CC BY
49
290
Проблемы высшего образования
Проблемы высшего образования
УДК 62-2
Я. С. Ватулин, М. Г. Вершовский, А. В. Дикинис
УНИВЕРСАЛЬНАЯ ИНТЕРАКТИВНАЯ ПРОГРАММНАЯ ОБОЛОЧКА ПОДДЕРЖКИ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НЕКОНТАКТНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
В статье рассматриваются вопросы разработки автоматизированных систем интерактивного дистанционного обучения. Представлена интеллектуальная экспертная система автоматизированного обучения «Assistant+», предназначенная для организации информационно-образовательной среды учащихся при неконтактном (дистанционном) способе обучения.
дистанционное обучение, образовательный процесс, человеко-машинные системы.
Введение
Динамика современности, проявляющаяся среди прочего в экспоненциальном росте научного (теоретического) и технического (практического) знания, требует столь же динамичного ответа на вызов времени. В сфере науки и образования уже давно перестала быть жизнеспособной структура, в которой человек, получив определенный комплекс знаний, затем годами и десятилетиями применял это знание на практике, не обновляя его и не повышая свой профессиональный и научный уровень.
Прежняя структура научного и профессионального образования, в лучшем случае допускающая дискретно организуемые и далеко не всегда обязательные меры по обновлению профессиональных знаний и навыков (спорадические «курсы повышения квалификации» и т. п.), оказывается не способной к такому ответу.
Необходимость обновления, а зачастую и принципиальной переориентации профессиональных знаний и навыков с особой остротой обнаружилась в последние годы, в период мирового экономического кризиса, когда стал очевидным избыток специалистов в одних областях и недостаток профессионалов - в других. Проблема трудоустройства людей в сокращаемых производствах и организациях может быть решена только с помощью их интенсивной и эффективной профессиональной переподготовки.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблемы высшего образования
291
Вполне естественно, что, используя только имеющиеся структуры системы обучения и образования, подобные задачи решить практически невозможно. Это потребовало бы колоссального увеличения числа квалифицированных преподавателей, площадей, необходимых для классов и аудиторий, огромных капиталовложений и целого ряда прочих затрат, эффективность большинства которых в конечном итоге оказалась бы весьма сомнительной. В связи с этим особое значение получают автономные, или дистанционные, способы обучения, когда учебный процесс осуществляется непосредственно на месте проживания пользователя с помощью персонального компьютера.
На первый план выходит поиск позитивного и продуктивного решения, которое позволило бы свести к разумному минимуму затраты труда и финансов и одновременно обеспечить максимум эффективности процесса непрерывного обучения или профессиональной переподготовки. Таким решением представляется глубокая серьезная разработка и широкое внедрение средств и пакетов интерактивного дистанционного обучения (ИДО).
1 Методы разработки систем интерактивного дистанционного обучения
Методы и средства ИДО в той или иной форме применяются в развитых странах достаточно давно — практически с момента появления персональных компьютеров, знаменовавшего начало эпохи всеобщей компьютеризации. Однако сама по себе концепция ИДО, как видно из анализа опыта разработки и внедрения различных профильных проектов, не является автоматическим решением всех проблем. Развитие форм этой системы обучения наталкивается на различные проблемы, решение которых в ряде случаев оказывается не столь простым, а зачастую и малоэффективным.
Например, широко распространенная в США система KDS (Knowledge Delivery Systems), разработанная по технологии VLE (виртуальной учебной обстановки), имеет достаточно серьезные недостатки. Первым - и главным - из них является отсутствие интерактивности (обмен электронными письмами между преподавателем и студентами, спорадические «синхронные» веб-семинары). Второй существенный недостаток - ограничение прогресса в процессе обучения. Если студент, не усвоивший лекции (семинара, лабораторной работы и т. д.) может повторить ее демонстрацию на своем компьютере, то студенты, которым требуется меньшее время для усвоения материала, не могут ускорить процесс, не просмотрев лекцию до конца. Иначе говоря, система VLE оказывается не очень удачно «скроенной» (tailored) для индивидуальных нужд.
Для российского дистанционного образования характерны проблемы адаптационно-мировоззренческого характера. Заместитель проректора по
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
292
Проблемы высшего образования
учебно-методической работе СГА (Современной гуманитарной академии) Валерий Фокин отмечает: «...Большая часть вузов, приходящих к дистанционному образованию, допускает стандартную ошибку - формально переносит сюда дидактику, принятую в традиционном высшем образовании. С учетом особенностей дистанционного обучения практическую дидактику следует развивать в направлении научно обоснованного формирования учебного процесса. Проектирование образовательного процесса должно учитывать гендерные, возрастные, психодинамические и интеллектуальные особенности восприятия учебного материала» [1]-[6].
