Разработка адаптивной обучающей среды с использованием инструментального средства МОНАП Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Разработка адаптивной обучающей среды с использованием инструментального средства МОНАП

Румянцев Алексей Александрович, студент группы 4192 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева (КНИТУ-КАИ), ул. К. Маркса, 10, г. Казань, 420111, (937)6201546 rumyantsev-2013 @,listru

Хабибулин Ринат Рахимович, студент группы 4193 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева (КНИТУ-КАИ), ул. К. Маркса, 10, г. Казань, 420111, (905)0202384 [email protected]

Александров Александр Сергеевич, студент группы 4193 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева (КНИТУ-КАИ), ул. К. Маркса, 10, г. Казань, 420111, (987)2893322 [email protected]

Аннотация

В работе исследованы возможности обучающей среды для оценки знаний обучаемого в некоторых разделах общей физики. Данная среда формирует задания с оптимальной для обучаемого трудностью и состоит из: теоретического материала в виде электронного учебника, теста, реализованного в программе TestMaker для проверки теоретических знаний обучаемого и интеллектуальной обучающей системы, разработанной с использованием инструментальных средств МОНАП.

In this work, the possibilities of the learning environment in evaluation of students' knowledge of some sections of general physics are studied. This environment allows creating tasks with specific optimal difficulty for students and includes: theoretical material in the form of electronic textbook, test implemented in the TestMaker for testing theoretical knowledge of learner and an intelligent learning system developed using the MONAP tools.

Ключевые слова

учебный контент, обучающая система, адаптивная обучающая система, обучающая среда, оценка навыков/умений

educational content, tutoring system, adaptive training system, learning environment, skills/abilities assessment

Введение

Активное развитие в настоящее время получило адаптивное обучение в различных сферах деятельности, целью которого является изучение теоретических материалов и формирование навыков работы с полученными знаниями, благодаря чему становится возможным эффективный для обучаемого и контролируемый процесс обучения. За последние десятилетия получили развитие обучающие среды, способные осуществлять методы обучения, реализующие поведение преподавателя, принципы адаптивности, интерактивности, индивидуализации обучения. Адаптивность обучения определяется как реализация процесса обучения и преподавания за счет формирования изучаемого материала по таким характеристикам, как сложность и трудность. Благодаря индивидуальности набора заданий для обучаемого улучшается качество процесса обучения.

В качестве предметной области обучения была выбрана актуальная и интересная современным школьникам область физики. В виду значительного объема данной предметной области в качестве разделов для реализации в обучающей системе были выбраны такие темы как механика движения, гидростатика, электротехника.

Обучающая среда должна обеспечивать эффективное усвоение знаний обучающимися с учетом их подготовки, поэтому обучение алгоритмам решения определенных задач осуществляется через управляемое и контролируемое выполнение учебных задач. В связи с этим актуальной является задача формализации, а на ее основе и автоматизации функции формирования учебных задач с требуемыми свойствами, обеспечивающими усвоение рассмотренных алгоритмических предписаний [1]. Рассматриваемый процесс обучения основан на принципе адаптивного формирования умений решения задач.

Компоненты среды обучения:

• Теоретический материал предметной области для изучения;

• Тест, созданный в приложении TestMaker [2];

• Интеллектуальная обучающая система (ИОС), спроектированная инструментальными средствами МОНАП [1,3-8].

Теоретический материал

В качестве теоретического материала был выбран структурированный электронный учебник физики И.В.Яковлева, охватывающий всю школьную программу и темы кодификатора ЕГЭ по физике [9], доступный по адресу http://mathus.ru/phys/book.pdf

Как основа для осуществления процесса обучения используется теория поэтапного формирования умственных действий.

Компания «Ваш репетитор» MathUs.ru

И. В, Яковлев

Физика

Перед вами электронное пособие по физике, охватывающее всю школьную программу и, соответственно, все темы кодификатора. ЕГЭ но физике.

Цель данного пособия обеспечить школьникам исчерпывающую теоретическую подготовку по физике. Такую подготовку, которая позволит успешно выступить на олимпиадах, набрать высокие баллы на ЕГЭ. поступить в желаемый вуз и впоследствии органично перейти к изучению вузовского курса общей физики.

Пособие состоит из семи глав:

1, Механика

2, Молекулярная физика и термодинамика

3, Электродинамика

4, Оптика

5, Теория относительности

С. Квантовая физика

7. Приложение. Векторы в физике

Рис. 1. Скриншот электронного учебника И.В. Яковлева

Действие, названное в работах А. Н. Леонтьева и С. Л. Рубинштейна единицей психологического анализа, впервые выполнило эту функцию в рассматриваемой теории.

