Методологические проблемы автоматизированного формирования образовательных программ в рамках ФГОС ВПО

Рассмотрены методологические проблемы автоматизации проектирования учебных планов и формирования индивидуальных траекторий обучения в рамках ФГОС ВПО.

Введение

В Институте космических и информационных технологий (ИКИТ) под руководством его директора д-ра техн. наук, профессора Г.М.Цибульского разрабатывается и реализуется система автоматизированного управления учебным процессом на основе концепции электронного университета. Эта система включает подсистемы: обучения на основе интерактивных курсов, текущего непрерывного контроля на основе тестирования и экспертного оценивания, автоматизированного формирования распорядительных документов, оценки качества учебных материалов для их последующего совершенствования авторскими коллективами. В настоящее время получены первые результаты опытной эксплуатации системы, производится их осмысление, намечаются пути дальнейшего развития. Интерактивные курсы, включённые в систему на данном этапе,

разработаны в рамках государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования второго поколения (ГОСВПО). Представляет интерес оценить перспективность применения рассматриваемой концепции для федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования третьего поколения (ФГОСВПО) с учётом их особенностей и отличий от ГОСВПО. Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена, в том числе, формированием новых основных образовательных программ (ООП) и целесообразностью учёта при этом возможностей и ограничений электронных образовательных ресурсов.

Проблематика организации учебного процесса по ФГОС ВПО

Можно выделить следующие особенности ФГОСВПО, связанные с рассматриваемой тематикой применения электронных интерактивных курсов в образовательном процессе.

В каждом новом стандарте имеется положение о необходимости использования интерактивных форм обучения — как правило, не менее 20% аудиторного времени для учебной дисциплины [1]. Сюда входят и интерактивные электронные курсы, наряду с деловыми и ролевыми играми, тренингами и др. [2]. Это позволяет говорить не только о возможности, но и об обязательности использования современных информационных технологий для создания интерактивных курсов.

Интерактивные электронные курсы отличаются тем, что создают техническую основу автоматизации всех сторон учебного процесса — как на стадии его реализации, так и на стадии его проектирования. Под проектированием учебного процесса можно понимать разработку учебного плана с увязкой учебных дисциплин на основе распределения между ними изучаемых дидактических единиц (ДЕ), выстраивания соответствующей последовательности дисциплин, учёта количественных параметров в соответствии с требованиями стандартов (зачётных единиц, общих и аудиторных часов, часов в неделю), видов занятий и характеристик контрольно-измерительных материалов. Корректность разработки учебного процесса в значительной степени определяет принципиальную возможность достижения заданного качества обучения по соответствующей ООП.

Как правило, проектирование учебного процесса осуществляется вручную, что для опытных заведующих кафедрами не представляет существенных сложностей. Но так было до настоящего времени в рамках существовавшей ранее парадигмы высшего образования. Внедрение ФГОСВПО изменяет эту парадигму:

- увеличивается число учебных дисциплин, вводимых по решению вуза (кафедры, факультета, института) до 50% от их общего объёма;

- в рамках направлений подготовки бакалавриата вводятся профили (по аналогии со специальностями специалитета);

- в рамках каждого профиля предполагается не менее 1/3 объёма

вариативных дисциплин делать дисциплинами по выбору (одна дисциплина из двух, одна из трёх, две из четырёх и т. д.);

- студентам предоставляется право (а вузы обязываются обеспечить это право) формировать собственные индивидуальные образовательные траектории;

- для получения диплома о высшем образовании студент обязан набрать в рамках соответствующего профиля или направления подготовки определённое количество зачётных единиц (например, для бакалавров — не менее 240);

- студенту должна быть обеспечена возможность сравнительно просто изменять профиль обучения в рамках направления подготовки;

- учебные планы должны обновляться ежегодно, если это необходимо, в соответствии с развитием новых областей знания, что означает, в частности, изменение содержания учебных дисциплин (уточнение состава дидактических единиц), замену части из них другими, изменение последовательности изучения, переработку контрольно-измерительных материалов.

