CC BY
71
УДК 378.1
М.Ю. Катаев, А.М. Кориков, В.С. Мкртчян
Технологические аспекты проектирования виртуальной интегрированной образовательной среды
Рассмотрены технологические аспекты проектирования интегрированной образовательной среды (ИОС). Проектирование ИОС базируется на концепции виртуальной образовательной среды (ВОС), создаваемой в компьютерной системе ее разработчиком, администратором ВОС, учащимся и преподавателем. Обоснованы принципы построения ВОС, архитектура ВОС и управление процессом реализации образовательной траектории учащегося на основе методов теории управления.
Ключевые слова: образование, виртуальная реальность, структура обучения, управление знаниями, скользящий режим.
В Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации» и государственной программе Российской Федерации «Развитие образования» на 2013-2020 годы представлена концепция развития единой информационной образовательной среды. В рамках этой концепции предлагается единый подход к разработке информационных образовательных сред и систем, их обеспечивающих, с применением электронного обучения и сетевых образовательных технологий. В рамках этой же концепции предлагается решение задач формирования непрерывного образования. Актуальность избранной темы исследований поддерживается также тем, что в настоящее время виртуальное и сетевое общение конкурирует с традиционным общением, так как социальные сети стали важнейшим средством коммуникации благодаря скорости общения, независимости от географического расположения объектов и субъектов коммуникации, языковых и культурных барьеров.
Анализ зарубежного опыта показывает, что в США, Китае, Германии и некоторых других странах становятся доступными электронные ресурсы по дошкольному, общему и профессиональному образованию, повышению квалификации и переподготовке вне зависимости от должности обучающихся, их географического расположения и возраста.
В развитие концепции электронного образования предлагается создание виртуальной образовательной среды (ВОС) на основе концепции, изложенной в [1]. В настоящей работе ВОС базируется на элементах виртуальной реальности, элементах искусственного интеллекта, системах управления знаниями и ресурсах Интернета, что открывает новые возможности для получения образовательных услуг. При формировании ВОС предполагается использование знаний преподавательского состава учебных заведений, науки и бизнеса, т.е. ВОС рассматривается как основа для проектирования интегрированной образовательной среды.
Внедрение ВОС в образовательный процесс обеспечит: повышение эффективности и качества процесса обучения; индивидуализацию процесса обучения; возможность выбора индивидуальной траектории обучения; повышение оперативности и эффективности управления образовательным материалом; интеграцию образовательных услуг и их независимость от удаленности и типа учебного учреждения.
Принципы построения виртуальной образовательной среды. В настоящее время происходит активное внедрение в сферу образования технических, информационных и телекоммуникационных технологий. Компьютер становится общедоступным и мобильным устройством, обеспечивающим выполнение учебной работы не только в стенах образовательного учреждения, но и за его пределами. Эта возможность определяет необходимость пересмотра традиционных подходов к организации обучающего процесса. Предлагаемый подход к организации, проведению и управления образовательным процессом базируется на интегрированной информационной среде - ВОС, связывающей образовательные ресурсы и программно-техническое обеспечение. ВОС должна осуществлять единую технологическую и информационную поддержку, организацию, проведения и управления образовательным процессом.
При определении требований к ВОС нами учитывались следующие принципы [2]:
1. Многофункциональность (возможность осуществления доступа, манипулирования и преобразования информации).
2. Масштабируемость (возможность реализации как индивидуального, так и группового режима обучения).
3. Модульность (возможность изменения функционирования отдельных элементов структуры ВОС без потери работоспособности системы в целом).
4. Интегрированность по данным и функциям (максимальное использование информационных ресурсов ВОС вне зависимости от их удаленности и типа).
5. Открытость архитектуры (пользователь имеет доступ к разрабатываемой информационной среде вне зависимости от удаленности и типа).
6. Когнитивность (использование технологии искусственного интеллекта (ИИ) по управлению знаниями, контролю, применение ИИ в диалоге ученик-учитель).
