed by the authors. The system ensures the organization of motivation - and ability-oriented individual training of students. The capabilities of the system are shown for the case of teaching the discipli ne of "Information Technology", which is the basic one for the students of all study directions. It is found that the introduction of the developed syst em in the training process of higher education institutions has a positive effect on the quality of teaching students information technologies.

Keywords: intelligent training system; information technologies; automation of training; individualized training; differentiated training.

Информационные технологии (ИТ) активно внедряются во все сферы жизни человека, начиная от повседневных бытовых вопросов до решения серьезных высокотехнологичных производственных задач. Под информационными технологиями будем понимать совокупность средств, способов, методов автоматизированного сбора, обработки, хранения, передачи, использования, продуцирования информации для получения определенных, заведомо ожидаемых результатов [1, с. 18].

ИТ сегодня развиваются по целому ряду направлений, среди которых выделяются управленческие, технические, интеллектуальные, организационные и др. Активное внедрение и использование ИТ привели

к необходимости изучения данного направления как отдельной дисциплины в подготовке профессионалов для всех отраслей и, соответственно, включения в учебные планы всех вузов.

Дисциплина «Информационные технологии» относится к базовой части учебного цикла профессиональных дисциплин и входит в программу подготовки бакалавров и специалистов всех технических направлений (инженер-радист, программист, биотехнологии т.д.), а также в подготовку будущих учителей, экономистов, юристов и т.д. Основной целью изучения данной дисциплины является практическое освоение студентами информационных и информационно-коммуникационных технологий (и инструментальных

1 Никитин Петр Владимирович, кандидат педагогических наук, доцент кафедры математики и информатики и методики обучения математике и информатике, тел.: 89278751607, e-mail: [email protected]

Nikitin Petr, Candidate of Pedagogics, Associate Professor of the Department of Mathematics and Computer Science and Methods of Teaching Mathematics and Computer Science, tel.: 89278751607, e-mail: [email protected]

2Фоминых Ирина Анатольевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры математики и информатики и методики обучения математике и информатике, тел.: 89278751607, e-mail: [email protected]

Fominykh Irina, Candidate of Pedagogics, Associate Professor of the Department of Mathematics and Computer Science and Methods of Teaching Mathematics and Computer Science, tel.: 89278751607, e-mail: [email protected]

3Горохова Римма Ивановна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры проектирования и производства электронных вычислительных средств, тел.: 89278706171, e-mail: [email protected]

Gorokhova Rimma, Candidate of Pedagogics, Associate Professor of the Department of Design and Production of Electronic Computing Tools, tel.: 89278706171, e-mail: [email protected]

средств) для решения типовых общенаучных задач в своей профессиональной деятельности и для организации своего труда. То есть содержание данной дисциплины должно служить для изучения последующих дисциплин естественнонаучного и профессионального циклов. В частности, при подготовке будущих инженеров-конструкторов (радиотехнический факультет) можно выделить дидактические единицы (разделы) изучения, которые представлены на рис. 1.

наш взгляд, решить две задачи: методологическую и организационную.

Решением методологической задачи может быть использование дифференцированного обучения, основанного на диагностике индивидуальных особенностей студентов. В результате проведения данной диагностики студенту предлагаются задания, соответствующие его желаниям и возможностям. В частности, мы предлагаем три группы обучения:

Рис. 1. Основные направления дисциплины «Информационные технологии»

Таким образом, в рабочей программе изучения дисциплины «Информационные технологии» на радиотехническом факультете с учетом специфики подготовки направлений выделяются следующие разделы:

1. История научно-технической области «Информатика и информационные технологии».

2. Представление данных и информации.

3. Архитектура и организация ЭВМ.

4. Программные средства реализации информационных процессов.

5. Управление информацией.

6. Сети и телекоммуникации.

7. Алгоритмизация и программирование.

Каждый из перечисленных разделов имеет свои

сложности, свой подход к изучению с учетом психолого-педагогических особенностей обучаемых. Следовательно, достижение результатов образования сопряжено не только со сложностью предмета изучения, но и с индивидуальными особенностями обучаемых. Не каждый студент одновременно на высоком уровне может заниматься обработкой числовой и графической информации, программированием или построением сложных информационных систем и т.д. Поэтому для достижения качества обучения в области ИТ необходимо найти новые средства, технологии и методы обучения, которые будут повышать мотивацию студентов, а также учитывать их способности и возможности в определенных направлениях ИТ.

