CC BY
26
ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
В НАУКЕ, %=
ОБРАЗОВАНИИ,
КУЛЬТУРЕ, МЕДИЦИНЕ, ЭКОНОМИКЕ, ЭКОЛОГИИ, СОЦИОЛОГИИ
УДК 371.385:681.3
О НЕКОТОРЫХ
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТАХ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ
БЕЛОУС Н.В., ВЕЧУР А.В., ПОДУФАЛОВ С.Ю., ЧЕРНЫЙ Д.В.
Статья посвящена рассмотрению аспектов обучения с использованием компьютерных обучающих систем (КОС), их влияния на основные составляющие учебного процесса, рекомендации по их созданию и их классификация.
Современная система образования в Украине вызывает необходимость применения информационных технологий. В общеобразовательных школах и высших учебных заведениях используются компьютерные обучающие системы, но все же их распространение и область применения ограничены из-за дефицита времени в компьютерных классах. Применение таких систем во всех сферах образования обеспечивает высокое качество обучения и соответствующий уровень усвоенных знаний. Отечественному образованию нужны компьютерные обучающие системы (КОС), разработанные именно украинскими специалистами, поскольку существующие программные средства, разработанные за рубежом, нельзя применять в учебных заведениях Украины без основательной переработки. Материальные затраты на осуществление такой переработки будут эквивалентны затратам на создание новой системы. Однако, чтобы КОС получилась интересной и отвечала своему предназначению — пробудить у обучаемого живой и все возрастающий интерес к предмету и обеспечить его необходимым объемом знаний, — её создатели должны придерживаться следующих рекомендаций.
Во-первых, необходим тщательно проработанный сценарий, наполненный содержательным материалом по конкретному курсу. Во-вторых, нужен привлекательный дизайн и доступная подача информации. Желательно присутствие анимации или компьютерной имитации реальных процессов. В-третьих, необходима соответствующая документация.
При создании КОС главной задачей, стоящей перед программистом, является не просто запрограммировать алгоритм, но и обеспечить тесную связь данного алгоритма с научной организацией научного процесса. В чём же суть научной организации? Выделим составляющие процесса обучения:
а) содержание и объем учебной информации;
б) методы обучения;
в) формы обучения;
г) учебная работа студентов.
Раскроем смысл этих составляющих.
Содержание и объем учебной информации определяются целями обучения. Эффективность учебного процесса в решающей степени зависит от методов и средств, применяемых для управления познавательной деятельностью обучаемых. Существуют два общеизвестных метода обучения и тестирования:
1) по линейной схеме;
2) по разветвлённой схеме.
При составлении программ, использующих линейную схему, исходят из необходимости расчленить сложные понятия, навыки и умения на серии более простых, доступных, воспринимаемых и легко усваиваемых. Сопровождение каждой дозы новой информации заданиями и контрольными вопросами необходимо для активизации деятельности обучаемых. Всем обучаемым предоставляется одинаковое содержание информации и заданий, одинаковая их последовательность. Различия между сильными и слабыми состоит только в темпе чтения материала и выполнения ими заданий. Составители линейных обучающих и контролирующих программ ориентируются на возможности самых слабых студентов.
Разработка принципов построения КОС, использующих разветвлённую схему, принадлежит американскому психологу Н.Краудеру.
Для такой схемы характерно следующее: информационная часть представляется всеми тремя видами материалов: основная информация (И1), задачи и вопросы для активизации усвоения и его контроля (И2), дополнительные материалы (И3). Обеспечивается возможность осуществления обучения на различных уровнях с частичной адаптацией к индивидуальным способностям и потребностям учащихся.
Вопросы и задания разветвлённых программ предназначаются не только для активизации познавательной деятельности обучаемых. Они играют диагностическую роль, позволяя выявить степень и глубину усвоения, дифференцировать уровень и объём дополнительной помощи для успешного продолжения обучения. Критерием оценки в разветвлённых программах является не только различный темп, но и различный объём прорабатываемого материала, различные уровни его изложения.
Формы обучения с помощью КОС — это практические занятия, лабораторные работы и прочее, как и при обычном обучении.