Эти требования необходимы для оценки технических и организационных решений при создании ВОС. Информационные средства ВОС должны обеспечить:
- надежное хранение, возможность обработки и структуризации информации образовательного процесса,
- принципиально новый вид взаимодействия учащихся и преподавателей с использованием ава-таров,
- ориентированность образовательного процесса на деятельность, формирующую достаточный уровень знаний и компетенций,
- обратную связь учащихся и преподавателей,
- открытость информационной среды, позволяющую интегрироваться в мировое информационное пространство.
Информационная структура ВОС. Информационная структура ВОС представлена на рис. 1. Принципиальная особенность ВОС состоит в том, что связь учащегося и преподавателя осуществляется двумя способами: непосредственным (прямым) общением и с помощью аватаров [1]. Авата-ры выполняют вспомогательную роль в образовательном процессе: помогают учащемуся собирать информацию, подсказывают необходимые временные и информационные ограничения и др., а преподавателю обеспечивают возможность контроля и анализа ситуаций, возникающих в процессе
обучения.
□
Г
Интернет
Аватар студента
ИНТЕРФЕЙС ВОС
Система контроля
ФУНКЦИИ ВОС
Выбор функции }
Система ' администрирования
Выбор Знаний и Данных
База Знаний
ДАННЫЕ И ЗНАНИЯ ВОС
Служебная База Данных
Рис. 1. Информационная структура ВОС
ВОС имеет многоуровневую иерархическую структуру (интерфейс, функции, данные), на всех уровнях которой расположены важнейшие компоненты ВОС.
На первом уровне «Интерфейс» расположены объекты интерфейса ВОС в целом, в том числе шлюзы связи с глобальными информационно-коммуникативными и техногенными средами, включая Интернет, а также аватары (графические образы) учащегося и преподавателя.
На втором уровне «Функции» расположены: система контроля общения, связывающая воедино учебные и иные коммуникативные возможности учащихся и преподавателей. Эта система задает планируемую траекторию обучения, по которой преподаватель ведет учащегося в образовательном процессе, информируя и контролируя его достижения в процессе обучения. Система подготовки заданий взаимосвязана с базой знаний. Целью этой цепочки является подготовка информационного обеспечения по обучению в рамках выбранной траектории. Система контроля знаний предназначена для постоянного контроля знаний в процессе обучения. Её назначение в том, чтобы в итоге обучения учащимся были достигнуты определенные компетенции. Система администрирования предназначена для решения всех регламентных работ в ВОС: регистрация учащегося, сопровождение в процессе обучения, информирование и др.
Третий уровень «Данные и знания» содержит базу знаний из учебных материалов и имеет структуру, содержащую следующие логически взаимосвязанные элементы: лекции, тесты, лабораторные, практические работы, вспомогательные учебные материалы, медиа-видеотеку. Учебные материалы по дисциплинам могут иметь иерархическую или линейную структуру. При описании структуры теоретического материала выбранной дисциплины учитывается три уровня иерархии в пределах одной лекции - тема, раздел, пункт. При этом каждая лекция может быть связана с тестами или контрольными вопросами, на которые учащемуся необходимо дать ответ (контроль знаний). Тесты определяются содержимым учебной дисциплины. Служебная база данных содержит информацию, поступающую из системы администрирования.
На рис. 2 представлена логическая структура процесса обучения, которая связана с элементами изучаемого материала в рамках дисциплины. Процесс обучения представляет собой типичную последовательность действий учащегося, где роль обратной связи исполняет не человек, а система контроля общения (см. 2-й уровень ВОС) осуществляет контроль знаний, анализирует процесс обучения и корректирует траекторию обучения в зависимости от результатов обучения.