Для устранения данной проблемы необходимо, на

- репродуктивную (использование посильных задач);

- продуктивную (актуализация имеющихся знаний для успешного изучения нового материала, формирование способностей для самостоятельного решения «новых» задач);

- творческую (нестандартные творческие задачи, задания повышенной сложности).

Отметим, что опираясь на принцип дифференциации обучения, необходимо творчески подходить к поиску и отбору учебного материала и индивидуализировать часть учебного процесса, направленного на формирование у студентов учебных навыков и умений по тому или иному направлению ИТ. Кроме этого желательно использовать различные формы, методы и средства обучения. В частности, преподавателями кафедры математики и информатики и методики обучения математике и информатике Марийского государственного университета (МарГУ) были разработаны электронные образовательные ресурсы, позволяющие студентам изучать соответствующий материал в удобном для них стиле, темпе и форме, поскольку содержат различные формы представления информации (демонстрационные примеры, текст, аудио, видео и т.д.) [2-4].

Одним из решений организационной задачи является внедрение в учебный процесс интеллектуальных обучающих систем (ИОС), одной из приоритетных задач которых является разработка алгоритмов адаптивного обучения.

Отметим, что для реализации методологической задачи нам необходима автоматизированная интеллектуальная система обучения, которая будет направлена:

- на сбор и хранение необходимой информации в различных формах ее представления, ее оперативное обновление;

- персонализацию доступа к информации пользователями и реализацию многоуровневой системы информационной безопасности;

- диагностику индивидуальных способностей студентов;

- предоставление пользователям соответствующей информации в разных формах (текст, аудио, видео и т.д.);

- дифференцированный (промежуточный, итоговый) контроль знаний;

- администрирование системы, направленное на создание пользователями информационных ресурсов.

Наиболее удобным инструментом для разработки подобной ИОС, на наш взгляд, является использование языка серверных сценариев PHP с использование СУБД MySQL.

Реализация выдачи информации ИОС представлена на рис. 2.

Данная ИОС работает по схеме «клиент-сервер», где вся информация содержится в соответствующих таблицах базы данных. База данных АСПИТС спроектирована в СУБД MySQL 5.1.40 и состоит из 32 взаимосвязанных таблиц. Отметим, что все таблицы имеют внешние ключи (FOREIGN KEY), которые обеспечивают целостность данных. Более того, это позволяет удалять строки каскадом (ON DELETE CASCADE), вследствие чего при удалении данных одной таблицы автоматически происходит удаление связанных данных и остальных таблиц.

Особенности построения АСПИТС следующие:

- для минимизации затрат при создании дизайна ИОС, а также для уменьшения объема подгружаемых изображений использовался HTML 5 и CSS 3;

- для минимизации затрат при написании AJAX-запросов кроме языка серверных сценариев PHP 5.3.1 использовались библиотеки jQuery 1.6.1 и jQuery UI 1.8.11;

- наряду с каскадными таблицами стилей использовался динамический язык стилевой разметки Less, который расширяет CSS динамическими возможностями, такими как переменные, примеси, операции и функции;

- для регистрации несанкционированных действий

Рис. 2. Механизм выдачи информации интеллектуальных обучающих систем

Таким образом, механизм выдачи информации ИОС реализуется через следующие действия:

1. Web-браузер пользователя отправляет HTTP-запрос определенной Web-страницы.

2. Web-сервер принимает запрос, извлекает этот файл и передает на обработку механизму РНР.

3. Механизм РНР приступает к разбору сценария, начинает синтаксический анализ сценария. Сценарий содержит команду соединения с базой данных и выполнения запроса. РНР открывает соединение с MySQL-сервером и отправляет ему соответствующий запрос.

4. Сервер MySQL принимает запрос к базе данных, обрабатывает его и отправляет результат обратно механизму РНР.

5. Механизм РНР завершает выполнение сценария, что обычно включает в себя форматирование результатов запроса в HTML. После этого результат в виде HTML возвращается Web-серверу.

6. Web-сервер пересылает HTML-страницу браузеру, в котором пользователь имеет возможность просмотреть запрошенную информацию.

