Управление многоуровневыми адаптивными обучающими системами как элементами формирования качества образовательного процесса

Болонская «Декларация о Европейском пространстве для высшего образования», подписанная Россией в 2003 г., и «Концепция модернизации российского образования на период до 2010 г.» основными целями.

I, образования опредёляют ' повышение его качества, доступности, эффективности и требуют создания системы гарантий качества. С 2001 г. в образовательных организациях России ведутся работы по формированию систем менеджмента качества в соответствии с требованиями и рекомендациями ISO серии 9001:2001 (ГОСТ Р ИСО серии 9001−2001) [ 7, 21, 58]. Их выполнение является общепринятой гарантией устойчивого качества оказываемых услуг и хорошо отлаженной управленческой системой. Задача создания электронной обучающей системы (ЭОС) с соответствующим качеством может быть решена на основе применения CASE-технологий функционального моделирования и проектирования сложных организационных процессов [11, 14, 15, 15, 46, 57, 108]. Данный подход обеспечивает использование преимуществ объектно-ориентированных методов на уровне анализа и проектирования с использованием языка моделирования и объектно-ориентированных технологий управления учебным процессом.

Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы по оценке качества образовательных систем [18, 39, 52, 62, 94, 102] показал, что в основном рассматриваются вопросы мониторинга знаний обучающихся или внешней оценки образовательной организации со стороны государства. Вопросы построения личностно-ориентированных образовательных ресурсов с заданными критериями качества системы для повышения эффективности управления процессом обучения менее изучены.

Проблемой повышения эффективности образовательного процесса (ОП) с использованием информационных и компьютерных технологий занимались многие ученые [4, 7, 23, 28, 30, 32, 40, 42, 48, 55, 60]. Компьютерная технология основывается на использовании некоторой формализованной модели содержания, которая представлена программными средствами как педагогическими, так и телекоммуникационным. Совершенствование информационных технологий ОП включает разработку как новых методов управления ОП, так и методов и алгоритмов их использования в учебном процессе [13, 34, 47, 53, 58, 65, 67, 98, 105].

Наименее решенными в данной области являются задачи эффективного хранения учебно-методических материалов, организации оптимального пути получения знаний с учетом индивидуальных характеристик обучаемых.

Исследование литературы и опубликованных в Интернет материалов [5, 6, 24, 36, 41, 49, 51, 53, 60, 68, 109] по проблемам разработки и применения информационных и компьютерных технологий позволило выявить наличие противоречий между:

— традиционными видами связей в представлении учебно-методического обеспечения и потребностью практики в инновационных формах подачи и обработки информационных материалов;

— абсолютизацией структур и форм построения, учебно-методических материалов для студентов и необходимостью изменения организационных структур на основе расширения их функциональных и информационных возможностей;

— процессом развития информатизации образования и отсутствием общего подхода к разработке новых программных средств обучения, интегрирующих современные педагогические и информационные технологии.

Наибольшая эффективность от процесса обучения достигается с применением адаптивных технологий [10, 12, 70, 27, 29, 40, 66, 103]. Адаптивные обучающие системы являются наследниками двух более ранних разновидностей компьютерных средств учебного назначения: интеллектуальных обучающих систем (ИОС) и автоматизированных обучающих систем (АОС). ИОС используют связи предметной области, обучаемого и сценария ОП для поддержки индивидуализации обучения. В настоящее время существует некоторое количество адаптивных обучающих систем, основанных на сложных и ресурсоемких алгоритмах искусственного интеллекта и обеспечивающих приемлемый уровень адаптации, поэтому встает задача разработки такого алгоритма поддержки адаптивного ОПкоторый позволяет проводить личностно-ориентированное обучение в произвольной предметной области с реализацией управления траекторией развития обучающегося. Не менее важны адекватная статистическая обработка результатов контроля знаний, представление их в виде показателей и графиков, понятных каждому специалисту, тщательный анализ всех факторов, влияющих на валидность (обоснованность) выводов по результатам ОП [1, 2, 3, 19, 26, 42, 45, 56, 63, 96, 97, 99, 106].