Следующим важным вопросом при работе с КОС является учебная работа студентов. Под учебной работой понимается вся работа, затрачиваемая студентами в процессе обучения и направленная на усвоение получаемых знаний. Это, прежде всего, самоподготовка к занятиям, работа исследовательского характера с дополнительной литературой и работа во время занятия. Необходимо отметить, что
РИ, 1998, № 2
130
чем выше организация этой составляющей, тем успешнее идет обучение и тем выше его результаты. Но на практике организация учебной работы студентов, важнейшей составляющей учебного процесса, меньше всего подвержена влиянию обучающей стороны и зависит от личных качеств и способностей студента. Поэтому одна из задач обучающей системы состоит в оказании влияния на повышение качества учебной работы студентов. Задача организации самостоятельной учебной работы не является основной для всех обучающих систем. Для систем, обучающих работе с программными средствами, например, с операционными системами, не обязательна высокая организация личной учебной работы обучаемого [2].
Нами рассматривается КОС, конечная цель которой — закрепить имеющиеся у обучаемого знания и научить его ими пользоваться. Эта цель может быть достигнута при использовании концепции управления мыслительной деятельностью обучаемого. С применением КОС учебная работа студентов принимает новую форму и переходит на более высокий уровень благодаря индивидуальному подходу в обучении. Это в свою очередь выявляет уровень самостоятельной подготовки студента и, как следствие, повышает успеваемость. Другими словами, применение КОС помогает выявить способности у определённого студента; таким образом и происходит управление его мыслительной деятельностью.
Во всяком учебном процессе наиболее характерным является воздействие обучающей стороны на обучаемую, что и определяет сущность управления при обучении. С применением компьютера обучающей стороной являются преподаватель и обучающая система, причем их методы управления мыслительной деятельностью обучаемых не должны существенно отличаться. Обучающая система реализует это управление с помощью подсказок при решении задач и при ответах на вопросы.
Исходя из сказанного выше, можно сформулировать правило для обучающих систем подобного типа: чтобы научить студента правильно решать задачи, его нужно научить правильному ходу мыслей путем управления его мыслительной деятельностью и организацией его учебной работы.
Управление учебным процессом может осуществляться не только прямым путем — воздействием обучающей стороны на обучаемую, но и обратным — воздействием обучаемой стороны на обучающую. Это означает проверку результатов тестирования и контроля знаний студентов и их реакции на саму обучающую систему.
Управление процессом обучения — это система с обратной связью. С одной стороны, преподаватель воздействует на студента с помощью КОС, с другой — студент результатами тестирования и контроля, а также реакцией на саму обучающую систему осуществляет связь с обучающей стороной. Наличие обратной связи при разработке обучающей системы, т.е. связи “пользователи—создатели”, обеспечивает достижение целей обучающей системы, о которых говорилось выше. Обратная связь необходима именно на этапе разработки, поскольку она позволяет избежать недочетов и ошибок в готовом продукте. В работе преподавателя обратная связь выражена в виде результатов контроля знаний студентов. Кроме этого, для полного анализа процесса обучения ему необходимо иметь постоянные сведе-
РИ, 1998, № 2
ния о том, как идет учебный процесс, как студенты воспринимают и усваивают сообщаемую им информацию, насколько полноценно умеют применять получаемые знания на практике. Определение объективной картины процесса обучения — это не контроль знаний, а установление степени эффективности учебной и обучающей деятельности. Это условие нашло отражение в виде электронного журнала [1].
