CC BY
113
УДК 378.14:004(075)
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ХИМИКОВ-ТЕХНОЛОГОВ
А.Ф. Егоров, Т.В. Савицкая, Ю.И. Капустин,
С.П. Дударов, А.В. Горанский
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва
Представлена членом редколлегии профессором В. И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: автоматизированные системы обучения; автоматизированный лабораторный комплекс; автоматизированный контроль знаний; автоматизированное тестирование; дистанционное обучение; информационная модель обучения; интерактивное удаленное взаимодействие.
Аннотация: Рассматривается разработанный авторами автоматизированный лабораторный комплекс для подготовки химиков-технологов. Описаны технология обучения, реализованная в комплексе, состав информационно-образовательных, учебно-исследовательских и учебно-методических ресурсов. Показана организация процессов взаимодействия пользователей комплекса (преподавателей и студентов) и контроля знаний. Дано описание технологий, реализованных в комплексе для организации текущего контроля и самоконтроля знаний.
В течение последних нескольких лет на кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии (КИС ХТ) Российского химикотехнологического университета имени Д.И. Менделеева разработан и используется в учебном процессе автоматизированный лабораторный комплекс (АЛК) для подготовки химиков-технологов [1].
Автоматизированный лабораторный комплекс - это интегрированная информационная образовательная среда, включающая информационно-образовательные, учебно-исследовательские и информационно-методические ресурсы для реализации образовательного процесса с использованием систем удаленного доступа и сетевых технологий обучения [2].
АЛК предназначен для подготовки специалистов по различным формам обучения, включая теоретическую подготовку, самоконтроль и текущий контроль знаний, выполнение лабораторных практикумов. Состав и информационнообразовательные ресурсы комплекса представлены в статье [3].
В автоматизированном лабораторном комплексе реализованы информационные и педагогические технологии дистанционного обучения как целенаправленно организованного процесса синхронного и асинхронного интерактивного взаимодействия преподавателей и обучаемых и взаимодействия обучаемых со средствами обучения, инвариантного (независимого) к их расположению в пространстве и согласованного во времени.
Рис. 1 Схема информационной модели обучения
В АЛК реализована информационная модель обучения (рис. 1). Она включает как источники информации (учебные пособия, моделирующее программное обеспечение, базы данных и знаний предметной области, справочно-информационные и экспертные системы), так и активных участников образовательного процесса: преподавателя, внедряющего новые методы обучения (автоматизированные системы обучения (АСО), автоматизированные лабораторные практикумы, автоматизированные системы контроля знаний и другие) и использующего новые учебно-методические разработки для обеспечения учебного процесса, и студента как объекта получения информации и интерпретации ее в виде собственных знаний, умений и навыков.
Интерактивность процесса обучения при этом существенно повышается и предполагает взаимодействие всех действующих лиц в различных режимах на всех стадиях подготовки специалиста с использованием АЛК.
В результате, качество обучения (степень соответствия знаний и умений выпускника учебного заведения заранее согласованным требованиям, обеспечивающим его конкурентоспособность на рынке труда) с использованием таких АСО зависит от интерактивности взаимодействия всех действующих лиц, участвующих в процессе обучения, с системой.
В этих формах, в отличие от АСО с дисциплинарной моделью, ведущая учебно-методическая и педагогическая роль в процессе обучения на этапах составления банков тестовых заданий, генерации вариантов заданий различного уровня сложности, корректировки методов и типов обучения для различных категорий обучаемых отводится преподавателю, а не системе.
Таким образом, переход от дисциплинарной модели обучения к информационной обеспечивает инвариантность разрабатываемой системы к уровню подготовки студентов (обучаемых). В АСО на основе сетевых технологий обучения и средств удаленного доступа в наибольшей степени реализованы все функциональные возможности информационной модели.
Информационно-методические ресурсы АЛК представлены учебным планом направления подготовки 655400 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, специальности 251800 - Основные процессы химических производств и химическая кибернетика, специализации 251804 - Гибкие автоматизированные производственные химико-технологические системы. Из учебного плана предусмотрены выходы (гиперссылки) на рабочие окна главных страниц курсов.
