Научная статья на тему 'Система компьютерной диагностики знаний для выявления и устранения пробелов в знаниях обучаемых'

Система компьютерной диагностики знаний для выявления и устранения пробелов в знаниях обучаемых Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
788
156
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ / АДАПТИВНЫЙ ТЕСТ / ДИДАКТИЧЕСКИЙ ГРАФ / ПРОБЕЛЫ В ЗНАНИЯХ / ИНДИВИДУАЛЬНАЯ КАРТА ПРОБЕЛОВ / КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ЗНАНИЙ / PEDAGOGIC CONTROL / ADAPTIVE TEST / DIDACTICAL GRAPH / KNOWLEDGE GAPS / INDIVIDUAL CARD OF GAPS / DIAGNOSTIC KNOWLEDGE SYSTEM

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Корнилов Пётр Анатольевич, Яцканич Андрей Иванович

В статье рассматривается авторская методика определения и устранения пробелов в знаниях обучаемых, заключающаяся в использовании компьютерной системы диагностики знаний и дидактического графа. Рассказывается об автоматизации педагогического контроля с помощью тестов и компьютерных систем, роли тестирования в современном образовании. Отмечается положительный опыт применения тестирования в контролирующих мероприятиях. Затрагивается проблема определения и устранения пробелов в знаниях учащихся. Описывается классический подход к определению пробелов в знаниях обучаемого через диагностирующие и корректирующие тесты. Далее речь идет о структуре авторской методики выявления и устранения пробелов. Вводится понятие «дидактический граф». Кратко описывается структура графа. Объясняется, каким образом в модели реализуется дифференцированный подход к обучению. Авторами подчеркивается важность адаптивного подхода при построении методики выявления и устранения пробелов в знаниях. Подробно рассказывается о компьютерной диагностирующей системе, реализующей модель дидактического графа, её возможностях. Приводится описание модулей, из которых состоит система, описываются их задачи. Рассматриваются особенности и сложности разработки подобного рода систем. Рассказывается о практическом применении авторской методики при обучении студентов первого курса и индивидуализации процесса обучения с использованием описываемого подхода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Корнилов Пётр Анатольевич, Яцканич Андрей Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The system of computer diagnostics of knowledge to identify and address gaps in students’ knowledge

The article discusses the problem of identifying and eliminating gaps in students’ knowledge. It is also about the automation of pedagogic control by means of tests and computer systems, the role of testing in modern education. There is a positive experience with the testing in control activities. The issue of identifying and addressing gaps in students’ knowledge is addressed. The article describes the classical approach of identifying gaps in students’ knowledge through diagnosing and correcting tests, its shortcomings and weaknesses. Then, it comes to the author’s method of identifying and addressing gaps. The “didactical graph” notion is adduced. The structure of the graph is described briefly. It is described, in which way differential approach to teaching is realised in the model. The authors emphasise the importance of adaptive approach in constructing technique of identifying and addressing gaps in knowledge. It is in details told about system of computer diagnostics of knowledge employing a didactical model of the graph and its possibilities. There is description of the modules that make up the system, their task is described. The features and the complexity of developing such a system is described. As well, the practical application of the author’s method for teaching first-year students and the individualisation of the learning process with the use the described approach is said out.

Текст научной работы на тему «Система компьютерной диагностики знаний для выявления и устранения пробелов в знаниях обучаемых»

УДК 371.3

Корнилов Пётр Анатольевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Яцканич Андрей Иванович

Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского

kornilovpa@yandex.ru, anatrim@yandex.ru

СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗНАНИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ПРОБЕЛОВ В ЗНАНИЯХ ОБУЧАЕМЫХ

