Актуальность работы.
Бурное развитие компьютерных технологий в области образования позволило существенно повысить качество образования и облегчить труд учителя, дав тем самым возможности дальнейшему повышению качества знаний.
К основным достоинствам обучающих систем относятся:
— возможность использования преимуществ индивидуального обучениявозможность индивидуальной адаптации курса обучения к потребностям обучаемых или условиям обучения;
— повышение доступности образования;
— возможность использования и тиражирования передового опыта;
— обучение навыкам самостоятельной работы;
— разгрузка преподавателя от ряда рутинных, повторяющихся действий, то есть чтение лекций, проверки контрольных работ и т. д.;
— возможность сделать лабораторных работ с помощью компьютера;
— возможность организации постоянного контроля степени усвоения знаний, способствующего более прочному закреплению материалаприменение обучающих систем позволяет предоставить образовательные услуги более широкому кругу обучаемых, то есть в рамках дистанционного обучения [74,75].
Первые эксперименты по применению компьютеров в образовании относятся к 1950;м годам и, несмотря на то, что техническая база ЭВМ и программное обеспечение того времени не соответствовали успешному решению проблемы компьютерной поддержки учебного процесса в целом, исследования в этой области начались во всех развитых странах.
За несколько десятилетие в области использовании компьютерных технологии в образования обучающие системы эволюционировали от автоматизированных учебных курсов, представлявших собой системы селективного типа, до интеллектуальных и экспертных систем с применением мультимедия и сценарных моделей. В этот период значительный вклад внесли многие отечественные ученые: Тихомиров В. П., Гузеев В. В., Домрачев В. Г., Иванников А. Д., Кривицкий Б. Х., Кривошеев А. О., Радченко С. В., Ретинская И. В., Романов А. Н., Норенков И. П., Петрушин В. А., Филатова Н. Н. и др.
В настоящее время разработка компьютерных обучающих систем осуществляется традиционным способом программирования или с использованием инструментальных средств — универсальных и специализированных, ориентированных на создание приложений определенного класса. Этот инструментарий не решает всей совокупности проблем создания качественных компьютерных обучающих систем, отвечающих требованиям современной программной индустрии.
Вопросам технологии разработки программных систем для образовательной сферы посвящены труды многих специалистов: Башмакова А. И., Башмакова И. А., Гавриловой Т. А., Григорьева С. Г., Красновой Г. А., Мельникова А. В., Соловова А. В., Трапезникова С. Н., Цытовича П. Л. и др. Вместе с тем, существующие на сегодняшний день методики и технологии разработки компьютерных обучающих систем значительно отстают от научно-технических достижений в области создания программного обеспечения для других отраслей.
Следует подчеркнуть, что в соответствии с современными тенденциями мировой программной индустрии особое значение имеет перенос основного акцента в разработке компьютерных обучающих систем с программирования на объектно-ориентированное проектирование.
Весомый вклад в развитие теории объектно-ориентированного анализа и проектирования программных систем внесли отечественные и зарубежные ученые: Вендров A.M., Калянов Г. Н., Колесов Ю. Б., Липаев В. В., Новоженов Ю. В., Сениченков Ю. Б., Силич М. П., Терехов А. Н., Буч Г., Гамма Э., Грэхем И., Йордан Э., Константайн Л., Ларман К., Рамбо Дж., Якобсон А. и другие.
Также с 80-ых годов с появлением искусственного интеллекта развиваются новые этапы компьютеризации образовании — это интеллектуальные обучающие системы. На сегодняшнее время является актуальным адаптивные обучающие системы, подстраиваемые под индивидуальной способностей обучаемых. Следует подчеркнуть, что исходя из материалов новых литератур, развиваются модели проектирования обучаемых с использованием разных отраслей науки (использование теории множеств, экспертных систем, дискретные математики, сети Петра и т. д.).
Цель и задачи диссертации. Целью работы является исследование и развитие моделей адаптивного обучения в области внешней и внутренней адаптивности и автоматизации построения рейтинговых оценок.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи: анализ существующих адаптивных компьютерных обучающих систем;
• разработка модели освоения учебного материала на примере компьютерной обучающей программы по термодинамике;
• проведение экспертного опроса преподавателей по разным специальностям для построения модели уровня сложности учебного материала и построения функций принадлежности усвоения учебного материала;
• разработка интегрированного пакета спецификаций требований к адаптивной обучающей системе;
• разработка информационного модуля обучающей системы средствами динамической визуализации;
• разработка алгоритма управления траекторией обучения по результатам промежуточного контроля на основе теории нечетких множеств;
• исследование результатов апробации разработанной в диссертации обучающей системы для учебного процесса по различным специальностям.