Интерфейсы пользователя для всех курсов, включенных в состав АЛК, одинаковы (рис. 2). В правой части рабочего окна главной страницы каждого курса дано его краткое описание. Каждая дисциплина содержит следующие разделы.
1 Программа курса. Из программы курса предусмотрен выход к соответствующим разделам теоретического материала и лабораторным работам.
2 Рабочий план дисциплины с распределением почасовой понедельной нагрузки и указанием сроков и форм контроля знаний по каждой дисциплине.
3 Теоретический материал, необходимый для подготовки к проведению лабораторных работ, представленный в АЛК в различных формах по разным курсам: электронных учебных пособий, компьютерных конспектов лекций, методических рекомендаций по выполнению лабораторных работ и т.п. [2, 3].
В комплексе реализована развернутая многоуровневая система контроля знаний в виде самоконтроля, текущего контроля и тестирования.
Самоконтроль (самопроверка) знаний - самостоятельная оценка степени понимания пройденного материала, указывающая на пробелы в полученных знаниях, с помощью системы тестирования знаний в режиме самопроверки.
Текущий контроль - контроль знаний студентов в процессе выполнения учебных заданий в соответствии с рабочими планами подготовки в течение семестра в установленные сроки (допуск к лабораторной работе, отчет по лабораторной работе, контрольная работа и т.п.).
Файл Правка Е3ид Избранное Сервис Справка мнческих производств Microsoft Internet Explorer -|ff|x m
4я . ^ Назад Вперед - J 0 £Й □ становить Обновить Домой a Поиск Ва Избранное *9 Медиа Э Журнал 1 Вт ä III Почта Печать Й Правка . El FlashGet
Адрес: |^] http://dsserver. muc ti. edu. ги/alk/ math mod. php?locat¡on=¡ntro ¡iyfПеревод j Ссылки ”
^ Автоматизированный лабораторный комплекс к алк 1
□ ВЕЗ
Программа курсе
Курс рассчитан на 36 час, аудиторных занятий; 36 часов лабораторного практикума и 72 час. самостоятельной работы в 8 семестре и 94 час, на выполнение УНИР в 10 семестре.
е часов по разделам курса,
Рабочий план
Лабораторные работы Учебные пособия
Контроль знаний
Теоретические основы
именование раздела
гюдепиаоваї
Моделирование типовых
Математическое
моделирование индивидуальных, совмещенных и
к производств
Синтез оптимальных. гибк>
химико-технологических
систем
Синтез гибких ХТС в условиях полной определенности
1ичество часов
> 2000-2003 K-ad
[методы
і алгоритмы решени>
Рис. 2 Рабочее окно с фрагментом программы курса с распределением часов по разделам
Тестирование:
- предварительное - перед началом учебного процесса или его этапов с целью определения уровня знаний обучаемого (группы) в данной предметной области;
- промежуточное - применяемое, как правило, для самоконтроля (самопроверки) знаний учащимся в процессе обучения;
- итоговый контроль (аттестация, зачет, экзамен) - после завершения определенного этапа в процессе обучения.
Организация системы контроля знаний в АСО определяется спецификой предметной области конкретной учебной дисциплины, сложностью изучаемого материала, уровнем подготовки обучаемого и рабочим планом.
При создании системы контроля знаний в АСО необходимо решение следующих задач:
- разработка банков контрольных вопросов;
- обоснование и выбор форм предоставления обучаемому контрольных заданий;
- разработка алгоритмов анализа правильности ответов обучаемых;
- разграничение прав доступа к системе в процессе контроля знаний для обучаемого и преподавателя;
- формирование отчетов о текущей успеваемости и сводных ведомостей.
В автоматизированном лабораторном комплексе реализованы следующие методы анализа правильности ответа обучаемого:
- сравнение с эталонными ответами, введенными в систему;
- синтаксический контроль ответа, программно устанавливающий соответствие ответа комплексу синтаксических правил грамматики входного языка;
- семантический контроль и анализ правильности смысла ответов.