В статье рассматривается авторская методика определения и устранения пробелов в знаниях обучаемых, заключающаяся в использовании компьютерной системы диагностики знаний и дидактического графа. Рассказывается об автоматизации педагогического контроля с помощью тестов и компьютерных систем, роли тестирования в современном образовании. Отмечается положительный опыт применения тестирования в контролирующих мероприятиях. Затрагивается проблема определения и устранения пробелов в знаниях учащихся. Описывается классический подход к определению пробелов в знаниях обучаемого через диагностирующие и корректирующие тесты. Далее речь идет о структуре авторской методики выявления и устранения пробелов. Вводится понятие «дидактический граф». Кратко описывается структура графа. Объясняется, каким образом в модели реализуется дифференцированный подход к обучению. Авторами подчеркивается важность адаптивного подхода при построении методики выявления и устранения пробелов в знаниях. Подробно рассказывается о компьютерной диагностирующей системе, реализующей модель дидактического графа, её возможностях. Приводится описание модулей, из которых состоит система, описываются их задачи. Рассматриваются особенности и сложности разработки подобного рода систем. Рассказывается о практическом применении авторской методики при обучении студентов первого курса и индивидуализации процесса обучения с использованием описываемого подхода.

Ключевые слова: педагогический контроль, адаптивный тест, дидактический граф, пробелы в знаниях, индивидуальная карта пробелов, компьютерная система диагностики знаний.

В условиях развития информационного общества количество материала, которое необходимо усваивать обучаемому для успешного выполнения учебной деятельности, и его сложность постоянно растут. Таким образом, повышается вероятность появления пробелов в знаниях человека, которые в дальнейшем мешают восприятию новой информации и затрудняют формирование профессиональных компетенций. Поэтому своевременная диагностика и исправление пробелов в знаниях особенно важны в процессе обучения, так как дают преподавателю необходимую информацию о трудностях его подопечных и предоставляют возможность оперативно исправить найденные проблемы. Использование современных компьютерных технологий позволяет улучшить процесс обучения: сделать подачу материала нагляднее, проверку знаний эффективнее, задачи разнообразнее, а сам процесс обучения интереснее. Компьютерные технологии позволяют разгружать преподавателя, позволяя ему больше времени уделять индивидуальной работе с обучаемыми. Внедрение современных технологий в процесс диагностики и исправления пробелов в знаниях способствует повышению качества контролирующих мероприятий, увеличивает положительный эффект от них.

Проверка и диагностика знаний являются составными частями такого комплексного понятия, как педагогический контроль. Педагогический контроль это единая дидактическая и методическая система проверочной деятельности, которая осуществляется под руководством педагога и направлена на оценивание результатов процесса обучения [4]. В государственных образовательных

стандартах (ГОС) содержание контроля определяется минимумом содержания по отдельным предметам и требованиями к уровню его освоения выпускниками системы общего образования. Для проведения педагогического контроля используются различные формы и методы, среди которых особенный интерес для нашего исследования представляют педагогические тесты.

Тесты как инструмент контроля зарекомендовали себя с положительной стороны, хотя многие учителя скептически относятся к тестированию как к достоверной форме контроля, отдавая предпочтения традиционным формам проверки. Стоит помнить, что тесты это только инструмент, средство осуществления педагогического контроля и они, как и любое средство, могут приносить пользу, если используются по назначению, либо вред, когда их применяют необдуманно. Также нужно учитывать, что тесты должны быть разработаны в соответствии с теорией педагогических измерений [6].

Несомненным достоинством тестирования является минимум временных затрат на получение надежных итогов контроля. Электронный вариант тестирования наиболее оптимален, так как он позволяет получить результаты практически сразу по завершении теста и надежно сохранять результаты тестирования в удобном для анализа виде. При сохранении результатов тестирования в электронном виде становится возможным анализ допущенных ошибок с целью определения пробелов в знаниях у каждого обучающегося [5]. Однако, если делать это вручную, потребуется такое количество времени от учителя, которого у большинства педагогов просто нет. Современные компьютерные технологии помогают

24

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова 2015, Том 21

© Корнилов П.А., Яцканич А.И., 2015

Программные средства, системы, предназначенные для решения определенных педагогических задач, имеющие предметное содержание и ориентированные на взаимодействие с обучаемым, принято называть компьютерными средствами обучения (КСО) [2].Тесты относительно легко реализовать в виде КСО. Однозначность в ответах на вопросы теста позволяет автоматизировать сам процесс тестирования, а также проверку и анализ результатов.

