Общая характеристика исследования

Актуальность тема. Современные информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) и стремительное развитие сетевых образовательных услуг вызвали комплекс инноваций по реорганизации существующих образовательных систем всех уровней образования — от школы до вуза. Как следствие, меняется характер и динамика информационного взаимодействия обучающихся с преподавателем, что существенным образом влияет на выбор форм, методов, средств и технологий обучения.

Одной из отличительных особенностей современного этапа развития образовательных систем является поиск педагогами-исследователями эффективных способов применения формальных методов представления знаний и организации процесса обучения на основе использования достижений кибернетики, синергетики, теории искусственного интеллекта в аспектах развития и расширения понятий, принципов и методов дидактики и педагогических технологий.

Информатика как научная дисциплина представляет собой стремительно развивающуюся область знаний, некоторые разделы которой уже устоялись и являются общепризнанными, а некоторые находятся в стадии становления. Современная дидактика рассматривает изучение научных дисциплин как освоение педагогически адаптированных научных знаний. Применительно к информатике это обстоятельство требует первоначально провести систематизацию и структуризацию её содержания на текущий момент времени. Имея представление о состоянии современной информатики, можно строить дидактическую систему обучения этой области знаний, для чего необходимо разработать методологию структуризации и адаптации этих знаний с учетом требований специальности и социального заказа.

Значимая роль информатики и информационных технологий в модернизации образовательных систем отмечается в научных исследованиях многих известных ученых и педагогов (Бороненко Т.А., Ваграменко Я. А., Власова Е. З., Вострокнутов И. Е., Готская И. Б., Зобов Б. И., Колин К. К., Лапчик М. П., Монахов В. М., Роберт И. В., Стефанова Н. Л., Швецкий М. В. и др.). При этом отмечается необходимость дальнейших исследований, которые бы позволили эффективно использовать потенциал интеллектуальных методов и моделей представления знаний (логических моделей, фреймов, правил продукций, семантических сетей и др.) в системах обучения.

Различные подходы к моделированию содержания образования в области информатики и систематизации учебного материала исследованы в работах Т. А. Азларова, Н. В. Апатовой, А. Г. Гейна, А. С. Лесневского, В. П. Линьковой, Е. А. Ракитиной, Н. В. Матвеевой, Н. В. Марусевой, М. В. Швецкого и др.

Применению математического аппарата теории графов для моделирования логической структуры учебного материала, систематизации его понятий посвящены исследования В. П. Беспалько, С. А. Бешенкова, И. И. Логвинова, В. П. Мизинцева, И. В. Роберт, А. М. Сохор, А. Ю. Уварова и др. Следует также отметить работы, В. Ф. Волгиной и И. А. Мешковой, в которых графовые модели представления знаний использованы практически.

Наиболее важным с методологической точки зрения представляется подход, предложенный В. С. Ледневым, в основу которого положены три базовые составляющие: опыт личности, виды деятельности и содержание образования. Взаимодействие этих составляющих с позиций кибернетики можно рассматривать как проблемную область исследования информационных процессов в сложных системах.

Однако, в настоящее время практически отсутствуют исследования системного представления знаний в учебных текстах и электронных базах знаний, хотя в теории и методике обучения информатике появляются работы, в которых с целью моделирования логической структуры учебного материала применяются понятия и аппарат семантических сетей, как структуры представления знаний в виде графов, в вершинах которых находятся понятия изучаемой предметной области, а дуги обозначают отношения между ними.

Следует отметить, что традиционная система обучения на разных этапах учебного процесса стремится дать обучаемым как можно больше фактического материала. При таком подходе оценка качества знаний проводится посредством учета количества фактов (понятий, элементов знаний и др.), которыми оперирует обучаемый, и точностью их воспроизведения. Поскольку изучаемые понятия предметной области взаимосвязаны, следуют одно из другого, в стороне остаются связи и отношения между понятиями и правила логического вывода конкретных понятий из более обобщенных категорий предметной области. Такого рода обучение приводит к формализму знаний. При решении творческих задач, к которым относится процесс обучения, необходима система представления знаний, основанная на логико-семантическом подходе, который позволяет отображать условия задачи в виде структурированной модели, в которой учитываются все необходимые для её решения связи между элементами.

Для построения теории обучения, отражающей основные стороны реальной действительности и предоставляющей возможности для совершенствования вузовского обучения, должна быть принята соответствующая модель учебной деятельности. Так как общеизвестные модели в виде графов, матриц, логических уравнений, предикатов и др. не всегда пригодны для описания процесса обучения и ориентированы в основном на анализ количественной информации, то при выборе модели процесса обучения необходимо учитывать субъективные факторы и специфику семантической информации, динамику развития предметной области «Информатика». Большим потенциалом для решения указанных задач обладают адаптивные семантические модели.

