Исследование и разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения в компьютерных обучающих системах

Актуальность темы

исследования. Вступление человечества в XXI век требует перехода к новой стратегии развития общества на основе знаний и высокоэффективных технологий. Широкое применение передовых информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) становится одним из приоритетных направлений развития общества. Однако для полномасштабного использования предоставляемых ИКТ возможностей необходимо наличие квалифицированных кадров. Применение различных компьютерных систем, особенно интеллектуальных, позволяет эффективно реализовать профессиональную подготовку и переподготовку кадров, повышение их квалификации, аттестацию и обучение. В настоящее время активно развиваются средства представления, контроля и управления передачей знаний в компьютерных системах (например, Tactic Editor, Menager’s Edge, Designer’s Edge, IBM Learning space, SABA learning, Прометей, eLearning Server, ТестСтудио и др.). Об этом свидетельствует опыт ведущих зарубежных (IMS, ADL, LTSC, AICC, IBM Mindspan Solutions, Click21earn, Pathlore, Macromedia, Microsoft, Docent, Allen Communications и др.) и отечественных (ИСА РАН, ГНИИ «Информика», НИИВО, РМЦ, Гиперметод, НОУ «Институт виртуальных технологий в образовании», Websoft, Новый Диск, Cognitive Technologies, RedLab, ЦКО «Специалист» и др.) организаций, занимающихся исследованиями и разработками в области ИКТ, а также ведущих ВУЗов РФ (МГУ, МФТИ, МГТУ, МАИ, МЭИ, МИСиС, МЭСИ, МГИУ, МГИЭМ идр.).

Востребованность новых современных форм и методов обучения является практическим доказательством необходимости создания и внедрения интеллектуальных компьютерных обучающих систем. Следовательно, вопросы разработки и совершенствования их методического, математического, алгоритмического, программного обеспечения для реализации требуемых функциональных возможностей, адаптации к индивидуальным особенностям обучаемых приобретают первостепенную важность. Проблемами использования и развития технологий представления и управления передачей знаний, а также информационных образовательных технологий занимались отечественные и зарубежные ученые, в частности: Д. А. Поспелов, Г. С. Осипов, А. П. Афанасьев, А. Н. Тихонов, И. Н. Кузнецов, Н. А. Селезнева, А. И. Суббетто, Б. А. Сазонов, Г. А. Атанов, В. В. Попов, И. А. Башмаков, И. В. Макарова, В. П. Тихомиров, Б. В. Кириличев, И. Л. Надточий, М. Минский, Д. Гилфорд, Дж. Блум, Р. Аткинсон, В. Чапман и другие. Интерес к этим исследованиям в настоящее время только увеличивается, что определяет актуальность представленной работы.

Тематика исследования охватывает модели управления процессом обучения, алгоритмы построения целостного учебного процесса и реализацию полученных в диссертационной работе результатов с использованием соответствующего программного обеспечения. Таким образом, тема исследования является актуальной и определяет следующие цель и задачи настоящей работы.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения для представления и передачи знаний в интеллектуальной компьютерной обучающей системе (ИКОС), реализующей произвольный учебный процесс и ориентированной на учет индивидуальных особенностей обучаемого. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать обобщенную модель ИКОС, позволяющую реализовывать произвольный учебный процесс с учетом индивидуальных особенностей обучаемого.

2. Разработать математическую модель для представления и передачи знаний в ИКОС.

3. Разработать алгоритмы функционирования подсистем ИКОС, в том числе алгоритм анализа семантического покрытия.

4. Разработать на основе предложенной математической модели и алгоритмов программное обеспечение для формирования базы знаний предметной области (ПО) и работы с ней, а также контроля знаний, умений и навыков (ЗУН).

Объект и предмет исследования. Объектом исследования настоящей диссертационной работы является ИКОС, а предметом исследования — методическое, математическое, алгоритмическое и программное обеспечения ИКОС.

Методы исследования. В проведенных исследованиях использованы: семантические сети, теория графов, исследование операций, математическая статистика, теория автоматического управления.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Предложена авторская обобщенная модель ИКОС, позволяющая реализовывать произвольный учебный процесс с учетом индивидуальных особенностей обучаемого. В модели комплексно представлены основные аспекты организации учебного процесса, а именно: информационный, методический, психолого-педагогический, организационный, технический. Из смежных областей знаний отобраны, адаптированы и формализованы механизмы учета индивидуальных особенностей обучаемого, а также методы и виды передачи знаний.

2. Разработана математическая модель семантической сети (СС) для представления знаний в ИКОС, решающая задачи произвольного учебного процесса. Разработаны аксиоматика модели СС и система операций с ней. Предложенная модель позволяет описать произвольные требования к результатам обучения, программы учебных курсов, индивидуальные программы обученияобеспечивает возможность представления индивидуальных особенностей обучаемых и аспектов учебного процесса (изложение и закрепление материала, повторение пройденного, контроль и самоконтроль знаний и т. д.) — предоставляет возможность многоуровневой организации операций с моделью, работы с локально неполной, локально избыточной и локально противоречивой информациейобеспечивает высокую наглядность, что крайне важно для информатизации учебного процесса.

3. Разработаны алгоритмы функционирования ИКОС и ее отдельных компонентов, в частности, алгоритм семантического покрытия для анализа качества формируемых программ и содержания (контента) обучения.

