CC BY
5
Методология создания программно-методических комплексов дистанционного обучения с мультиязычной поддержкой преподавания для магистров с неинженерным базовым образованием (на примере курса "Методы оптимизации")
Валитова Наталья Львовна к. т. н., доцент кафедры Прикладной математики и информатики, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н.
Туполева (КАИ), ул. Большая Красная, 55, г. Казань, 420015, (843)2310086 valinata@,rambler.ru
Кремлева Эльмира Шамильевна старший преподаватель кафедры Прикладной математики и информатики, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н.
Туполева (КАИ), ул. Большая Красная, 55, г. Казань, 420015, (843)2310086 [email protected]
Аннотация
В статье описываются необходимые этапы создания и сопровождения электронного ресурса с методической и аппаратной поддержкой по курсу "Методы оптимизации" для магистрантов, обучающихся по программе подготовки "Разработчик-программист (информатика как вторая компетенция)". Данная программа предназначена для так называемых магистров-непрофильников, т.е. имеющих не-инженерное образование уровня бакалавриата. Уникальной особенностью создаваемого курса является его реализация в специализированной интеллектуальной системе обучения математике Math-Bridge. Система Math-Bridge является новейшей разработкой Немецкого исследовательского центра по искусственному интеллекту (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - DFKI) и предназначена специально и исключительно для создания и ведения математических и инженерных курсов, причем в системе имеется возможность реализации курсов одновременно на нескольких языках. This article discusses the project on creating "Optimization Methods" e-learning course for undergraduates on master's program "Software Developer (Computer Science as a second competence)". This program is intended for those master students who have non-engineering bachelor degree. A unique feature of the created course is its implementation in the specialized intellectual system Math-Bridge to teach mathematics. The Math-Bridge learning system is the latest development of the German Research Center for Artificial Intelligence (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - DFKI) and is designed specifically and exclusively for creating and maintaining mathematical and engineering courses. Additionally, the system has the ability to implement courses in several languages.
Ключевые слова
Электронный обучающий курс, методы оптимизации, система обучения MathBridge, мультиязычное обучение
E-learning course, optimization methods, MathBridge Learning System,
multilingual education
Введение
Студенты, обучающиеся в магистратуре, в своем абсолютном большинстве уже имеют постоянное место работы по своей основной специальности, и не в состоянии в силу объективных экономических причин посещать все лекции и занятия в магистратуре лично. В связи с этим создание электронных обучающих курсов, дублирующих и дополняющих основные лекционные и практические занятия с преподавателем, являются актуальными и востребованными [1-7]. В то же время магистранты, имеющие в качестве базового не-инженерное образование (экономическое, социологическое, педагогическое и т.п.), сталкиваются со значительными дополнительными трудностями в обучении, нуждаются в углубленном изучении в первую очередь практических основ применения учебного материала. Разбор примеров, касающихся решения задач в предметной области студентов-магистров в разрезе их первого образования (на уровне бакалавриата), позволяет добиться значительных успехов в обучении, повышает мотивацию и эффективность обучения.
Электронная система Math-Bridge [8-12] является гибкой интеллектуальной средой для разработки дистанционных обучающих курсов именно для математических и инженерных дисциплин, какой является дисциплина "Методы оптимизации". MathBridge ориентирован в первую очередь на создание динамических обучающих объектов для решения задач, реализации алгоритмов, численной реализации математических методов. Система Math-Bridge является инновационной разработкой Немецкого исследовательского центра по искусственному интеллекту (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - DFKI) и широко внедряется в учебный процесс технических ВУЗов Европы: Франции, Германии и Финляндии. В настоящее время системы Math-Bridge внедрена в учебный процесс Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ. Применение системы позволит повысить эффективность обучения магистров, в частности, по дисциплине "Методы оптимизации", а также накопить богатый практический опыт для реализации других дисциплин в системе Math-Bridge в ВУЗах Российской Федерации в целом. Также Math-Bridge является одной из немногих электронных систем, предполагающей возможность разработки учебного контента одновременно на нескольких языках [13]. При этом обучаемый самостоятельно может выбирать язык представления ему информации по каждому разделу. Так как в магистратуре КНИТУ-КАИ обучаются также и иностранные студенты, им подобное представление материала облегчит понимание предмета. Для русскоязычных студентов возможность проходить дистанционное обучение на иностранном языке позволит повысить их уровень знания профессионального иностранного языка.
