Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Концептуальные основы построения распределенной информационной образовательной системы... 19
Введение 19
1.1.Формирование информационной образовательной системы 20
1.2. Распределенная информационная образовательная система 25
1.3. Автоматизированная обучающая система 28
1.4. Обзор способов и средств обработки образовательной информации в распределенных информационных системах. , 32
1.5. Обобщенная структура сетевой автоматизированной
обучающей системы 43
Выводы к главе 1 50
Глава 2. Исследование и разработка моделей и алгоритмов управления обучением в распределенной информационной образовательной системе
Введение ::51
2.1. Обобщенная модель функционирования распределенной информационной образовательной системы 52
2.2. Модели представления образовательной информации 59
2.3. Идентификатор состояния обученности 63
2.4. Правило оптимального распределения ресурсов в теме 68
2.5. Прогноз результатов " 73
2.6. Процедуры удаленного индивидуального обучения 74
2.7. Процедура индивидуального удаленного обучения на основе
рейтингов обучающих элементов 76
2.8. Экспериментальные исследования моделей функционирования... 79
Выводы к главе 2 82
Глава 3. Исследование и разработка моделей и процедур синтеза электронного адаптивного учебника распределенной информационной образовательной системы . 83
Введение 83
3 1. Проектирование индивидуального целевого плана 84
3.2. Проектирование электронного учебника из обучающих элементов 89
3.3. Формирование связного графа индивидуальной информационной базы данных на. основе экспертных оценок 97
3.4. Процедура формирования индивидуальной информационной базы
данных 103
Выводы к главе 3 105
Глава 4. Исследование и разработка путей совершенствования архитектуры распределенной информационной образовательной системы 106
Введение 106
4.1. Варианты архитектурного построения распределенной образовательной системы 107
4.2. Общие вопросы реализации распределенной архитектуры 108
4.3. Синтез архитектуры РИОС 119
4.4. Цикл функционирования РИОС 122
4.5. Моделирование распределения информационной базы данных и прикладных программ по узлам РИОС 124
4.6. Экспериментальные исследования 128
Выводы к главе 4 137
Глава 5. Разработка методов оценки эффективности распределенной информационной образовательной системы 138
Введение 138
5.1. Информационные процессы 139
5.2. Уровни представления информационных процессов 152
5.3. Оценка эффективности информационных процессов 154
5.4. Анализ информационных процессов 156
5.5. Пример анализа характеристик 163
Выводы к главе 5 176
Глава 6. Развитие принципов практического использования распределенных информационных образовательных систем 177
Введение 177
6.1. Реализация распределенной информационной образовательной системы в Г.Владимире 178
6.2. Подсистема тестирования 184
6.3. Пример реализации множественного удаленного тестирования 188
6.4. Электронные учебные материалы 190
6.6. Информационная безопасность РИОС 192
6.7. Экспериментальная работа по созданию адаптивной среды обучения средствами РИОС 204
Выводы к главе 6 219
Основные результаты 220
Список используемой литературы
- Распределенная информационная образовательная система
- Модели представления образовательной информации
- Проектирование электронного учебника из обучающих элементов
- Общие вопросы реализации распределенной архитектуры
Введение к работе
Быстрые темпы научно-технического прогресса в области распределенных информационных и телекоммуникационно-вычислительных систем позволяют их активно и эффективно использовать для решения прикладных задач не только в различных отраслях народного хозяйства, но и в социально-экономической сфере, в частности, в образовании. Приоритетной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, является развитие дистанционного обучения - разработки и практического применения моделей, методов и технологий, при которых элементы образовательной системы пространственно разделены, с этой целью создаются распределенные информационные образовательные системы (РИОС). Они становятся технологической основой социально-образовательной среды для обеспечения принципиально новых перспективных форм организации учебного процесса как основного, так и дополнительного образования, довузовской подготовки, различных форм переподготовки и повышения квалификации, позволяют значительно расширить контингент учащихся, в том числе и сельской местности.
