Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ компетентностного подхода в математической подготовке студентов экономических специальностей 17
1.1 Дистанционное образование как форма ведения учебного процесса 17
1.2 Основы компетентностного подхода 21
1.3 Компетентностный подход при математической подготовке студентов экономических специальностей 24
1.4 Анализ и систематизация средств поддержки выработки общекультурных и профессиональных компетенций при математической подготовке студентов экономических специальностей 36
1.5 Задачи формирования интеллектуальных обучающих тренажеров.. 39
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Математические модели представления знаний в интеллектуальных обучающих тренажёрах 42
2.1 Сущность компьютерной технологии обучения в рамках реализации ФГОСВПО 42
2.2 Требования к структуре и представлению знаний в ИОТ, поддерживающих компетентностную модель решения задач (МК2) 43
2.3 Компетентностные уровни модели требуемых знаний по разделу дисциплины 46
2.4 Представление знаний в ИОТ. Формальная модель представления знаний. Язык представления знаний 48
2.5 Технология построения модели требуемых знаний по разделу математической дисциплины, имеющей экономическое приложение 56
Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. Алгоритмы обучения и проверки знаний, поддерживаемые интеллектуальными обучающими тренажёрами 76
3.1 Требования к функционированию ИОТ, поддерживающих компетентностную модель решения задач 76
3.2 Алгоритм движения обучаемого по этапам обучения 79
3.3 Формирование модели текущих знаний обучаемого. Взаимодействие моделей требуемых и текущих знаний для выработки алгоритма управления поэтапным процессом обучения 82
3.4 Алгоритмы обучения и контроля, обеспечиваемые директивными фреймами 88
Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. Реализация комплекса инструментальных средств, поддерживающих интеллектуальные обучающие тренажеры 105
4.1 Требования для реализации иот 105
4.2 Архитектура программного обеспечения ИОТ 106
4.3 Структура Базы ДанныхИОТ 107
4.4 Модули поддержки работы обучаемого в ИОТ. Средство обучаемого
4.5 Модули поддержки работы преподавателя в ИОТ. Средство автора 137
4.6 Компьютерные учебно-методические комплексы по обучению экономическим специальностям, включающие ИОТ 149
4.7 Определение затрат на разработку программного обеспечения и наполнения ИОТ 153
Выводы по главе 4 157
Заключение 158
Список литературы
- Компетентностный подход при математической подготовке студентов экономических специальностей
- Компетентностные уровни модели требуемых знаний по разделу дисциплины
- Алгоритм движения обучаемого по этапам обучения
- Модули поддержки работы обучаемого в ИОТ. Средство обучаемого
Компетентностный подход при математической подготовке студентов экономических специальностей
На сегодняшний день дистанционное образование осуществляется в основном (80%-100%) за счет использования технологий заочного обучения, с той лишь разницей, что материалы передаются от преподавателя обучаемому посредством электронной почты. Таким образом, имеется серьезная нехватка современных компьютерных средств, обеспечивающих дистанционный учебный процесс. Кроме того, большинство существующих программных средств учебного назначения представляют собой либо системы для создания тестов (ADTester, SuperTest), либо оболочки для создания гипертекстовых учебников и справочников (ePublisher 3000, ToolBook Instructor, Наставник-М). Анализ перечисленных программных средств позволяет выявить два основных недостатка: компьютерные учебники на базе вышеперечисленных средств не позволяют обеспечить поддержку процесса обучения на всех его этапах, как следствие, не обеспечивается выработка устойчивых навыков владения предметной областью; вышеперечисленные средства дают возможность реализовать контроль только конечного результата выполнения задания, но не дают проверки хода решения и не обеспечивают сбор информации об ошибках обучаемого, сделанных в процессе решения.