Для диагностики пробелов существуют специальные типы тестов: диагностические и корректирующие тесты. Сначала обучаемый проходит корректирующий тест, в котором выявляются его пробелы в знаниях. Затем, с помощью диагностического теста, в котором каждое неправильное задание из корректирующего теста разбивается на отдельные шаги, определяются причины ошибок [8]. Такого рода тесты не позволяют, на наш взгляд, в оптимальном режиме составить карту пробелов, так как диагностика обычно тесно связана с заданиями корректирующего теста и углубиться в причины пробелов без внесения существенных изменений в сам механизм взаимодействия корректирующего и диагностического тестов не получится. Мы можем в рамках этого подхода, пытаясь составить подробную карту пробелов, начинать разбивать все неправильные задания из диагностического теста на составные части, для уточнения причин неправильного ответа. Но тогда получается, что корректирующий вид тестов интегрируется в диагностический и рушится изначальная связка. Появляются вопросы о правилах, на основе которых будет производиться разбиение заданий, о приоритете одних заданий над другими и др. Если же для уточнения карты пробелов пойти иным путем, а именно, увеличивать число заданий в корректирующем тесте, то возникает ряд проблем: увеличивается время на тестирование (что критично для текущего контроля, который должен проводится регулярно), для составления карты пробелов нужны строгие правила структуризации

и систематизации материала, которые изначально не описаны в данном подходе. У педагога, использующего диагностические и корректирующие тесты для эффективного определения пробелов в знаниях, появляется очень много проблем и новых вопросов, с которыми столкнулись и мы в начале исследования.

Анализ научной и методической литературы по теме показал, что существуют только общие рекомендации для составления дидактических и корректирующих тестов, но сфера разработки новых, более оптимальных и эффективных методов (в т.ч. и с использованием адаптивного подхода) для определения и исправления пробелов в знаниях недостаточно исследована. Поэтому, несомненно, актуальной задачей является разработка эффективной методики для определения и исправления пробелов в знаниях учащихся [8].

В данной работе мы хотим поделиться идеями и результатами наших исследований, которые помогут приблизиться к решению этой задачи. Авторами в течение нескольких последних лет разрабатывалась система автоматизированного тестирования, которая позволяет не только определить уровень усвоения различных тем изученного материала, но и выявить причины неверных ответов на вопросы теста, что позволяет быстро корректировать пробелы в знаниях учащихся [7]. В основе системы лежит авторская методика, опирающаяся на передовые идеи в области педагогического контроля и труды выдающихся исследователей: В.П. Беспалько, А.А. Вербицкого, П.Я. Гальперина, В.В. Давыдова, В.И. Звонникова, Н.Ф. Талызиной, М.Б. Челышкова, А.Г. Шмелева, Д. Дьюи, Я.А. Коменского, Н.Э. Краудера и других.

В системе автоматизированного тестирования существует возможность составить графовую структуру, узлами которой являются темы изучаемого материала, а дугами отмечаются смысловые зависимости одних узлов от других (вертикальные связи). Совокупность дуг, исходящих из какого-нибудь узла, определяет те узлы графовой структуры,

Рисунок 1. Пример дидактического графа

Рисунок 2. Структурно-функциональная модель методики выявления и устранения пробелов в знаниях

материал которых необходимо предварительно освоить для усвоения раздела, отраженного в этом узле. Такую структуру мы будем называть дидактическим графом (рис. 1).

Каждому узлу дидактического графа сопоставляется набор вопросов, дидактических материалов и упражнений, содержание которых носит практи-ко-ориентированный характер. Связь с практикой способствует повышению интереса обучаемого, а также большей заинтересованности в выполнении задания [1].

Содержание каждого узла представлено несколькими уровнями усвоения по Беспалько [3]. Деление на уровни позволяет нам дифференцировать качество усвоения учебного материал, тем самым появляется гибкость в выборе меры глубины, подробности изучения материала.