Особую значимость технологии новой социально-образовательной среды приобретают при обучении и реабилитации лиц со специальными потребностями, в частности, инвалидов по слуху. Проблема специальных образовательных технологий является одной из ключевых проблем при разработке системы непрерывного интегрированного профессионального образования инвалидов по слуху.
В последние годы с особой остротой встают задачи создания на новых принципах и модернизации существующих РИОС с целью:
- эффективного коллективного использования распределенных информационных ресурсов, построенных на принципах открытого образования и дистанционного обучения с использованием И/еЬ-технологий, технологий «кли-
ент-сервер», порталов образовательных учреждений, виртуальных лабораторий и лабораторий удаленного доступа;
- активного использования технологий дифференциации содержания обучения и повышающих соотношение формализованных и неформализованных знаний, использования дедуктивных и системно-структурных методов подачи учебного материала, ориентированного на психофизиологические особенности обучающихся и реализуемых на основе специально структурированных баз данных, электронных пособий и адаптированного программно-аппаратного обеспечения.
Актуальность проблемы развития методологии построения, разработки методов проектирования и управления, оценки производительности и эффективности функционирования РИОС определяется внутренне присущими им свойствами, такими как большая размерность, многосвязность, сложность процессов управления и функционирования при обеспечении обработки и передачи информации, существенный учет человеческого фактора.
Отметим, что в современной науке накоплен значительный опыт эффективного использования распределенных информационных систем и информационных технологий, телекоммуникационных сетей, специальных образовательных технологий, необходимый для постановки и решения указанной проблемы. Выделим работы российских ученых: Аграновича Б. Л., Анисимова Б.В., Савельева А.Я., Архангельского СИ., Балыбердина В.А., Беспалько В.П., Бру-силовского П.Л., Бусленко Н.П., Вишневского В.М., Галеева ИХ, Домрачева В.Г., Иванникова А.В., Кострова А.В., Кривошеева А.О., Лазарева В.Г., Липае-ва В.В., Максименкова А.В., Мизина И.А., Кулешова А.П., Норенкова Ю.И., Поспелова Г.С, Растригина Л.А., Советова Б.Я., Тихомирова Ю.В., Уварова А.Ю., Якубайтиса Э.А., иностранных ученых: Бертсекаса Д., Галлагера Р., Дэ-виса Д., Барбера Д., Клейнрока Л., Халсалла Ф., Хаусли Т., Хокни Р., Джессхо-упа К., Хюссена Т. И многих других.
Идея объединения научных усилий в направлении комплексного применения современных информационных, телекоммуникационных и образовательных технологий неоднократно высказывалась в последнее время многими российскими и зарубежными учеными. Тем не менее, на сегодняшний день единой теории создания и развития распределенных информационных образовательных систем не существует ни в отечественной, ни в мировой практике, не развиты подходы к построению, организации функционирования, анализу систем данного класса, мало эффективных способов представления и визуализации информации, принятия управленческих решений при организации взаимодействия с удаленными обучающимися.
Выделим три ключевых момента, связанных с формированием научного направления (все три публикации вышли в 1996 г.):
М. Барнс (Berns) предложил концепцию глобального обучения (Global Tutoring), предполагающую использование информационных технологий для индивидуального или группового обучения, во время которого обучаемый и преподаватель никогда не встречаются, взаимодействуя через электронные средства связи;
К. Лемон (Lemone) описал программы WebCourse и WebRecourse. В идее Web Courser лелщт автоматическое составление курса обучения в Internet, a WebRecourse позволяет преподавателю создать курс из заранее заготовленных частей (HTML документов, графических файлов и т.д.);
Е. Наварецкий и Г.Добровольский (Nawareckl & Dobrowolskl) описали Интеллектуальную распределенную (мулътиагентную) систему, позволяющую пользователям общаться друг с другом в телекоммуникационной сети посредством «автономных агентов».
