Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами

На сегодняшний день динамичное развитие науки влечет за собой постоянные изменения в сфере профессиональных знаний, умений и навыков современных специалистов. Поэтому ускорение процесса подготовки и постоянная поддержка их высокого профессионального уровня являются важными практическими задачами.

Одним из вариантов их решения является применение современных информационных технологий. Развитие интеллектуальных возможностей обучающих систем создало необходимую основу для их превращения из информационного приложения традиционных методик преподавания в новый класс систем, радикально меняющих технологию подготовки современных специалистов.

Научные проблемы, связанные с исследованиями и разработкой вопросов методологии организации учебного процесса в обучающих системах, отражены в работах Н. М. Амосова, В. П. Беспалько, П. Я. Гальперина, В. Г. Домрачева, А. Н. Донскова, Л. Заде, С. И. Маслова, Д. А. Поспелова, И. В. Роберт, М. Саотоме, Н. Ф. Талызиной, А. Н. Тихонова, В. Я. Цветкова, Н. К. Юркова и других отечественных и зарубежных ученых.

Организация процесса обучения с применением интеллектуальных компьютерных обучающих систем (ИКОС) обладает такими важными достоинствами, как: индивидуальный подход к обучаемому с учетом его особенностейвозможность организации дистанционного обучениянезависимость от аудиторного времени и т. д. Большое количество существующих на сегодняшний день ИКОС, позволяют эффективно передавать теоретические знания, но не рассматривают формирование практических навыков и умений. Поэтому все большее распространение получают автоматизированные лабораторные комплексы (AJ1K), направленные на получение практического опыта.

Тем не менее процесс передачи знаний, формирования умений и навыков требует единой стратегии управления обучением, поэтому программные и аппаратные средства обучения следует рассматривать не как самостоятельные обучающие единицы, а как части единой ИКОС. Динамичное изменение профессиональных знаний, умений и навыков не позволяет использовать единую информационную базу системы обучения, а требует необходимости введения внешнего объекта исследования с открытой архитектурой, что дает возможность быстрой адаптации ИКОС к изменениям в конкретной предметной области.

В качестве основы методологии обучения выбрана теория поэтапного формирования умственных действий и понятий П. Я. Гальперина, поскольку именно она рассматривает комплексное применение различных средств обучения с целью эффективной передачи профессиональных знаний, формирования умений и навыков. Выбор учебной информации (УИ) для каждого этапа обучения затруднен неоднозначностью характера человеческого знания, поэтому анализ предметной области проведен на основе теории нечетких множеств.

Таким образом, создание дидактической системы с внешним объектом исследования, объединяющей процессы обучения и тренинга, являете^ актуальным и имеющим большое практическое значение.

Целью работы является теоретическое обоснование и разработка моделей и методик управления ИКОС с внешним объектом исследования, включающим комплекс программных и аппаратных средств обучения, предназначенных для эффективной передачи знаний, формирования умений и навыков современных специалистов, что позволит ускорить процесс подготовки и обеспечить постоянную поддержку их высокого профессионального уровня.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ функциональных возможностей современных ИКОС для создания их новой классификации на основе фасетной структуры.

2. Модернизация существующих моделей ИКОС путем включения программных и аппаратных средств обучения для обеспечения комплексной передачи профессиональных знаний, формирования умений и навыков.

3. Теоретическое обоснование структурной модели интеллектуальной системы управления ИКОС и соответствующей ей методики управления ИКОС, на основе теории поэтапного формирования умственных действий и понятий.

4. Автоматизация процесса выбора учебной информации для каждого этапа обучения на основе теории нечетких множеств.

5. Проведение экспериментального подтверждения эффективности применения разработанной ИКОС.

Методы исследования. При разработке программной реализации ИКОС использовались методы системного анализа, ситуационного моделирования, теории нечетких множеств, автоматического управлений, теории коммуникаций, поддержки принятия решений и теории поэтапного формирования умственных действий и понятий. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в следующем:

1. Разработана классификация ИКОС на основе теории коммуникации, отличающаяся фасетной структурой, учитывающая основные аспекты процесса коммуникации обучающей системы и обучаемого, что позволяет сделать выбор существующей или спроектировать новую ИКОС с организацией процесса коммуникации наиболее соответствующей условиям ее применения.

2. Разработана структурная модель ИКОС, отличающаяся содержанием различных средств обучения, выделенных во внешний объект исследования с открытой архитектурой, что позволяет комплексно осуществить передачу профессиональных знаний, формирование умений и навыков.

3. Предложена структурная модель интеллектуальной системы управления ИКОС и соответствующая ей методика управления ИКОС, разработанные на основе теории поэтапного формирования умственных действий и понятий, позволяющие повысить эффективность процесса обучения с применением ИКОС.

4. Разработана методика количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения, на основе теории нечетких множеств, позволяющая автоматизировать процесс выбора учебной информации для каждого этапа обучения.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная ИКОС с внешним объектом исследования позволяет эффективно передавать профессиональные знания, формировать навыки и умения, ускоряя процесс подготовки и обеспечивая постоянную поддержку высокого профессионального уровня современных специалистов.