В известной же степени современные компьютерные обучающие системы должны частично заменить преподавателя, а, следовательно, они должны обладать способностью не только определять правильность выполнения обучаемым заданий, но и делать выводы о состоянии знаний обучаемого, формировать на их основе новые задания, объяснять причины ошибок и методы их устранения. Такие программные средства можно охарактеризовать как интеллектуальные обучающие системы. На протяжении последних тридцати лет кафедра «Математической кибернетики» МАИ активно проводит исследования в области компьютеризации образования, результатом которых явилась разработка концепции компьютерного обучения и создание на ее основе интеллектуального обучающего тренажёра (ИОТ), как интеллектуальной обучающей системы, предназначенного для поддержания дистанционной формы обучения и функционирующей в глобальных информационных сетях.
В современных условиях развития общества наиболее актуальной становится проблема подготовки высококвалифицированных кадров, обладающих практическими навыками, способных успешно применять приобретенные знания в различных производственных ситуациях, обладающих профессиональным универсализмом.
Подготовка таких специалистов ведется на основе компетентностного подхода.
Компетентностный подход — это совокупность общих принципов определения целей образования, отбора содержания образования, организации образовательного процесса и оценки образовательных результатов [74]. Основополагающим принципом компетентностного подхода является развитие у обучаемых способности самостоятельно решать проблемы в различных сферах и видах деятельности. Целью обучения является выработка ключевых профессиональных компетенций специалиста.
Компетенция - совокупность взаимосвязанных качеств личности (знаний, умений, навыков, способов действий), задаваемых по отношению к определенному кругу предметов и процессов и необходимых для качественной продуктивной деятельности по отношению к ним [48], [105].
При разработке Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС ВПО 3 и ФГОС ВПО 3+) по отдельным дисциплинам и направлениям специализации рассматриваются четыре модели компетенции (Models of competense), принятых в настоящее время в европейской вузовской практике [48]:
Каждая из четырёх моделей ведет к различным подходам к планированию, организации и предоставлению высшего профессионального образования.
Модель компетенции решения задач (МК2) нацелена на создание образовательной программы и методов оценки, которые позволят человеку осваивать четко определенный набор умений, практиковаться в их использовании и осуществлять профессиональную деятельность на их базе, а также решать конкретные прикладные задачи.
Согласно ФГОС ВПО в рамках модели МК2 ключевыми компетенциями при математической подготовке студентов инженерно-экономических специальностей технических вузов являются: общекультурные компетенции: - знает и понимает законы развития природы, общества и мышления и умеет оперировать этими знаниями в профессиональной деятельности ОК-2; - владеет культурой мышления, способен к восприятию, обобщению и анализу информации, постановке цели и выбору путей её достижения ОК-5; - умеет логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь ОК-6; - стремится к личностному и профессиональному саморазвитию ОК-10; - владеет методами количественного анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования ОК-15; - владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией ОК-17.
Компетентностные уровни модели требуемых знаний по разделу дисциплины
Параметр «вес» указывает на важность контрольной точки, параметры «способ передачи оценки» обеспечивают обратную связь при прохождении контроля. Различают следующие значения параметров «способ передачи оценки»:
Классификационный фрейм может также иметь фактуальную часть, в отличие от фрейма смысловая-связка классификационный фрейм содержит только алгоритмические слоты, семантически связанные союзом «ИЛИ»; эти слоты указывают на возможные действия при описании предметной области.
На рисунке 2.8 приведено описание классификационных фреймов, используемых для описания предметной области в ИОТ, на языке семантического программирования, а на рисунке 2.9 - графическое представление классификационного фрейма в модели требуемых знаний. Директивный фрейм содержит последовательность инструкций (директив), отвечающих за установление и реализацию контрольной точки в модели требуемых знаний. Последняя инструкция директивного фрейма формирует «оценку» - сигнал о качестве прохождения контрольной точки. На основании «оценок», генерируемых директивными фреймами, строится модель требуемых знаний обучаемого, а параметры «способ передачи оценки» и «действие» обеспечивают обратную связь в процессе обучения.
На рисунке пунктирные стрелки означают направление движения по модели требуемых знаний в случае успешной или неуспешной оценки, генерируемой директивным фреймом; эти направления определяются параметром «действие», передаваемым во фрейм.