Сформулируем основные технические, методические и организационные требования к созданию высокоэффективных РИОС:
- обеспечение многопользовательского режима при доступе к распределенным базам данных (технологической информации) в реальном времени;
принятие решений по эффективному управлению обменом данных и использованию системных ресурсов в телекоммуникационно-вычислительной среде, характеризующейся структурной сложностью, большой размерностью и произвольной топологической конфигурацией;
индивидуальный подход - поскольку разброс в знаниях, способностях и умениях обучающихся весьма большой, система должна стремиться «нагружать» каждого обучающегося в соответствии с его возможностями;
учебный материал должен выдаваться порциями (для инвалидов - более мелкими), модули должны быть, с одной стороны, по силам средним обучающимся и обеспечивать возможность проявления самостоятельности сильным, с другой;
преимущественно визуальные (образные) формы представления учебной информации - блок-схемы алгоритмов, вывод на экран промежуточных результатов работы программы, таблицы, графики, рисунки и т.д.;
многовариантность заданий по сложности - желательно, чтобы предлагаемые задания допускали возможность их решения с различной степенью детализации. В этом случае обучающиеся могли бы адаптировать их по своим возможностям;
учет психофизических особенностей обучающихся. У лиц с ограниченными возможностями большая утомляемость (1-2 часа активной работы) и более быстрая «забываемость» изученного материала.
Выделенные проблема и требования указывают на необходимость введения в прикладные и системные задачи РИОС механизмов настройки к целям и условиям функционирования. Данная задача значительно усложняется при разработке методов управления множеством обучаемых.
Основную системную задачу РИОС определим как обеспечение эффективного функционирования в единой телекоммуникационно-вычислительной среде общего пользования (ТВС) множества одновременно работающих сетевых обучающих систем. Технологические особенности ТВС влия-
ют на взаимодействие элементов РИОС, на стратегию и тактику ее функционирования. От архитектурных решений, способов управления, представления, передачи и обработки информации в РИОС в значительной степени зависят вопросы рационального использования существующих телекоммуникационных систем и сетей, как региональных, так и государственных.
Проблема современных распределенных образовательных систем, которые по тому или иному признаку можно отнести к классу РИОС, с точки зрения эффективного функционирования в ТВС в том, что они не оптимизируют процедуры взаимодействия с удаленным пользователями-обучающимися, Это приводит к пересылке множества «ненужной», дублирующейся информации по сети, увеличиваются «накладные расходы» на передачу. Процесс выполнения прикладных и системных функций РИОС растягивается во времени, что дополнительно увеличивает нагрузку на ТВС, уменьшает количество потенциально возможных пользователей, снижает ее эффективность и производительность.
Таким образом, сформировался широкий круг неисследованных проблем создания и развития РИОС. Реальным направлением их решения является развитие и внедрение методологии, обеспечивающей эффективное комплексное решение задач анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации в РИОС, что становится актуальным и полезным для практики создания высокоэффективных информационных систем в образовании.
Цель работы - развитие методологии построения и практического использования распределенных информационных образовательных систем. Исходя из целей работы, задачами исследования являются:
Формирование концепции построения РИОС.
Исследование и разработка методов представления и обработки информации при управлении взаимодействием с обучающимися РИОС.
Синтез индивидуальной информационной базы данных и адаптивного электронного учебника РИОС.
Исследование способов оптимизации архитектуры РИОС.
Разработка методик оценки качества функционирования РИОС.
Внедрение разработанных средств в практику образования.
Для достижения поставленной в работе цели использовались следующие методы исследования: анализ структур построения и способов управления процессами функционирования распределенной информационной образовательной системы, моделирование и синтез на его основе оптимальных процедур управления информационными потоками, представления, передачи и хранения информации. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, теоретически обосновываются с помощью аппарата теории вероятностей, теории графов, теории управления и теории массового обслуживания. При практической реализации разработанных программных систем применен объектно-ориентированный подход.