Актуальность проблемы
В рамках российских магистерских программ аналогичных дистанционных курсов с поддержкой нескольких языков, существующих форм самостоятельной работы в режиме on-line и т.д., не существует. Дистанционный курс "Методы оптимизации" на базе платформ MOODLE и Math-Bridge в настоящее время разработан в Техническом университете города Тампере, Финляндия (курс реализован на английском и финском языках). Авторы статьи имели возможность ознакомиться с
опытом финских коллег, и извлечь из него много полезных сведений об учебных планах и рабочих программах по магистерской дисциплине "Методы оптимизации".
Оригинальность методической составляющей дистанционного обучающего комплекса заключается в способе реализации учебного материала в интеллектуальной электронной системе обучения Math-Bridge. Абсолютное большинство применяемых на сегодняшний день электронных обучающих систем представляет собой универсальные программные среды, предоставляющие возможности для создания статического учебного контента (лекции) и элементарных блоков проверки знаний (тесты). Особенности математических дисциплин, в частности преобладание в обучении практических упражнений, реализуется либо как внешние программные модули, либо как отдельные комплексы обучающих программ. Отличительной особенностью системы Math-Bridge является именно практическая направленность реализации учебного контента, возможность интерактивного взаимодействия обучаемого с системой в процессе решения практических инженерных и математических задач. Также важным компонентом является возможность интеллектуальной настройки образовательной траектории обучаемого, а также возможность применения для обучения динамических интерактивных объектов, позволяющих студентам производить сложные математические вычисления. MathBridge является одной из немногих электронных систем, предполагающей возможность разработки учебного контента одновременно на нескольких языках. При этом обучаемый самостоятельно может выбирать язык представления ему информации по каждому разделу. Все это делает применение электронной образовательной системы Math-Bridge уникальной в методическом смысле для разработки дистанционных математических курсов.
Жизненный цикл программно-методического комплекса с мультиязычной поддержкой.
Для реализации дистанционного обучающего комплекса авторами статьи были реализованы следующие этапы:
1. Изучение существующих методик реализации образовательных курсов с применением e-learning системы Math-Bridge в технических ВУЗах Европы (Германия, Франция, Финляндия). Анализ учебных планов и рабочих программ по дисциплине "Методы оптимизации".
2. Сравнение рабочих программ и учебного контента по дисциплине "Методы оптимизации" в КНИТУ-КАИ и ВУЗах Европы с учетом использования в последних системы Math-Bridge.
3. Модификация содержания учебного курса "Методы оптимизации" в КНИТУ-КАИ для его оптимальной реализации в системе Math-Bridge с учетом опыта ВУЗов Европы.
4. Практическая реализация курса "Методы оптимизации" в системе MathBridge, состоящая в свою очередь из следующих шагов:
4.1. Структурирование курса, выделение дидактических единиц.
4.2. Реализация статических объектов обучения (варианты на русском и английском языках).
4.3. Реализация статических объектов обучения с внедрением динамических интерактивных элементов (варианты на русском и английском языках)
4.4. Реализация динамических обучающих интеллектуальных объектов (варианты на русском и английском языках)
4.5. Реализация динамических контролирующих интеллектуальных объектов (варианты на русском и английском языках)
4.6. Интеграция объектов в единый образовательный модуль.
5. Апробация разработанного курса в учебном процессе.
Несмотря на то, что вышеприведенный подход выглядит как линейный, однако это не означает, что после создания курса «Методы оптимизации» и его успешной апробации все работы по проекту прекращаются. Полный жизненный цикл курса включает как неотъемлемую часть сопровождение данного курса, выявление и устранение недостатков, возникших в ходе его эксплуатации.
Структура электронного курса
Курс «Методы оптимизации» в Math-Bridge собирается из отдельных физически независимых блоков, называемых учебными объектами. Учебным объектом может как лекция или тест в целом, так и любая их компонента: теорема, аксиома, определение, пример и т.п. Таким образом, система Math-Bridge предоставляет возможность создавать модульные гибкие курсы, собираемые из отдельных объектов-блоков.
Курс «Методы оптимизации» формируется из двух типов учебных объектов - статических и динамических. Статические объекты [8] включают в себя:
1. Аксиомы
2. Методы
3. Определения
4. Текстовые документы (записки)
5. Доказательства
6. Утверждения
7. Примеры
Технология создания объектов статического типа включает в себя следующие возможности:
• задание имени и коллекции для объекта;
• ввод содержимого (контента) вручную;
• импорт данных из других программных пакетов. Доступна вставка рисунков, объектов GeoGebra и формул LaTeX;
• редактирование метаданных;
• перевод объекта на другой язык.