Необходимость решения всех этих задач определили актуальность темы диссертационной работы, предопределили ее цель и задачи.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов интеллектуальной поддержки принятия решений при работе с базами знаний в многоуровневых распределенных адаптивных обучающих системах и методов контроля знаний, а также создание программного комплекса управления обучением, соответствующего требованиям системы менеджмента качества ИСО 9001:2001.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств управления образовательным процессом с помощью электронных обучающих сред для выявления и развития наиболее перспективных из них;

2. Спроектировать многоуровневую адаптивную систему с помощью CALS-технологий для организации управления качеством обучения согласно требованиям международных стандартов ИСО серии 9001;

3. Разработать модель управления организацией баз знаний учебных материалов, позволяющую сформировать обучающее пространство для мотивации развития личностных компетентностей;

4. Разработать метод и критерии оценки знаний, позволяющие принимать решение об усвоении учебного материала и формировании дальнейшей траектории обучения;

5. Разработать программный комплекс, предназначенный для реализации управления базами знаний в многоуровневых адаптивных обучающих системах и получить экспериментальное подтверждение практической применимости разработанного программного комплекса в учебном процессе.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы элементы математического и имитационного моделирования, теории графов и множеств, математической статистики, теории автоматизированного проектирования информационных систем на основе инструментального объектно-ориентированного средства Rational Rose, основанного на применении стандартного языка моделирования Unified Modeling Language (UML), теории организации баз знаний и данных, а также методы и средства объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся:

• результаты анализа существующих методов и средств управления образовательным процессом с помощью электронных обучающих сред, с помощью которых было выявлены наиболее перспективные;

• алгоритм проектирования обучающих систем с учетом требований стандартов ИСО 9001:2001, позволяющий учитывать требования всех заинтересованных участников ОП;

• модель организации и управления базой знаний учебных материалов, позволяющую эффективно организовать знания о предметной области и формировать обучающее пространство для реализации личностных компетенций обучаемых для любой дисциплины;

• метод и критерии оценки результатов контроля знаний с учетом неполных ответов и вероятности угадывания правильного ответа и алгоритм шкалирования результатов обучения в единой метрической шкале, использующей заданное количество узловых точек, позволяющий сделать процесс более объективным, эффективным и управляемым;

• программный комплекс, предназначенный для реализации управления базами знаний в многоуровневых адаптивных обучающих системах.

Научная новизна. К новым результатам диссертации можно отнести:

• модель адаптивной структуры учебного курса управления образовательным процессом, позволяющую, в отличие от существующих, отображать знания и их взаимосвязи в виде квантово-структурного пространства обучения и формировать рациональную траекторию прохождения обучения в соответствии с принципом максимальной вероятности квантов структуры обучения;

• метод управления учебными воздействиями, учитывающий, в отличие от существующих, не только начальный уровень знаний обучающихся, но и такие параметры, как время изучения раздела, коэффициент забывчивости и другие индивидуальные особенности обучения;

• метод контроля знаний и алгоритм шкалирования результата, позволяющие принимать решение об усвоении учебного материала и формировании дальнейшей траектории обучения, отличающиеся возможностью учета вероятности угадывания правильного ответа и неполных, частично правильных ответов, а также получение результатов обучения в рейтинговой и/или единой метрической шкале, использующей заданное количество узловых точек.

Практическая ценность работы заключается в:

• алгоритме проектирования ЭОС с учетом требований системы менеджмента качества ИСО 9001:2001, позволяющие получить систему с заданными критериями качества;

• методе организации контента и формирования рациональной траектории обучения с учетом индивидуальных особенностей обучающегося, решающим задачи управления процессом обучения;

• методе и критериях контроля знаний обучающихся и средствах оценки достоверности полученных результатов, позволяющие принимать решение об успешности обучения;

• программном комплексе, позволяющем осуществлять управление адаптивным обучением.

Основания для выполнения работы.

Научно-исследовательская работа по тематике диссертации проводилась в рамках следующих проектов:

• грант аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования Российской Федерации «Формирование системы менеджмента качества образовательных услуг университетского округа», проект № НЧ-НЧ-01−06-ПГ «Развитие научного потенциала высшей школы» в 2006;2007 г.

• Государственный контракт от 09 августа 2006 г. № П-156 на выполнение работ по проекту «Разработка информационно-методической поддержки систем управления качеством в образовательных учреждениях ВПО».

• инновационная образовательная программа подготовки кадров в области информационных технологий проектирования, производства и эксплуатации сложных технических объектов.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция методической (научно-методической) работы в системе повышения квалификации кадров» (Челябинск, 2004), XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика 2004» (С.-Петербург, 2004), II международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, 2005), XIV международной научной конференции «Новые технологии в образовании» (Воронеж, 2006), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007» (Астрахань, 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2007).