Блоки самоконтроля знаний в АЛК включены непосредственно в электронные учебные пособия и компьютерные конспекты лекций с тем, чтобы обучаемый имел возможность проверить свои знания в процессе подготовки к выполнению лабораторных практикумов, и вынесены отдельными разделами на рабочих страницах курсов (см. рис. 2) с целью повторения учебного материала, углубления полученных знаний, подготовки к экзамену.
В зависимости от сложности и специфики теоретического материала курса в АЛК предложено использовать две формы организации контроля знаний: вопросно-ответную и основанную на конструировании ответов. При вопросно-ответной форме оценка уровня подготовки специалиста проводится на основе четко организованной системы предоставления обучаемому контрольных вопросов (формируемых по определенным шаблонам и схемам) и выбранных обучаемым кратких ответов. Достоинствами этой формы контроля знаний являются:
- возможность эффективного использования для проверки конкретных знаний обучаемых, не требующих от них творческих навыков;
- простота, то есть возможность использования любыми обучаемыми независимо от их уровня компьютерной грамотности.
Недостатком является невозможность выявления творческих способностей обучаемых.
Примерами вопросно-ответных форм для самоконтроля знаний по теоретическому материалу являются:
- выбор правильного ответа из перечня нескольких альтернативных ответов;
- указание (выбор) характерных свойств исследуемой сущности из общего перечня;
- формирование логических последовательностей ответов (рис. 3): обучаемому предлагается список правильных вариантов ответов, но в зависимости от степени усвоения им материала он может либо построить правильную полную логическую последовательность ответа на поставленный вопрос, либо ограничиться некоторыми выборочными сведениями и построить неполную или нелогическую последовательность ответов, таким образом, дав неполный или неправильный ответ на поставленный вопрос.
В представленном на рис. 3 примере вопросно-ответной формы на формирование логической последовательности по курсу «Системы управления химикотехнологическими процессами» формирование списка вариантов ответов каждый раз происходит случайным образом. При этом обучаемый не может запомнить правильную последовательность цифр, а даст правильный ответ только в случае знания точного ответа на данный вопрос.
Для более сложных ответов нами предложено использовать форму организации контроля знаний, основанную на конструировании ответов обучаемыми в виде структурных блок-схем, записи уравнений и формул, набора текстовой информации (рис. 4). Такие формы позволяют максимально приблизить ответ обучаемого к письменному экзамену (контрольной работе) и способствуют выявлению творческих и мыслительных способностей экзаменуемого.
Пример формы контрольного задания, встроенного в учебное пособие по курсу «Автоматизированное проектирование систем многосвязного и прямого цифрового управления химико-технологическими системами», основанный на конструировании ответов в виде блок-схемы, представлен на рис. 4. Обучаемый осуществляет запись («сборку») ответа в специальной области рабочего окна, формируя ответ. В процессе самоконтроля он может попросить объяснение, и ему предъявляется теоретический раздел (текст, рисунок) с правильным ответом. К самоконтролю знаний в процессе обучения студент может обращаться многократно, время ответов не лимитировано.
Еще одной формой, реализованной в АЛК на примере самоконтроля знаний по компьютерным текстам лекций по курсу «Математическое моделирование и методы синтеза гибких химических производств», является универсальная форма
Составьте по порядку последовательность этапов разработки и укажите, с какого этапа на какой надо перейти при уточнении свойств разрабатываемой системы.
Выберите вариант ответа
1. Выбор технических средств (" 3. Синтез схемы АСР С 5. Анализ ТП как объекта управления
Ґ" 2. Расчёт параметров АСР 4. Постановка задачи
Рис. 3 Вопросно-ответная форма контроля знаний
♦Г Самоконтроль студентов по курсу "СУХТП"
Раздел учебника Контрольный вопрос
Ваши действия-
0 Отвечаю
01 Не знаю, объясните О Следующий вопрос О Повторите вопросы
I Контроль ответа
| Р азмещение о бъ екта в поле —
рисунка
Подведите мышь к соответствующей кнопке объекта Нажмите и отпустите левую клавишу мыши
После появления объекта на попе рисунка
Подведите мышь к объекту.
