Модель обучающего курса и реализация программной оболочки дистанционного обучения: системный и объектный подходы

Современное образование — это не только результат обучения, воспитания и развития личности, но и результат самообучения и саморазвития личности [69].

В условиях реформирования системы образования особую актуальность приобретает проблема компьютеризации. Роль компьютера как средства обучения в образовательном процессе неуклонно растет, во-первых, из-за информационных, наглядных и других возможностей вычислительной техники и, во-вторых, из-за специфического воздействия на обучаемых. Построение процесса обучения с использованием программного обеспечения позволяет повысить внимание, степень усвояемости, индивидуализировать обучение, развить самостоятельность в овладении учебным материалом.

Лекционно-сессионная система обучения, господствующая на протяжении столетий в вузах, уже не вписывается в современную информационную цивилизацию [37]. Канал связи между лектором с мелом у доски и сотней студентов с рукописными конспектами слишком медленный, зашумленный, не обеспечивает передачу необходимого количества информации. Обучение с одинаковой для всех скоростью порождает привычку «жить весело от сессии до сессии», а преподаватели, ориентируясь на итоговый экзамен, вынуждены тщательно сокращать конспект лекций, с трудом покрывающий основные фрагменты программы. Лекционно-сессионная система обучения применяется и на заочном отделении в утрированной форме: те же еще более сокращенные лекции в период сессии и итоговый экзамен. Информатизация системы образования ведет к радикальному изменению сущности и организации процессов обучения и развития человека.

Характерной чертой открытого образования является свободный доступ к информационным ресурсам мира. Открытое обучение снимает пространственно-временные ограничения в работе с различными источниками информации, в реализации учебного плана, предоставляет обучающимся широкие возможности самоуправления и самоорганизации. В центре процесса обучения находится студент и его индивидуальная работа, то есть роль студента становится активной. Преподаватель, являющийся в системе директивного образования основным источником информации и единственным экспертом в системе открытого образования, становится советником и помощником студента в его самообразовании [30].

Применение в учебном процессе системы обучения позволяет систематически и оперативно оказывать обучаемому необходимую дидактическую помощь, выполнять непрерывный контроль за действиями обучаемого в процессе обучения, развивать познавательную активность и инициативу обучаемого, снизить долю непроизводительного труда преподавателя [63].

Основными целями разработки и внедрения новых методов обучения является увеличение эффективности труда преподавателей и повышение качества подготовки специалистов.

Особая актуальность создания в России системы дистанционного образования сегодня обусловлена целым рядом факторов. Среди них огромные территории и сосредоточие научно-технических центров в крупных городах, формирование новых потребностей населения по отношению к содержанию и технологиям образования, развитие рыночной экономики, усиление миграции населения и др.

Дистанционное образование — это универсальная форма обучения, базирующаяся на использовании широкого спектра как традиционных, так и новых информационных и телекоммуникационных технологий и технических средств [94]. При этом его необходимо рассматривать не как альтернативу очной форме получения образования, а как ее дополнение, позволяющее оптимизировать учебный процесс за счет предоставления разным категориям граждан различных образовательных услуг, наиболее полно удовлетворяющих их потребностям [90]. Развитие дистанционного образования в России позволит обеспечить населению нашей страны доступ к качественному образованию, а также даст возможность завоевать свое место на мировом рынке образовательных услуг.

В системе дистанционного образования в России нуждаются следующие группы населения: учащиеся средних школ в сельской местности, в поселках, маленьких городахменеджеры различного уровняруководители региональных органов управленияофицерский состав сокращающейся армииуволенные и сокращенные лица, зарегистрированные в Федеральной службе занятостилица, желающие повысить квалификацию в какой-либо области знанийлица, желающие получить второе высшее образование или пройти переквалификациюрусскоязычное население в странах СНГ и дальнего зарубежьялица с ограниченной свободой перемещения и инвалиды.