На сегодняшний день существует необходимость решения проблемы разработки таких автоматизированных обучающих систем, которые по своей эффективности были бы соизмеримы с интенсивной работой преподавателя, давали бы возможность реализовывать все многообразие педагогических методик, а технологии их эксплуатации не предполагали бы квалификацию профессионального программиста (или взаимодействия с ним).
Для создания эффективной автоматизированной системы обучения неконтактной формы (дистанционного обучения) необходимо прежде всего определить наиболее рациональные приемы традиционных систем обучения и реализовать их в виде четко структурированного алгоритма, построенного на основе системного подхода к пониманию процессов формирования профессионального навыка у учащегося.
Наиболее совершенное, на наш взгляд, функционирование автоматизированной системы (АС) достигается путем привлечения комплекса подходов психофизиологического, дидактического и кибернетического.
При этом основным методическим приемом, используемым в АС, является активизация резервных возможностей личности обучаемого с помощью средств технологии гипермедиа для создания особых психофизиологических условий восприятия дидактической информации. Организация подобных специальных психофизиологических ситуаций мобилизует организм человека, резко увеличивая его потенциал в скорости обработки информации и объемов ее усвоения.
Информационная стимуляция позволяет загружать в подсознание большие объемы информации, которую на этом этапе реально использовать невозможно, но эта подсознательная информационная база аналогично забытому прошлому опыту дает возможность существенно интенсифицировать последующий процесс и при создании стимулирующей ситуации активизирует процесс всплывания в сознании не осознанной ранее информации. Стимулом для реминисценции подсознательно усвоенной ранее информации может служить деятельность, в частности деятельность по анализу информации (реферирование, конспектирование, совместная деятельность по общению в игровых ситуациях).
Весь дальнейший учебный процесс в такой системе должен быть направлен на активизацию пассивных знаний, т. е. поэтапное повышение
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблемы высшего образования
293
уровня усвоения. В соответствии с теорией педагогических систем такое повышение уровня активности может быть обеспечено в разных видах учебной деятельности. Вместе с тем в соответствии с теорией поэтапного формирования умственных действий должен повышаться автоматизм владения информацией.
Специальную суггестивную психологическую установку на усвоение информации в условиях неконтактной формы обучения с применением АС в качестве активного средства организации учебного пространства пользователя обеспечивает привлечение совокупности аудиовизуальных средств гипермедиа.
Таким образом, для достижения поставленной в проекте цели разработан (на основе использования системно-интегрированного подхода) комплекс обучающих мультимедийных средств (универсальных интерактивных программных оболочек), базирующихся на технологиях автоматизированного аудиовизуального обучения. Это позволяет вывести процесс обучения на качественно новый и более высокий уровень при оптимальных затратах времени, средств и интеллектуальной нагрузки на преподавателя.
Такой подход включает в себя следующие компоненты: интенсификацию и индивидуализацию процесса обучения; обеспечение психологопедагогической поддержки обучающих мультимедийных средств; создание единого информационного образовательного пространства (банков обучающих мультимедийных средств); создание средств контроля качества открытого образования (параметрический мониторинг процесса); минимизацию затрат бюджетных средств на создание и поддержку образовательного пространства, а также финансовых вложений отдельных граждан на обучение; концепцию открытой архитектуры проекта (гибкая и оперативная перестройка инфраструктуры проекта); устойчивость системы к повреждению файлов с содержательной информацией.
Процесс конструирования человеко-машинных обучающих систем тесно связан с развитием программированного обучения, основу которого составляют алгоритмические структуры и процедуры процесса. Основные положения алгоритмизации обучения разработаны Л. Н. Ланда:
• обучение должно быть посвящено формированию процесса мышления (трансформации и операции над знаниями);
•отдельные действия над знаниями должны быть организованы в интеллектуальные структуры (алгоритмические и эвристические);
•эффективная разработка обучающих систем возможна при условии детального изучения процессов умственного развития как на макро-, так и на микроуровне.
В этой связи особый интерес представляет опыт индустрии развлекательных игр, где персональный компьютер занимает ведущее место. Моделируемые трехмерные виртуальные объекты практически не уступают
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
294
Проблемы высшего образования
по визуальным свойствам своим реальным прототипам; технология мультимедиа создает динамичный зрелищный сюжет, где пользователю предоставляется возможность интерактивного влияния на его развитие; элементы искусственного интеллекта создают впечатление осмысленных реакций компьютера - все эти свойства успешно эксплуатируются разработчиками развлекательных игр. Осуществление совмещения познавательного и эмоционального процессов для нужд образования могло бы решить целый круг проблем, связанных с решением задач дистанционного обучения.