Если мышь в попе объекта, то курсор изменит свой вид(Вга£) Нажмите левую клавишу мыши Не отпуская клавиши; ^ |
I Анализ и синтез замкнутых многосвязных систем управления_________
Нарисуйте структурную схему много связной системы управления
скорая
помощь»
F(s)
G (s) Rts) F(s)
D(s] Lis) Ki(s]
Ko(s) G (s) G-[s)
Q(s] Qo(s) dQ(s)
l+dQ(s) □
->
u(s) Vf*] k(s) J
d(s) e(s)
Рис. 4 Форма контроля знаний в виде конструирования ответа
7.1. Отчвго зависит длительность пврвмвшивания в гомогенный ср ода*? 7.1 В. Расшифруйте обозначение а в модели периодического процесса растворения:
У - радиус аппарата У’ - радиус мешалки ^ - число оборотов мешалки 'У’ - тип мешалки У - вязкость жидкости 1^1 | | - температура жидкости ^ - плотность жидкости Запишите основное соотношение для определения длительности перемешивания 1—1ГФ м0 И 0 И \рШі'\ іОгіп* ш га
І^ОІРг II ^ II ^0 | |" объем чистого растворителя
|*т|я ” "|Аз1Ч т= п ирг] г=0|0р | | - плотность твердой фазы | | - начальный размер частиц | | - количество частиц начального размера | | - масса твердой фазы в начале процесса растворения
0К- Проверка | Сапсе!-Заново | 0К- Проверка | Оапсе! - Заново |
7.7 Выберите соотношения для скорости растворения, если лимитирую щей стадией является: Соберите текн ол огиче скую схему из четырех последователь но-со единенных аппаратов:
диффузионный отвод веществаї—і от поверхности растворенияі—1 П- — = afis[c-c ),С =0 !— J, rp p p.ip j р.гр сопротивление процесса:—і растворения I—1 мі подвод растворителя к і—і “Г поверхности растворенияі—1 Jjr ~T~=tscp dz % '
ОК-Проверка j Cancel - Заново | ОК- Проверка j Cancel - Заново |
Рис. 5 Примеры форм конструирования ответов с использованием ^уа-апплетов
конструирования ответов различных типов (рис. 5), позволяющая записать формулы с использованием предоставляемых системой шаблонов, выбрать правильный ответ (текст, обозначение, формулу, график) из списка, комбинировать ответы различных форм: в виде выбора правильных ответов и записи формулы, изображать технологические схемы (потоки, структурные взаимосвязи между аппаратами и т.п.). Эти формы контроля знаний реализованы при помощи специально разработанного универсального Java-апплета, обеспечивающего удобный графиче-
ский интерфейс для конструирования ответов. Апплет позволяет из заранее заданных и размещенных в рабочей области в произвольном порядке компонент (например, фрагментов математических формул или звеньев технологических цепочек), составлять (конструировать) их связанные комбинации, представленные на рисунке. Синтаксическая и семантическая правильность сконструированного ответа проверяется в автоматическом режиме.
Определены наиболее удобные и интуитивно-понятные формы представления заданий (вопросов) в системе самоконтроля знаний для формирования комбинированных вопросов, записи алгоритмов решения задач и т.п. С использованием данной формы конструирования ответов в АЛК реализовано более 120 заданий для самоконтроля знаний по указанному выше курсу.
Изложенные подходы к созданию систем самоконтроля знаний применимы к любым формам предоставления учебного материала (электронным учебникам, учебным пособиям, конспектам лекций). В сетевых АСО доступ к самоконтролю знаний по каждому курсу может быть обеспечен как непосредственно из выбранной формы изучаемого курса, так и из системы в целом.