Развитие информационных телекоммуникационных сетей дает новый импульс системам дистанционного обучения (СДО), обеспечивает доступ к информации, хранящейся в различных уголках нашей планеты [95].

Новые аппаратные и программные средства, постоянно наращивающие возможности компьютера, переход в разряд анахронизма понимания его роли как вычислителя постепенно привели к вытеснению термина «компьютерные технологии» термином «информационные технологии». Под этим термином понимают процессы накопления, обработки, представления и использования информации с помощью электронных средств. Так, суть информатизации образования определяют как создание условий учащимся для свободного доступа к большим объемам активной информации в базах данных, базах знаний, электронных архивах, справочниках, энциклопедиях [100].

Следуя этой терминологии, можно определить информационные технологии обучения (НТО) как совокупность электронных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности. В состав электронных средств входят аппаратные, программные и информационные компоненты.

Несмотря на очевидную эффективность использования дистанционного обучения (ДО), не наблюдается массового применения курсов ДО. Этому способствуют несколько основных причин. Курсы ДО часто недоступны из-за своей дороговизны. Нет централизованной базы данных всех курсов дистанционного обучения и виртуальных библиотек, их приобретение требует определенной денежной суммы, не имеющейся в учреждениях образования.

В качестве основных факторов, мешающих использовать компьютеры в образовании, выделяются следующие: во-первых, дефицит компьютеров, удовлетворяющих современным требованиям, и обучающего программного обеспечения, отсутствие подготовленных преподавателейво-вторых, то, что современные компьютерные и коммуникационные технологии внедряются в образовательные системы часто без необходимого педагогического осмысления и теоретической поддержкив-третьих, нерешенность проблемы создания хороших приложений учебного и образовательного назначения, так как это очень трудоемкий процесс, требующий участия многих специалистов из разных отраслей (программистов, преподавателей, методистов, инженеров и др.), а установка их в сетях влечет за собой дополнительные проблемы, связанные с условиями их распространения.

Многие проблемы в компьютерном и дистанционном обучении не решены. И отечественные, и зарубежные специалисты по сей день утверждают, что применение компьютеров в образовательной сфере породило больше проблем, чем решило (Е.С. Полат, О. П. Околелов, В. В. Семенов, В. Адольф, J.R. Fredriksen, A. Collins, G.A. Hutchings, W. Hall и др.). Например, основными проблемами, возникающими при создании обучающих курсов и организации компьютерного и дистанционного процесса обучения с их использованием [13, 28, 36, 92], являются:

1) проведение системного анализа процесса компьютерного и дистанционного обучения, включая его моделирование и предложения по усовершенствованию;

2) построение учебного процесса с применением средств ВТ;

3) переработка курса с целью его использования при компьютерном обучении;

4) выбор информационных технологий для реализации поставленных педагогических и дидактических задач;

5) проектирование и реализация обучающего курса на основе современных информационных технологий;

6) осуществление контроля знаний, оценивание уровня закрепления умений и навыков при дистанционном (интерактивном) обучении и др.

Разработка мультимедийных обучающих курсов — довольно трудоемкая задача. В своем большинстве имеющиеся курсы представляют собой модель энциклопедии и не содержат обязательные разделы обучающего курса, такие как: общие сведения, предварительное тестирование, блок заданий и контроль усвоения разных уровней, словарь, справка. Курсы методически немо-дифицируемы, поэтому их использование затруднено для аналогичных дисциплин с разным объемом изучения.

Одним из способов решения данной проблемы является разработка программной оболочки для создания курсов ДО, которая должна содержать следующие компоненты: мультимедиа, средства контроля знаний (создание тестов, анализ результатов тестирования), справочно-поисковую систему, конструктор курсов.

На основании анализа специальной литературы выявлены нерешенные проблемы и определена тема работы: «Модель обучающего курса и реализация программной оболочки дистанционного обучения: системный и объектный подходы».

Актуальность работы обусловлена необходимостью постоянного повышения эффективности процесса обучения и контроля знаний, а также необходимостью разработки и апробации методов и средств, которые позволят существенным образом улучшить подготовку специалистов, в том числе и удаленно от места обучения.