Отличительной особенностью предлагаемой структуры фреймов является: введение дополнительной характеристики «префикс» в идентификаторе фрейма; выделение трех уровней описания: фактуального, содержащего описательную часть фрагмента предметной области, которому соответствует фрейм; алгоритмического, участвующего в формировании отношений во фреймовой сети; и процедурного, позволяющего обеспечить контроль знаний обучаемого и реализовать управление процессом обучения. Совмещение уровней описания фрейма позволяет упростить внутреннюю структуру базы знаний, и, следовательно, эффективно реализовывать модель; введение параметров «вес», «способ передачи оценки» и «действие» при описании слотов процедурной части; эти параметры являются необязательными.
Технология построения модели требуемых знаний по разделу математической дисциплины, имеющей экономическое приложение
Модель требуемых знаний по разделу математической дисциплины, имеющей экономическое приложение, представляет собой «И-ИЛИ»-граф специальной структуры, в котором каждая вершина графа является фреймом, связи обеспечиваются алгоритмической частью фреймов. Внутри модели можно выделить каркас - «И»-дерево, которое соответствует оглавлению рассматриваемой части или главы дисциплины.
Каждая вершина каркаса соответствует определенному крупному информационному фрагменту предметной области, связанному с разделом, подразделом или параграфом дисциплины, связи между вершинами в этой части модели определяют последовательность изложения материала. Эта часть модели тесно связана с традиционным книжным представлением учебного материала и именно она предоставляется обучаемому. На рисунке 2.11 приведен фрагмент оглавления дисциплины «Обыкновенные дифференциальные уравнения», изучаемой на экономическом факультете
Вне каркаса вершины модели могут соответствовать определенным более мелким информационным фрагментам, вплоть до элементарных, описывающих понятия, а могут быть «сквозными» и служить для объединения смысловых связей к другим фрагментам. Эти вершины и соответствующие им связи объединяются в дополнительные ветви, определяющие смысловое наполнение каждого из поддерживаемого ими информационного фрагмента, связанного с оглавлением (см. рисунок 2.12). Очевидно, что для описания места и смыслового содержания информационного фрагмента вне остова могут присутствовать связи-циклы к ранее уже описанным фрагментам.
Построение модели требуемых знаний по разделу дисциплины на базе оглавления предмета (главы, раздела, темы) продиктовано требованиями простоты и естественности с точки зрения преподавателя, и отражает сложившиеся структуру дисциплины и связи между фрагментами предметной области.
Преподаватель, исходя из целей каждого этапа обучения, выделяет на основании разработанного оглавления фрагменты предметной области, определяющие сущность достижения поставленных целей, и устанавливает соответствующие причинно-следственные и структурные связи. С точки зрения преподавателя, в рамках каждого этапа обучения в составе дерева-оглавления выделяются определенные вершины, участвующие на смысловом уровне в обеспечении цели обучения, и снабжаются конкретным учебным и (или) контрольным заданием обучаемому, выполнение которого в обучающем или контрольном режиме способствует выполнению цели обучения.
При этом связи вершин, обусловленные структурой предмета и задаваемые оглавлением, сохраняются и лишь описываются на смысловом уровне, исходя из целей конкретного этапа обучения. Вершины, не снабженные заданиями, но входящие в модель для поддержания связей фрагментов предметной области, обусловливаемых общей структурой предмета, являются промежуточными и не используются в алгоритмах обучения и контроля.
Кроме того, преподаватель может, исходя из специфики предмета, установить дополнительные, не предусмотренные структурой оглавления, связи вершин. Таким образом, в отличие от оглавления, имеющего строго древовидную структуру, модели требуемых знаний представимы в общем случае графами или сетями, дуги в которых задают отношения между фрагментами предметной области.
Наконец, преподаватель устанавливает контрольные точки, соответствующие этапам процесса обучения, определяет их место в структуре модели, процедуры их реализации и способы передачи оценки по иерархии модели.
Алгоритм движения обучаемого по этапам обучения
Тест считается пройденным успешно в случае выставления оценки «удовлетворительно» и выше. Предлагаемая фреймом последовательность контролирующих шагов соответствует традиционной форме проведения экзамена под руководством преподавателя. Данный директивный фрейм предназначен для обучения и контроля уровня умения и навыков решать прикладные экономические задачи по дисциплине, в процессе выполнения шагов директивного фрейма формируются обучающие инструкции по устранению пробелов в знаниях.