По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале из списка ВАК.

Разработанный программный комплекс, а также полученные с его помощью данные используются в учебном процессе УГАТУ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 143 страницы, 27 рисунков, 22 таблицы, 110 наименований использованной литературы.

Выводы и результаты-по четвертой главе.

Вданнойглаве дано описание основных принципов работы программного комплекса, позволяющего реализовать управление адаптивным обучением. Применение-данной обучающей системы позволило повысить интерес к обучению и его результативность, объективность оценки уровня знаний обучаемых, снизить время на изучение дисциплины. Система тестирования экономит время преподавателя и дает возможность выявить структуру знаний каждого слушателя для дальнейшего изменения методики обучения, позволяет с высокой степенью дифференцировать тестируемых по уровню знаний. Было предложено учитывать при анализе результатов-обучения коэффициенты адаптивности, забывчивости, осознанности, степень обученности и атоматизации усвоения, чтопозволяет принимать решения об успешности обучения.

Также была рассмотрена архитектура данной системы, позволяющая обеспечить работу врежиме «клиент-сервер» по ЛВС и через Internet с* использованием различных технологий, переносимостью на различные аппаратные платформы и возможностью настройки системы. Была предложена концепция многократно используемых объектов для компоновки учебных материалов на требования конкретного пользователя.

Был проведен анализ международных и отечественных стандартов оценки качества программных продуктов, что позволило выявить набор критериев эффективности электронного обучающего ресурса, который позволяет охарактеризовать систему с точки зрения системы менеджмента качества ИСО 9001:2001.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В' результате диссертационного исследования поставленная цель исследования и разработки разработке методов интеллектуальной поддержки принятия решений при работе с базами знаний в многоуровневых распределенных адаптивных обучающих системах и методов контроля знаний, а также создание программного комплекса управления обучением, соответствующего требованиям системы менеджмента качества ИСО 9001:2001 достигнута.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ существующих методов и средств управления обучением в автоматизированных обучающих системах, в результате которого было выявлено, что для эффективного управления учебным процессом использование обучающих систем различного назначения должно производиться с учетом конкретных целей профессиональной подготовки учащихся, при этом результативность их использования зависит от мотивации и уровня усвоения знаний в предметной области учебной дисциплины. Для формирования системы качества образования наиболее перспективным является адаптивное обучение, основанное на распределенной сетевой технологии;

2. Разработана модель адаптивного управления организацией баз знаний учебных материалов в ЭОС, позволяющая отображать знания и их взаимосвязи в виде квантово-структурного пространства обучения и формировать рациональную траекторию изучения учебного материала в соответствии с принципом максимальной вероятности квантов структуры обучения. Это позволяет более эффективно организовать знания о предметной области и формировать путь получения знаний с учетом индивидуальных характеристик обучаемых для< произвольной дисциплины. Используемая квантово-структурная теория' расширена на применение в обучающих системах, что позволило выработать рекомендации для разделения материала на множество контентов. В результате было получено четырехмерное пространство обучения и функция перехода, позволяющие автоматизировать управление траекторией обучения в зависимости от индивидуальных особенностей обучающегося;

3. Спроектирована многоуровневая адаптивная система с помощью.

CALS-технологий для организации управления качеством обучения согласно требованиям международных стандартов ИСО серии 9001, позволяющая учитывать требования всех заинтересованных участников ОП;

4. Разработан метод контроля знаний, позволяющий принимать решение об успешности ОП и формировании дальнейшей траектории обучения. Предложен метод оценки результатов контроля знаний с учетом частично правильных ответов и вероятности угадывания правильного ответа и алгоритм шкалирования результатов обучения в рейтинговой и/или единой метрической шкале, использующей заданное количество узловых точек, позволяющий сделать образовательный процесс более объективным, эффективным и управляемым;

5. Разработан программный комплекс, предназначенный для реализации управления ОП с помощью многоуровневой адаптивной распределенной ЭОС, позволяющий проводить эффективное обучение, анализ и объективный контроль знаний обучаемых. Рассмотрены принципы построения структуры обучающей системы, организации контента и разделение в соответствие с ними каждого учебного элемента в соответствии с ГОС по данной дисциплине на три уровня.