В связи с развитием в нашей стране информационных технологий и Интернет возрастает роль дистанционного образования в общей системе вузовского образования. Это вызывает необходимость привлечения новых методов и технологий для организации обучения в условиях, когда обучаемый удален от места получения знаний. Последнее вызвано удорожанием проезда для лиц, получающих заочное образование, и невозможностью надолго покидать рабочие места.

В связи с этим необходимо разрабатывать математические модели и информационные технологии для развития общего подхода к построению обучающего курса. Такой общий подход позволит, настраивая его на конкретные задачи, получать наиболее удобные и полезные для обучаемого формы представления знаний без значительных затрат на разработку каждого отдельного курса.

Объектно-ориентированный подход, как наиболее современный, находит свое отражение и в разработке приложений, и в организации баз данных, необходимых для хранения информации наиболее эффективно и наименее избыточно.

Целью настоящего исследования является построение модели обучающего курса для повышения эффективности дистанционного (интерактивного) обучения за счет применения системного и объектного подходов на всех этапах проектирования, реализации и сопровождения обучающей системы и обучающего курса с возможностью накопления статистики обучения.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

— Рассмотрение обучения и обучающего курса с позиций системного анализа и подхода.

— Усовершенствование математической модели обучающего курса.

— Разработка объектной модели обучающего курса и обучающей системы.

— Создание информационной модели обучающего курса и ее реализация на основе объектно-ориентированной СУБД Cache.

— Описание методики моделирования процесса обучения с использованием сетей Петри и цепей Маркова, сбора и обработки статистических данных, полученных в ходе обучения.

— Применение полученных моделей для реализации программного комплекса системы.

— Апробация программного комплекса на примере обучающего курса «Информатика и программирование».

Степень разработанности проблемы. Общие вопросы дистанционного обучения рассматриваются в работах многих отечественных авторов: О. П. Околелов, В. В. Семенов, В. Адольф, A.A. Андреев, В. И. Солдаткин, А. Г. Молибог, В. П. Тихомиров, В. Г. Леонов, А. И. Башмаков, В. Н. Барсуков, Т. П. Воронина, В. П. Кашицин, О. П. Молчанова и др.

Специализированным вопросам построения курса и управления процессом обучения уделено внимание в работах следующих авторов: В. В. Соловов (проектирование компьютерных систем), Е. С. Полат (модели дистанционного обучения), В. П. Беспалько (дидактические основы программированного обучения), А. И. Башмаков и И. А. Башмаков И.А. (разработка компьютерных учебников и обучающих систем), А. Ю. Потюпкин (моделирование процесса обучения на основе теории нечетких множеств), Г. С. Курганская (структура учебного курса, модели оценивания сложных структур знаний), А. П. Свиридов (математическое описание процесса обучения и контроля знаний), И. М. Горбаченко (моделирование процесса обучения), Н. Ф. Талызина (теоретические проблемы программированного обучения, управление процессом усвоения знаний) и др.

Зарубежный опыт по проблемам процесса обучения представлен в исследованиях таких авторов, как Holtmerg В, Kiyama М., Brusilovsky P., Miller Р., Lumsdaine A.A., Glaser R., Moore M.G., Kearsley G., Steven Ritter, Fredriksen J., Skinnerv B.F., Crowder N.A., Green E.J., Atkinson R.C., Bower G.H., Crothers E.J.h др.

Впечатляющий прогресс в развитии аппаратных и инструментальных программных средств ИТО предоставляет технические возможности для реализации различных дидактических идей. Однако, как показывает анализ литературы, отечественных и зарубежных компьютерных систем учебного назначения, ряд из них по своим дидактическим характеристикам нельзя назвать даже удовлетворительными [17, 46, 54], так как уровень качества продукта учебного назначения закладывается на этапе его проектирования при подготовке учебного материала для наполнения баз данных электронных учебников, при создании сценариев учебной работы с компьютерными системами моделирующего типа, при разработке задач и упражнений и т. п.

