Методология learner-centered learning (“делай-как-я”) в практике обучения началам имитационного моделирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Методология learner-centered learning ("делай-как-я") в практике обучения началам имитационного моделирования

Ю.А. Шебеко, Московский физико-технический институт (МФТИ), Московский институт электронной техники (МИЭТ), Московский авиационный институт (МАИ), доцент,

yuri_shebeko@mail. ru

"Компьютер — это всего лишь нарост на хвосте компьютерной мыши . . . "

Автор ещё в [1] обращал внимание на стратегическую инициативу, развиваемую в Sloan School of Management Massachusetts Institute of Technology Cambridge (http://mitsloan.mit.edu) и нацеленную на внедрение операционного мышления и современных информационных технологий (IT) в систему организации "довузовского" образования. В связи с возрастающим дефицитом высококвалифицированных специалистов в "прорывных" направлениях науки и техники, инициатива приобрела в США общенациональный масштаб. Инициатива предполагает реорганизацию всей системы довузовской подготовки и целенаправленна на ориентацию молодежи к продолжению и совершенствованию своего образования в рамках школы уже высшей, например - при активном освоении возможностей перспективных технологий, таких как имитационное моделирование процессов нетривиального поведения.

Инициатива базируется на идеях и методах Системной Динамики Дж. Форрестера [2,3,4,5], а также на принципиально новой методологии организации учебного процесса learner-centered learning ("делай-как-я"), которая претендует на то, чтобы стать эффективным инструментом и движущей силой практически всех уровней не только "довузовской", но и всей системы IT-образования. Инициатива пытается внести в учебный процесс элементы стиля и вольную атмосферу научно-исследовательской деятельности, мотивируя учащихся к развитию любознательности и реализации своего творческого потенциала, так необходимых в высшей школе.

1. Методология

Методология "делай-как-я", активно используя персональный компьютер, призывает отказаться от образовательной традиции, в которой предпочтение отдается лишь изучению набора разрозненных фактов в ущерб их системному осознанию и интерпретации. Методология "де-лай-как-я" в корне меняет сам процесс обучения, когда преподаватель,

как правило, является лишь пассивным "толкователем" учебного материала и пытается "вбивать" фиксируемый программой объём знаний в голову сопротивляющихся учащихся. Напротив, методология "делай-как-я" предоставляет возможность собирать, исследовать и обобщать информацию, постоянно порождая нечто новое и цельное. Преподаватель в рамках предлагаемой концепции, не претендуя на роль единственного, непогрешимого и авторитарного источника знаний, лишь координирует (порой и обучаясь!) познавательную активность учащегося в нужном направлении.

Действительно, те, кто знаком с деловой атмосферой научно -исследовательской лаборатории, знают, что увлеченность в процесс исследования как раз больше всего и способствует получению новых знаний. Почему же учащимся отказывать в этом? И почему во время обучения они не должны испытывать подобную взволнованность от поиска новых решений? Кажется, это вполне возможно, если в распоряжении учащегося имеется современный персональный компьютер, соответствующее программное обеспечение и если учебный процесс протекает в режиме реализации концепции "делай-как-я".

Стиль "делай-как-я" существенно меняет роль преподавателя, который перестает быть "раздаточным устройством знаний", общающимся с учащимися как с пассивными приемниками. Вместо этого, учащиеся организованы в небольшие группы, которые работают вместе (возможно, даже и на одном компьютере) и помогают друг другу. Преподаватель - лишь коллега, участвующий в процессе обучения. Он задает направления, определяет альтернативы, действует как направляющая сила и источник знаний, а не как авторитарный начальник, определяющий досконально каждый шаг образовательного процесса. Отношения с преподавателем скорее напоминают общение с консультантом, а не с лектором.