Всё это приводит ко многим проблемам, среди которых можно выделить следующие:

1. Количество учебных дисциплин по сравнению с предыдущим ГОСВПО увеличивается, хотя в каждый момент времени активно может использоваться их меньшее количество — в соответствии с выбором студентов.

2. Усложняется увязка учебных дисциплин между собой ввиду того, что некоторые из них должны являться исходными не для одной последующей дисциплины, а, возможно, для нескольких. В то же время, не одна а, возможно, несколько учебных дисциплин могут иметь одну и ту же последующую дисциплину.

3. Учебные дисциплины базовой части могут менять своё содержание (состав дидактических единиц), но сохраняют название и направленность, заданные в соответствующем стандарте. Учебные дисциплины вариативной части могут меняться полностью — по названию, содержанию, составу ДЕ.

4. Изменение учебных дисциплин в ООП одного профиля может затронуть ООП связанных с ним других профилей (в первую очередь, того же направления подготовки).

5. Выбор индивидуальной образовательной траектории с учётом взаимосвязанности учебных дисциплин и их количественных параметров представляет большую сложность не только для студентов, но и для консультантов (которые также предусматриваются новой парадигмой образовательного процесса).

6. Изменение учебных дисциплин может происходить после выбора студентом индивидуальной образовательной траектории. При этом могут исчезать те учебные дисциплины, которые были ранее запланированы, и

появляться новые с новым содержанием и новыми количественными параметрами.

Таким образом, в перспективе учебные планы и индивидуальные учебные траектории студентов будут формироваться динамически и переформировываться каждый год. Очевидно, что выполнение такой работы вручную представляет уже значительные сложности и может приводить к ошибкам, среди которых:

- нарушение правильной последовательности учебных дисциплин;

- "потеря" ДЕ, которые могут быть убраны вместе с исключаемой учебной дисциплиной, но не введены в другие;

- нарушение индивидуальных образовательных траекторий (в том числе по количеству набранных зачётных единиц), особенно в их заключительной фазе, когда исправить ситуацию изменением изучаемых дисциплин становится затруднительно или невозможно.

Одним из путей решения проблемы повышения оперативности и точности формирования учебных планов является использование средств автоматизации проектирования применительно к организационному объекту, каковым является учебный процесс.

Методы и средства автоматизации проектирования учебного процесса.

Организационные объекты, к которым относится учебный процесс, не имеют традиционного математического описания в форме алгебраических, логических или дифференциальных уравнений и поэтому сравнительно сложно поддаются анализу и тем более — синтезу. Но в данном случае можно выбрать способы математического описания для построения адекватных математических моделей, на основе которых можно осуществлять автоматизированное проектирование учебного процесса.

На входе любой учебной дисциплины имеется набор ДЕ (тезаурус обучаемого), знание которых необходимо для усвоения новых ДЕ, которые формируются на выходе этой дисциплины в процессе обучения. Между входным и выходным наборами ДЕ появляется совокупность промежуточных ДЕ, необходимых для постепенного перехода от входных массивов ДЕ к выходным. На выходе всего учебного процесса присутствуют приведённые в образовательных стандартах выходные компетенции, которые можно представить как группы отдельных ДЕ, освоение которых и приводит к овладению соответствующей компетенцией (возможно, что некоторые ДЕ входят в разные компетенции). Таким образом, входные ДЕ постепенно продвигаются по учебному процессу, к ним добавляются новые ДЕ, и в конце процесса они распределяются между компетенциями.

Дидактические единицы представляют собой элементы знаний, умений и навыков.

Для изучения ДЕ используются образовательные технологии, элементами которых являются определённые части учебного процесса: в

ходе продвижения по учебному процессу элементарные ДЕ объединяются в укрупнённые, объединение которых порождает образовательные модули, из которых строятся учебные дисциплины, совокупность которых порождает циклы дисциплин.

