Содержание к диссертации
Введение 5
1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ 9
История развития компьютерных средств учебного назначения 12
Распределенная автоматизированная обучающая система 18
Применение сетевых технологий в обучающих системах 19
Телекоммуникационная среда РАОС 21
Компьютерные сети РАОС 22
1.3. Классификация компьютерных средств учебного назначения 24
Существующие классификации 24
Виды классификации 28
Принцип многомерной классификации 29
Схема процесса обучения 31
Автоматизированные обучающие системы (АОС) 34
Преимущества автоматизированных обучающих систем 34
Понятие автоматизированной обучающей системы 35
Требования, предъявляемые к РАОС 36
Инструментальные оболочки обучающих систем 39
Основные направления исследований 44
Выводы 49
2. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ 51
2.1. Организация РАОС 51
Создание сетевой среды РАОС 51
Особенности функционирования программного обеспечения РАОС...52
Описание протокола обмена данными между ядром АОС и вспомогательным программным обеспечением 56
Основные характеристики РАОС как программного продукта 57
Пользователи АОС 58
Логическая структура обучающей системы 61
Взаимодействие с обучаемым 62
Подсистема управления обучением 63
Модель предметной области (МПО) 65
Требования, предъявляемые кМПО 66
Семиотическая сеть 68
Анализ модели предметной области 70
Организация модели предметной области (МПО) 71
2.4.4. Модель обучаемого 72
2.4.4.1. Методы построения модели обучаемого 75
Общие принципы построения модели обучаемого 76
Преобразование модели обучаемого 77
2.4.5. Дополнительные возможности 80
2.5. Контроль знаний 82
Схемы проведения контроля знаний 84
Параметры проведения контроля знаний 87
Встроенные параметры 87
Параметры, задаваемые пользователем 93
Общие замечания о параметризации 94
2.5.3. Способы формирования актуального множества вопросов 94
Выводы 96
3. ПОДСИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ 98
Особенности работы подсистемы контроля знаний в РАОС 98
Характеристики систем контроля знаний 99
Анализ существующих систем контроля знаний 99
Требования к подсистеме контроля знаний 101
3.3. Анализ ответов обучаемого 102
Представление вопросов и ответов 102
Типы вопросов и ответов 104
Методы определения правильности выборочных ответов 105
Сравнение множеств элементов 106
Сравнение списков элементов 107
Множества списков 115
Списки множеств 115
Анализ ответа в виде арифметического выражения 116
Текстовые ответы 117
Графические формы задания ответов 119
Распознавание образов в обучающих системах 119
Задача распознавания графиков 122
3.4. Расчет вероятности случайного ввода правильного ответа 124
Ответ типа МНОЖЕСТВО 125
Ответ типа СПИСОК 126
Ответ типа СПИСОК МНОЖЕСТВ 127
Ответ типа МНОЖЕСТВО СПИСКОВ 129
3.5. Моделирование случайного ввода правильного ответа 131
Моделирование ответа типа МНОЖЕСТВО 131
Моделирование ответа типа СПИСОК 134
Моделирование ответа типа СПИСОК МНОЖЕСТВ 137
Моделирование ответа типа МНОЖЕСТВО СПИСКОВ 141
Выводы 143
4. РЕАЛИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
ОБУЧАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ 145
4.1. Описание программного комплекса 145
Функциональная структура программного комплекса 145
Структура распределенного программного комплекса 147
Протокол обмена данными с динамической реконфигурацией системы 150
Настройка АОС 156
4.2. Подсистема контроля знаний 157
Особенности системы контроля знаний 157
Язык описания тестов 159
Требования, предъявляемые к языку описания тестов 159
Формат языка описания тестов 159
Контроль знаний в режиме удаленного доступа 166
Управление тестированием 167
4.3. Эксперименты по применению подсистемы контроля знаний 167
Выводы 170
Заключение 173
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 175
Приложение 1. Наборы правил базы знаний для управления контролем
знаний 187
Приложение 2. Вариант программной реализации КС-грамматики для разбора
описания теста 195
Приложение 3. Параметрическая настройка системы контроля знаний 199
Приложение 4. Перечень сокращений, встречающихся в тексте 200
Введение к работе
Программные средства учебного назначения по принципам
использования можно условно разделить на обучающие системы,
наполненные знаниями о конкретной предметной области, и
инструментальные системы, предназначенные для наполнения их знаниями о
произвольной предметной области с целью создания обучающей системы
[103]. Наиболее перспективными с точки зрения соотношения конечного
результата и трудозатрат на создание и поддержку являются
инструментальные системы, которые принято называть
автоматизированными обучающими системами (АОС) [17, 50, 55, 99, 134]. К основным достоинствам АОС относятся:
возможность использования преимуществ индивидуального обучения [127];
интенсификация обучения [8, 114];
возможность индивидуальной адаптации курса обучения к потребностям обучаемых или условиям обучения [91];
возможность использования и тиражирования передового опыта [90];
повышение доступности образования [56, 76, 140];
обучение навыкам самостоятельной работы [67, 121];
разгрузка преподавателя от ряда рутинных, повторяющихся действий (чтение лекций, проверки контрольных работ и т.д.) [90];
возможность использования в рамках дистанционного обучения, переобучения и повышения квалификации [3, 18, 44].