4. Разработана программа «СемМастер», предназначенная для формирования базы знаний предметной области и работы с ней. «СемМастер» отличает интуитивно понятный интерфейс, наличие наиболее востребованных функций, а именно: формирование моделей знаний, проведение анализа семантического покрытия различных моделей, а также оптимизация моделей по заданным критериям.

Практическая ценность работы. Разработанная обобщенная модель ИКОС, реализация ее отдельных подсистем, применение предложенных математической модели СС, алгоритмов и программного средства способствует повышению уровня информатизации, качества, адаптивности и эффективности учебного процесса. Разработанная модель, алгоритмы и программа имеют универсальный характер и могут использоваться в различных сферах деятельности человека, в том числе и на производстве.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (Пенза, 1999 г.), семинаре «Особенности дидактики дистанционного образования» Центра обеспечения качества обучения государственных и муниципальных служащих РАГС при Президенте РФ (Москва, 2003 г.), Международной научно-технической конференции и российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Сочи, 2004 г.), V Международной конференции «Молодые ученыепромышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2005), второй научной конференции «СИМ'2005» (Москва, МФТИ, 2005), семинарах ИСА РАН.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ [6, 7, 8, 9, 27, 28, 30, 31, 74, 89].

Внедрение результатов исследования. С помощью предложенных методик, алгоритмов и программных средств разрабатывались новые обучающие курсы, в том числе «Основы информационных технологий и вычислительной техники» (набор из шести специализированных курсов) [70], «Основы автоматизации делопроизводства» [71], «Введение в управление проектами на основе стандарта ANSI PMI РМВОК 2004». В соответствии с изложенными рекомендациями разработаны авторские учебно-методические пособия по основам компьютерной грамотности [73] и основам делопроизводства [72]. Обучение по разработанным курсам привело к повышению успешности обучения в среднем на 24% (обучение прошли 540 человек). Отдельные результаты работы внедрены в МГИУ (1996;2000г.г.), РУДН (2001;2002), РАТИ (1997г.), школах ЮАО Москвы № 932 (1998;2000г.г.) и 861 (2005г.), ФТС (ГТК) РФ (2003г.), РАГС при Президенте РФ (2004г.), ФСГС (Госкомстат) РФ (2005г.), НОУ «ИПК «Постгрэдюэйт-РАУ» (2005г.).

На защиту выносятся следующие результаты:

— разработанная обобщенная модель ИКОС;

— разработанная математическая модель СС;

— методология реализации ИКОС, алгоритмы функционирования блоков подсистем, в частности, алгоритм семантического покрытия, а также его программная реализация.

Личный вклад автора. Следующие результаты получены автором самостоятельно: разработана обобщенная модель ИКОС, адаптированы и формализованы методическая платформа ИКОС, методика представления индивидуальных особенностей обучаемого, методы и виды обучения, разработаны методика реализации обобщенной модели ИКОС, алгоритмы функционирования подсистем ИКОС, экспериментально исследованы разработанные модели, алгоритмы и программы.

Разработка модели СС, ее аксиоматики, системы операций велась совместно с И. А. Башмаковым.

Исследование и разработка подходов создания ИКОС, а также разработка программ «СемМастер» и «ТестСтудио» выполнены совместно с Б. В. Кириличевым.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 97 наименований. Основной текст работы изложен на 146 страницах.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях.

1. Кириличев Б. В., Широков Л. А., Рабинович П. Д. Системный анализ проблемы создания интеллектуальных компьютерных обучающих комплексов. Сборник научных трудов МГИУ. — М.: МГИУ. — 1996. — с. 166−171.

2. Кириличев Б. В., Рабинович П. Д., Рабинович А. Е. Структурно-факторная модель процесса обучения // Труды международной научно-технической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». — Пенза, 1999. — с. 55−57.

3. Башмаков И. А., Рабинович П. Д. Анализ моделей семантических сетей как математического аппарата представления знаний об учебном материале // Справочник. Инженерный журнал. — 2002, — № 7. с.55−60.

4. Башмаков И. А., Рабинович П. Д. Модель семантической сети для представления учебного материала в компьютерных обучающих средствах // Справочник. Инженерный журнал. — 2002. — № 8. — с.61−64.

5. Башмаков И. А., Рабинович П. Д. Обучение как «профилактика» чрезвычайных ситуаций, вызванных деятельностью человека // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях № 1−2003, М. ВИНИТИ.

6. Башмаков И. А., Рабинович П. Д. О концепции информатизации учебного процесса//Вестник МЭИ. 2003. — № 4. — с. 105−110.

7. Широков Л. А., Кириличев Б. В, Рабинович П. Д. Отчет по НИР по ЕЗН по теме «Разработка иерархической системы моделей для интеллектуального компьютерного обучающего комплекса», М. 2001;2002 г. г. (на правах рукописи).

8. Кириличев Б. В., Рабинович П. Д., Ботряков Е. С. Модели и алгоритмы для работы с базами знаний в интеллектуальной компьютерной обучающей системе. Труды международной научно-технической конференции и Российской научной школы молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий». — Сочи, 2004.

9. Кириличев Б. В., Рабинович П. Д., Ботряков Е. С. Программа для работы с базами знаний в интеллектуальной компьютерной системе проектирования и управления технологическими процессами. Сб. научных докладов V международной конференции «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения». М.:РИЦ МГИУ, 2005.

10. Рабинович П. Д. Исследование и разработка математической модели, алгоритмов и программного средства для представления и передачи знаний в компьютерных обучающих системах. Труды второй научной конференции «СИМ'2005» — Москва, МФТИ, 2005.

Заключение

.