Рис. 2. Логическая структура обучения
Центральным компонентом на втором уровне ВОС (см. рис. 1) является система контроля знаний, осуществляющая проверку знаний и оценивающая компетенции, полученные учащимися. Оценивание знаний предлагается вести традиционным способом с помощью тестов. Система тести-
рования - универсальный инструмент определения уровня знаний, полученных в ходе обучения. Тест обладает способностью сравнивать фактический индивидуальный уровень знания ученика с некими эталонами, уровень знания отражается в тестовом балле испытуемого. Индивидуальные результаты тестирования можно сравнить с более ранними результатами испытаний, оценить структуру знаний обучаемого и динамику усвоения учащимися знаний, умений, владений и как итог -компетенций.
При построении модели специалиста нами предлагается использовать адаптированный индикаторный метод оценивания компетенций [3]. Главная идея этого метода состоит в том, что уровень сформированных компетенций учащегося проявляется через некоторые индикаторы. Определяя посредством тестирования значения индикаторов, можно рассчитать уровень каждой компетенции и затем определить усредненные значения компетенций по каждому выделенному блоку. Индикаторы -это вопросы, сформулированные таким образом, чтобы они давали вклад (проявлялись) в разных компетенциях. Для составления вопросов использовался тест ММР1 [4]. Оригинал данного теста содержит 566 вопросов с двумя вариантами ответа типа {да/нет}, а в данной работе была использована лишь часть вопросов из этого теста, несколько преобразованная с учетом возраста респондентов. Каждый вариант сочетания средних по блоку значений компетенций («компетентностный портрет учащегося»), отражая определенное соотношение между степенями сформированности разных компетенций учащегося, характеризует и уровень профессиональной подготовки учащегося (выпускника), и его склонность к выполнению работы определенного типа.
Управление процессом получения знаний. ВОС позволяет ввести новый формат преподавания и обучения за счет перевода реального взаимодействия учащийся-преподаватель в виртуальную информационную среду. В этой среде роли учащегося и преподавателя в определенных случаях, выполняют аватары, которые взаимодействуют между собой. Результаты обучения и взаимодействия в таком формате возможно оценивать в цифровой количественной форме. Этот факт позволяет ввести количественные методы управления форматом получения знаний.
При оптимальном управлении динамическими системами [5], к которым можно отнести и разрабатываемую систему обучения, обычно ставится задача достижения оптимума. Критерием оптимальности в том или ином смысле может использоваться минимум переходного процесса при переходе системы из одного состояния в другое. Естественным является требование непрерывности и гладкости такого перехода. Требование минимальности времени переходного процесса и гладкости является существенным ограничением при разработке устойчивых алгоритмов управления.
Известно достаточно много методов управления различными объектами. Нами предлагается для управления траекторией обучения использовать алгоритм управления на основе скользящего режима. Способ управления с использованием скольжения отличается простотой и высокой надежностью, поскольку он предполагает вынуждающее управление, заставляющее процесс управления обучением протекать по определенной траектории, заданной разработчиком.
В системах обучения состояние системы определяется через уровень, качество и темп получения знаний учащимся. При обучении различных ситуациях (быстрое или медленное усвоение знаний, повышение или уменьшение сложности решаемых задач и т.п.) возникает необходимость корректировки процесса обучения. При исследовании подобных систем полезно использование методов теории управления [6]. В частности, известно, что динамические характеристики многих систем адекватно описываются с помощью фазовой плоскости, на которой одна переменная отвечает за отклонение измеряемой величины от заданной, а другая - за скорость этого отклонения. В фазовой плоскости можно выделить две траектории: разгонную и торможения. Эффект скольжения возникает в том случае, когда при изменении условий среды возникает необходимость перехода с одной траектории на другую. Очевидно, что невозможно мгновенно осуществить этот переход и вследствие некоторой задержки возникает переходной процесс. Угол наклона переходной траектории должен быть равным или меньшим угла наклона касательной к траектории, с которой происходит переход. Эти составляющие скользящего режима и определяют востребованность этого подхода на практике и в том числе выбора его для применения в задаче изменения траектории обучения в
ВОС.