Научная новизна работы состоит в обобщении известных и получении новых теоретических и практических результатов в области разработки и применения распределенных информационно-вычислительных систем в образовании на основе принципов модульности, уровневости, дифференцируемо сти обучения и сконцентрирована в следующем:
1. Разработана концепция построения РИОС, как нового класса при
кладных распределенных информационно-вычислительных систем, отличи
тельной особенностью которых является глубокая адаптация системных
средств и процедур обработки информации к пользователям-обучающимся и
условиям функционирования.
Синтезированы новые методы представления и обработки информации в РИОС, основанные на использовании структурных и аналитических моделей, обеспечивающих оптимизацию процедуры удаленного взаимодействия, что позволяет повысить производительность РИОС, интенсифицировать процесс удаленного обучения.
Предложены способы синтеза индивидуальной информационной базы данных и адаптивного электронного учебника РИОС на основе процедур адап-
тации к условиям функционирования. Способы ориентированы на построение индивидуального целевого плана, учитывающего уровень притязаний и степень начальной подготовленности обучаемого, формирование и анализ связности фрагментов информационной базы данных, оптимизацию учебного плана, что обеспечивает повышение эффективности удаленного обучения.
Предложен метод построения децентрализованной архитектуры РИОС, который включает математические модели для обеспечения эффективности архитектуры информационного обеспечения РИОС, аналитические зависимости для исследования влияния параметров РИОС на критерий эффективности, алгоритмы поиска эффективных архитектурных решений и функционирования системы, и обеспечивает повышение системной производительности и снижение средней задержки доступа абонентов-обучающихся к удаленным информационным ресурсам.
Разработана методика оценки эффективности РИОС, заключающаяся в том, что для расчетов формируется многоуровневая итеративная система моделей информационных процессов, позволяющая исследовать влияние параметров РИОС на среднюю пропускную способность, среднюю задержку и среднее время пребывания требований абонентов в системе.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные теоретические положения позволили разработать и внедрить в практику:
алгоритмические и аппаратно-программные средства центральных и дочерних серверов РИОС. За счет разработанньж средств повысилось количество абонентов системы, повысилась эффективность их обслуживания;
методику оценки эффективности функционирования РИОС на основе анализа информационных процессов. Выявлены типовые информационные процессы и их основные закономерности, разработаны временные диаграммы и аналитические модели для исследования влияния параметров РИОС на показатели эффективности РИОС, которые применяются в инженерной практике;
- методики, алгоритмы и программное обеспечение построения информационной базы данных и индивидуального электронного учебника РИОС явились основой для создания электронных практикумов Владимирской РИОС.
Результаты исследований имеют достаточно общий характер, что позволяет распространить их на широкий круг создаваемых прикладных распределенных информационных систем.
Полученные результаты внедрены Департаментом образования Администрации Владимирской области и Управлением образования г.Владимира при создании региональной и городской информационной образовательной сети учебных заведений, ОАО «Завод «Электроприбор»» г.Владимир при реализации циклов дистанционной переподготовки кадров средствами Владимирской РИОС, АО «Электросвязь» Владимирской области - филиала АО «Ростелеком» при реализации систем распределенной обработки информации и оценке эффективности ее функционирования, Государственном учреждении «Управление государственного надзора за связью и информатизации в РФ по Владимирской области», УВД Владимирской области при построении средств оперативного контроля доступа абонентов к централизованным ресурсам. В ходе работы создано более тридцати сетевых электронных практикумов, размещенных на центральном сервере Владимирской РИОС (books/). С их использованием организовано дистанционное обучение по курсам «Информационные технологии в учебном процессе и научных исследованиях», «Комплексная защита объектов информатизации», «Информатика», которыми успешно пользуются студенты ВлГУ, школьники системы дополнительного образования, а также специалисты предприятий и организаций.