Для реализации описанной выше методики обучения информационным технологиям студентов в вузе авторами была разработана автоматизированная среда построения индивидуальных траекторий обучения студентов (АСПИТС) [5]._

студентов при прохождении тестирования (анкетирования) в АСПИТС включен специальный модуль защиты, который не только блокирует данные действия, но и заносит их в файл /logs/TestError.log (рис. 3);

- автоматизированная среда построения индивидуальных траекторий обучения студентов может быть запущена как в сети, так и в локальном варианте.

Пройдя процесс авторизации, функционал системы обеспечивает пользователю возможность идентифицироваться со своими разрешениями.

Преподавателю среда позволяет автоматизировать процессы подачи материала (различных видов информации), контролировать результаты учебной деятельности, тестирования, анкетирования, а также генерировать задания в зависимости от индивидуальных (интеллектуально-психологических) показателей конкретного студента. С целью удобства размещения информации в системе для преподавателей создан специальный раздел администрирования в виде WebOS с элементами управления, которые представляют собой отдельные модули (рис. 4). В нем автори-зированный преподаватель может:

1) проводить диагностику студентов, создавая вопросы, используя собственную шкалу измерения (модуль «Анкетирование»). При этом все результаты размещаются в базе данных, что позволяет преподавателю проводить анализ результатов исследований.

Отметим, что в данный модуль также включено приложение «Автоматизированная система анализа результатов психолого-педагогических исследований» [6], которое позволяет преподавателям делать определенные выводы по своему исследованию (проверка гипотезы), не вникая в математическую статистику;

2) создавать учебно-методический комплекс по определенным дисциплинам (модуль «Управление предметами»), в частности дисциплины «Информационные технологии». В данном модуле преподаватель создает главы (подглавы) дисциплины, загружает теоретический материал к каждой главе в различных формах представления, нажав на соответствующую ссылку (название главы), а так же может редактировать и удалять загруженную им информацию. Отметим, что преподаватель имеет доступ только к своим материалам;

3) создавать дифференцированные вопросы как промежуточного, так и итогового тестирования. Задания разделяются на три группы (задания с закрытой формой ответа (часть А), открытой формой (часть В) и развернутой (часть С)), при этом каждый из вопросов имеет свой уровень сложности в зависимости от интеллектуальных способностей обучаемых. В системе

предусмотрено три уровня сложности: уровень 1 (допустимый), уровень 2 (оптимальный), уровень 3 (продвинутый) (рис. 5). Отметим, что в данном модуле преподаватель может не только создавать (прописывать) новые вопросы тестирования, но и выбирать их из уже созданных;

4) контролировать способы выдачи вопросов тестирования (модуль «Управление тестами»). В данном модуле преподаватель контролирует количество выдаваемых вопросов, их перемешивание, выставляет время на выполнения, а также дату последнего срока сдачи. Кроме того, в данном модуле преподаватель может подключить и администрировать систему «Тренажер», основные возможности которой будут описаны ниже;

5) просматривать результаты контроля знаний студентов, а также выставлять им баллы за лабораторные работы (задания части С) (модуль «Результаты тестирования»). Все результаты (как отдельного студента, так и группы в целом) выводятся в виде соответствующих таблиц по различным частям теста. Для части С выводятся поля для ввода преподавателем баллов за выполнение лабораторной работы и для методических рекомендаций (рис. 6).

If] TestError.log

14.04.2013 09:19:18 Пользователь >> Иванов Альберт внешнее сообщение >> неизвестный параметр

внутреннее сообщение » попытка получить результат тестирования cid которого нет в системе

14.04.2013 09:19:45

пользователь >> Герасимова Анастасия

внешнее сообщение » ошибка полумения данных

внутреннее сообщение >> попытка пользователя получить чужие результаты тестирования или получены неверные данные

14.04.2013 09:23:31

пользователь » Брекоткин Андрей

внешнее сообщение >> ошибка получения данных

внутреннее сообщение >> попытка пользователя получить чужие результаты тестирования или получены неверные данные

15.04.2013 10:36:25 пользователь >> Киселев Сергей внешнее сообщение >> доступ запрещен

внутреннее сообщение >> попытка пользователя с idll4 получить результат пользователя с idllO 15.04.2013 14:13:34

пользователь >> огородников Ростислав внешнее сообщение >> получен не верный параметр

внутреннее сообщение >> передан неверный ответ (23), попытка внести неверный ответ

Рис. 3. Основные несанкционированные действия, заносящиеся в файл /logs/TestError.log