Действие как простейшее образование, сохраняющее все основные особенности человеческой деятельности, было подвергнуто П. Я. Гальпериным и его учениками и последователями всестороннему изучению. Деятельностная теория учения позволила принципиально по-иному подойти к решению таких важных практических проблем, как проблемы психодиагностики и программированного обучения [10].

Применяя основы и принципы данной теории при создании обучающей системы, стала возможной реализация рационального управления процессом усвоения знаний и приобретения требуемых навыков. Обучение является контролируемым и управляемым процессом выполнения учебных заданий обучаемым. Рассмотрение вопросов разработки алгоритмических предписаний и обучения им учащихся позволило определить основную функцию алгоритмов обучения - определение свойств учебных задач, обеспечивающих усвоение алгоритмических предписаний, разработанных экспертом-педагогом [1]. Определение указанных свойств осуществляются с учетом общих принципов обучения, выявленных при анализе ассоциативно-рефлекторной теории обучения, а именно:

• определение свойств учебных задач и выдача подкреплений должны осуществляться на основе идентификации навыков обучаемого на каждом шаге обучения;

• в процессе обучения должен соблюдаться принцип перехода от усвоения простого учебного материала к сложному;

• переход к усвоению нового учебного материала должен осуществляться в случае успешного усвоения предыдущего материала;

• в процессе обучения должна осуществляться стабилизация субъективной степени трудности учебных задач для каждого обучаемого.

На каждой стадии процесса обучения выполняются определенные действия:

• выбор задач с некоторыми требуемыми свойствами;

• ввод ответов обучаемым с дальнейшей проверкой правильности интеллектуальной обучающей системой и при необходимости объяснениями выявленных ошибочных ответов;

• оценка сформированности навыков обучаемого и принятие решения о продолжении процесса обучения или остановке при успешном завершении или аварийном окончании обучения с дальнейшим обращением к учебному материалу;

• определение свойств, используемых для выбора следующей задачи при продолжении обучения.

Разработка алгоритмического предписания является, в общем случае, слабо формализуемой, многокритериальной задачей, решаемой экспертом-педагогом. В результате анализа предметной области (ПО) обучения выбираются базовые (первичные) элементы, представляющие собой простые понятия (концепты), на основе которых строится рассматриваемый учебный материал.

С учетом выбранных базовых элементов (концептов) и на основе структурно -алгоритмического анализа деятельности по решению задач определенного класса осуществляется выделение типовых операций (правил), составляющих содержание рассматриваемой деятельности. Разработка алгоритмического предписания завершается описанием его логической структуры, указывающей последовательность, в которой необходимо или возможно (целесообразно) выполнять выделенные операции (правила) для получения искомого решения [1].

Реализация рассматриваемых методов организации процесса обучения и формирования навыков и умений осуществлялась с использованием следующих прикладных программных комплексов:

• система электронного контроля знаний TestMaker;

• инструментальное средство МОНАП (Модель Обучения Навыкам Алгоритмической Природы).

Система TestMaker

Для эффективной проверки знаний обучаемого могут применяться электронные тесты - наборы проверочных заданий из различного типа вопросов и ответов в выбранной предметной области. Система TestMaker позволяет создавать, редактировать различные по структуре и содержанию тесты с использованием таких типов вопросов как закрытый, многозначный однозначный вопросы, выбор соответствия, простой и расширенный открытый вопросы, предназначенных для проверки теоретических знаний и анализа результатов тестирования с различными параметрами, например, ограничением по времени выполнения, последовательностью, сложностью вопросов. В рамках предметной области общей физики и выбранных дисциплин был реализован тест из 9 вопросов по 3 для каждого раздела с использованием TestMaker, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Система TestMaker (выполнение теста - слева, проектирование вопросов

теста - справа)

Инструментальные средства проектирования МОНАП

МОНАП - инструментальное средство разработки для автоматизации проектирования интеллектуальной обучающей системы, в которой реализуются алгоритмы адаптивного управления процессом обучения в заданной предметной области.

Составными компонентами системы являются: среда преподавателя и среда обучаемого [11].

В рамках разработки алгоритмического предписания в «Среде преподавателя» осуществляется:

• Выбор некоторой предметной области, для которой реализуется адаптивное управление обучением.

• Анализ выбранной предметной области, поиск учебного материала, справочников, выбор простых базовых понятий как опорных элементов.

• Создание обучающей среды для данной предметной области и выбор параметров оптимального управления процессом обучения.

Структура Среды преподавателя представлена основным навигационным меню, окном содержания выбранной вкладки, панелью инструментов. В системе реализовано 6 разделов для проектирования ИОС.

Среда обучения

В данном окне рассматривается общее описание среды, различные параметры обучения, в частности отвечающие за оптимальное значение трудности и скорости

обучения, и настройки среды проектирования.