Объект исследования — адаптивная обучающая программа и инструментальные средства, используемые для их создания.
Предмет исследования — методы и модели для проектирования и разработки адаптивных обучающих программ, а также элементы теории нечетких множеств реализуемые в рамках разработки рейтинговых оценок.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории нечетких множеств, теория графов, методы динамических визуализации. Для программной реализации использован язык программирования Microsoft Visual Studio 2005, программная среда Adobe Dreamweaver CS3, Camtasia и конструктор тестов Uniar Builder. На защиту выносятся.
• модель обучаемого, модель освоения, модель уровня сложности, позволяющие проектировать адаптивную обучающую программу;
• интегрированный пакет требований, включающий формулу адаптивной обучающей программы, документ-концепцию и описание заинтересованных лиц;
• метод, алгоритм и программа построения автоматизированной системы получения рейтинговых оценок с использованием функций принадлежности.
• способ комплексирования программных средств при создании адаптивной обучающей программы для нефтегазовой отрасли.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:
• Модель обучаемого, модель освоения, дополненные моделью уровня сложности, позволяющие проектировать адаптивную обучающую программу.
• Интегрированный пакет требований, включающий формулу адаптивной обучающей программы, документ-концепцию и описание заинтересованных лиц.
• Модель управления обучающей программой с учетом внутренней и внешней адаптивности на основе элементов теории нечетких множеств.
• Алгоритм построения автоматизированной системы получения рейтинговых оценок на основе функций принадлежности степени усвоения материала, построенных экспертами.
Практическое значение результатов работы.
На основе полученных научных результатов разработана адаптивная обучающая система «TERMO-O8», система тестирования, включающая около 300 тестовых заданий, прошедшие регистрацию в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Разработанный программный комплекс используется в учебном процессе Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина и Кызылординского государственного университета имени Коркыт ата.
Достоверность диссертационных исследований подтверждается результатами регистрации в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию, а также внедрение разработанной компьютерной обучающей системы в высших учебных заведениях.
Апробация. Результаты диссертации прошли апробацию на научных конференциях: XVII Международных конференциях «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2007;2008 г) — XVII Международная конференция «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2007г) — Международная научно-практическая конференция, посвященной 70-летию Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата на тему «Использование информационных и инновационных технологий в системе непрерывного профессионального образования» (Казахстан, г. Кызылорда, 2007) — Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета Леса (Москва 2006 г, 2008г) — XIII—XIV Всероссийских научно-методических конференциях «Телематика» (Санкт-Петербург, 2006 — 2008 гг.) — Всероссийская научнопрактическая конференция «Информационные среда ВУЗа XXI века» (Петрозаводск, 2007г) — VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Республика Бурятия, Улан-Удэ, 2007г) — Научно-практическая конференция РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (Москва, 2007) — Научно-практический семинар «Новые информационные технология» (РГУ нефти и газа им. И. М, Губкина, Москва, 2007) — Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» ВИТ-2008, Казахстан, г. Алматы, 2008; Международный симпозиум «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (NIT&MO), Турция, 2008. Работа была удостоена дипломом на Международной конференции «Применение новых технологий в образовании-2007, 2008» (см. Приложение 2).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 24 печатных работах (4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты докторских и кандидатских диссертаций), в том числе в 4 статьях и 20 сборниках материалов, трудов и тезисов Международных и Всероссийских конференций, а также на Международном симпозиуме.
4.6. Выводы по четвертой главе.
• приведено описание адаптивной обучающей программы «TERMO-08», разработанной в соответствии с изложенными в предыдущих главах принципами;
• рассмотрена программная реализация виртуальных лабораторных работ, обеспечивающих адаптацию и реакцию к действиям обучающегося;
• описана программная реализация банка тестовых заданий для входного, промежуточного, экзаменационного теста, также для семинарских заданий;
• предложено использование метода динамической визуализации для обеспечения помощи обучающемуся за счет съемки приемов работы с программными комплексами-лабораториями и для реализации адаптации обучающихся с ограниченными возможностями;
• описана программная реализация блока автоматического определения рейтинговых оценок в иерархической структуре с использованием элементов теории нечетких множеств;
• приведен расчет экономический эффективности внедрения программы «TERMO-Q8» для всех технических вузов Москвы.