Выполненные эксперименты по реализации средствами РИОС адаптивной среды автоматизированного обучения инвалидов по слуху - студентов Владимирского государственного университета (специальность 2102 - «Автоматизация технологических процессов и производств», специализация «Компьютерные системы управления в производстве и бизнесе» по дисциплинам «Инфор-
матика» и «Компьютерная графика»), учащихся двух спецшкол-интернатов из г. Коврова и школьников 10 класса Мелеховской специализированной школы (Ковровский район Владимирской области), по учебным дисциплинам «Математика» и «Информационные технологии» в целом подтвердили эффективность разработанных средств.
Результаты научных исследований использовались и используются при чтении лекций для студентов Владимирского государственного университета по учебным курсам: «Информатика», «Информационные технологии», «Компьютерная графика», «Сети ЭВМ и телекоммуникаций»; «Вычислительные сети»; «Вычислительные системы, комплексы и сети» и др. Написано и опубликовано более 20 учебных пособий.
Исследования и практические разработки, выполненные в диссертационной работе, являются частью научно-исследовательских работ, выполненных Владимирским государственным университетом: по Государственным научным отраслевым программам «Научное, научно-техническое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» и «Научное, научно-методическое, материально-техническое обеспечение развития технологий информационного общества и индустрии образования»; по госбюджетной НИР «Исследование эффективности распределенных телекоммуникационных систем и сетей»; по хоздоговорным НИР «Разработка учебно-методических средств информационно-образовательной сети учебных заведений г.Владимира», «Разработка, исследование и апробирование программных, технических и учебно-методических средств узла Владимирской областной информационной образовательной сети в г.Покров», «Разработка, исследование и апробирование программных, технических и учебно-методических средств распределенной обработки и защиты информации средствами Oracle» и других.
Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на более, чем тридцати научных мероприятиях раз-
личного уровня, в том числе на:
VII,VIIT и IX Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Москва, 1999,2000, 2002);
IT Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 1999);
II Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и системы в образовании, науке, бизнесе» (Пенза, 2000);
XV и XVI Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (Тамбов: ММТТ-15, 2002; Санкт-Петербург: ММТТ-16,2003);
V Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир, 2003);
Международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (Владимир, 2002, 2004, 2005);
Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях» (Шуя, 2000, 2004);
IV Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2000);
Международной конференции памяти И.Я.Лернера «Педагогика в поисках идеала научности, целей и ценностей образования» (Владимир, 2002);
Международной научно-методической конференции «Проблемы подготовки специалистов в техническом вузе в условиях модернизации высшего образования» (Кострома, 2003);
- Всесоюзной научно-технической конференции «Микросистема-93»
(Москва, 1993);
- IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные
технологии и электроника» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000);
- Всероссийской научно-практической конференции «Формирование
учебных умений в процессе реализации стандартов образования» (Ульяновск,
2003);
XXII межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости сложных технических систем» (Серпухов, 2003);
Региональной научно-методической конференции «Проблемы дистанционного обучения» (Иваново, 2000);
Региональной научно-методической конференции «Дистанционное обучение и новые технологии в образовании» (Владимир, 2001).
Структурно диссертационная работа состоит из шести глав.
Первая глава направлена на разработку новой концепции построения распределенной информационной образовательной системы, реализуемой на основе системных принципов и общенаучных подходов, а также глубокого анализа способов и средств обработки образовательной информации в распределенных информационных системах.
Во второй главе разрабатываются модели и алгоритмы управления множественным удаленным обучением в РИОС. Предлагается системная модель архитектуры учебной информации. Исследуется метод автоматизированного удаленного обучения, в основе которого лежит двухфакторная модель идентификатора состояния обученности и рейтинговая стратегия выработки управляющих воздействий.
В третьей главе разрабатывается методология синтеза индивидуальной информационной базы данных и адаптивного электронного учебника на основе структурных моделей и рейтинговых процедур, предложенных в главе 2. Предлагаются методики построения индивидуального целевого плана, формирования и анализа графа связности фрагментов информационной базы данных, синтеза учебного плана.