Под адаптивной семантической моделью (АСМ) учебного материала понимается многоуровневая иерархическая структура в виде семантической сети, представленной ориентированным графом, в вершинах которого находятся понятия изучаемой предметной области, а рёбра обозначают связи (отношения) между ними.

Применению формально — математических методов для повышения эффективности отдельных этапов педагогического процесса посвящены работы многих исследователей, в том числе Б. И. Канаева, О. А. Козлова, В. Л. Латышева, Ю. М. Неймана, Н. И. Пака, И. В. Роберт, В. М. Хлебникова, М. Б. Челышковой, В. С. Черепанова и др. Однако, названные и другие авторы при применении формально — математических методов не уделяют должного внимания комплексному описанию и использованию методов представления и контроля знаний как информационного процесса, его исследованию с формально — структурных позиций.

Проблему исследования определяет следующая группа противоречий между:

• · целесообразностью применения формально — логических моделей представления знаний, комплексного использования потенциальных возможностей средств информационных технологий в профессиональной подготовке будущих учителей информатики и отсутствием теоретических и практических разработок по семантическому подходу к структуризации и систематизации понятий и объектов предметной области «Информатика», основанных на использовании интеллектуальных моделей представления знаний;
• · существующими психолого-педагогическими и организационно-методическими достижениями современных теоретических и экспериментальных исследований в области информатики, ИКТ, деятельностного, системного подходов к обучению, личностно-ориентированному образованию и недостаточностью их методического обеспечения, практического применения при создании, использовании автоматизированных обучающих систем на базе интеллектуальных подходов к процессу обучения, ориентированных на использование ИКТ в качестве инструмента познания;
• · необходимостью совершенствования моделей представления учебного материала в автоматизированных обучающих системах на основе формальнологических, интеллектуальных моделей знаний, более широкого использования средств ИКТ в обучении и недостаточным уровнем применения их достижений в обучении, представлении и контроле знаний в используемой информационнообразовательной среде;
• · потребностью обеспечить систематичность, массовость и объективность контроля знаний в области информатики и отсутствием инструментария для описания и исследования процессов автоматизированного контроля знаний с использованием современных аппаратно-программных средств ИКТ и семантических моделей.

Таким образом, актуальность данного исследования определяется необходимостью развития теоретических и научно-методических подходов к обучению информатике на основе формализации знаний и использования семантического подхода при создании моделей описания и структуризации учебного материала в этой предметной области.

Объект исследования — процесс обучения информатике студентов педагогических и гуманитарных вузов.

Предмет исследования — представление и контроль знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей.

Цель исследования разработка теоретических и методических оснований представления и контроля знаний в области информатики на основе использования адаптивных семантических моделей профессиональных знаний в этой области. Частными целями исследования являлись совершенствование методики контроля знаний обучаемых и обоснование принципов построения и структуры специализированной системы обучения информатике.

Гипотеза исследования. Если в основу моделирования логической структуры учебного материала в области информатики будут положены адаптивные семантические модели представления и контроля знаний, разработать на основе этого подхода соответствующую педагогическую систему, то это обеспечит:

• · повышение качества подготовки учителей информатики, развитие межпредметных связей в этом образовательном процессе, формирование у обучаемых структурно-организованных знаний в области информатики и умений конструировать модели знаний в различных ее тематических разделах, систематизировать понятия и объекты в данной предметной области;
• · сокращение времени изложения учебного материала на лекционных и семинарских занятиях с использованием информационных средств представления учебной информации коллективного пользования и индивидуального раздаточного материала;
• · сокращение времени контроля знаний обучаемых, а также повышение достоверности и полноты этого процесса.

Цель и гипотеза исследования определили следующие его основные задачи:

• · провести анализ существующих подходов и моделей представления знаний, обосновать выбор основной модели представления и контроля знаний в области информатики;
• · сформулировать основные методологические и методические положения по: декомпозиции модели учебного материала, его адаптации к уровню подготовки специалиста и состоянию его базовых знаний; определению состава основных учебных моделей, их взаимодействию, выбору критериев структуризации знаний и этапности создания различных учебных моделей;
• · обосновать принципы и критерии структуризации знаний по информатике на основе адаптивных семантических моделей для различных тем основных учебных дисциплин специальности 30 100 (учитель информатики);
• · разработать методику контроля знаний, соответствующую принципам построения предлагаемой системы обучения;
• · разработать структуру и предложить состав основных функциональных модулей автоматизированной обучающей системы, ориентированной на использование баз знаний, построенных на основе адаптивных семантических моделей;
• · разработать методику использования автоматизированной обучающей системы, реализованной на основе адаптивных семантических моделей в области информатики;
• · провести педагогические эксперименты и исследования по оценке эффективности разработанной методики представления и контроля знаний в реальном учебном процессе.

