CC BY
272011
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Математика. Механика. Информатика Вып. 4(8)
УДК 004.94
Разработка информационной обучающей системы с интеллектуальным интерфейсом для подготовки учащихся к ЕГЭ
1 2
Н. И. Симакина , А. П. Фатикзянов
1Пермский государственный национальный исследовательский университет Россия, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
2Пермский государственный педагогический университет Россия, 614000, Пермь, ул. Сибирская, 24 [email protected]; 8950 459 83 93
Ставится задача разработать информационную обучающую систему с интеллектуальным интерфейсом для подготовки учащихся к ЕГЭ по математике.
Ключевые слова: информационная система; интеллектуальный интерфейс; дистанционное обучение; единый государственный экзамен; математика.
Введение
Современные Web-технологии имеют весь необходимый потенциал для того, чтобы стать фундаментом для построения новейших образовательных сред - информационных обучающих систем (ИОС), которые удовлетворяют требованиям времени по предоставлению и распространению знаний. Главными достоинствами таких систем являются независимость расположения обучаемых и независимость от платформы обучения. Приложение, установленное и поддерживаемое на одном сервере, может дистанционно использоваться тысячами пользователей по всему миру, имеющих компьютер с любыми видом подключения к сети 1йете1 Тысячи обучающих курсов и приложений стали доступны посредством 1пЬег^ за последние пять лет. Но проблема заключается в том, что большинство из них являются только сетью статичных гипертекстовых страниц.
Перспективной целью является разработка образовательных приложений с использованием информационных технологий, которые могут предложить нечто значительное в плане интерактивности и эффективности обучения [1].
ИОС в первую очередь должна обладать "дружественным" пользовательским интерфейсом, включать в свой состав качественные тренажеры для генерации заданий, подсистему генерации их развернутого решения, иметь удобные средства управления, навигации и интерактивного общения.
В настоящее время эти задачи решаются путем внедрения в ИОС элементов искусственного интеллекта. Такие системы получили название интеллектуальных информационных обучающих систем [2-5]. Интеграция современных средств искусственного интеллекта с традиционными обучающими системами позволяет расширить их возможности и повысить эффективность использования этих систем. В связи с этим перспективными являются разработки интеллектуальных информационных систем обучения, объединяющих в себе методы искусственного интеллекта, информационных систем и интернет-технологий[6, 7].
В качестве интеллектуальной компоненты при разработке ИОС были выбраны элементы класса систем с интеллектуальным интерфейсом (коммуникативные системы), а именно: гипертекстовая система, генератор заданий, подсистема генерации развернутого решения заданий.
© Н. И. Симакина, А. П. Фатикзянов, 2011
Задачами данной ИОС являются:
1) теоретическая и практическая подготовка абитуриентов к ЕГЭ по математике;
2) улучшение качества дистанционной формы курса обучения;
3) Повышение экономической эффективности организации подготовительных курсов;
4) равные возможности учащихся при прохождении курса обучения независимо от их расположения и независимо от платформы обучения.
Актуальность данной работы заключается в повышении качества дистанционного обучения за счет внедрения в дистанционные курсы подготовки к ЕГЭ по математике информационных обучающих систем с интеллектуальным интерфейсом.
В ходе работы был проведен обзор существующих ИОС, изучены особенности структуры ИОС, применяемых при дистанционных курсах подготовки к ЕГЭ по математике, составлен теоретический и практический материал курса обучения, для тренажера обучающей системы подобраны типовые варианты тестовых заданий ЕГЭ по математике на 2011 г.
Новизна работы заключается в гибкости редактирования и актуализации содержания учебного материала курса, в использовании серверного языка программирования PHP в качестве базы для разработки учебных тренажеров (отсутствие на сервере исполняемых файлов с расширением "exe"), а также в наличии удобного пользовательского интерфейса.
Использование информационных обучающих систем в дистанционном образовании позволяет улучшить качество дистанционной формы подготовительных курсов, уменьшить издержки учащихся и образовательных учреждений, связанные с организацией подготовительных курсов к ЕГЭ, повысить производительность труда преподавателей.