Динамические объекты [9,12] в дистанционном курсе «Методы оптимизации» представлены многошаговыми тестовыми заданиями с несколькими вариантами ответов. Согласно концепции Math-Bridge, динамические объекты представляются в виде аналогов блок-схем, за счет чего реализуется возможность гибкого многошагового интерактивного взаимодействия с обучаемым.
Структура группы разработчиков
Немаловажным фактором успеха комплекса является определение состава группы для разработки и сопровождения ресурса, а также распределение зон ответственности между участниками. Предлагается определить следующие роли участников:
• руководитель разработки,
• исследователь,
• разработчик учебного контента на русском языке,
• разработчик учебного контента на иностранном языке,
• инструктор курса,
• ответственный за сопровождение курса.
Понятно, что несколько ролей могут быть закреплены за одним участником. Например, участник-исследователь может быть еще и разработчиком контента или быть ответственным за сопровождение курса. С другой стороны, некоторые роли, как то исследователь или разработчик учебного контента, могут быть распределены на несколько участников.
С учетом вышесказанного, целесообразно определить минимальный состав группы из 4 человек. В частности, при разработке программно-методического комплекса «Методы оптимизации» распределение обязанностей между участниками было следующим:
Участник 1. Руководитель группы отвечает за выполнение следующих задач:
1. Анализ учебных планов, рабочих программ и методик преподавания курса "Методы оптимизации" в магистратуре Европейских стран (на примере Технологического университета Тампере, Финляндия).
2. Выявление основных различий с методикой и учебной программой КНИТУ-КАИ.
3. Модификация учебного курса "Методы оптимизации" для последующей реализации на платформе системы Math-Bridge.
4. Практическая реализация динамических элементов учебного контента. Участник 2. Исследователь, разработчик учебного контента. Его задачи:
1. Анализ структурной организации учебного контента в системе.
2. Разработка структуры курса "Методы оптимизации" с учетом требований системы Math-Bridge.
3. Практическая реализация статических элементов учебного контента в интеллектуальной системе Math-Bridge.
Участник 3. Исследователь, разработчик учебного контента на иностранном языке. Задачи, входящие в его зону ответственности:
1. Исследование основных трудностей, возникающих при изучении дисциплины "Методы оптимизации" для иностранных студентов.
2. Определение основных тем курса "Методы оптимизации", способствующих повышению востребованности выпускников магистратуры на рынке труда иностранных государств.
3. Практическая реализация англоязычного контента курса "Методы оптимизации".
Участник 4. Разработчик учебного контента, инструктор курса, ответственный за сопровождение выполняет следующие функции:
1. Практическая реализация статических элементов учебного контента в интеллектуальной системе Math-Bridge.
2. Практическое сопровождение электронного курса, сбор статистики, администрирование.
3. Сопровождение разработанного курса, поддержка его актуальности и работоспособности.
Можно заметить, что в предлагаемой схеме распределения обязанностей инструктором курса является только один участник. Понятно, что функцию инструктора может выполнять любой участник проекта, являющийся экспертом в области методов оптимизации.
Необходимые технологии и аппаратно-программные средства для создания электронного курса
Непосредственно система дистанционного обучения математическим и инженерным дисциплинам Math-Bridge предоставляется Немецким исследовательским центром по искусственному интеллекту (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - DFKI) для использования в ВУЗах Российской Федерации бесплатно. Таким образом, для практической реализации дистанционного курса "Методы оптимизации" дополнительно необходимо:
1. Широкополосный доступ в Интернет по технологии Ethernet - для доступа обучаемых, и технологиям Ethernet и WiFi - для доступа разработчиков.
2. Компьютер-сервер для развертывания локализованной версии пакета MathBridge.
3. Интернет-браузер Mozilla Firefox для разработчиков и студентов-пользователей системы. Распространяется бесплатно, что является несомненным плюсом.
4. Компьютерное оборудование учебных классов с выходом в сеть Интернет для доступа студентов-пользователей системы.
5. Индивидуальные персональные компьютеры (ноутбуки) для разработки и дальнейшего сопровождения электронного курса "Методы оптимизации" в процессе эксплуатации.
Необходимо отметить, что выделенные выше технологии, оборудование и программное обеспечение доступны практически во всех вузах страны, и КНИТУ-КАИ не является исключением.
Преимущества использования программно-методического комплекса «Методы оптимизации» в учебном процессе
Курс "Методы оптимизации" является фундаментальной дисциплиной, входящей в образовательные стандарты КНИТУ им А.Н. Туполева-КАИ. Создание электронного дистанционного курса по данной дисциплине в специализированной интеллектуальной системе обучения математике Math-Bridge является важным развитием существующей программы обучения магистров по направлению "Информатика и вычислительная техника" профиля "Разработчик-программист (информатика как вторая компетенция)".