Теоретико-методологическая база исследования основана на работах:

• · Абдеева Р. Ф., Моисеева Н. Н., Ракитова А. И., Урсул А. Д. и др., в исследованиях которых с философских позиций рассматриваются состояние, противоречия, тенденции развития системы образования в условиях современного информационного общества;
• · Бабанского Ю. К., Беспалько В. П., Бордовского Г. А., Ваграменко Я. А., Гершунского Б. С., С. Г. Григорьева, Извозчикова В. А., Колина К. К., Лаптева В. В., Машбица Е. И., Монахова В. М, Разумовского В. Г., Роберт И. В., Румянцева И. А. и др., которые заложили теоретические и методологические основы информатизации образования;
• · Ершова А. П., Бешенкова С. А., Бороненко Т. А., Бубнова В. А., Вострокнутова И. Е., Гейна А. Г., Готской И. Б., Зобова Б. И., Извозчикова В. А., Кузнецова А. А., Кузнецова Э. И., Лапчика М. П., Пугача В. И., Румянцева И. А., Шапкина В. В., Швецкого М. В. и др, в работах которых исследуются проблемы подготовки учителей информатики;
• · Беляевой А. П., Власовой Е. З., Извозчикова В. А., Казаковой Е. И., Монахова В. М, Радионовой Н. Ф., Роберт И. В., Сластенина В. А., Стефановой Н. Л., Тряпицыной А. П. и др., посвященных исследованию сущности педагогических технологий обучения;
• · Анисимова В. И., Братчикова И. Л., Воробьева В. И., Румянцева И. А., Советова Б. Я. и др. в работах, которых рассматриваются проблемы обучения современной информатике в высшей школе;
• · Буча Г., Вагина В. Н., Исидзуки М., Коямы Т., Ли Т. Б., Мацуби Б., Окамато Т., Попова Э. В., Поспелова Д. А., Растригина Л. А., Уэно Х. и др., заложивших теоретические основы объектно-ориентированного проектирования, представления, структуризации и использования знаний на основе достижений искусственного интеллекта и интеллектуальных обучающих систем.

Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы исследования применялись следующие методы исследования: современной дидактики; искусственного интеллекта; объектно-ориентированного проектирования моделей сложных систем; нечеткой логики; теории информации; математической статистики, педагогики и психологии.

Логика исследования базируется на выдвинутой гипотезе исследования и предполагает создание целого ряда моделей знаний в различных тематических разделах информатики на основе адаптивных семантических моделей, содержащих адаптивные и управляемые преподавателем процедуры представления и контроля знаний, определения их глубины и качества, формирования информационной модели обучаемого.

Научная новизна исследования состоит в: системном анализе наиболее распространенных моделей представления и контроля знаний, систематизации и обобщении основных методологических положений по представлению и контролю знаний в области информатики на основе адаптивных семантических моделей, разработке методики создания этих моделей, разработке 43 новых учебных моделей по основным дисциплинам профильной подготовки учителей информатики по специальности 30 100, разработке принципов построения и структуры оригинальной автоматизированной системы обучения и контроля знаний, создании методики использования этой системы, получении количественных оценок эффективности основных результатов диссертации.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке теоретических основ структуризации знаний на базе адаптивных семантических моделей, проектирования учебных моделей в области информатики, исследования эффективности использования этих моделей в учебном процессе вуза.

Практическая значимость. На основе предложенной методики структуризации знаний разработан образовательный контент по информатике общим объёмом около 26 Мб, создан учебно-методический комплекс по 8 дисциплинам предметной подготовки учителя информатики, разработана и внедрена в учебный процесс Дагестанского государственного педагогического университета автоматизированная обучающая система «КАСПИЙ».

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов исследования обеспечены за счёт использования: указанной состоятельной теоретико-методологической базы исследования, современных методов научных исследований, в том числе современной педагогики и психологии, теории искусственного интеллекта, теории сложных систем и математической статистики, опыта ведущих научных и образовательных учреждений страны, результатов обсуждения этих исследований на ряде Международных и Всероссийских научных форумах, данных педагогических исследований в нескольких образовательных учреждениях Республики Дагестан и других субъектов Российской Федерации.