1. Описание предметной области
В качестве предметной области рассматривается система дистанционных подготовительных курсов к ЕГЭ, в частности система дистанционной подготовки к ЕГЭ по математике.
Информационная обучающая система призвана улучшить качество дистанционной формы курса обучения.
2. Выбор программных средств
Обучающая система расположена на локальном сервере (для создания локального сервера был использован базовый пакет "Денвер-3"). Для создания базы данных была использована серверная СУБД "MySQL-5.1", входящая в базовый пакет "Денвер-3".
В базе данных хранится служебная информация, ссылки на предметную информацию и ее элементы, а также шаблоны типовых тестовых заданий, которые используются при их генерации. При реализации сценариев создаваемого web-приложения использовался инструментарий PHP и JavaScript. Учебный материал располагается на сервере в виде динамически обновляемых HTML-страниц.
При разработке программных модулей для генерации типовых тестовых заданий использовался язык разметки XML/MathML (для отображения математических формул и выражений).
3. Программная реализация ИОС
Информационная обучающая система в первую очередь должна обладать "дружественным" пользовательским интерфейсом, включать в свой состав качественные тренажеры, иметь удобные средства управления, навигации и интерактивного общения.
ИОС имеет 3 вида прав доступа: администратора, преподавателя и учащегося (рис. 1). Для входа в систему пользователю необходимо сначала зарегистрироваться. После нажатия на ссылку "Регистрация" происходит перенаправление учащегося на страницу формы.
Рис. 1. Форма входа в систему
При регистрации пользователь указывает следующую информацию: фамилию, имя, отчество, дату, месяц, год рождения, место жительства, электронный адрес, контактный телефон, задает логин и пароль (рис. 2).
ІД^ІІ ;1ШД»ИІІ»№ІІ О И^ДИІ
Рис. 2. Форма регистрации учащихся
После регистрации программа направляет пользователя на страницу входа в систему, где он проходит процедуру авторизации путем указания своего статуса и ввода своего логина и пароля в соответствующие поля. Регистрацией преподавателей занимается администратор, после чего отправляет на их электронные адреса данные для авторизации в системе.
Структурно web-приложение состоит из 6 основных вкладок:
1. "Главная"
2. "Теоретический курс"
3. "Тестирование"
4. "Информация"
5. "Преподаватель"
6. "Администратор"
После входа в систему пользователь попадает на главную страницу приложения, где пользователю доступно расписание контрольных мероприятий, а также краткая инструкция к работе с приложением (рис. 3).
¿С=И я
Рис. 3. Форма главной страницы
При нажатии на кнопку "Выйти" происходит перенаправление пользователя на страницу формы страницы входа в систему.
Теоретический курс структурирован по разделам и представлен в виде электронного учебника на одной из вкладок web-приложения.
Он имеет 4 раздела:
• Тематический курс. Включает в себя теоретический материал, разбитый по темам, для теоретической подготовки учащихся (рис. 4).
матический курс
• Подготовка к части I. Включает в себя разбор типовых вариантов заданий первой части теста, задания для самостоятельной работы и диагностические работы для контрольных мероприятий.
• Подготовка к части II. Включает в себя разбор типовых заданий второй части теста, задания для самостоятельной работы и диагностические работы для контрольных мероприятий (рис. 5).
ивя а |. ■ і ♦ -т-. — . ^ а
Рис. 5. Форма электронного учебника: подготовка к части II
• Дополнительная литература. В данном разделе преподаватель имеет возможность выкладывать дополнительные источники информации для углубленной теоретической или практической подготовки учащихся. Это могут быть различные справочники по математике, методические пособия, статистические данные о результатах тестирования за прошлый год и так далее.
Содержание учебника имеет иерархическую структуру и загружается из базы данных, в которой хранятся заголовки разделов, тем и подзаголовков, представленных в виде ссылок на web-страницы, которые открываются во фрейме содержательной части учебника. Страницы содержат материал курса и хранятся на сервере. Web-приложение имеет все необходимые опции для редактирования материала курса, которые доступны как преподавателю, так и администратору.
Система имеет 2 режима тестирования: режим обучения и режим контрольного тестирования. При нажатии на кнопку "Режим обучения” открывается форма страницы режима обучения. При нажатии на кнопку "Контрольное тестирование" открывается форма режима контрольного тестирования (рис. 6).