Реализация данного проекта направлена на формирование следующих компетенций [14-19]:
1. Способность воспринимать математические, естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные знания, умение самостоятельно приобретать, развивать и применять их для решения нестандартных задач, в том числе в новой или незнакомой среде и в междисциплинарном контексте (ОПК-1);
2. Знание методов научных исследований и владение навыками их проведения
(ПК-2);
3. Знание методов оптимизации и умение применять их при решении задач профессиональной деятельности (ПК-3);
4. Применение перспективных методов исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-7);
5. Способность выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-12);
6. Владение, по крайней мере, одним из иностранных языков на уровне социального и профессионального общения, способностью применять специальную лексику и профессиональную терминологию языка (ОПК-4);
Как видно, использование данного курса в учебном процессе позволит покрыть немалое количество основополагающих профессиональных и общепрофессиональных компетенций, что делает выпускников магистерской программы "Информатика и вычислительная техника: Разработчик-программист (Информатика как вторая компетенция)" вполне конкурентоспособными ^-специалистами на рынке труда.
Магистранты, обучающиеся по программе "Информатика и вычислительная техника: Разработчик-программист (Информатика как вторая компетенция)" в большинстве случаев уже имеют постоянное место работы по своему первому образованию (экономическое, социологическое, педагогическое и т.д.), и поступают в магистратуру по данному направлению для приобретения дополнительных навыков в области информационных технологий. Таким образом, обучаемые, освоившие данную магистерскую программу, являются специалистами одновременно в двух областях: неинженерного направления по своему первому образованию, и 1Т-направления. Такие специалисты сегодня особенно востребованы, так как владение 1Т-технологиями на профессиональном уровне, например для экономиста или социолога, является ценным уникальным профессиональным качеством.
Заключение
Предложенная в статье методика создания дистанционного обучающего курса с поддержкой преподавания на нескольких языках позволяет в относительно короткие сроки создать полноценный программно-методический комплекс, включающий в себя как непосредственно учебный контент в самом удобном для обучаемых виде (на базе системы MathBridge), так и необходимое для этого аппаратно-программное техническое обеспечение, а также команду специалистов по разработке и сопровождению комплекса. За счет возможности представления обучающего контента на нескольких языках, внедрение разработанного по предложенной методике комплекса, в частности e-learmng курса "Методы оптимизации", позволяет не только повысить эффективность обучения по самому предмету, но и ознакомиться с курсом на иностранных языках. Поэтому выпускники данной магистерской программы являются высоковостребованными на рынке труда на всех уровнях, в том числе и международном.
Литература
1. Novikova S.V., Sosnovsky S.A., Yakhina R.R., Valitova N.L., Kremleva E.Sh. The specific aspects of designing computer-based tutors for future engineers in numerical methods studying. Integratsiya obrazovaniya = Integration of Education, 2(21), 2017, 322-343. URL https://elibrary.ru/item.asp?id=29222040
2. Кремлева Э.Ш., Новикова С.В. Программные средства поддержки самостоятельной работы студентов в рамках курса «Компьютерное моделирование процессов и систем» для студентов технических ВУЗов// Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society) " - 2018. - Т.21. - №1. - C.363-387.
3. Савкина А.В., Савкина А.В., Федосин С.А. Виртуальные лаборатории в дистанционном обучении // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society) ". 2014. Т. 17. № 4. С. 507-517.
4. Сосновский С.А., Гиренко А.Ф., Галеев И.Х. Информатизация математический компоненты инженерного, технического и естественнонаучного обучения в рамках проекта MetaMath // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society) " -2014. - V. 17. - №4. - C.446-457. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/iournal.html
5. Шарамазанов Р.М., Савкина А.В., Савкина А.В. Архитектура многоагентной системы (МАС) обучения на базе LMS MOODLE // Национальная Ассоциация Ученых. 2015. № 7-2 (12). С. 78-82.
6. Медведева С.Н. Проектирование дистанционного обучающего курса в среде Lotus Learning Space //Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)» 2005.-V. 8/- №1.-С. 148-164.
7. Валитова Н.Л., Новикова С.В., Кремлева Э.Ш. Разработка электронного образовательного ресурса в поддержку курса Software and Systems Engineering на платформе Blackboard для студентов Германо-Российского института новых технологий //Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)»- 2018. - Т.21. - №1. -C.305-321.