В отличие от организации самоконтроля знаний, при создании автоматизированных систем для текущего и тестового контроля знаний при дистанционном обучении необходимо учитывать следующие требования:
- доступность через сеть Интернет;
- простота использования;
- разнообразие типов контрольных вопросов и заданий.
Исходя из этих требований, текущий контроль знаний при прохождении контрольных точек студентами в соответствии с учебным планом курса реализуется в системе в полуинтерактивном режиме взаимодействия с преподавателем с использованием интернет-ресурсов и сетевых технологий обучения, заложенных в систему (сайт, электронная почта и форум).
Вся статистика о прохождении студентами контрольных точек хранится в базе данных системы, реализованной в системе управления базами данных MySQL и размещенной на выделенном сервере кафедры КИС ХТ. На основании этой статистики системой генерируются отчеты о работе и ведомости текущей успеваемости. В системе тестирования знаний также реализованы функции накопления и обработки статистических данных об ошибках обучаемых в ходе изучения учебного материала.
Организация учебного процесса с использованием автоматизированного лабораторного комплекса предполагает учебно-методическое и техническое обеспечение взаимодействия в удаленном режиме: преподавателей и студентов, обучающихся в группах, как в форме индивидуальных интерактивных взаимодействий «преподаватель-студент» (консультации в виде диалога с использованием электронной почты, форумов, телеконференций в режиме обмена текстовыми сообщениями), так и групповые (совместные) обсуждения, дискуссии с использованием образовательных компьютерных телекоммуникационных сетей.
Разработанный АЛК для подготовки химиков-технологов используется в учебном процессе кафедрой КИС ХТ РХТУ имени Д.И. Менделеева более двух лет.
Основными учебно-методическими аспектами опыта использования комплекса для подготовки специалистов различных форм обучения являются:
- анализ функциональной достаточности информационно-образовательных, учебно-исследовательских и информационно-методических ресурсов (информационное наполнение, разнообразие методов и типов автоматизированного обучения и контроля знаний, простота и удобство использования ресурсов комплекса в режиме самоподготовки, консультаций) для реализации целей подготовки специалистов;
- достаточность форм и режимов взаимодействия преподавателей и студентов с использованием интернет-ресурсов комплекса и средств удаленного доступа.
В процессе использования информационно-образовательных, учебно-исследовательских и информационно-методических ресурсов комплекса студентами заочной формы обучения установлена достаточная функциональность перечисленных выше видов ресурсов по выбранному кругу специальных дисциплин для самостоятельной подготовки студента и реализованных в комплексе режимов взаимодействия для полноценного выполнения студентами лабораторного практикума в системе удаленного доступа.
При тестировании и опытной эксплуатации реализованной в АЛК системы самоконтроля знаний также выявлены полезные учебно-методические аспекты обучения студентов разного рейтингового уровня успеваемости с использованием сетевых технологий и систем удаленного доступа. Установлено, что часть информационно-образовательных ресурсов может использоваться для самостоятельной подготовки студентов любого уровня успеваемости, часть ресурсов необходимо рекомендовать для повторения и дополнения теоретического материала, прочитанного на лекциях или отработанного на семинарах в аудиторные часы.
Положительный опыт накоплен также в процессе эксплуатации комплекса при выполнении лабораторных практикумов студентами очной формы обучения. Процесс выполнения практикума существенно ускорился, а эффективность выполнения лабораторных работ повысилась. Это связано, прежде всего, с тем, что студенту предоставляется полный комплекс информационно-образовательных, учебно-исследовательских и информационно-методических ресурсов, включающий теоретический материал, примеры типовых решений, требования к выполнению лабораторных работ и оформлению отчетов, описания работы с моделирующим программным обеспечением.