Так, на семинаре для преподавателей, проводимом в рамках реализации вышеприведенной стратегической инициативы, был продемонстрирован весьма показательный пример попытки применить динамические модели к изучению с помощью компьютера проблемных ситуаций, предлагаемых . . . сюжетами литературных произведений. И, как ни странно, моделирование проявило себя в качестве нетривиального подхода к стимуляции интереса и вовлечённости учащихся в процесс освоения материала исключительно гуманитарного характера. Использовался программный пакет имитационного моделирования Ithink, разработанный в Massachusetts Institute of Technology под руководством Дж. Форрестера. В качестве примера (см. рис. 1) рассматривалась проблемная ситуация, описанная в трагедии "Гамлет" и ставилась задача -

определить, как различные события в трагедии могли бы влиять на мотивацию Гамлета мстить за смерть отца.

Рис. 1. Пример динамической модели "гуманитарной" проблемной ситуации

Инициаторы эксперимента столкнулись с тем, что в процессе обсуждения активность полностью оказалась на стороне учащихся. Преподаватель оказался вне внимания класса. Больше не нужно было генерировать информацию для всех. Учащиеся общались непосредственно друг с другом о событиях и о реакциях персонажей. Они самостоятельно формировали предположения о возможных действиях в подобных ситуациях. Более того, недавно отстающие обсуждали, как предшествующие события и черты характера персонажей могут воздействовать на события! Возникали споры о точности и справедливости назначенных оценок. Задача преподавателя фактически ограничилась выслушиванием различных точек зрения и вводом их в компьютер. Это было так, как если бы, говоря о психологических мотивах, использовались числовые переменные, значения которых выражали нечто неосязаемое и призрачное. И самое главное - учащиеся по сути самостоятельно направляли процесс обучения без явного вмешательства преподавателя!

Подобный эксперимент продемонстрировал чрезвычайную результативность активного участия обучаемых в проводимых имитационных экспериментах, когда на практике приобретаются навыки взаимодействия с моделями объектов, характеризующихся нетривиальным поведением и прививается "динамическая точка зрения" на окружающее. Подобное практическое вовлечение весьма существенно для усваивания

идей и создания собственных когнитивных моделей самых разнообразных проблемных ситуаций. К сожалению, по мнению автора, сегодня никакие традиционные формы организации учебных занятий не способны обеспечить подобную атмосферу вовлечения и участия, столь существенную, а порой и необходимую для глубокого освоения материала практически по любому предмету. И здесь на помощь внедрению плодотворной практики методологии "делай-как-я" может придти Системная Динамика.

2. Системная Динамика в образовании

За последние 30 лет был создан достаточно эффективный когнитивный базис Системной Динамики, сформированный в результате осознания того, что:

• нас повсюду окружают процессы с обратными связями, которые через информационные потоки, акты принятия решений и любые другие активности, порождающие изменения, являются единственными и объективными модельными представлениями нетривиального поведения сложных систем (мы говорим о процессах с обратной связью, когда текущие воздействия влияют на изменение состояния системы, а вновь обретённое состояние начинает влиять на будущие воздействия;

• мы связываем процессы обратных связей с эффектами стабильности, падения и роста; мы полагаем, что модели человеческих взаимоотношений, политики, менеджмента, экологических изменений, биологической деятельности и т. д. существуют, как правило, лишь в результате активностей обратных связей);

• мы черпаем данные о динамических системах из информационного пространства, которое нас окружает и которое является единственным источником объективных знаний о социальном, экономическом, экологическом и др. поведении сложных объектов (уже с детского сада потенциальные претенденты на высшее образование сталкиваются с обширной информацией, на основе которой они пытаются формировать, пусть самые примитивные и начальные, но всё же - представления о нетривиальном поведении отдельных личностей, семьи, сообществ и других сложных объектов окружающего мира);.

• мы используем персональные компьютеры и соответствующее "дружественное" программное обеспечение (типа аналитических пакетов имитационного моделирования Ithink, PowerSim или AnyLogic) как необходимый инструмент исследования нетривиального поведения динамических моделей сложных систем (подобные

инструменты ранее были доступны лишь в рамках хорошо оснащённых научно-исследовательских структур); • мы в состоянии разрабатывать с помощью аналитических пакетов действующие прототипы широкомасштабных имитационных моделей, способных использовать в дальнейшем операционные возможности современного суперкомпьютинга.