Представление в обучающей системе теоретических сведений в настоящее время наиболее распространено в виде электронного справочника или учебника. Обычно в нем реализован гипертекст, снабженный ссылками на ассоциативно близкие понятия. Однако работа с такой системой мало чем отличается от изучения теории по книге, которая имеет достаточно полный указатель терминов. Перспективы развития этой модели находятся в области установления сущностных взаимосвязей между понятиями дополнения системы знаниями об их семантике, свойствах и иерархиях. Из всего этого вытекает необходимость построения базы знаний на основе концептуальной модели предметной области. Это ставит задачу создания обучающей системы в один ряд с созданием экспертных систем, основанных на знаниях. Такой подход необходим, поскольку тот, кто обучает, должен сам обладать знаниями, будь то человек или компьютер. Современные обучающие системы не могут выполнять роль преподавателя именно по причине низкой их интеллектуализации. Вместе с этим существует ряд требований к представлению информации пользователю, связанных с психологическими особенностями восприятия знаний человеком. Рассмотрим некоторые из них в их возможном применении в обучающей системе. Информация должна представляться в наилучшем для понимания и запоминания виде. Из психологии известно, что идеальными для запоминания являются иерархические структуры, поэтому материал в процессе запоминания должен непрерывно систематизироваться на основе нахождения сходства и различия объектов, отражаемых в понятиях. Обучающая система должна играть роль помощника в этом процессе, предоставляя пользователю информацию о родовидовых отношениях между понятиями, о вхождении объектов в системы и их связях с другими объектами внутри системы. Для правильного обучения мало того, что информация запомнена. Важно умение быстро извлекать из запаса запомненных сведений именно то, что необходимо в данный момент. Это свойство памяти называется готовностью. Она формируется в процессе запоминания, которое должно быть обязательно смысловым и во время которого сразу устанавливаются связи между запоминаемым и теми случаями, когда эти сведения могут понадобиться. Систематичность в накоплении знаний более всего помогает развитию готовности памяти. Предлагая запомнить информацию, система должна помогать понять, зачем это необходимо и в каких случаях те или иные сведения могут понадобиться обучаемому.
Еще одно свойство памяти заключается в том, что она хранит не только воспринятое, но и продуманное человеком, поэтому система должна стимулировать размышления обучаемого над представленными фактами. Для этого теоретические сведения возможно сопровождать вопросами, указанием на кажущиеся противоречия и их разрешение, пред-
131
лагать обучаемому самостоятельно сделать вывод на основе представленных фактов. Повторение — одно из наиболее существенных условий прочного запоминания. Но далеко не всякое повторение приводит к положительным результатам: для этого оно должно быть осмысленным и целенаправленным. При повторении материал следует рассматривать каждый раз с других точек зрения, увязывая уже известные факты с новыми, иначе он быстро надоедает и к нему пропадает всякий интерес. Механическое повторение является малопродуктивным, скорее запоминается то, что объединено одной мыслью в тематическое целое. Обучающая система должна уметь организовать возврат к уже изученному материалу в целях установления в сознании студента необходимых взаимосвязей и возобновления запомненной информации.
Важной особенностью нашей памяти является то, что непроизвольно лучше запоминаются действия и все, что связано с мотивами деятельности, мысли припоминаются с трудом и быстрее исчезают из памяти. Запоминание будет продуктивным, если то, что нужно запомнить, включено в нашу активную деятельность и так или иначе связано с ней, имеет наглядное или образное представление. Поэтому обучающая система должна представлять теоретические сведения, максимально иллюстрируя их и предоставляя возможность обучаемому вести с ней творческий диалог. Обучающая система должна представлять знания таким образом, чтобы привлечь и сконцентрировать его внимание на предлагаемой информации. Список таких законов познания очень важен и некоторые связанные с ними функции присутствуют в ряде современных систем, однако многое еще предстоит реализовать, чтобы обучающая система стала реальным помощником в процессе приобретения знаний студентом. Обучающая система должна ориентироваться на индивидуальные особенности знаний пользователя и в связи с этим менять стратегию обучения. Такая ориентация невозможна без хорошо организованной процедуры контроля знаний. Тестирование знаний — один из самых сложных вопросов, связанных с построением обучающих систем. Ясно, что сумма знаний обучаемого не сводится к сумме выученных им определений, необходимо знание всех свойств рассматриваемых объектов, взаимосвязей между ними, т.е. то, что мы называем пониманием. Сложность формализации понимания определяет сложность тестирования знаний. Кроме того, для глубокого и полного тестирования знаний понадобится задать большое количество вопросов и это займет много времени, если применять линейную (последовательную) процедуру тестирования. Поэтому наряду с вопросами, проверяющими знания об одном понятии или связи, система должна иметь более общие вопросы, ответ на которые позволяет судить о понимании группы понятий и взаимосвязей между ними. Разветвленная система тестирования в данном случае будет заключаться в том, что пользователю задаются сначала более общие вопросы. Если ответ на какой-либо общий вопрос не верен, то можно предположить, что в знаниях студента о понятиях, рассматриваемых в этом вопросе, существует пробел. Тогда необходимо задавать более конкретизированные вопросы, до тех пор, пока не будет выяснено, какое понятие