Заключение
.
Рассмотрены этапы исторического развития компьютерных обучающих программ как основа развития адаптивных обучающих систем в современном обучении;
Представлена классификация компьютерных обучающих программПроведен анализ существующих адаптивных обучающих систем и анализ инструментальных средств для разработки обучающих программ;
Представлены общие требования и этапы разработки обучающих систем;
Проведены исследования стандартам в области информатизации образования.
Приведен ряд характеристик адаптивных обучающих систем, которые позволяет развить данная диссертационная работа;
Разработаны модель обучаемого, модель сложности, формирующие структуру адаптивной обучающей программы.
Представлен способ динамической визуализации с целью обучения приемам виртуальных лабораторных работ и для разработки адаптивности к обучаемым с ограниченным возможностями (в частности по зрению).
Проведен сравнительный анализ программных средств для динамической визуализации.
Исследованы методы программной инженерии и разработан интегрированный пакет требований и их спецификация для адаптивной обучающей программы.
Рассмотрены основные определения теории нечетких множеств и ее возможности и достоинства для использования при получении рейтинговых оценок.
Разработаны иерархические структуры построения рейтинговых оценок как для компьютерной обучающей программы так и для традиционной системы обучения и проведен их сравнительный анализ. Проведено исследование методов нахождения весовых коэффициентов важности отдельных уровней иерархической структуры получения рейтинговых оценок и разработана методика их использования для указанных целей.
Разработана методика построения функций принадлежности для различных типов тестовых заданий для последующего использования в программном обеспечении.
Приведено описание адаптивной обучающей программы «TERMO-08», разработанной в соответствии с изложенными в предыдущих главах принципами;
Рассмотрена программная реализация виртуальных лабораторных работ, обеспечивающих адаптацию и реакцию к действиям обучающегося;
Описана программная реализация банка тестовых заданий для входного, промежуточного, экзаменационного теста, также для семинарских заданий;
Предложено использование метода динамической визуализации для обеспечения помощи обучающемуся за счет съемки приемов работы с программными комплексами-лабораториями и для реализации адаптации обучающихся с ограниченными возможностямиОписана программная реализация блока автоматического определения рейтинговых оценок в иерархической структуре с использованием элементов теории нечетких множеств;
Приведен расчет экономический эффективности внедрения программы «TERMO-Q8» для всех технических вузов Москвы.
Список опубликованных статей.
Статьи:
1. Дауренбеков К. К., Черткова Е. А., Ретинская И. В. Разработка спецификации требований к компьютерным обучающим системам // «Качество. Инновации. Образование», Москва, 2008, № 1, С.52−57.
2. Дауренбеков К. К., Черткова Е. А., Карпов B.C., Ретинская И. В. Разработка информационных модулей компьютерных обучающих систем средствами динамической визуализации. // «Качество. Инновации. Образование», Москва, 2008, № 6, С.63−66.
3. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В., Шотиди К. Х. Разработка виртуальных лабораторных работ по курсу «Термодинамика» // «Вестник КазНУ им. Аль-Фараби, Серия математика, механика, информатика», Алматы, 2008, № 3(58) С.481−486.
4. Дауренбеков К. К., Скуратов А. К., Захарова O.K. Российское образование для иностранных граждан. // «Вестник КазНУ им. Аль-Фараби, Серия математика, механика, информатика», Алматы, 2008, № 4(59) С. 176−178.
Материалы конференций:
1. Ретинская И. В., Дауренбеков К. К. Интеллектуальные адаптивные компьютерные программы для нефтегазового образования // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета. МГУЛ, Москва 2006 г;
2. Дауренбеков К. К. Разработка алгоритма построения нечетких оценок в компьютерных обучающих программах // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета. МГУЛ, Москва 2008 г;
3. Дауренбеков К. К. Дистанционное обучение в Казахстане // Труды XIII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2006». Спб, 2006, Том I, С. 168−169.
4. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В., Шотиди К. Х. Адаптивная обучающая система по термодинамике// Труды XIV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2007». Спб, 2007, Том I, С.168−169.
5. Дауренбеков К. К. Модели получения рейтинговых оценок с помощью тестовых заданий в адаптивной обучающей программе // Труды XV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2008». Спб, 2008.