Образовательный процесс протекает во времени и занимает соответствующие периоды: занятие, неделя, семестр, год, всё время обучения (для бакалавриата 4 года).

Как и во всякой системе управления, в данном случае могут решаться два типа задач — анализа и синтеза.

Задача анализа сводится к тому, чтобы определить свойства системы обучения с разных точек зрения:

- какие ДЕ будут изучены;

- за какое время будет освоена определённая часть учебной программы (элементарная ДЕ, укрупнённая ДЕ, модуль, дисциплина, вся программа);

- последовательность изучения ДЕ во времени;

- повторяемость ДЕ в качестве входных, выходных и промежуточных;

- какие именно ДЕ достигнут выхода всей образовательной программы и войдут в выходные компетенции.

Определив указанные выше показатели, можно сравнить их с заданными и установить, соответствует ли рассматриваемая ООП существующим требованиям, например:

- укладываются ли все изучаемые ДЕ в заданные временные рамки;

- какие именно ДЕ не уложились в выделенное для их изучения время

и др.

По результатам этого анализа можно принимать соответствующие решения по наполнению учебных дисциплин дидактическими единицами, распределению их во времени и т.д. Таким образом, автоматический анализ помогает ручному проектированию ООП.

Мы можем сказать, что не трудно отследить траектории перехода ДЕ сквозь последовательность учебных дисциплин от первого семестра к последнему по уже готовому учебному плану. При этом можно анализировать учебный план со следующих точек зрения:

- нарушение последовательности изучения ДЕ — когда для изучения ДЕ в рамках одной дисциплины требуются исходные ДЕ, изучаемые в последующих учебных дисциплинах ("порочные круги");

- многократное изучение — изучение одних и тех же ДЕ в различных учебных дисциплинах;

- оценка значимости ДЕ — например, по числу использований конкретных ДЕ для изучения других ДЕ.

Возможны постановки и других задач анализа. Важно, что многообразие задач анализа существенно усложняет выполнение его вручную, поэтому более целесообразен автоматизированный анализ с применением информационных технологий.

Ещё более сложной является задача синтеза — распределение заданной совокупности ДЕ между учебными дисциплинами. Основная проблема заключается в том, что, как правило, учебные курсы в традиционной форме не предоставляют в явной форме точный перечень ДЕ, хотя формально они присутствуют в рабочей программе дисциплины и даже распределены по занятиям. При реальном преподавании учебной дисциплины часть ДЕ оказывается не изученной (нехватка времени, срывы занятий и др.), часть — плохо изученной (например, из-за недостаточной подготовленности студентов), часть — появляется сверх рабочей программы (по инициативе преподавателя или студентов). Это вносит элемент неопределённости. На начальном этапе обучения такая неопределённость мало сказывается на усвоении последующего материала, но ближе к концу обучения могут неожиданно проявиться пропуски и пробелы в знаниях.

Таким образом, следует использовать как детерминированные модели учебного процесса (распределение ДЕ в предположении возможности их полного освоения), так и вероятностные (имитационные), учитывающие возможные помехи учебному процессу.

В обоих случаях важным преимуществом обладают электронные образовательные ресурсы. С формальной точки зрения, они содержат исчерпывающую информацию для применения программных средств автоматизации проектирования (анализа и синтеза). При этом вся информация, располагаемая на сайте, является доступной для автоматической обработки. Но необходимо предусмотреть соответствующие интерфейсы для связи электронных образовательных ресурсов с программными средствами автоматизации проектирования учебного процесса. Разработка и локальная стандартизация таких интерфейсов является важной задачей в рамках развиваемого направления по автоматизации управления учебным процессом.

Имитационное моделирование учебного процесса можно осуществлять с использованием классических языков и средств имитационного моделирования типа GPSS World, Arena, AnyLogic.