8. Новикова С.В., Сосновский С.А., Валитова Н.Л., Кремлева Э. Ш. Реализация интерактивного дистанционного курса «Дискретная математика» в интеллектуальной e-learning системе «MathBridge» // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)" - 2017. - Т.20. - №1. - C.350-365. - ISSN 1436-4522.
9. Кремлева Э.Ш., Новикова С. В. Использование интерактивных формул и выражений в динамических тест-объектах e-learning системы MathBridge// Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)»- 2017. - Т.20. - №1. - C.366-380. -ISSN 1436-4522.
10. Валитова Н.Л., Новикова С. В. Внедрение интерактивных демонстраций в статичные элементы обучения системы MathBridge// Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)»- 2017. - Т.20. - №1. - C.381-392. - ISSN 1436-4522.
11. Савкина А.В., Нуштаева А.В., Борискина И.П. Информатизация курса "Алгебра и геометрия" с помощью интеллектуальной обучающей системы Math-Bridge // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society) " - 2016. - Т.19. - №4. - C. 479-487. -ISSN 1436-4522.
12. Медведева С.Н. Разработка динамических учебных объектов в интеллектуальной системе онлайн обучения математике Math-Bridge // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)».2016 Т.19. №3, с. 522-543
13. Новикова С.В., Снегуренко А.П. К вопросу создания мультиязычных электронных обучающих курсов // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)». 2016. Т. 19. № 4. С. 429-439 URL https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-sozdaniya-multiyazychnyh-elektronnyh-obuchayuschih-kursov
14. Кремлева Э.Ш., Новикова С.В., Валитова Н.Л., Снегуренко А.П. Применение и преимущества компьютерных программ-тьютеров в рамках компетентностного подхода для обучения численным методам математики // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)» - 2018. - Т.21. - №1. - C.344-362.
15. Захарова И.В., Кузенков О.А. Опыт реализаций требований образовательных и профессиональных стандартов в области ИКТ в российском образовании// Современные информационные технологии и ИТ-образование. - 2016. - № 12. -С. 17-31.
16. Zakharova I., Kuzenkov O. Experience in implementing the requirements of the educational and professional standarts in the field if ICT in Russian education // CEUR Workshop Proceedings Selected Papers of the 11th International Scientific-Practical Conference Modern Information Technologies and IT-Education, SITITO 2016. - 2016. - P. 17-31.
17. Захарова И.В., Язенин А.В. О некоторых тенденциях современного математического образования на примере анализа ГОС ВПО, ФГОС ВПО и ФГОС ВО по направлению подготовки «Прикладная математика и информатика» //Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)» - 2015. - т. 18. - № 4. - C. 629-640. -URL: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v18_i4/pdf/7.pdf
18. Захарова И.В., Кузенков О.А. Взаимосвязь между проектом MetaMath и продолжающейся реформой высшего образования России // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)» - 2017. - т. 20. - № 3. - C. 279-291.
19. Кузенков О.А., Тихомиров В.В. Использование методологии "TUNING" при разработке национальных рамок компетенций в области ИКТ// Современные информационные технологии и ИТ-образование. - 2013. - № 9. - С.77-87.
20. Новикова С.В., Новикова К.Н. Инструменты оценки эффективности обучения по стандартам SEFI в e-learning системе Math-Bridge //Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество
(EducationalTechnology&Society)" -2016. -Т.19. -№3. -C.496-508. -ISSN 1436-4522. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary 27163072 53075692.pdf
21. Zakharova I., Kuzenkov O., Soldatenko I., Yazenin A., Novikova S., Medvedeva S., Chukhnov A. Using SEFI framework for modernization of requirements system for mathematical education in Russia. Proceedings of the 44th SEFI Annual Conference 2016 - Engineering Education on Top of the World: Industry University Cooperation (SEFI 2016). 12-15 September 2016, Tampere, Finland. 15 p. URL http://sefibenvwh.cluster023.hosting.ovh.net/wp-content/uploads/2017/09/zakharova-using-sefiframework-for-modernization-of-requirements-system-for-mathematical-education-155.pdf
22. Soldatenko I., Kuzenkov O., Zakharova I., Balandin D., Biryukov R., Kuzenkova G., Yazenin A., Novikova S. Modernization of math related courses in engineering education in Russia based on best practices in European and Russian universities.
Proceedings of the 44th SEFI Annual Conference 2016 - Engineering Education on Top of the World: Industry University Cooperation (SEFI 2016). 12-15 September 2016, Tampere, Finland. 16 p. URL:
http://sefibenvwh.cluster023.hosting.ovh.net/wpcontent/uploads/2017/09/soldatenko-
modernization-of-math-related-courses-in-engineering-education-in-russia-based-
133.pdf