Рис. 3. Окно описания среды обучения

Подсистема правил

После описания среды необходимо определить набор правил - базовых элементов для оценки сформированности навыков. Процесс обучения опирается на данные правила, сформированные желательно в виде «условие-действие». С помощью правил осуществляется конструирование учебных задач. В рамках проектирования создано 15 правил из разных разделов общей физики. Пример просмотра и редактирования правил изображен на рис. 4.

Рис. 4. Список правил среды обучения и окно редактирования

Свойства учебных задач

При создании интеллектуальной обучающей системы важной является разработка файла свойств задач, содержащего классы, подклассы и вектор использований правил, определяемый числом использований каждого, из созданных ранее правил. Данные понятия используются для определения спецификации учебных задач. Каждому классу соответствует фиксированное число правил, а подклассы применяются для разделения задач по их сложности, определяемой суммарным числом применений правил. При этом каждый последующий подкласс представляет задачи с более высоким уровнем сложности, чем у предыдущих, т.е. реализуется принцип от простого к сложному. В рамках выбранной предметной области реализовано 3 класса по таким разделам общей физики, как механика движения, гидростатика, электротехника с 5 правилами в каждом в виде физических законов и формул. В каждом классе выделено 7 подклассов с задачами различной сложности. Данный файл свойств изображен на рис. 5.

Рис. 5. Файл свойств учебных задач

Банк учебных задач

В подсистеме банка задач содержатся все учебные задачи ИОС. Как видно на рисунках 6, 7, 8 задачи разделяются на классы и подклассы в общем списке, определяющие их сложность. Также с целью обеспечения вариативности обучения для обеспечения разнообразия имеются синонимичные задачи с одинаковым классом и подклассом, т.е. с одинаковым набором правил, как показано на рис. 7.

/А МОНДП: тпстема проектирования ^ _ _ Щ

+ V X '0' • Ё'т- Банкзадач Предварительный просмотр задачи

Среда обучения

Класс Подкласс Номер Э Задача 1.1.2. На поверхности земли сидит лягушка, которая может прыгать со скоростью УО =3м/с, которая прыгает под любым углом к горизонту. Масса лягушки = 0,04 кг. Коэффициент силы сопротивления воздуха = 0,1. Угол наклона поверхности а= 10 градусов. Лягушка совершила прыжок под углом 30 градусов.

1 1 1 5

Правила 1 2 3 е

1 2 4 с

1 3 5 7

1 3 6 7

1 * 7

1 4 В е'

Учебные задачи 1 5 9 9

Обучаемые 1 С 12 12

Сила тяжести, действующая на лягушку, равна: Рт = | | Н Сила трения лягушки о воздух, равна: Рс.в. = | | Н Скорость лягушки в момент падения на поверхность, равна: V =_ м/с Расстояние, на которое прыгнула лягушка, равно: Э = | | м Величина силы воздействия лягушки на землю при приземлении равна: Р = П н

2 15

2 2 17 5

2 2 18 5

2 3 19 6

2 3 20 6

2 4 21 7

2 4 22 7

2 5 23 8

2 5 24 8

2 6 25 а Проверить | | Изменить | | Удалить

2 в 26 9

Текущая среда обученния: Физика

Рис. 6. Задача 1-го класса 1-го подкласса

МОНДП очотема проектировании I

+ X Банк задач П редварительн ы й г росмотр задач и

Среда обучения Класс Подкласс Номер £ Задача 1.1.1. После удара гольфиста мяч пролетел под углом а=45 градусов к полю. Масса мяча = 0,15 кг коэффициент сопротивления воздуха р=0,6, начальная скорость камня равна 20 м/с. я Од а "Л----\

1 1 2 5

Правила 1 2 3 С

1 2 4 е

1 3 5 7

Свойства задач 1 3 6 7

1 4 7 8

1 4 2

Учебные задачи Г*-^-- Сила тяжести, которая действует на мяч для гольфа, равна: Рт = ^^ Н Сила сопротивления воздуха равна: Рев = Н Скорость мяча в точке с максимальной высотой равна: Углах =_м/с Расстояние, которое пролетит мяч, равно: Э = [ м Сила, с которой мяч ударит по земле, равна: Р = Н

1 5 10 9

1 6 12 12

2 15 4

2 2 17 5

2 2 18 5

2 3 19 6

2 3 20 6

2 4 21 7

2 4 22 7

2 5 23 8

2 5 24 «

2 в 25 9

2 6 26 9

Текущая среда обученния: Физика

Рис. 7. Синонимичная задача

Рис. 8. Задача 1-го класса 7-го подкласса

Подсистема обучаемых

В данном разделе содержится персональная информация об обучаемых и состоянии их обучения в виде гипотез и пошаговой оценки уровня обученности. Для прохождения обучения преподаватель должен зарегистрировать обучаемого в данном окне, заполнив поля для ввода персональных данных в специальной форме.