Учащийся при взаимодействии с ВОС генерирует какие то события в среде (регистрация, выбор траектории обучения, предмета, методических материалов, заданий и др.). Эти события классифицируются системой контроля общения (см. рис. 1) и передаются на исполнение определенным обработчикам событий, действий, сценариев или сцен. Обработчики с помощью системы обратной
связи связываются с генераторами определенных действий, сценариев или сцен. Событиями может управлять как администратор ВОС, так и преподаватель, отключая при этом некоторые обратные связи и выбирая определенные действия, сценарии или сцены по определенным, известным ему (администратору ВОС или преподавателю) правилам.
Заключение. В статье рассмотрены технологические аспекты проектирования интегрированной образовательной среды (ИОС). Предложено построение ИОС на основе виртуальной образовательной среды (ВОС), создаваемой в компьютерной системе ее разработчиком, администратором ВОС, учащимся и преподавателем. Приведены принципы построения ВОС, архитектура ВОС и управление процессом реализации образовательной траектории учащегося на основе методов теории управления. Дидактический потенциал ИОС значительно усиливается за счет использования глобальных информационно-коммуникативных и техногенных сред, включая и Интернет, возникающие при этом перспективы и ограничения исследуются в [7].
Исследование поддержано проектом 7.701.2011 (НИР 1/12 темплана ТУСУРа) по госзаданию Министерства образования и науки.
Литература
1. Катаев, М.Ю. Концепция электронного образования на основе технологии Avatar / М.Ю. Катаев, А.М. Кориков, В.С. Мкртчян // Доклады ТУСУРа. 2013. - № 2 (28). - С. 95-100.
2. Мацяшек, Л.А. Анализ требований и проектирование систем. Разработка информационных систем с использованием UML. - М.: Вильямс, 2002. - 432 с.
3. Катаев С.Г. Индикаторный метод оценивания компетенций / С.Г. Катаев, Ю.О. Лобода, А. А. Хомякова // Вестник ТГПУ. - 2009. - № 11. - С. 70-73.
4. Березин Ф.Б. Методика многостороннего исследования личности (структура, основы интерпретации, некоторые области применения) / Ф.Б. Березин, М.П. Мирошников, Е.Д. Соколова. - М.: КонсультантПлюс - новые технологии, 2011. - 320 с.
5. Афанасьев В.В. Динамические системы управления с неполной информацией. Алгоритмическое конструирование. - М.: КомКнига, 2007. - 216 с.
6. Кориков А.М. Основы теории управления: учеб. пособие. - Томск : Изд-во НТЛ, 2002. - 392 с.
7. Сергеев С.Ф. Образование в глобальных информационно-коммуникативных и техногенных средах: новые возможности и ограничения // Открытое образование. - 2013. - № 1 (96). - С. 32-39.
Катаев Михаил Юрьевич
Д-р техн. наук, профессор каф. автоматизированных систем управления (АСУ) ТУСУРа, профессор Юргинского технологического института (филиала)
Национального исследовательского Томского политехнического университета (НИ ТПУ) Тел.: 8-960-975-2785, (382-2) 70-15-36 Эл. почта: kataev.m@sibmail.com
Кориков Анатолий Михайлович
Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. АСУ ТУСУРа, профессор НИ ТПУ
Тел.: (382-2) 70-15-36
Эл. почта: amk@asu.tusur.ru
Мкртчян Вардан Суренович
Д-р техн. наук, профессор, главный управляющий - ректор Интернет-университета управления и информационно-коммуникационных технологий, Австралия Эл. почта: hhhuniversity@hotmail.com
Kataev M.Yu., Korikov A.M., Mkrtchyan V.S.
Technological aspects of the virtual integrated educational environment designing
The authors consider the technological aspects of designing of the integrated educational environment (IEE). It is offered to build IEE on the concept of a virtual education environment (VEE) created in the computer system of a student and a teacher. In the paper there are proved the requirements for VEE, VEE architecture and management of the process of implementation of the educational trajectory of a student on the basis of methods of control theory.
Keywords: education, virtual reality, the structure of training, knowledge management, sliding mode.