Благодаря этому становится возможен вариант использования системы, построенной на вышеописанных принципах, при котором оценка степени освоенности материала каждого узла дифференцируется. Тогда относительно материала каждого

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ^ 2015, Том 21

26

узла можно не только делать вывод, знает или не знает учащийся данный материал, а оценить степень усвоения в соответствии с вышеперечисленными уровнями знаний. При таком подходе можно вырабатывать рекомендации по дальнейшему изучению материала («на удовлетворительно», «на хорошо», «на отлично») в зависимости от целей и пожеланий обучаемого или времени, которое он может потратить на изучение материала [8]. Структурно-функциональная модель методики по выявлению и устранению пробелов в знаниях показана на рисунке 2.

Поиск пробелов осуществляется в адаптивной форме на основе дидактического графа. Каждая проблема в системе представляется в виде интерактивной модели, либо соответствующим типом тестового вопроса (множественный выбор, одиночный выбор, сопоставление и др.).

После тестирования обучаемый получает индивидуальную карту пробелов (рис. 3), а также набор дидактических материалов и компьютерных тренажеров, которые потребуются ему для отработки и исправления пробелов в знаниях. Таким образом, обучаемый получает возможность исправлять пробелы в индивидуальном режиме, без помощи преподавателя.

Важным преимуществом нашей диагностической системы является возможность по результату прохождения учащимся комплекса тестов по какому-нибудь крупному разделу или по целой дисциплине наметить индивидуальную образовательную траекторию для изучения материала. Для этого в используемом дидактическом графе выявляются звенья всех уровней, знания по которым учащимся усвоены недостаточно. После этого учащемуся предлагается отработка узлов в порядке «снизу-вверх», т.е. в порядке, когда обучаемый изучает сначала составные части разделов, а потом материал всего раздела в целом. При этом система предлагает отрабатывать только те разделы, в которых при тестировании были выявлены пробелы в знаниях.

Компьютерная система и дидактический граф составляют основу методики выявления и устране-

ния пробелов в знаниях. Выше, мы ознакомились с общими принципами этой методики, далее речь пойдет о компонентах системы, которые обеспечивают её работу. Основными элементами системы являются следующие модули:

- модуль обработки результатов тестирования;

- модуль работы с дидактическим графом;

- модуль проведения тестирования;

-модуль рекомендательной системы;

- модуль компьютерных дидактических материалов.

Модуль обработки результатов тестирования начинает свою работу, когда процесс выявления пробелов в знаниях окончен, либо обучаемый прошел процедуру устранения пробелов в знаниях. Его задача заключается в анализе информации, выявлении закономерностей и формировании данных для модуля рекомендательной системы. В нем же производится оценка результатов тестирования. Также модуль предоставляет преподавателю различные инструменты для статистической обработки данных.

Модуль работы с дидактическим графом реализует адаптивный подход при тестировании. Модуль содержит ряд настроек, позволяющих сделать процесс выявления пробелов более точным. Можно задать стратегию проверки ответа на вопрос узла, при которой единичный правильный ответ еще не гарантирует прохождение узла испытуемым, ему будут заданы уточняющие вопросы, по результатам которых и принимается окончательное решение о прохождении задания. Настройки также отвечают и за сложность вопросов (выбор уровня усвоения знаний), которая устанавливается преподавателем перед тестированием.

Модуль проведения тестирования отвечает за вывод вопросов пользователю, корректную обработку текстовой, графической и мультимедиа информации, содержащийся в вопросе, стабильную работу клиентской части.

Модуль компьютерных дидактических материалов отвечает за работу тренажеров, интегрированных в систему, корректное формирование

команды присваивания

Знак команды

Выражения

Неверные

Служебные имена I Константь

Рисунок 3. Пример карты пробелов обучаемого, где темные блоки соответствуют неусвоенным элементам

электронных материалов по запросу модуля рекомендательной системы. Также в его функции входит генерация тренажеров по шаблону. Модуль поддерживает различные типы генерации тренировочных заданий [2].