Рассматривая процесс обучения как ускоренное приобретение опыта, можно повысить его эффективность за счет определенного смещения существующего акцента образовательной технологии с логико-знаковых форм передачи информации на ассоциативные, более естественные для восприятия человеческим мозгом.
Принимая во внимание изложенное выше, в качестве основного ин-формационно-организующего, «несущего» звена в данной разработке использована иллюстративная наглядность: объектная (слайды, «реальное» видео), и схемно-модельная (виртуальные модели объектов, рисунки, схемы). Иллюстративная наглядность дополняется относительно небольшими (рассчитанными на время прочтения не более 5-8 минут) поясняющими текстовыми фрагментами и аудиоматериалами.
Данная модель не является антиподом логико-знаковой системы. Напротив, она позволяет выбирать наиболее эффективный способ представления учебной информации: если какой-либо материал лучше всего усваивается, будучи изложенным в виде текста, его необходимо представлять именно в таком виде. Взаимосвязь дидактических компонентов направлена на создание условий периодического переключения типов восприятия информации (участков мозга) и максимальной активизации подсознательного уровня усвоения информации.
2 Экспертная система «Assistant+»
Реализация предлагаемого образовательного комплекса осуществляется на базе технологической среды «Assistant+» (№2009616907
2009.11.12, заявка №2009616073) [5], представляющей собой интеллектуальную экспертную систему, основной особенностью которой является способность поддерживать стратегическое направление учебного процесса, регламентированное преподавателем, путем структурирования деятельности учащегося с помощью встроенных средств искусственного интеллекта. Программный продукт предназначен для организации информационно- образовательной среды учащегося при неконтактном (дистанционном) способе обучения.
Структурно система состоит из универсального управляющего модуля (рис. 1), базы данных и базы знаний (файл, содержащий программную реализацию графа обучающего сценария). Реализованный в системе принцип
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблемы высшего образования
295
«открытой архитектуры» позволяет обучающей системе самостоятельно (но в пределах указанных в базе знаний) принимать решения о характере изменений в структуре, объеме или темпе подаваемого материала в соответствии с индивидуальными особенностями учащегося.
Рис. 1. Структурно-функциональная схема технологической среды «Assistant+»
С целью решения неопределенностей, возникающих в ходе учебного процесса, используется реализация формализованной записи поведенческих моделей, предложенных экспертом [4]. Данную функцию осуществляет интерпретатор правил, представляющий собой базу знаний продукционного типа, основанную на правилах «Если (условие), то (действие)». Циклический процесс перебора и сопоставления правил выявляет единственное правило, посылки которого совпадают с известными на данный момент фактами из рабочей памяти. Устойчивая работа интерпретатора поддерживается наличием в его составе элементов искусственного интеллекта: алгоритмами преследования-уклонения, «конечными» и вероятностными автоматами. Изменяя значение внутренних счетчиков, данные ал-
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
296
Проблемы высшего образования
горитмы позволяют моделировать осмысленное поведение системы (ее реакцию).
Практическая реализация базы знаний представляет собой прямоугольную матрицу инциденций, каждая строка которой отражает определенную реакцию системы на конкретное действие пользователя: коды первой части матрицы являются интерпретацией действий пользователя, второй - инструкции эксперта.
Технологическая среда «Assistant+» позволяет моделировать разнообразные по структуре педагогические методики, не прибегая к услугам профессионального программиста, простым «перетаскиванием» включать дидактические материалы различных форматов, объединять материалы разных IT-технологий в единую информационную модель, устойчиво работать с различными лексическими единицами европейских языков. Программа работает с любого информационного носителя, не требует инсталляции и не нуждается в каком-либо дополнительном программном обеспечении.
Специализированная информационно-образовательная среда в отсутствие прямого контакта учащегося с преподавателем в определенной степени берет на себя функции управления образовательным процессом. В данном случае компьютер рассматривается не только как средство хранения и представления информации, но и как активный компонент интегрированной системы обучения, формирующий процесс взаимодействия пользователя с виртуальной библиотекой автоматизированной системы обучения и выдерживающий стратегическую линию учебного сценария, выстроенную преподавателем.
В ходе работы пользователь шаг за шагом изучает информационные блоки разработанного обучающего курса, поэтапно проверяя уровень полученных знаний как в ходе тестов для самопроверки, так и в форме выполнения контрольных тестовых заданий, представляемых затем преподавателям. Следует подчеркнуть, что центр тяжести здесь переносится с формального внешнего контроля на самоконтроль. Общая ориентация в процессе обучения построена не на поиске ответов на вопросы преподавателя, а на постановке вопросов самим обучающимся и последующем активном поиске ответов на них.