Подсистема моделирования

В данной подсистеме реализован функционал моделирования процесса обучения с возможностью задания любых результатов решения задач, а также хранение всей истории моделирования обучения с векторами операций, априорными вероятностями распределения гипотез, оценкой уровня обученности. Данный раздел предназначен для преодоления затруднений у преподавателей при выборе параметров среды обучения.

Среда обучаемого

Процесс обучения осуществляется в «Среде обучаемого». После регистрации преподавателем пользователь может авторизоваться в форме как на рисунке 9 и начать процесс обучения. После авторизации пользователю доступен интерфейс данной среды, представленный на рис. 10, в котором отображается окно выбора среды обучения, состояние и история обучения, вероятности распределения гипотез, вероятности гипотез о состоянии обученности, распределения вероятностей правильного применения операции, вероятности правильного применения операции, а также доступны возможности для начала или продолжения обучения.

Рис. 9. Форма авторизации

Рис. 10. Интерфейс среды обучаемого

После входа в процесс обучения пользователю средой обучения предоставляются задания для решения в виде описания задачи, полей ввода правильного ответа, как показано на рисунке 11. При тестировании пользователь может наблюдать за текущим состоянием обучения на вкладках детализации и текущего шага, на которых представлена информация, описанная на рисунке 10. На основе информации о шагах обучаемого формируется история обучения, представленная в виде графика вероятности правильного применения операции на рисунке 12. Также во время тестирования система может осуществить аварийной завершение обучения при заданных параметрах среды обучения.

Рис. 11. Прохождения обучения

Рис. 12. Информация о шагах обучаемого

Таким образом, разработанная интеллектуальная среда обучения позволяет автоматизировать: оценку навыков обучаемого, принятия решения об аварийном завершении обучения, определение подсистемой формирования заданий свойств учебных задач с оптимальным значением трудности в соответствии со знаниями, навыками и умениями обучаемого при принятии решения о продолжении обучения.

Заключение

В процессе проектирования была создана адаптивная среда обучения в области общей физики, включающая в себя тест, разработанный в программном комплексе ТеБШакег, и интеллектуальную систему обучения по разделам задач механики движения, гидростатики и электротехники средствами МОНАП.

Работа выполнена под научным руководством доцента кафедры АСОИУ КНИТУ-КАИ Галеева Ильдара Хамитовича.

Литература

1. Галеев И.Х. Свойства учебных задач при алгоритмизации в обучении // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society))» - 2011. - V.11. - №2. - С.289-299. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

2. Галеев И.Х., Колосов О.В., Филяев А.И. Сравнительный анализ систем компьютерного контроля знаний // Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в многоуровневой системе образования» - 2005. - Казань: ЗАО «Новое знание» - С. 101-105

3. Галеев И.Х. Модель обучения в МОНАП-ПЛЮС // Искусственный интеллект - 96. КИИ-96. Сборник научных трудов пятой национальной конференции с международным участием. T.I. - Казань, 1996. - С.17-25

4. Galeev Ildar, Sosnovsky Sergey and Chepegin Vadim. MONAP-II: the analysis of quality of the learning process model // in Valery Petrushin, Piet Kommers, Kinshuk and Ildar Galeev: Proceedings of IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2002), Kazan, Tatarstan, Russia, September 9-12, 2002, pp. 116-120

5. Galeev Ildar, Tararina Larissa, Kolosov Oleg, Kolosov Vlad. Structure and implementation of partially integrated adaptive learning environment // in Allison Rossett: Proceedings of E-Learn 2003, Phoenix, Arizona USA, November 7-11, 2003, p. 2151-2154

6. Галеев И.Х. Развитие адаптивных технологий обучения // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: проблемы высшего образования. Воронежский государственный университет. - 2004. - №2. - С. 76-83

7. Galeev Ildar, Tararina Larissa and Kolosov Oleg. Adaptation on the basis of the skills overlay model // in Kinshuk, Chee-Kit Looi, Erkki Sutinen, Demetrios Sampson, Iganacio Aedo, Lorna Uden and Esko Kahkonen: Proceedings of 4th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2004), Joensuu, Finland, August 30 - September 1, 2004, p. 648-650

8. Галеев И.Х. Модель управления процессом обучения в ИОС // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и

общество (Educational Technology & Society))» - 2010. - V.13. - №3. - С.285-292. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

9. Яковлев И.В. Электронный учебник физики. URL: http://mathus.ru/phys/book.pdf (дата обращения 12.04.2018)

10. Талызина Н.Ф. Теоретические проблемы программированного обучения. -М.: Изд-во МГУ, 1969. - 133 с.

11. Галеев И.Х. Проблемы и опыт проектирования ИОС // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society))» - 2014. - V.17. - №4. - С.526-542. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html