Учебный процесс может быть представлен в виде системы с очередями, где в качестве транзактов могут фигурировать студенты (а в некоторых представлениях — ДЕ). Возникновение очередей связано с ограниченностью ресурсов по времени, вместимости аудиторий, количеству преподавателей, доступности учебно-методической литературы и т. д.

Наряду с этим, существенное влияние на учебный процесс оказывают случайные события, учёт которых заключается в применении метода Монте-Карло. Таким событиями могут быть пропуски студентами занятий, срывы занятий по различным причинам, смена преподавателя в течение учебного семестра, случайные факторы при подготовке к экзаменам, ошибки при тестировании и т. д. Создание имитационных моделей такого

типа не представляет особого труда, но основной проблемой является их параметрическая идентификация. Определение ряда параметров (прежде всего, вероятностных характеристик различных случайных событий) возможно только на основе статистических данных о посещаемости, успеваемости и т. д. Эти данные могут накапливаться в электронном деканате, но нуждаются в соответствующей статистической обработке.

Использование детерминированных методов синтеза учебного плана (распределения ДЕ по учебным дисциплинам) может являться первым этапом проектирования учебного процесса. Вторым этапом может быть его имитационное моделирование.

При детерминированном синтезе решается задача добиться помещения в учебный план всей совокупности ДЕ. При имитационном моделировании решается задача оценки возможности усвоения заложенных в учебный план ДЕ, выявление узких мест или, напротив, мало нагруженных учебных дисциплин.

Автоматизированный синтез учебных планов может выполняться как в рамках структурного, так и параметрического синтеза.

Параметрический синтез предполагает, что структура учебного плана (в виде взаимосвязанной совокупности учебных дисциплин) уже создана. Тогда параметрический синтез может представлять собой одну из двух задач: 1) помещение в учебные дисциплины возможно большего количества ДЕ при заданных количественных параметрах учебных дисциплин (число зачётных единиц, число аудиторных занятий определённого вида); 2) определение необходимых количественных параметров учебных дисциплин для помещения в них заданного количества ДЕ. Очевидно, что при ручном синтезе обычно решается первая задача.

Структурный синтез предполагает, что имеется некоторое счётное множество ДЕ, которое следует распределить во времени (на подмножества) с учётом их взаимосвязи. При этом некоторые подмножества ДЕ в пределах одного семестра могут объединяться в учебную дисциплину соответствующей направленности.

Структурный синтез управляется элементами множества ДЕ: при их изменении автоматически меняется структура учебного плана, т. е. учебного процесса. Для получения нового учебного плана необходимо ввести новые ДЕ и указать их взаимосвязи с уже существующими.

Наличие множества ДЕ позволяет автоматизировать также формирование контрольно-измерительных материалов, по крайней мере, в части выбора ДЕ для контроля по результатам изучения конкретной учебной дисциплины.

В целом, описанные задачи синтеза (и общие подходы к их решению) соответствуют задачам оптимизации с различными целевыми функциями и ограничениями. Можно отметить также двойственность задачи параметрического синтеза. Решение рассмотренных задач можно

выполнять с применением теории графов или других методов и подходов исследования операций.

Отдельную задачу представляет формирование индивидуальных траекторий для студентов. Использование интерактивных курсов, локализованных на сайте с возможностью удалённого доступа, позволяет поставить задачу самостоятельного выбора студентом своей желаемой индивидуальной образовательной траектории. При статическом учебном плане (не меняющемся после выбора траектории) задача решается в интерактивном режиме: после ручного выбора ряда желаемых дисциплин (например, по их кратким аннотациям) автоматически предлагается набор возможных дисциплин, связанных с выбранными. При этом можно вручную выбрать конечную дисциплину (например, в восьмом семестре) и будут предложены учебные дисциплины, которые следует выбрать, чтобы прийти к желаемой. Можно, напротив, выбрать желаемую ближайшую дисциплину и получить предложения для её возможного продолжения. Выбор каждой новой учебной дисциплины уменьшает возможности дальнейшего выбора с учётом ограничений, в том числе, по числу набираемых зачётных единиц.