<¿> Ä L &

U

kzr%*4<т pupee***

vx-ev*-*«

•*<e*tM

□

Упраии»иие предметами

Ц_I

О Добмть "«V Главы дисциплины ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Название Дата сдачи Вопросы главы Действия

Информатика и ИТ две ИХ

Представление информации г ПВСЧЛС( В & В £ U.X

> 1 -

Архитектура ЭВМ i • 1 t i I « ю и и ц и а и а в с их

Управление информацией ir i« и » a а о к л a i' 1 я & в с их

Сети и телекоммуникации >■ ABC их

ШЯШШЯШЯШЯШШЮ

рис.^Администрирование^АСПИТС^

Главы

ii Добавить вопрос ч Найти вопрос

_Вопросы главы ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Id Заголовок Уровень Действия

35 Какой графический формат удобнее испол 1 » >>Х

37 С каким из видеоредактором можно работа 1 - SY

36 Возможно ли установить программу обрабо 2 - SY

34 Вам необходимо создать отчет о прохожден 3 - sy-

40 Необходимо разместить в сети интернет ви 3 - st

Рис. 5. Модуль дифференцирования вопросов тестирования АСПИТС

пользователи Навигация параметры

1 ФМФ ИП-16 | Информационные технологии - Первые результаты группы по тесту •

1 Литвиненко Мария | Представление информации j_»J

12014 [в]

| деловая информация

Результаты тестирования по теме "Ч<слоеая информация* раздела "Представление информаци* группы ФМФ ИП-16

ФИО Часть А Часть В Часть С

Верных Всего Верных Всего Верных Всего

Антипина Кристина 14 14 8 8 4 4

Киррилова Вероника 13 14 8 8 4 4

Литвиненко Мария 14 14 8 8 4 4

Рис. 6. Модуль «Результаты тестирования»

Следует отметить, что в левом верхнем углу таблицы располагаются иконки построения диаграммы по данным таблицы и экспорта их в формат XLS. При этом система упаковывает эти результаты в бинарный файл и предоставляет возможность для его скачивания. В данном модуле содержится также модуль «Представление результатов», который служит для наглядного представления результатов тестирования, с этой целью в АСПИТС импортирован плагин DDChart. При включении в окно загружается сам плагин и выполняется запрос к модулю «Результаты тестирования». После получения необходимых данных, происходит построение диаграммы, на вертикальной шкале которой отображаются проценты правильных ответов.

Рассмотрим работу АСПИТС при изучении студентами дисциплины «Информационные технологии».

После прохождения авторизации пользователя «студент» происходит персонализация его профиля. Доступными для него будут следующие модули: «Система анкетирования», «Учебные материалы», «Тестирование», «Результаты». Как отмечалось выше, преподаватель составляет основные главы дисциплины и разбивает их на разделы. В частности, глава «Представление данных и информации» разбивается на следующие разделы: «Информация и ее представление в ПК», «Текстовая информация», «Числовая информация», «Графическая информация», «Звуковая информация». Каждый из разделов изучается по следующему алгоритму: изучение теоретического материала (представление, кодирование информации, основное программное обеспечения обработки, ос-

новные форматы и т.п.), сдача промежуточного тестирования, выполнение лабораторных работ, сдача итогового тестирования по разделу.

Зайдя в АСПИТС, студенту предлагается пройти тестирование (анкетирование) на определение его начальных знаний по соответствующему разделу дисциплины, определения его уровней мотивации и потенциальных возможностей, которые будут учитываться при выдаче вопросов тестирования, лабораторных работ и учебного материала.

Зайдя в модуль «Учебные материалы», студент получает доступ к учебной информации в различных формах представления - текст, видео, демонстрационные примеры и т.д. Отметим, что студент не получит доступ к учебной информации следующей главы, если он не пройдет итоговое тестирование по материалам предыдущей.