Таким образом, обучение идет по творческому пути «открытия» нового знания, а не пассивного «переваривания» штампованных блоков информации. Такой подход обеспечивается включением в систему «семантического блока», построенного на основе современных лингвосемиотических моделей. Семантические анализаторы, встроенные в структуру программы, рассчитаны на оценку вербальных ответов пользователя в отличие от традиционно применяемых в компьютерном тестировании альтернативных вариантов ответа (эта форма также используется в разрабатываемой системе). Вербальные ответы, т. е. ответы, выраженные в свобод-
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблемы высшего образования
297
ной словесной форме, играют в данном случае чрезвычайно важную роль, обеспечивая, с одной стороны, максимальную вовлеченность пользователя в процесс обучения путем активизации творческого отношения к процессу, с другой стороны, осуществляют постоянный мониторинг встроенным семантическим анализатором уровня достигнутых пользователем знаний.
Устойчивость работы обучающей системы в режиме автоматического функционирования определяется адекватностью ее реакции на действия, вопросы и затруднения учащегося, возникающие в процессе изучения конкретного материала. В представляемом проекте средства обратной связи с пользователем решены в виде двух универсальных манипуляторов ввода-вывода информации: 1) графического - в виде обработчика активных зон фрейма; 2) семантико-стилистического анализатора, осуществляющего смысловую интерпретацию введенного учащимся ответа путем оценки содержащейся информации всех встретившихся лексических единиц. Таким образом, используя указанные выше структуры, представляется возможным внедрить в учебный процесс поисковые элементы, требующие принятия решения в условиях неполной информации и частичной неопределенности.
Наиболее распространенной технологией, реализующей систему тестирования в обучающих программных продуктах, является выбор правильного варианта из предлагаемого избыточного списка ответов. Однако такой подход обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, он не способствует формированию причинно-следственных связей (системности) при изучении объекта или явления; во-вторых, не создает условий для приобретения навыков синтеза и культуры речи; в-третьих, порождает подсознательное желание принять решение путем простого перебора вариантов готовых алгоритмов решения, развивает стремление применить выбранный алгоритм как «кальку» с получением немедленного положительного эффекта. При этом неудача при выполнении повторных попыток вызывает стойкую негативную реакцию учащегося, обусловливающую потерю интереса к объекту изучения.
При простоте и удобстве практической реализации технология, тем не менее, полностью исключает саму возможность проявления какой-либо индивидуальности, творчества, ограничивает интеллектуально-речевые возможности студентов, столь необходимые для обмена мнениями и аргументированными позициями. Кроме того, алгоритм в значительной степени зависит от представительности выборки, валидности теста и не всегда способен адекватно отражать реальный рейтинг обучаемого при решении учебных и профессиональных задач.
Нисколько не умаляя положительных сторон и потенциальных возможностей данного подхода, тем не менее, стоит обратить внимание на существующие дополнительные и достаточно обширные возможности современного персонального компьютера в плане реализации тестирующих
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
298
Проблемы высшего образования
элементов на основе интерактивных динамических визуальных моделей, а также различных лингвистико-семиотических анализаторов. Использование таких алгоритмов позволит осуществить перенос центра тяжести в технологии обучения от схем «передачи готовых знаний» к схемам «приобретения знаний», что позволит создать условия для выработки навыков построения цепочек умозаключений, логического системного мышления учащихся.
В этом смысле исключительное значение получает процесс конструирования фразы, излагающей смысл содержательной информации, поскольку предполагает четкое и ясное понимание предмета, подбор слов (терминов), наиболее точно отображающих его характеристику, примеров, поясняющих и/или иллюстрирующих особенности предмета обсуждения.
В проекте предлагается два вида семантических анализаторов: открытой и закрытой формы. Открытая форма семантического анализатора представляет собой интерпретатор вводимой фразы учащегося по ключевым последовательностям, находящимся в смысловой связке между собой по образцу, представленному автором-составителем в качестве ожидаемого варианта ответа. С целью однозначности толкования связок дескрипторов алгоритм осуществляет процедуру выделения «ядра» слова, отсекая возможные падежные изменения (процедура заранее регламентируется ав-тором-составителем с помощью специального инструментария). Каждая связка дескрипторов оценивается автором определенным количеством баллов экспертной оценки.