Рис. 6. Два режима тестирования
При входе в режим обучения система генерирует задания первой и второй частей теста, а также варианты ответов, один из которых является правильным (рис. 7). Пользователю открывается форма, состоящая из трех блоков.
В первом блоке находятся пиктограммы номеров заданий первой и второй частей теста. Каждая пиктограмма содержит ссылку на программный модуль для генерации соответствующего задания, результат выполнения которого открывается во фрейме правого верхнего блока. В этом фрейме имеется кнопка, которая позволяет сгенерировать новое типовое задание.
Рис. 7. Форма режима обучения: задание B11
Третий блок - правый нижний фрейм -предназначен для генерации развернутого решения текущего задания. В этом фрейме имеется кнопка, которая позволяет сгенерировать развернутое решение текущего задания.
При генерации развернутого решения решение задачи разбивается на этапы, которые позволяют учащемуся проследить логическую цепочку выполнения задания с кратким теоретическим обоснованием выводов после каждого выполненного этапа. Напротив каждой пиктограммы заданий первой части теста находится форма-бланк ответов, которые заполняются пользователем.
После завершения обучения система обрабатывает результаты выполнения первой части теста путем сравнения правильных вариантов ответа, вычисленных программой, и ответов, отмеченных пользователем в форме бланка ответов, а затем предъявляет их пользователю в виде отчета, в котором даны количество правильных ответов, ошибок, а также указаны задания, которые решены неверно (рис. 8).
? тш, т
Рис. 8. Форма отчета о результатах тестирования в режиме обучения
Задания второй части в режиме обучения проверяются пользователем самостоятельно при помощи развернутого решения, генерируемого программой в нижнем правом фрейме.
Ы« Ш* Нл ьзди.1 ■! о
Рис. 9. Форма режима контрольного тестирования: задание 38
Интерфейс режима контрольного тестирования во многом схож с интерфейсом режима обучения (рис. 9). В отличие от режима обучения в режиме контрольного тестирования каждое задание генерируется только один раз. Подсистема генерации развернутого решения текущего задания, доступная в режиме обучения, в режиме контрольного тестирования уже не доступна. Каждая пиктограмма содержит ссылку на файл с соответствующим заданием, который открывается во фрейме второго блока.
Задания второй части решаются пользователем в развернутом виде в MS Word (рис.10). После завершения теста, система обрабатывает результаты решения первой части теста по тому же принципу, что и в режиме обучения, записывает их в базу данных.
тирования: задание С3
Файл MS Word с развернутым решением второй части теста отправляется на электронный адрес преподавателя для дальнейшей проверки.
Вклацка "Информация" содержит интерактивный информационный блок, который позволяет учащимся общаться с преподавателем, а преподавателю размещать информацию, предназначенную для пользователей. Информационный блок состоит из двух объектов: текстового поля для ввода сообщения и фрейма для его вывода. Это могут быть ответы на вопросы пользователей, объявления, короткие сообщения, результаты контрольного тестирования, разобранные примеры вариантов типовых заданий, вызывающих трудности у пользователей, и так далее. Все сообщения, отправленные на стену, отмечаются именем пользователя и временем создания записи (рис. 11). Информационный блок доступен учащимся только после процедуры их распределения по группам, которую осуществляет администратор. Администратор, в свою очередь, может просматривать "стены" всех преподавателей (рис. 12).
для учащихся и преподавателей
Рис. 12. Форма информационного блока для
администратора
Вкладка "Преподаватель" доступна только преподавателям.
В приложении предусмотрен инструментарий, позволяющий преподавателю просматривать (рис. 13), добавлять (рис. 14), изменять, удалять материал курса, обновлять тестовые задания.
Рис. 13. Страница преподавателя: просмотр разделов теоретического курса
инструкции преподавателям для работы с приложением, которые открываются в соответствующем фрейме при нажатии на кнопку "Инструкции к работе" (рис. 18).
Рис. 14. Страница преподавателя: запись новой темы в базу данных
Загрузка данных на сервер в программе осуществляется с помощью стандартного загрузчика файлов. Перед отправкой данных на сервер файлы предварительно сжимаются преподавателем в Zip-архив.