6. Ретинская И. В., Дауренбеков К. К. Этапы разработки адаптивной компьютерной обучающей системы по курсу «Термодинамика"//Материалы XVIII Международной конференции «Применение новых технологий в образовании». г. Троицк, 2007 г. С.213−215.
7. Дауренбеков К. К. Об автоматическом получении рейтинговых оценок с помощью тестовых заданий в адаптивной обучающей программе.
Материалы XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании». г. Троицк, 2008 г.
8. Ретинская И. В., Черткова Е. А., Дауренбеков К. К. Создание информационного модуля компьютерной обучающей системы средствами динамической визуализации // Сборник трудов XVII Международной конференции «Информационные технологии в образовании» Часть V, Москва, 2007 г С. 172−174;
9. Бодыбаева И. Ж., Дауренбеков К. К., Аскаров С. К. Основные методики тестирования\ Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата на тему «Использование информационных и инновационных технологий в системе непрерывного профессионального образования». Казахстан, г. Кызыл орда, 1−3 ноября 2007 года, стр. 182−197.
10. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В. Разработка виртуальной лабораторной работы по определению изобарной емкости воздуха с помощью уравнении первого закона термодинамики.\ Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата на тему «Использование информационных и инновационных технологий в системе непрерывного профессионального образования». Казахстан, г. Кызылорда, 1−3 ноября 2007 года, стр. 187−191.
11. Дауренбеков К. К., Черткова Е. А., Ретинская И. В. Документ-концепции адаптивной интеллектуальной обучающей системы по курсу «Термодинамики"\ Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата на тему «Использование информационных и инновационных технологий в системе непрерывного профессионального образования». Казахстан, г. Кызылорда, 1−3 ноября 2007 года, стр. 191−195.
12. Шотиди К. Х., Глущенко Н. Ю., Пригульский К. Г., Дауренбеков К. К. Разработка виртуальной лабораторной работы по исследованию процесса истечения из суживающегося сопла.// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Информационная среда ВУЗа XXI века». Петрозаводск, 3−8 сентабря 2007 г, С.84−85.
13. Дауренбеков К. К. Интеллектуальные и адаптивные компьютерные программы для нефтегазового образования //Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». Восточно-Сибирский государственный технологический университет. Улан-Удэ, 26−31 марта 2007 года, Республика Бурятия, Часть I, стр. 210 213.
14. Дауренбеков К. К., Лопатин А. С., Ретинская И. В., Шотиди К. Х. Технология разработки адаптивной обучающей системы по.
Термодинамике // Научно-практическая конференция РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Москва, 2007;
15. Дауренбеков К. К., Калинина Э. В., Ретинская И. В. Алгоритм построения нечетких оценок в адаптивных обучающих программах // Труды XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ021» «, Том 9, Секция 10, с. 180−182, Саратов, 2008.
16. Дауренбеков К. К., Калинина Э. В., Ретинская И. В. О способах использования функций принадлежности для внесения адаптивности в компьютерные обучающие программы. //Международный симпозиум «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (NIT&MO), Часть I. Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке, Турция, 2008, С. 101−103.
17. Дауренбеков К. К. О внешней и внутренней адаптивности компьютерных обучающих программ //Международный симпозиум «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (NIT&MO), Часть I. Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке, Турция, 2008, С. 132−134.
18. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В., Шотиди К. Х. Виртуальные лабораторные работы по курсу «Термодинамика» / Подгот. по свидетельству об отраслевой регистрации разработки № 10 508 от 25.04.2008. ВНТИЦ № 50 200 800 888 от 29.04.2008 (аннотация в журнале «Компьютерные учебные программы и инновации», 2008. № 7.С.98).
19. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В., Шотиди К. Х Адаптивная обучающая программа «TERMO-08» /. Подгот. по свидетельству об отраслевой регистрации разработки № 10 509 от 25.04.2008. ВНТИЦ № 50 200 800 887 от 29.04.2008 (аннотация в журнале «Компьютерные учебные программы и инновации», 2008. № 7.С.98−99).
20. Дауренбеков К. К., Ретинская И. В., Шотиди К. Х. Тестирующий комплекс по курсу «Термодинамика» / Подгот. по свидетельству об отраслевой регистрации разработки № 10 510 от 25.04.2008. ВНТИЦ № 50 200 800 886 от 29.04.2008 (аннотация в журнале «Компьютерные учебные программы и инновации», 2008. № 7.С.99−100).