Доступ ко всем ресурсам комплекса для студентов и преподавателей имеется в любое удобное для них время (без ограничений на выделенное время аудиторных занятий). Это способствует организации самостоятельной работы студентов для подготовки к выполнению лабораторных работ, организации консультаций с преподавателем в рассмотренных выше режимах взаимодействия. Таким образом, за одинаковый промежуток времени, отводимый в соответствии с рабочим планом на лабораторный практикум по одному из курсов, одна и та же группа студентов может выполнить на 1 - 2 лабораторные работы больше при организации обучения с использованием ресурсов АЛК.
Полезным опытом создания комплекса является также организация в едином информационно-образовательном пространстве междисциплинарных взаимосвязей специальных дисциплин и возможность их использования не только в соответствии с рабочим планом подготовки специалиста в конкретном семестре, но и при выполнении курсовых и дипломных работ.
Таким образом, опыт практического использования разработанного автоматизированного лабораторного комплекса для подготовки химиков-технологов показал эффективность использования таких комплексов в системе высшего образования при подготовке специалистов по любым формам обучения. В целом, рассмотренный опыт может быть распространен не только для химико-технологического образования, но и для подготовки инженерных кадров в системе высшего образования вообще.
Список литературы
1 Автоматизированный лабораторный комплекс [Электронный ре-
сурс] / Кафедра компьютерно-интегрированных систем в химической технологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева. -Электрон. дан. и прогр. - Режим доступа: http://cisserver.muctr.edu.ru/alk/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2 Разработка автоматизированных лабораторных комплексов: учебн. пособие / А.Ф. Егоров и др. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2006. - 176 с.
3 Автоматизированный лабораторный комплекс - интегрированная информационно-образовательная среда для подготовки химиков-технологов / А.Ф. Егоров и др. // Вестник Тамбовского государственного технического университета, 2006. - Т.12. - №1 А. - С. 174-178.
Organization of the Education and Knowledge Control Using Automated Laboratory Complex for Training Chemical Technologists
A.F. Egorov, T.V. Savitskaya, Yu.I Kapustin, S.P. Dudarov, A.V. Goransky
Russian Chemical Technological University after D.I. Mendeleev, Moscow
Key words and phrases: automated laboratory complex; automated knowledge control; automated systems of teaching; automated testing; distant teaching; information model of teaching; distant interaction.
Abstract: Automated laboratory complex for training chemical technologists developed by the authors is considered. The methodology of teaching realized in the complex as well as the content of teaching informational, research and methodological resources are described. Organization of the process of interaction between the complex users (teachers and students) and knowledge control is shown. Description of technologies realized in the complex for permanent control and self-control is given.
Organisation des Ausbildungsprozesses und der Kenntniskontrolle mit der Nutzung des automatisierten Laborkomplexes für die Vorbereitung der
Chemiker - Technologen
Zusammenfassung: Es wird der automatisierte von den Autoren entwickelte Laborkomplex für die Vorbereitung der Chemiker - Technologen betrachtet. Es sind die im Komplex verwirklichte Technologie der Ausbildung, den Bestand der Informations-ausbildungs-, Lehrforschungs- und Lehrmethodischressourcen beschrieben. Es ist die Organisation der Prozesse der Wechselwirkung der Benutzer des Komplexes (der Lehrer und der Studenten) und der Kontrolle des Wissens aufgezeigt. Es ist die Beschreibung der Technologien, die im Komplex für die Organisation der aktuellen Kontrolle und der Selbstkontrolle des Wissens verwirklicht sind, angegeben.
Organisation du processus de l’enseignement et du contrôle des connaissances avec l’utilisation du complexe de laboratoire automatisé pour la formation des chimistes et des technologues
Résumé. Est examiné le complexe de laboratoire automatisé qui est élaboré par les auteurs pour la formation des chimistes et des technologues. Sont décrites la technologie de l’enseignement réalisée dans le complexe, la composition des ressources d’information et des recherches ainsi que ceux des études et des méthodes. Est montrée l’organisation des processus de l’interaction des usagers du complexes (enseignants et étudiants) et du contrôle des connaissances. Est donnée la description des technologies réalisées dans le complexe pour l’organisation du contrôle courant et de l’autocontrôle des connaissances.