Преподаватель имеет возможность просматривать данные всех учащихся и учащихся своей группы (рис. 15), вводить результаты проверки решений заданий второй части теста в таблицу "Учащиеся" (рис. 16), формировать и просматривать отчет о результатах контрольного тестирования в группе по каждой части теста, а также опубликовывать его в информационном блоке (рис. 17). В приложении предусмотрены
Рис. 15. Страница преподавателя: просмотр данных учащихся группы преподавателя
Рис. 16. Страница преподавателя: запись результатов выполнения второй части теста в базу данных
Рис. 17. Страница преподавателя: просмотр отчета о результатах контрольного тестирования
Рис. 18. Инструкции к работе для преподавателей
*.- *■ О п 0 9» I«*»« Ш
Рис. 19. Страница администратора: регистрация преподавателей
Вкладка "Администратор" доступна только администратору.
Администратор, также как и преподаватель, имеет возможность редактировать материал курса и, кроме того, занимается регистрацией преподавателей (рис. 19) и распределением учащихся по группам (рис. 20), имеет доступ ко всей базе данных, в том числе к анкетным данным преподавателей (рис. 21), возможность удалять данные пользователей, очищать "стены" информационных блоков преподавателей, добавлять, обновлять или удалять программные модули для генерации типовых тестовых заданий.
Распределение учащихся по группам осуществляется путем сопоставления каждого учащегося с именем конкретного преподавателя в форме распределения по группам. После нажатия на кнопку "Распределить по группам" программа устанавливает соответствие между преподавателями и учащимися, входящими в их группу.
Рис. 20. Страница администратора: распределение учащихся по группам
Рис. 21. Страница администратора: список преподавателей, зарегистрированных в системе
В приложении также предусмотрены инструкции администратору для работы с приложением, которые открываются в соответствующем фрейме при нажатии на кнопку "Инструкции к работе" (рис. 22).
Заключение
В ходе реализации проекта:
1. Создан прототип информационной обучающей системы с интеллектуальным интерфейсом для подготовки учащихся к ЕГЭ по математике.
2. Разработан адаптивный генератор типовых тестовых заданий.
3. Разработана подсистема генерации развернутого решения вариантов типовых заданий.
4. Составлен и структурирован теоретический и практический материал для прохождения курса обучения и подготовки учащихся к тестированию.
Разработанная система обладает "дружественным" пользовательским интерфейсом, включает в свой состав качественные тренажеры, имеет удобные средства управления, навигации и интерактивного общения.
Предварительные результаты анализа экономической эффективности подтвердили целесообразность внедрения разработанной ИОС в систему дистанционных подготовительных курсов.
Список литературы
1. Атанасов Г.А, Пустынникова И.Н. Обучение и искусственный интеллект, или Основы современной дидактики высшей школы. Донецк: Изд-во ДОУ, 2002. 504 с.
2. Башмаков А.И, Башмаков И.А. Интеллектуальные информационные технологии: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 304 с.
3. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2000. 384 с.
4. Ковалев В.З., Татевосян А.С. Интеллектуальные информационные системы: конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.
5. Луценко Е.В. Интеллектуальные информационные системы: учеб. пособие для студентов специальности: 351400 "Прикладная информатика (по отраслям)". Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2004. 633 с.
6. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. 2-е изд. / пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильямс", 2006. 1408 с.: ил. Парал. тит. англ.
7. Тельнов Ю.Ф. Интеллектуальные информационные системы: учеб. пособие. М.: Моск. междунар. ин-т эконометрики, информатики, финансов и права, 2003. 118 с.
Development of information training system with an intelligent interface to prepare pupils for the unified state examinations
1 2 N. I. Simakina , A. P. Fatikzyanov
'Perm State National Research University, Russia, 614990, Perm, st. Bukireva, 15
2The Perm State Pedagogical University, Russia, 614000, Perm, ul. Siberian, 24 [email protected]; 8 950 459 83 93
The aim is to develop an information training system with an intelligent interface to prepare students for the exam in mathematics.
Key words: information system; intelligent interface; distance learning; unified state examination; a mathematician.