В последнее время Системная Динамика начинает привлекать всё большее внимание также и исследователей плодотворных методологий обучения. Так, специалисты подметили, что если объект не отображен некоторой когнитивной моделью, человек быстро забывает как его, так и всё, что связано с ним и с его поведением. Подобная модель может оказаться неадекватной объекту, если она статична и не отражает динамику его "жизни". Модель также неадекватна, если не выявлены взаимосвязи между структурами объекта и не показаны их взаимовлияния. Модель может оказаться неадекватной, а объект быстро забывается, если не показано, как прошлое поведение и будущие результаты зависят от стратегий уже принятых решений.

Системная Динамика показала, что она может предложить динамические структуры, которые эти проблемы в состоянии как-то разрешать на уровне использования междисциплинарного понятийного базиса (см. рис. 2) для специалистов самых разнообразных направлений (математиков, физиков, экономистов, биологов, политиков и даже деятелей литературы и искусства).

Старто 8 ая_численность_популяции

Рис. 2. Пример простейшей динамической модели поведения

Энтузиасты и специалисты по системной динамике предпринимают попытки сосредоточить внимание на так называемых "универсальных структурах", "паттернах". Действительно, в различных ситуациях используется весьма ограниченное количество относительно простых структур! А как подобные структуры могут найти своё место в разных

предметных областях? Возможно, результаты таких исследований способствуют разрушению казалось бы непреодолимых барьеров между дисциплинами.

Сегодня появляется возможность с помощью персонального компьютера переломить негативную тенденцию фрагментации и узкой специализации образования, возникшую еще в позапрошлом столетии и исчерпывающую себя в современном мире лавинообразного потока информации, появления новых (и порой неожиданных) технологий, обострения мировых катаклизмов и угроз. Есть реальная надежда вернуться назад к плодотворной идее "человека Возрождения", обучению его с помощью компьютера некоторому универсальному ядру знаний, широко применяемым понятиям и концепциям. По сути, мировая педагогическая практика XXI века стоит на пороге создания интегрированного системного образовательного процесса, который будет соответствовать все возрастающей сложности нашего мира.

3. Учебно-методический комплекс СД МСЦ РАН

В Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН (МСЦ РАН) на базовой кафедре высокопроизводительных вычислительных систем факультета молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института (МФТИ) вышеизложенная инициатива активно используется при организации преподавания спецкурса по имитационному моделированию агрегатных модельных представлений, которые вполне комфортно могут отображаться спектром возможностей соответствующих "системно-динамических" программных инструментов, таких как широко известный (и ставший практически классическим) персонифицированный программный пакет имитационного моделирования IThink (www.iseesystems.com), пакет PowerSim (www.powersim,com), пакет AnyLogic (www.xjtek.com).

Опыт МФТИ успешно распространен при преподавании соответствующего спецкурса на кафедре высокопроизводительных вычислительных систем факультета микроприборов и технической кибернетики Московского института электронной техники (МИЭТ) [6], а также - на кафедре вычислительной математики и программирования факультета прикладной математики и физики Московского авиационного института (МАИ).

Автор предполагает, что в своем первоначальном воплощении симбиоз методологии learner-centered learning и Системной Динамики может быть плодотворно представлен и использован структурными и функциональными возможностями учебно-методического комплекса СД МСЦ РАН (Системная Динамика в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН).

Возможности комплекса сосредоточены в папке СД МСЦ РАН, содержимое которой подчиняется, как показано на рис. 3, общеизвестным правилам организации данных и доступа к функциональным возможностям стандартного Windows-приложения.