Разработка средств ИТО для поддержки профессионального образования осложняется еще и необходимостью хорошо знать содержание предметной области и учитывать присущую ей специфику обучения. Именно отставание в разработке методологических проблем, «нетехнологичность» имеющихся методик являются одними из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями ИТО [86].

Объектом исследования является учебный процесс в условиях современных информационных технологий, дистанционного (интерактивного) обучения.

Предметом исследования является объектно-ориентированная модель обучающего курса и обучающая система с ее использованием.

Научная новизна работы заключается в разработке математической и информационной моделей обучающего курса, основанных на объектно-ориентированном и системном подходахметодики эффективного создания многоуровневого обучающего курса. Рассмотренные в работе положения являются развитием одного из направлений в теории обучения — моделирования процесса обучения. Предложенный объектно-ориентированный подход к моделированию обучающего курса и процесса обучения, а также реализация таких моделей расширяют возможности при разработке методологической основы применения информационных технологий в процессе обучения. Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1) сквозной подход к проектированию и разработке обучающей системы на основе общесистемных принципов;

2) моделирование процесса обучения курсу «Информатика и программирование» с использованием сетей Петри и цепей Маркова для расчета вероятностных характеристик процесса обучения;

3) объектно-ориентированный подход к построению модели обучающего курса, позволяющий эффективно хранить и использовать такие объекты, как: курс, частично представляемый сетью Петритрек обучения (траектория обучаемого по сети Петри) — тезаурус обучаемого и модель текущих знанийпрофиль курса, строящийся на основе данных, хранящихся в треках, и позволяющий анализировать спроектированный курс с применением теории цепей Маркова и корректировать его с целью повышения эффективности процесса обучения;

4) программная реализация оболочки для построения обучающего курса и проведения процесса обучения на базе СУБД Cache, поддерживающая объектно-ориентированный подход, с использованием CSP-технологии, позволяющей создавать быстродействующие, хорошо масштабируемые и легко сопровождаемые Web-приложения;

5) программный комплекс для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая разработка данной темы позволила, используя известный математический аппарат сетей Петри и цепей Маркова, применить их для моделирования и анализа процесса обучения курсу: модель курса представляется сетью Петри, процесс обучения отдельных обучаемых хранится в треках обучения, на основе которых строится профиль курса, показывающий, как курс воспринимается обучаемыми, и позволяющий получать с использованием теории цепей Маркова вероятностные характеристики процесса обучения и среднюю трудоемкость, необходимые для эффективной модификации курсова практическая реализация на базе современной СУБД Cache дала инструмент для построения обучающих курсов и эффективной организации дистанционного (интерактивного) обучения с возможностью его индивидуализации. Разработанный программный комплекс прошел опытную эксплуатацию и внедрен в Институте экономики ИрГТУ и может быть использован для создания обучающих курсов и проведения обучения с их использованием (акт — в Приложении 3).

Основные методы и средства исследования поставленной задачи: системный анализ, современные CASE-средства, математический аппарат теории сетей Петри, цепей Маркова, теории вероятностей и математической статистики, объектно-ориентированный подход к проектированию и программированию.

Апробация работы. Работа выполнялась на кафедре вычислительной техники и кафедре технологии машиностроения. Основные положения проведенных исследований докладывались на Всероссийской конференции «Роль информационных технологий при обучении на программе МВА» (2003, Москва, МЭСИ), на международной конференции «Информационные технологии в образовании» (2003, Москва, МИФИ) — молодежной научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке и образовании» (2004 г., Иркутск, БГУЭП) — на международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2004, Санкт-Петербург, СПбГПУ) — обсуждались на объединенном семинаре кафедр вычислительной техники, автоматизированных систем, информатики, технологии машиностроения (2006, Иркутск, ИрГТУ), на семинаре кафедр информационных технологий и системотехники (2006, Красноярск, СибГТУ).