Лабораторная работа по математической дисциплине, имеющей экономическое приложение, как правило, подразумевает обучение решению прикладных задач, часто даваемых в текстовой постановке, включая классификацию задачи, построение ее математической модели, задание параметров модели, вычисления (расчет) с помощью пакетов прикладных программ и анализ полученных результатов. Директивный фрейм D6 включает следующие шаги. Формируется список прикладных задач по дисциплине (главе, разделу). Список является общим для всех обучаемых. Например, по дисциплине «Теория оптимизации и численные методы» в рамках лабораторной работы по разделу «Задачи линейного программирования» обучаемые должны решить задачи:
О производстве сельскохозяйственной продукции в следующей постановке: «Коммерческая ферма производит сено и пшеницу. Сено дает Сх тыс. руб. прибыли за 1 тонну, а пшеница приносит С2 тыс. руб. прибыли за 1 тонну. Для получения одной тонны сена нужно ахх гектар земли, а1Х человеко-часов труда и не требуется удобрений. Для получения одной тонны пшеницы нужно ап гектар земли, а22 человеко-часов труда и аЪ2 килограмм удобрений. Требуется определить план производства сена и пшеницы из условия максимума прибыли, если ферма имеет Ъхгектар земли, Ъ2 человеко-часов труда и Ъъкилограмм удобрений».
Об оптимальных перевозках, в следующей постановке: «Авиакомпания по заказу армии должна перевезти на некотором участке не менее Ъх солдат. В распоряжении авиакомпании имеется два типа самолетов, которые можно использовать для перевозки. Самолет первого типа перевозит ахх пассажиров и имеет экипаж а2Х человек. Самолет второго типа перевозит аХ1 пассажиров и имеет экипаж а22 человек. Эксплуатация самолета первого типа стоит Сх тыс. руб., а второго - С2 тыс. руб. Определить, сколько самолетов каждого типа надо использовать из условия минимума стоимости перевозки, если для формирования экипажей компания имеет не более чем Ъ2 человек».
Для каждой задачи формируется список этапов-шагов подготовки задачи к решению, например: построение и анализ математической модели задачи, задание параметров модели, выбор метода решения, проверка применимости выбранного метода и т.д. Каждый шаг подготовки предоставляется обучаемому в виде вопроса. В случае верного ответа обучаемый переходит к следующему шагу подготовки, в случае неверного - обучаемому предоставляется разъясняющая информация, а также ссылка на соответствующий раздел теории и демонстрационные примеры, затем вопрос повторяется. С целью доведения решения до конца при повторном неверном ответе на вопрос шага подготовки 102 обучаемому выдается верный ответ. Оценка за подготовку задачи к решению не выставляется. Шаг 4. Каждая подготовленная к решению задача решается обучаемым с помощью соответствующего пакета прикладного программного обеспечения. Пакеты таких программ, как правило, реализуются в виде специально разработанных интерактивных систем, снабженных средствами помощи и подсказки. Если для решения используются многофункциональные, неспециализированные пакеты, обучаемый получает от ИОТ подробную инструкцию по вводу подготовленной задачи в систему и ее решению. Шаг 5. По окончании решения каждой задачи формируется список вопросов, связанных с анализом полученных результатов - тест. Список общий для всех обучаемых, индивидуальность контроля обеспечивается за счет различий в параметрах решаемых задач, а, следовательно, и получаемого результата решения. Шаг 6. Обучаемый последовательно отвечает на вопросы теста. Шаг 7. По окончании теста обучаемый получает сводную таблицу результатов со ссылками на соответствующую теорию по каждому вопросу, а также оценку по 5-балльной шкале и результат в процентах. Предлагаемая фреймом последовательность обучающе-контролирующих шагов соответствует традиционной форме проведения лабораторных работ под руководством преподавателя. Лабораторная работа считается успешно выполненной, если все тесты по всем прикладным экономическим задачам выполнены успешно, т.е. на оценку «удовлетворительно» и выше.