или свойство не было понято. Обладая такими возможностями установить, как распределяются знания студента по области теоретических сведений, система сможет вести обучение, ориентированное на индивидуальные особенности знаний пользователя. Тогда обучение будет направлено на то, чтобы заполнить пробелы в знаниях, и достижение цели будет контролироваться. Такая организация обучения и тестирования потребует наличия в системе знаний по изучаемой теме. Таким образом, мы снова приходим к необходимости интеллектуализации обучающей системы. Рассмотренный алгоритм тестирования может применяться и для контроля знаний в целях выставления оценки. Однако если тестирование используется системой только для этого, тогда исследование знаний студента по каждому понятию может и не понадобиться. Так, в существующих обучающих системах чаще всего глубокое тестирование не проводится. Уровень знаний оценивается по экзаменационному принципу: подбираются несколько вопросов по пройденным темам и предлагаются обучаемому. Этот метод хоть и не может дать полной картины уровня знаний, но для выставления оценки вполне подходит. С тестированием знаний связана еще одна важная проблема — способ организации диалога. При этом решающую роль играет вид вводимой информации. Ее условно можно отнести к следующим типам: выбор, число, формула, высказывание. В случае диалога выбором пользователю предоставляется несколько вариантов возможного ответа на запрос системы, из которых он должен выбрать один. При этом процедура анализа вводимой информации предельно упрощается, на каждый запрос пользователя система отвечает точно определенной последовательностью действий.
Схема диалога выбором очень удобна не только для программной реализации, она проста в использовании и реализована в большинстве существующих обучающих программных продуктов. Рассмотрим следующий вид вводимой информации, который мы условно определили как ввод числа. В этом случае пользователь вводит строку символов. Эта строка сравнивается на совпадение с предусмотренными системой вариантами, или анализируется по определенным признакам. Так происходит, например, если в результате решения задачи обучаемому необходимо получить число.
Ответом на вопрос обучающей системы может быть формула, тогда значительно усложняется процесс анализа, поскольку одну и ту же формулу можно записать различными способами. Важным свойством формул в этом случае является то, что можно формально описать преобразования, приводящие к получению формул, эквивалентных данной, или с помощью некоторого алгоритма проверить эту эквивалентность. Если предусматривается такой вид вводимой информации, то система должна быть снабжена соответствующими подсистемами анализа, например, анализатор математических формул, анализатор формул булевой алгебры и др.
Иногда от обучаемого может потребоваться ввод ответа на естественном языке. Анализ естественноязыковых конструкций — очень сложная задача, которая еще не решена в общем случае. В зависимости от конкретных ситуаций его проводят по-разному. Для упрощенного анализа возможно применение алгоритмов, аналогичных анализу числа
132
РИ, 1998, № 2
или формулы. Но иногда необходимо определение смысловой нагрузки введенного высказывания. В этом случае аппарат анализа формул не применим. Необходим блок семантического анализа, база знаний о предметной области. Все типы вводимой информации имеют свои особенности, которые при решении конкретных задач могут стать достоинством или недостатком. Применение каждого из них возможно при получении ответа на вопрос в процессе тестировании знаний. Чаще всего в обучающих системах применяется выбор или ввод числа. Эти методы удобны и просты в использовании, но имеют ряд существенных недостатков, в частности то, что действия обучаемого строго ограничены, задана единственная и неизменная последовательность, которая считается правильной, будь то введенная строка или выбранный вариант ответа. Эти методы оправдывают себя, когда речь идет о выставлении оценки по некоторой теме, но они не применимы для организации творческого диалога. Кроме того, встроенный анализ формул естественно-языковых конструкций может значительно усложнить разработку программного продукта. Именно сложность реализации является причиной того, что эти виды вводимой информации используются редко.
Если система призвана обучать, то она должна обладать некоторой системой знаний. Речь не идет о тренажерах и системах визуализации сложных процессов, которые моделируют изучаемый объект. Электронные справочники моделируют книгу. Обучающей, в полном смысле этого слова, может быть лишь система, моделирующая действия обучающего, т.е. преподавателя. Здесь необходима более сложная процедура диалога, возможно, на естественном языке.