Личный вклад автора. Автором с позиций системного анализа рассмотрен обучающий курс как компонент системы дистанционного образованияспроектирована объектная модель курса с использованием современного объектно-ориентированного CASE-средства Rational Roseна основе материалов работы [27] доработана и предложена модель обучающего курса, которая должна облегчить создание и сопровождение разрабатываемых курсов с применением теории сетей Петриприведено вероятностное описание процесса обучения курсу (разделу курса) с использованием математического аппарата цепей Маркова, дающее априорные оценки некоторых характеристик процесса обучения, которые можно в дальнейшем уточнять в процессе реального обученияразработан программный комплекс, позволяющий создавать обучающие курсы и проводить дистанционное (интерактивное) обучение с его использованием на базе постреляционной СУБД Cache с применением CSP-технологиисоздано приложение для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшего усовершенствования.

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ в виде статей и докладов. Общий объём публикаций по исследуемой проблематике составляет 2,55 п.л.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих работах:

1) Дорофеев A.C., Сосинская С. С., Усов Д. Н. Решение проблемы хранения данных и быстродействия приложений при online обучении с использованием постреляционной СУБД Cache // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. -М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. — С. 78−88.

1) Дорофеев A.C., Сосинская С. С., Усов Д. Н. Решение проблемы хранения данных и быстродействия приложений при online обучении с использованием постреляционной СУБД Cache // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. -М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. — С. 78−88. — (0,7 п.л., в том числе авторских 0,55 п.л.).

2) Дорофеев A.C. Применение объектной технологии при построении обучающих курсов // Информационные, технологии в образовании: Сб. трудов XII Междунар. конф. Часть IV. — М.: Просвещение, 2003. — С. 275−276. -(0,2 п.л.).

Выводы по главе 4.

В четвертой главе приведено описание архитектуры системы на основе приведенной моделипредставлена инфологическая модель системы, которая обеспечивает поэтапное конструирование курса, а также описаны результаты опытной эксплуатации системы и обучающего курса «Информатика и программирование».

Сравнение расчетов с наблюдениями за реальным учебным процессом показывает качественно верное описание учебного курса и процесса обучения с помощью предложенных моделей.

Использование СДО в процессе обучения сократит время на проверку знаний студентов и позволит сократить время изучения теоретического материала. Для студентов дневной формы обучения желательно совмещать обычные занятия с занятиями в обучающей системе с целью развития познавательной активности и инициативы обучаемого, снижения доли непроизводительного труда преподавателя.

Заключение

.

Дистанционное обучение как одна из форм получения образования, по убеждению автора, сегодня может помочь решить задачи, стоящие перед системой образования, по предоставлению широким слоям населения доступного и качественного образования в современных социально-экономических условиях России. Объектно-ориентированный подход к проектированию обучающего курса и обучающей системы в целом, а также практическая реализация инструмента для построения курсов на базе современной СУБД Cache и проведения обучения с возможностью его корректировки по результатам обучения позволят эффективно организовать ДО.

Основными результатами данной работы являются следующие:

1) Рассмотрены обучение и обучающий курс с позиций системного анализа и предложен набор подсистем, необходимых для функционирования обучающей системы.

2) Спроектирована объектная модель курса с использованием современного объектно-ориентированного CASE-средства Rational Rose.

3) Предложена модель обучающего курса, включающая такие объекты, как трек и тезаурус обучаемого, профиль курса, модель текущих знаний.

4) Применена теория сетей Петри к моделированию процесса обучения и использован аппарат цепей Маркова для получения вероятностных оценок характеристик процесса обучения курсу «Информатика и программирование».

5) Разработана оболочка дистанционного (интерактивного) обучения на основе СУБД Cache с использованием сквозного подхода к проектированию для создания обучающих курсов и проведения обучения.

6) Разработано приложение для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

7) Система обучения внедрена в учебный процесс в Институте экономики ИрГТУ для изучения курса «Информатика и программирование».