Рис. 3. Возможности комплекса

Файл СПРАВКА ПО ПЫЛ содержит (см. рис. 4) исчерпывающую иерархически организованную инструкцию (по-русски) использования всех возможностей программного пакета НЬт^

лхэйп Г^эаека Закладка Педометры Слра*а

¿•awe»»«»; ¿»амт«?.*. Преть j

:.Справочная система IThink Analyst

• n«»i

Л»л nontMetvo it«taH*i«*' об лспо^ю»«**« спом**# f 1

Г »С MdtlHrtV fit

'¿гачнигат ичгтди

nnctrrb,

Qfoop эди»ти-» кшд-n н~ три yp»n»i> мпуяирдщ и «»ргкл

(jpo»«m {|р*нмо»л&аго«одо гуртп» петшдамк н *u.vw/o iypn»«»

j rniir>)mun№ki*»в» DWAW3)

Jraic-atm аг/всг:* и jpMXoroa rnafcitxc и tec

пнгчтчи» г.тпп»1>1Ш>Мпу Omtrwi* ЛРМПЧЯЫМГ нгтгов-*7*и>1К ПР'рЯ'Н I фр«ЙМО») к Spniow I

гтттжтт?^лаграюф урл»кят

ОЬмикГЛиШ«; П i деидок СЗ ub- яи daUj

Опмс«мт »utoMij» utiuiuu гредгп Рука. Км«», Дммвммг Финим Обилия» яии»ч»«я »с« фбмПОСк i'/iMM 9 UTTfMf

Опиг«ян MicuarMi y^unimi ш -жпшми mdauuhd

Ошмом ■pcftntHiKzi-xaioitavaBCTptjttma руяинЛ

•fit Гну

i miiwwr^ пвишниц i

■ .irmr«w«i(r*irow,>-r»it mmwi rrn тдогг«** м

Су*1в ТИМ l.«OW K4»rn»l

Оонгнк 1М11ШОМ1 у(Шй|Л1аи 11в<£ между |*:4«|кю и д 11|1ИНИ—<

М»гп»ШЛП1УЧ 0пис*и*еог*1п1е|ут*йп|п«*е1т?1п11мпеннк п>7т*н**ш

ППГТПр*ии*«|<СЯ П1ТП7ГН

II,и IV Т* I-»*! 'ч -гмч:1и. 1 ;цЛ| иш^иршша щшдйадщ и ецшчайч Сир>С4л !

НЮ4Л

Рис. 4. Первая страница инструкции

Файл ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ содержит материал, рекомендуемый для самого первоначального знакомства с основными понятиями компьютерной имитации. Для моделирования агрегатных представлений предлагается использовать подходы и технологии Системной Динамики, нашедшие своё воплощение в программных инструментах типа пакета ПЫпк, реализующего интерфейсы с разработчиком приложения на уровне плоских stock-and-flow диаграмм (см. рис. 5). Файл демонстрирует технологию проектирования имитационного прототипа модели, который позволяет строить прогнозы развития такой актуальной проблемной ситуации, как динамика истощения запасов нефтяных полей.

седан Q 3Q 'W« --в

Уи> IHM > 1,0:____ с röMH' ami ■ ода» , ■ ikhiw П ^ ' 1 Ж ^ rii •»•• vni щнщя Щ MnSfittAПШУ «ЦЩ1Ц1 "м-" в

ri* 4 ,. J V «•> -»•♦» | Гзди9i tttm • 1 С^в* ' ЛЯЛЩЯЛ0Ш i% 0 09}, ^(••«ifiitMl X Т>И1Ц>И11> iwt» /

3Q неопм* мтсм 8

gl Шт,mm t€«1i

т _____

_»

friueV-— вгчмяаси ---- ш

«•рмгаяйяпк

Рис. 5. stock-and-flow представление имитационного прототипа модели проблемной ситуации динамики истощения запасов нефтяных полей

Раскрыв папку ЗАПУСК Itliink Demo, открывается доступ к идео-

грамме , через которую активируется стартовое диалоговое окно (см. рис. 3) проектирования приложения.

Для демонстрации возможностей пакета через стартовое окно можно вызвать и раскрыть папки ПАТТЕРНЫ НА Шпк и ПРОТОТИПЫ НА Шпк.