Необходимо также отметить, что время взаимодействия студентов с обучающей системой, т.е. время обучения может быть ограничено или не ограничено на каждом этапе работы. Этот прием позволяет индивидуализировать обучение каждого студента и поставить ему более объективную оценку.
Время сеанса обучения является одним из основных условий, которые необходимо соблюдать при проектировании обучающей системы. К перечисленным свойствам и требованиям к обучающим системам необходимо добавить следующее: должна быть строгая организация всех данных, которыми оперирует система. По способу хранения данных различают обучающие системы с внешним и внутренним способом хранения
Коренные изменения в создание и организацию обучающих систем может внести использование средств мультимедиа. Это реальная перспектива, которая откроет новые возможности компьютерного обучения. Но тогда перед разработчиками возникнут новые проблемы не только методического, но и педагогического характера: например, каким голосом и какими звуковыми эффектами сопровождать обучение.
Развитие вычислительной техники ежегодно открывает новые возможности в применении компьютеров в сфере образования. Пространственные графические изображения, звук, обработка больших объемов информации в темпе реального времени — все эти технологии необходимы в сфере образования. Существующие обучающие программы, в основном, составлены по принципу электронных справочников или учебников. Такой подход не позво-
ляет достаточно полно реализовать функции обучения как процесса формирования системы понятий в сознании обучаемого, приобретения им необходимых навыков в решении практических задач. Анализ недостатков существующих систем и очевидные преимущества обучения с использованием информационных технологий приводят к необходимости создания нового поколения компьютерных обучающих систем с глубоко разработанной теоретической базой для проведения практических и лабораторных занятий.
Развитие науки и производства требует от выпускников вузов все более высокого уровня знаний, процесс обучения непрерывно совершенствуется. При этом очевидно преимущество индивидуальной организации обучения, но также очевидна и невозможность ее достижения для большинства обучаемых. Одним из решений этой проблемы и являются обучающие системы. Коренные изменения в методику и организацию обучающих систем вносит развитие сетевых технологий в Украине. Быстрый рост числа пользователей INTERNET ставит вопрос о создании новых технологий и новых методических приемов, позволяющих заменить или дополнить традиционные способы обучения. Все больше развивается отдельное направление учебно-методической деятельности — так называемое дистанционное обучение. В то же время, если средство обучения постоянно меняется, цель обучения поиску, осмыслению и применению информации остается той же.
Развитие КОС — это эволюционный процесс, причём скорость его развития пропорциональна скорости развития программного и компьютерного обеспечения. К примеру, 2 года назад программы разрабатывали под DOS, затем под WINDOWS, но и это уже не соответствует уровню компьютерной техники, поскольку теперь они направлены на развитие сетевых технологий и наблюдается общая ориентация всего программного обеспечения на INTERNET.
Литература: 1. Воронина Г.Б., Кулик Ю.В., Ильченко А.В., Белоус Н.В. Реализация подсистем описания теоретических сведений и тестирования знаний в компьютерных обучающих системах. 13 с. Деп. в ДНТБ Украины. 08.11.96. № 1933. Ук. 96. 2. Бондаренко М.Ф., Шубин И.Ю., Белоус Н.В. Основные методологические принципы работы в среде компьютерной обучающей системы по дискретной математике. 11 с. Деп. в ДНТБ Украины. 15.05.96. № 1932. Ук. 96.
Поступила в редколлегию 22.05.98
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Тевяшев А.Д.
Белоус Наталия Валентиновна, канд. техн. наук, доцент кафедры ПОЭВМ. Научные интересы: разработка обучающих программ, гипертекстовых компьютерных учебников, моделирование сложных объектов. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-94-46.
Подуфалов Сергей Юрьевич, аспирант кафедры ПО ЭВМ ХТУРЭ. Научные интересы: разработка компьютерных обучающих программ и текстовых систем, трёхмерных мультимедийных презентаций. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-94-46.
Вечур Александр Владимирович, студент ХТУРЭ. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-94-46.
Черный Дмитрий Валентинович, студент Харьковского экономического университета. Научные интересы: разработка компьютерных обучающих программ и текстовых систем, трёхмерных мультимедийных презентаций. Адрес: 310082, Украина, Харьков, ул. Харьковских дивизий, д.4, кв. 20, тел. 92-64-36.
РИ, 1998, № 2
133