В настоящее время благодаря развитию вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий АОС получили возможность выйти на новый уровень. При переходе от локальных обучающих систем к распределенным качественно изменяются функциональные возможности обучающей системы. Организация распределенных АОС (РАОС) требует проработки сетевых аспектов работы системы, связанных с предоставлением
6 удаленного доступа к системе, поддержкой распределенных данных и объединением сетевых ресурсов для решения стоящих перед системой задач. Одной из важных задач при создании РАОС является организация контроля знаний. Большинство существующих АОС и систем контроля знаний имеют ограниченное количество форм представления ответов и двухбалльную систему оценки. Это обусловлено простотой анализа выборочных ответов и отсутствием формальных методов анализа и дифференцированной оценки ответов обучаемых на контрольные вопросы. Однако такой подход ограничивает возможности разработчика курса в отношении использования различных вариантов тестовых вопросов и анализа ответов обучаемых. В связи с этим тематика исследований, затрагивающих организацию контроля знаний в РАОС, является актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование методов организации распределенных автоматизированных обучающих систем и разработка общих принципов построения систем контроля знаний на основе модели дифференцированной оценки ответов обучаемых.
Задачи исследования. В диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ существующих автоматизированных обучающих систем и тенденций их развития;
выявление требований, которые предъявляются к РАОС как к специализированному программному обеспечению, ориентированному на работу в компьютерной сети;
разработка методов анализа и дифференцированной оценки ответов обучаемых;
разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения компонентов РАОС;
экспериментальное подтверждение применимости предложенных методов.
Методы исследования основаны на использовании положений теории множеств, теории вероятности, комбинаторики и методов инженерии знаний. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. Предложен новый подход к организации контроля знаний в распределенных автоматизированных обучающих системах. К новым результатам относятся:
разработка протокола взаимодействия компонентов РАОС, которые позволяют выполнять распределенные вычисления и интегрировать в систему существующие программные средства учебного назначения;
создание методов сравнения множеств и списков для определения правильности ответов;
разработка моделей представления ответов различных типов, позволяющих использовать для их анализа и оценки методы сравнения списков и множеств.
Практическая ценность. Теоретические исследования завершены созданием на их основе математического, алгоритмического и программного обеспечения задачи создания подсистемы контроля знаний в РАОС. А именно:
разработан протокол обмена данными между ядром РАОС и вспомогательным программным обеспечением;
созданы базы знаний, реализующие различные методики управления контролем знаний обучаемого;
разработаны алгоритмы проведения контроля знаний, методы и алгоритмы определения правильности различных типов ответов обучаемого на контрольные вопросы;
создан и используется в учебном процессе комплекс программ, реализующий разработанные методы и алгоритмы.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
методы анализа и дифференцированной оценки ответов обучаемого на контрольные вопросы;
модели представления различных типов ответов обучаемого на основе списков и множеств;
архитектура открытой РАОС и протоколы взаимодействия ее компонентов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-й Межвузовской научно-методической конференции "Информационные технологии и фундаментализация высшего образования" (РГУ нефти и газа им. Губкина, 21-22 февраля 2002 г.) и на научно-технической конференции, посвященной 40-летию МГИЭМ (19-28 февраля 2002 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ, отражающих основные результаты работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (145 наименований) и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 204 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