После изучения теоретического материала обучаемому в модуле «Тестирование» будут доступны вопросы тестирования по соответствующим главам, также будут указаны сроки сдачи (рис. 7). При выборе соответствующего раздела студенту предлагаются вопросы на знание теоретического материала с закрытой формой ответа (часть А), открытой формой (часть В), а также лабораторные работы (часть С). При этом система будет выдавать студенту лабораторные работы (часть С), соответствующие его уровню знаний, желаний и возможностей (допустимый, оптимальный, продвинутый), а задания части А и В -по особому алгоритму, разработанному авторами статьи [7].

ma SM ал система апиет^жла^ш учебные материалы тестирование результаты

Информационные технологии » Представление информации

Информация и ее представление в ПК Текстовая информация Числовая информация Графическая информация Звуковая информация Итоговое тестирование по разделу

сдано сдано

сдать до 20.10 2014 сдать до 08.11.2014 сдать до 20.11.2014

Рис. 7. Система тестирования АСПИТС

Переход к изучению следующего раздела дисциплины возможен только при сдаче итогового контроля по предыдущему разделу, причем, если студент не может пройти тестирование по своему уровню, то АС-ПИТС понижает уровень вопросов тестирования, если же студент многократно не может сдать тестирование минимального уровня, то система осуществляет переход на модуль «Тренажер». Данный модуль (при правильном администрировании преподавателем) дает студентам возможность получать необходимые теоретические сведения, разъяснения к тестовым заданиям, а также просматривать практические примеры [8].

Студентам доступен модуль «Результаты», где они могут просматривать не только результаты тестирования (промежуточного и итогового), но и ошибки, допущенные ими при сдаче части А и В, и методические рекомендации преподавателя при сдаче лабораторных работ (часть С).

В настоящее время АСПИТС внедрена в систему обучения студентов на радиотехническом факультете ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный техноло-

гический университет», на физико-математическом факультете и в Институте психологии и педагогики ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет». Результаты констатирующего эксперимента (наблюдение, беседа, анкетирование студентов, анализ учебной деятельности) показывают положительное влияние данной методики на мотивацию изучения студентами информационных технологий, а также на повышение качества обучения дисциплине «Информационные технологии». Следовательно, описанная выше методическая система обучения по дисциплине «Информационные технологии» с применением АС-ПИТС предоставляет преподавателям возможность создания гибкой структуры управления учебно-познавательной деятельности студентов и осуществления личностно-ориентированного подхода. Педагог может не только наблюдать за процессом развития знаний и умений обучаемых в области ИТ, но и отслеживать динамику этого процесса.

Статья поступила 26.01.2015 г.

Библиографический список

1. Панюкова С.В. Использование информационных и коммуникационных технологий в образовании: учеб. пособие для студ. вузов. М.: ИД «Академия», 2010. 224 с.

2. Мультимедийный учебник «Мультимедийные технологии в ОС Windows и OC LINUX»: информационный образовательный ресурс локального доступа / П.В. Никитин, Р.И. Горохова, Л.В. Зонова, Е.А. Косарева. Св-во о регистрации электронного ресурса № 16396 от 17.11.2010 г. Инв. номер ВНТИЦ 50201050165 от 19.07.2010.

3. Электронное учебное пособие «Основные возможности векторного редактора Inkscape»: информационный образовательный ресурс локального доступа / М.В. Казакова, П.В. Никитин, А.И. Мельникова, Р.И. Горохова. Св-во о регистрации электронного ресурса № 19206 от 20.05.2013 г. Инв. номер ВНТИЦ 50201350507 от 28.05.2013.

4. Электронное учебно-методическое пособие «Web-технологии: от теории до практики»: информационный образовательный ресурс локального доступа / А.С. Подыганов, П.В. Никитин. Св-во о регистрации электронного ресурса № 20658 от 10.12.2014 г.

5. Автоматизированная среда построения индивидуальных траекторий обучения студентов / П.В. Никитин, Р.И. Горохо-

ва. Св-во о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013661179; правообладатель ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет». РОСПАТЕНТ. 27.01.2014.

6. Горохова Р.И., Никитин П.В. Возможности современных информационных технологий в педагогических исследованиях // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society): междунар. электронный журнал. 2012. Т. 15. № 2. С. 317-337 [Электронный ресурс]. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

7. Никитин П.В. Организация индивидуального обучения будущих учителей информатики с применением современных информационных технологий // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society): меж-дунар. электронный журнал. 2014. Т. 17. № 3. С. 569-583 [Электронный ресурс]. URL: http://ifets.ieee.org/rus-sian/periodical/journal.html

8. Интернет-тренажер - средство и метод контроля знаний учащихся: информационный образовательный ресурс локального доступа / П.В. Никитин, А.С. Брекоткин. Св-во о регистрации электронного ресурса № 16017 от 19.07.2010 г. Инв. номер ВНТИЦ 50201050098 от 19.07.2010.