Модуль рекомендательной системы отвечает за устранению пробелов в знаниях. В его обязанности входит адаптивный подбор учебных материалов, тренажеров, составление индивидуальных образовательных траекторий. В частности, по карте пробелов, которая получается после прохождения обучаемым дидактического графа по теме, формируются дидактические материалы и тренажеры, которые необходимы для устранения выявленных проблем. Формируется индивидуальный электронный учебник, в котором детально описан материал, нуждающийся в освоении, а материал, который обучаемый знает, описан менее подробно.

Модульность системы позволяет дополнять ее новыми возможностями, изменять структуру отдельных элементов без влияния на остальные части программы. В самом начале работы над компьютерной системой диагностики знаний были созданы UML диаграммы для описания ключевых элементов системы, классов, функций и методов. Этап проектирования позволил избежать многих ошибок в процессе разработки. Итогом работы стал прототип, с помощью которого можно было проверить наши предположения, произвести исследования. С помощью прототипа были выявлены некоторые недочеты в проектировании, модель дидактического графа подверглась ряду улучшений. Сейчас идет перенос системы на технологию ASP. NET MVC. Код старой системы, благодаря модульности, может быть частично использована в новой версии системы компьютерной диагностики знаний.

Разработка подобного рода систем осложняется тем, что разработчики должны быть знакомы с сущностью педагогических понятий, процессов. Для того, чтобы конечный программный продукт выполнял все возложенные на него функции, нужен методист, который обладает преподавательским опытом и достаточной педагогической классификацией, разбирающийся в предметной области, в рамках которой ведется разработка системы, и который будет контролировать и корректировать процесс разработки. Немаловажно, что руководитель разработки должен также владеть педагогическими знаниями, пусть и в меньшем объеме, но достаточными, чтобы обеспечить взаимодействие с методистом. В работе [2] эти две роли получили названия компьютерный методист и системотехник КСО. Также сотрудничество с преподавателя-

ми позволяет улучшить качество разрабатываемых тренажеров, повысить их дидактическую эффективность, улучшить интерфейс всего приложения.

На данном этапе нами разработана методика для обнаружения и исправления пробелов, включающая в себя модель дидактического графа, а также её реализацию в виде компьютерной диагностической системы. Сейчас она проходит апробацию на базе ЯГПУ им. К.Д. Ушинского по дисциплине «Информатика». В будущем, при условии успешной апробации, данную методику можно распространить и на другие дисциплины. В случае внедрения подобной технологии в современную образовательную систему появится возможность не только оптимально определять пробелы в знаниях и эффективно исправлять их, но и собирать статистические данные, на основе которых будут исследоваться закономерности в процессах обучения и усвоения знаний.

Библиографический список

1. Бабанский Ю.К. Оптимизация процесса обучения (Общедидактический аспект). - М.: «Педагогика», 1977. - 256 с.

2. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. -М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. - 616 с.

3. Беспалько В.П. Программированное обучение: Дидактические основы. - М.: Высшая школа, 1970. - 300 с.

4. Звонников В.И., Челышкова М.Б. Современные средства оценивания результатов обучения. -М.: Академия, 2007. - 224 с.

5. Корнилов П.А., Потехин П.Н. Универсальная система тестирования // Математика и информатика и совершенствования преподавания: материалы междунар. конф. «Чтения Ушинского» физико-математического факультета. - Ярославль: ЯГПУ, 2013. - С. 169-175.

6. Челышкова М.Б. Теория и практика конструирования педагогических тестов. - М.: Логос, 2001. - 432 с.

7. Яцканич А.И., Потехин П.И. Система компьютерной диагностики и коррекции знаний учащихся // Математика и информатика и совершенствования преподавания: материалы междунар. конф. «Чтения Ушинского» физико-математического факультета. - Ярославль: ЯГПУ, 2014. -С. 251-259.

8. Яцканич А.И., Романова Е.В., Потехин П.И. Система компьютерной диагностики знаний // Сб. докл. VI междунар. науч.-практ. конф. - М.: Изд-во МГСУ, 2014. - С. 358-361.

28

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова Jij- 2015, Том 21

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.