Модули поддержки работы обучаемого в ИОТ. Средство обучаемого
Элемент управления «Содержание» предназначен для управления информацией о структурной модели раздела дисциплины с помощью таблицы БД «content».
Этот элемент управления предоставляет следующие возможности: добавление нового раздела теории из учебника, изменение информации о разделе теории, удаление записи о разделе теории, загрузка теоретического материала.
Для добавления нового раздела теории необходимо выбрать нужный учебник из выпадающего списка в фильтре к таблице. В появившейся таблице заполнить поля в последней строке (рисунок 4.38):
Разрешается удалять только те записи, к которым не привязано ни одна контрольная точка. Для проверки последнего необходимо открыть элемент управления «Настройки тестирований», выбрать в фильтре нужный учебник, затем выбрать в фильтре данный элемент оглавления. Если таблица пуста, то данный раздел оглавления разрешается удалить.
Для загрузки теоретического материала необходимо нажать на ссылку «Изменить» напротив нужного раздела теории (рисунок 4.38). В открывшемся окне нажать на ссылку «Загрузить страницу учебника» и выбрать действие «Загрузить файлы» (рисунок 4.39). Далее необходимо выбрать файлы для загрузки: html-страницу, изображения в архиве или файл Microsoft Word.
Для редактирования файлов необходимо перейти на страницу загрузки и выбрать действие «Получить файл для редактирования». Будет предложено сохранить файл в формате Microsoft Word, если он был ранее загружен. После внесения изменений файл необходимо заново загрузить в ИОТ.
Страницы учебника можно редактировать непосредственно в учебнике. Для этого необходимо перейти через оглавление в нужный раздел и нажать на кнопку «Редактировать страницу».
Для добавления нового вопроса необходимо выбрать нужный учебник из выпадающего списка в фильтре, тип контрольной точки (теста), а затем выбрать элемент оглавления, после которого следует тест. В появившейся таблице необходимо заполнить поля в последней строке (рисунок 4.40):
Изменение/удаление информации о вопросе осуществляется по ссылкам «Изменить»/«Удалить» напротив нужного вопроса. Важно учитывать, что разрешается удалять только те записи, к которым не привязан ни один ответ.
Загрузка вопроса (рисунок 4.41) осуществляется аналогично загрузке раздела теории. Также возможно загрузить файл с объяснениями к вопросу, выбрав в выпадающем списке «Объяснения».
Для добавления/редактирования ответов необходимо нажать на ссылку «Добавить ответы» напротив нужного вопроса.
Элемент управления «Упражнения с пошаговым решением» предназначен для управления упражнениями с пошаговым решением в составе модели требуемого умения решать типовые задачи с помощью таблиц БД «exercises» и «steps».
Элемент управления «Упражнения с пошаговым решением» предоставляет следующие возможности: добавление нового упражнения; изменение информации об упражнении; удаление записи об упражнении; загрузка упражнения; управление шагами упражнения.
Для добавления нового упражнения необходимо выбрать нужный учебник из выпадающего списка в фильтре к таблице, затем выбрать элемент оглавления, после которого следует контрольная точка (тест). В появившейся таблице в последней строке необходимо нажать на кнопку «Добавить» (рисунок 4.42). Заполнять какие-либо поля не нужно. При этом важно учитывать, что перед добавлением упражнения необходимо добавить информацию о тесте, в который входит данное упражнение в разделе «Настройки тестирований».
Изменение/удаление информации об упражнении осуществляется по ссылкам «Изменить»/«Удалить» напротив нужного упражнения.
Для добавления/редактирования шагов упражнения необходимо нажать на ссылку «Добавить шаг» напротив нужного упражнения. Управление шагами упражнений аналогично управлению вопросами.
Элемент управления «Настройки тестирований» предназначен для управления контрольными точками или тестированиями в ИОТ с помощью таблицы БД «testes». Под тестированием в ИОТ подразумеваются следующие виды работы обучаемого: ответ на вопросы самоконтроля по разделу, выполнение упражнений в пошаговом режиме, выполнение заданий рубежного контроля, выполнение контрольных работ, сдача экзамена.