Естественно предположить, что учащийся при выполнения задания может воспользоваться синонимами при составлении фразы, а также перестроить структуру предложения. В этом случае система использует имеющийся у нее универсальный тезаурус, позволяющий определить допустимость варианта замены ключевого слова на его синоним. Устойчивость работы системы в значительной степени определяется развитостью структуры тезауруса. Результат оценивается количеством набранных баллов за использованные во фразе ответа ключевые дескрипторы.
Закрытая форма (рис. 2) семантического анализатора предполагает разработку автором текущего (только для данного задания) тезауруса (набор ключевых связок дескрипторов возможных вариантов ответа). В тезаурус могут быть включены как отдельные дескрипторы (в таком случае система проверяет факт использования данных слов в фразе), так и смысловые связки (проверяется не только факт использования какого-либо конкретного дескриптора, но и его место в структуре фразы относительно связанных с ним других дескрипторов). Система допускает варианты запрещения или разрешения вставки слов внутрь самой связки. Результат также оценивается количеством набранных баллов за использованные в фразе ответа ключевые дескрипторы.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблемы высшего образования
299
Рис. 2. Пример закрытой формы тестирования (копия с экрана)
Технология использования анализатора крайне проста как для пользо-вателя-учащегося, так и для автора-составителя. Пользователь осуществляет формирование фразы путем ее набора на клавиатуре или путем буксировки отдельных слов, заранее предложенных автором-составителем в качестве возможных вариантов; автор-составитель представляет системе текст вопроса и свой вариант ответа, после чего мастер системы предлагает (с помощью диалогового окна) составителю выделить и отнести значащие дескрипторы к соответствующим разделам тезауруса. Второй вариант анализатора предполагает создание файла с текстом вопроса в любом текстовом редакторе и файла ответа в виде вариантов связок дескрипторов с указанием их весов.
Система сохраняет текст заданного вопроса, свою оценку результата (с указанием найденных дескрипторов) и оригинал ответа учащегося (в целях создания документального архива данных). Каждое действие учащегося (просмотр компонент методического комплекса, результаты тестирования и др.) система фиксирует в специальном зашифрованном файле (используется криптографический алгоритм шифрования с «закрытым ключом»). Данный файл электронной почтой доставляется преподавателю для ознакомления с результатами.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
300
Проблемы высшего образования
Наличие данного компонента системы позволяет решить следующие важные задачи: создать условия для регулярного и всеобъемлющего мониторинга процесса обучения (максимальная прозрачность процесса); получить возможность коррекции не только собственно ответов (соответственно - полученных знаний), но и самого процесса обучения (т. е. дальнейшая его индивидуализация); исключить возможность изменения и даже прочтения файла как конечными пользователями, так и лицами, не имеющими права доступа к процессам обучения и к оценке его результатов.
Рекомендуемая среда - Windows 2000 и старше в стандартной конфигурации настроек. Системные ресурсы определяются используемыми мультимедиа-компонентами проекта пользователя. Объем продукта 935 кб.
Заключение
Авторы представляемой технологической среды «Assistant+» ставили себе задачу создать программный продукт, который оптимальным образом сочетает все положительные стороны «кейсовых» технологий (на цифровых носителях CD-ROM) с «онлайновыми». Программа позволяет реализовать весь спектр современных педагогических методик без необходимости привлечения высококвалифицированных и высокооплачиваемых специалистов в области информатики и без необходимости обладания узкопрофессиональными знаниями в области программирования.
Библиографический список
1. Умственное действие как основа формирования мысли и образа / П. Я. Гальперин // Вопросы психологии. - 1957. - № 6. - C. 35-37.
2. Интенсивное обучение иностранным языкам. Теория и практика : учебно-метод. пособие / Г. А. Китайгородская. - 2-е изд.- М. : Высшая школа, 2009. - 277 с. -ISBN 978-5-87151-038-4.
3. Программное обеспечение автоматизированной обучающей системы / С. В. Новиков, В. С. Шумляев. - Минск : Изд-во БГУ, 1982. - 143 с.
4. Экспертные обучающие системы : сб. статей / Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1991. - Вып. 15, ч. 1. - 147 с.
5. Пат. 2009616907 Универсальная интерактивная программная оболочка поддержки информационно-образовательной среды пользователя в условиях неконтактной формы обучения «Ассистент+» / Ватулин Я. С., Дикинис А. В., Шилов Д. В. - Заявл. №2009616073 от 12.11.2009.
6. Дистанционное обучение в российских вузах / Учеба^и [Электронный ресурс]. - 22.02.2007, http://www.ucheba.ru/vuz-article/3816.html.
Статья поступила в редакцию 10.06.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