Этапы исследования. Исследования по теме настоящей диссертации проводились в основном в период с 2001 по 2008 годы. Поисковый этап выполнялся в течение 2001 — 2002 годов, констатирующий этап реализовывался в 2003 — 2006 годах, формирующий этап поводился в 2007 — 2008 годах.

Апробация результатов исследования. Материалы, основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались в течение 2001;2008 гг. на целом ряде Международных и Всероссийских научно-методических и научно-практических конференциях и симпозиумах: «Народное образование в XXI веке» (Москва, 2001), «VIII Рязанские педагогические чтения» (Рязань, 2001), «Открытое образование» (Пенза, 2005), «Информатизация образования — 2005» (Елец, 2005), «Информатизация сельских школ» (Анапа, 2005, 2006, 2007, 2008), «XX лет школьной информатике» (Новгород, 2006), «ИТО-Черноземье-2006» (Курск, 2006), «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2007), «Информатизации образования — 2007» (Калуга, 2007), «Информационные технологии в образовании» (Тула, 2007), «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2007), «Информатизация педагогического образования» (Екатеринбург, 2007); «Телематика'2007» (СПб, 2007), «Смешанное и корпоративное обучение» (п. Дивноморское Краснодарского края, 2007), «Информатизация профессионального образования» (Уфа, 2008), «Информатизация образования — 2008» (г. Славянск — на — Кубани, 2008).

Общее количество публикаций по теме диссертации — 58, их общий объём 34 п.л.

Внедрение результатов исследования осуществлялось в процессе подготовки и проведения опытно-экспериментальной и методической работы на базе Дагестанского государственного педагогического университета, Дагестанского института повышения квалификации педагогических кадров (ДИПКПК), Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ). Результаты исследования внедрены в 12 образовательных учреждениях Российской Федерации (см. стр. 34 автореферата).

Положения, выносимые на защиту:

• 1. Для представления и контроля знаний в области информатики целесообразно использовать адаптивные семантические модели, обеспечивающие эффективную структуризацию, наглядное представление и строгое логическое изложение учебного материала, целостность восприятия его содержания, возможность адаптации компонентов моделей к современному содержанию информатики, уровню подготовки специалистов и качеству базовых знаний обучаемых.
• 2. Основными методологическими положениями при создании учебных семантических моделей в области информатики следует определить: необходимость структуризации изучаемых понятий, явлений, объектов и технологий, целесообразность использования многоуровневых иерархических структур и идентификации уровней знаний обучаемых, обеспечение возможности построения пирамид знаний с применением современных достижений психосемантики, использования инструментальных средств для создания современного образовательного контента, отвечающего требованием государственных образовательных стандартов.
• 3. Методические основы представления и контроля знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей должны обеспечивать: адекватное отражение знаний в изучаемой предметной области и ее тематических разделах, учет причинно-следственных и родовидовых связей между понятиями и отдельными разделами учебных дисциплин, рациональную

этапность разработки учебных моделей, возможность адаптации отдельных компонентов этих моделей и моделей в целом к уровню подготовки специалистов, качеству базовых знаний обучаемых и используемым формам учебных занятий.

• 4. Разработанные в диссертации 43 адаптивных учебных моделей по основным темам 8 профильных учебных дисциплинам специальности 30 100 (учитель информатики): «Программирование», «Программное обеспечение ЭВМ», «Архитектура компьютера», «Компьютерное моделирование», «Теоретические основы информатики», «Математическая логика», «Компьютерные сети», «Основы искусственного интеллекта», могут быть использованы для повышения эффективности учебного процесса в педагогических и гуманитарных вузах страны по данной специальности.
• 5. Предложенная в диссертации методика контроля знаний обучаемых, основанная на применении адаптивных семантических моделей и сети запроса учебной информации и обеспечивающая целесообразную последовательность предъявляемых им контрольных заданий и использование деятельностного подхода к процессу контроля знаний, позволяет существенно повысить оперативность и объективность этого процесса.
• 6. Разработанные принципы построения автоматизированной обучающей системы «КАСПИЙ» на основе модульной структуры и адаптивного пользовательского интерфейса, обеспечивают возможность её эффективного использования и поэтапного развития и совершенствования.
• 7. Проведенные экспериментальные педагогические исследования и полученные на их основе количественные оценки эффективности основных результатов диссертации подтверждают правомерность основной гипотезы диссертационного исследования.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Основной текст диссертации изложен на 302 стр.