Папка ПАТТЕРНЫ НА КЫпк содержит набор моделей примитивных шаблонов, из которых, по мнению автора, можно конструировать агрегатные модели любых бизнес-процессов.

Паттерн М1 - САМОУСИЛЕНИЕ (рис.6)

Рис. 6. Модель паттерна САМОУСИЛЕНИЕ Паттерн М2 - УРАВНОВЕШИВАНИЕ

Паттерн М3 - УРАВНОВЕШИВАНИЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛАГА РЕАЛИЗАЦИИ РЕШЕНИЙ

Паттерн М4 - НЕОГРАНИЧЕННЫЙ КОНКУРЕНТНЫЙ РОСТ Паттерн М5 - ОГРАНИЧЕННЫЙ КОНКУРЕНТНЫЙ РОСТ Паттерн М6 - ДРЕЙФУЮЩАЯ ЦЕЛЬ Паттерн М7 - ЭСКАЛАЦИЯ

Паттерн М8 - РЕШЕНИЕ, ОБРЕЧЕННОЕ НА НЕУДАЧУ (рис.7) Паттерн М9 - РОСТ ПРИ СЛАБОМ ИНВЕСТИРОВАНИИИ Паттерн М10 - СМЕЩЕНИЕ БРЕМЕНИ НАГРУЗКИ Паттерн М11 - КОНКУРЕНТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОГРАНИЧЕННОГО РЕСУРСА

Паттерн М12 - СОПЕРНИЧЕСТВО СЛУЧАЙНЫХ КОНКУРЕНТОВ

Ориентация методологии на предметную область бизнеса объясняется тем, что непредсказуемость поведения сложных систем зачастую определяется факторами так называемого "человеческого фактора", наиболее результативно проявляющегося в реалиях социально-экономических взаимоотношений и бизнесе. Вопрос о необходимом

минимальном количестве паттернов автор оставляет открытым и предлагает его в качестве предмета перспективных экономико-математических исследований.

Папка ПРОТОТИПЫ НА Ithink содержит пополняемый набор моделей действующих прототипов, демонстрирующих, по мнению автора, типичные приложения идей и методов Системной Динамики.

Прототип JIT - бизнес-процесс управления дистрибъюциями в режиме "just-in-time" (рис.7).

Рис. 7. Модель прототипа JIT

Прототип БУМ-ДЕПРЕССИЯ - выявление и демпфирование последствий негативного управленческого синдрома "бум-депрессия" Прототип BSSC - модель Balanced 8ос8согеСаМ Прототип ВЫРОЖДЕНИЕ - динамика вырождения популяции на фоне истощения объема ограниченных ресурсов

Прототип ДЕФОЛТ - прогноз дефицита наличности и динамики покрытия краткосрочных долгов

Прототип ЭПИДЕМИЯ - агрегатная модель распространения гриппа в Москве

Набор прототипов постоянно пополняется моделями, которые разрабатываются в ходе реализации студенческих проектов. Литература

1. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Системная Динамика и методология обучения learner-centered learning ( "делай-как-я "). Телекоммуникации и информатизация образования. 2006. № 3 (34).

2. Forrester J. W. System Dynamics and the Lessons of 35 Years. In "The Systemic Basis of Policy Making in the 1990s", edited by De Greene Kenyon B. - Massachusetts: Sloan School of Management MIT, 1991.

3. Шебеко Ю.А. Имитационное моделирование и ситуационный анализ бизнес-процессов принятия управленческих решений (учебное и практическое пособие). - M.: Диаграмма, 1999.

4. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Практикум по основам имитационного моделирования бизнес-процессов (учебное пособие). / Под ред. Шебеко Ю.А. - М.: Изд-во МАИ, 2002.

5. Масалович А., Шебеко Ю. Моделирование и анализ поведения бизнес-процессов (конспект лекций). - M.: Тора-Инфо Центр, 2002.

6. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Введение в практику имитационного моделирования и анализа поведения сложных процессов и систем (пособие). Под редакцией академика РАН Савина Г.И. - M.: МИЭТ, 2006.