Индивидуальные образовательные траектории могут корректироваться каждый год (или даже каждый семестр) и тогда стоит немного другая задача — автоматизированно сформировать предложения по учебным дисциплинам на участке образовательной траектории с возможностью последующего уточнения выбора. Для повышения качества управления используется принцип обратный связи по выходной координате, которой является степень усвоения комплекса выходных ДЕ. Измерение выходной координаты осуществляется с помощью тестирования, в том числе автоматизированного. Проблема измерения и оценки изученности ДЕ является одной из важнейших, так как в системах с обратными связями качество управления прямо обусловлено точностью измерений. В данном случае измерение осуществляется для каждой ДЕ в отдельности. Это даёт теоретическую возможность раздельного регулирования степени усвоения каждой ДЕ, но реализация этого на практике представляет определённую сложность.

Управление учебным процессом предполагает формирование управляющих воздействий на этот процесс. В данном случае такими управляющими воздействиями могут являться рекомендации по изменению состава ДЕ в отдельных дисциплинах, последовательности и глубины их изложения. На данном этапе может быть только экспертное определение управляющих воздействий, так как математическое описание процессов в привычной для теории управления форме (и строгое решение задачи синтеза на его основе) отсутствует. Но остаётся возможность имитационного моделирования предлагаемых вариантов управления и сведение синтеза к перебору вариантов в рамках процедуры анализа с выбором наилучшего. Системы имитационного моделирования

предусматривают возможность автоматизации такого перебора и выбора наилучшего варианта по заданному критерию.

Серьёзной методологической проблемой является создание массива ДЕ по профилю подготовки. Это возможно сделать только с использованием модульного подхода. Каждая дисциплина и входящие в неё модули включают наборы входных и выходных ДЕ, состав которых формируется в соответствии с учебным планом. Но кроме названия ДЕ требуется также её характеристика, отражающая, в каком аспекте и как подробно она рассматривается. Очевидно, что в рамках разных учебных дисциплин одни и те же ДЕ могут рассматриваться и оцениваться по-разному. Например, математические методы в рамках математики и в рамках теории проектирования. В результате ДЕ должны быть охарактеризованы с точки зрения компетентностного подхода — какие именно компетенции они развивают в рамках конкретной дисциплины. Компетенции, приведённые в образовательных стандартах по конкретным направлениям подготовки, слишком общи и нуждаются в конкретизации с позиций развития знаний, умений и навыков. В результате появляются комплексы не только ДЕ, но и этих составляющих компетенций. В настоящее время нормативные документы по разработке образовательных программ не предусматривают такую детализацию компетенций, ограничиваясь их привязкой к более крупным составным частям — учебным дисциплинам или модулям. Использование интерактивных курсов создаёт предпосылки выполнения работы по привязке компетенций к ДЕ, так как она напрямую связана с созданием соответствующих тестов.

Заключение

Переход к новым образовательным стандартам вводит в жизнь новую парадигму образовательного процесса и ставит новые принципиальные проблемы, решение которых возможно только с применением современных информационных технологий, в том числе, на основе автоматизации проектирования организационных объектов. В настоящее время в ИКИТ СФУ ведутся серьёзные исследования по разработке методологии и технологической реализации данного подхода. Реализация концепции электронного университета на основе интерактивных курсов и электронного деканата создаёт технические возможности кардинального улучшения проектирования, организации и оптимизации учебного процесса.

Литература

1. Федеральный государственный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки 230100 Информатика и вычислительная техника. М., 2009.

2. Осин А. В. Открытые образовательные модульные мультимедиа системы. М. : Агентство "Издательский сервис", 2010. 328 с.

Текст научной работы на тему «Методологические проблемы автоматизированного формирования образовательных программ в рамках ФГОС ВПО»