На защиту выносятся:

1. Фасетная классификация ИКОС, учитывающая основные аспекты процесса коммуникации обучающей системы и обучаемого.

2. Структурная модель ИКОС с внешним объектом исследования, позволяющая комплексно осуществить передачу профессиональных знаний, формирование умений и навыков.

3. Структурная модель интеллектуальной системы управления ИКОС и соответствующая ей методика управления ИКОС, позволяющие повысить эффективность процесса обучения.

4. Методика количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения, позволяющая автоматизировать процесс выбора учебной информации для каждого этапа обучения.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде применения ИКОС в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и производственной деятельности ОАО «ПКБМ».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2006;2009 гг.) — Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2006;2007 гг.) — научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2007 г.) — 47-й научно-методической конференции ПАИИ (г. Пенза, 2007 г.) — научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008 г.) — научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2006;2009 гг.) — на заседаниях научно-методического семинара кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ПГУ (г. Пенза, 2006;2009 гг.).

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на корректности применения методов теории ситуационного управления, системного анализа, нечетких множеств, теории коммуникаций, теории поэтапного формирования умственных действий и понятий, а также на экспериментальном подтверждении адекватности используемых при исследовании моделей, успешной практической апробации решений, полученных на основе теоретических разработок и публикациях результатов исследования.

Публикации. Основные положение диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 1 — в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК России;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, двух приложений. Основная часть изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 4 таблицы.

Список литературы

состоит из 75 наименований. Приложения к диссертации занимают 8 страниц.

4.4. Выводы.

В четвертой главе разработан интеллектуальный интерфейс пользователя, адаптирующий УИ к виду, наиболее соответствующему особенностям обучаемого (типу репрезентативной системы и физиологическим особенностям восприятия цветов и форм), что позволяет сделать процесс обучения менее утомительным и более эффективным.

Разработана методика взаимодействия обучаемого с ИКОС позволяющая обучаемому эффективно приобретать знания, формировать навыки и умения. {.

Проведены экспериментальные исследования эффективности разработанной ИКОС с внешним объектом изучения проводилась на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет», показывающие, что традиционное обучение и обучение при помощи ИКОС дают приблизительно одинаковое качество усвоения знаний, навыков и умений, но прочность их усвоения заметно выше в случае применения ИКОС.

Таким образом, разработанная ИКОС с внешним ОИ построенная на основе теории поэтапного формирования умственных действий и понятии позволяет эффективно передавать обучаемым профессиональные знания, формировать навыки и умения, которые отличаются не только своим качеством, но и прочностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Процесс передачи знаний, формирования умений и навыков требует единой стратегии управления обучением, поэтому программные и аппаратное i.

СО следует рассматривать не как самостоятельные обучающие единицы, а как части единой ИКОС, что соответствует решению задачи ускорения процесса подготовки и постоянной поддержки высокого профессионального современных специалистов.

В работе проведен анализ современных ИКОС, создана их новая классификация на основе теории коммуникации позволяющая определить место каждой учебной системы в их общей совокупности, а так же создать эффективные возможности для выбора и проектирования нового средства.

Выработана последовательность этапов передачи знаний, формирования умений и навыков с помощью ИКОС и определены соответствующие им СО.

Разработана структурная модель ИКОС с внешним ОИ, на основе теории поэтапного формирования умственных действий и понятий позволяющая комплексно осуществить передачу профессиональных знаний, формирование умений и навыков;

Разработана структурная модель интеллектуальной системы управления обучением и соответствующая ей методика управления обучением, основанная на количественном анализе соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения, позволяющие повысить эффективность работы ИКОС на каждом этапе обучения;

Предложена методика количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения на основе теории нечетких множеств, позволяющая автоматизировать распределение тематических блоков УИ по этапам обучения- .

Завершенная программная реализация ИКОС и внедрение результатов работы в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 210 201'—.

Проектирование и технология РЭС" в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и производственную деятельность ОАО.

ПКБМ" подтвердило эффективность расширения функциональных возможностей ИКОС, за счет комплексного применения различных средств обучения позволившего повысить эффективности передачи знаний, формирования умений и навыков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

АЛК — автоматизированный лабораторный комплекс i.

БЗ — база знаний.

БМ — база моделей.

БФО — база физических объектов.

БИР — база интернет ресурсов.

ИКОС — интеллектуальные компьютерные обучающие системы.

ИИП — интеллектуальный интерфейс пользователя.

ИТС — интерфейс технических систем.

КСО — компьютерные средства обучений.

КСТ — компьютерные системы тестирования.

КСУН — компьютерные средства учебного назначения.

МО — модель обучаемого.

МПО — модель предметной область.

ОИ — объект исследований.

ПТ — процедурные тренажеры.

СО — средство обучения.

УИ — учебная информация.

ФТ — функциональные тренажеры д.