В четвертой главе исследуются архитектурные решения системы, предлагаются подходы к оптимизации построения децентрализованной архитектуры РИОС, анализируются результаты моделирования и натурных экспериментов
РИОС (на примере Владимирской РИОС).
В пятой главе разрабатываются методы оценки эффективности функционирования РИОС на основе анализа информационных процессов. Предлагается методический подход к моделированию информационных процессов на основе многоуровневой итеративной системы моделей, приведен пример практической оценки сетеввіх характеристик.
Шестая глава посвящена развитию принципов практического использования РИОС. Предлагаются конкретнвіе варианты реализации системы и ее элементов, анализируются итоги экспериментальной работы по созданию адаптивной среды обучения средствами РИОС.
Распределенная информационная образовательная система
Традиционная схема обучения в процессе своего развития расширила понятие дидактического материала до развитого учебно-методического комплекса, включившего в себя кроме учебников, задачников и т.п. разнообразные технические средства обучения (ТСО). При этом оказалось, что дидактические возможности компьютера, как нового ТСО, настолько велики, что информационные потоки в традиционной структуре процесса обучения стали существенно перераспределяться. ТСО приобрело интерактивный характер, и в базовой сие теме взаимодействия 7} -+S/ - /Ц - 7} (1=1,2,..., р; j=1,2, ..., N; 1=1,2,..., к) слабые MS- и SM- связи стали укрепляться. ТСО принимает на себя часть функций как преподавателя, так и дидактических материалов. Особая значимость компьютера в процессе обучения позволяет выделить его отдельным дополнительным структурным компонентом. Структура процесса автоматизированного обучения с компьютером (система 7) изображена нарис. 1.7.
Введение компьютера в /70-структуру удваивает число информационных связей. Часть содержания изучаемого материала переносится из дидактических материалов в компьютер (МК-стзъ). При этом естественно, что содержание и структура дидактических материалов также должны измениться (/СМ-связь). Общение ученика с компьютером может включать в себя работу со специальными обучающими программами (SK-связь) при оперативном контроле и коррекции со стороны компьютера (KS-связь). Взаимодействие компьютера может состоять в написании учителем электронных учебников, тестов, контролирующих и обучающих программ (ТУС-связь), анализа готовых информационных источников, обучающих программ, выборе из них по каким-либо критериям (КТ-связь).
Появление нового мощного компонента позволяет наполнить новым содержанием и ТМ -, МТ-, TS-, ST -, MS - и SM- связи.
Если механически переместить структуру с компьютером на распределенную образовательную систему, то в функции компьютера будут входить: поддержка работы всех преподавателей (системы обучения, методики обучения и т.п.); поддержка обучения всех учеников; хранение всех дидактических материалов.
Кроме функциональных, возникают другие задачи, например, хранения информации об учениках. Нагрузить на один компьютер столько задач - проблема технически не решаемая (с приемлемым качеством). Вывод напрашивается сам собой: необходимо использовать распределенную информационно-вычислительную систему, которая бы поддерживала всю совокупность задач. Идеальный случай - одно хранилище дидактических материалов, а также индивидуальные компьютеры у преподавателей и учеников (всего P+N) для доступа в распределенную вычислительную систему.
В данной работе предполагается, что компоненты образовательной системы пространственно разнесены, т е. среда информационного образовательного взаимодействия должна быть поддержана средствами телекоммуникаций.
Определим распределенную информационную образовательную систему (РИОС) как специализированную территориально распределенную информационно-вычислительную систему, позволяющую обеспечить практическую реализацию распределенной образовательной системы.
Выделенная полная триада компонентов структурной схемы процесса обучения (Т, S, М) допускает редукции - выделение любых двух компонентов в замкнутую подсистему, имеющую определенный смысл; - (Т- З -подсистема - электронная передача знаний и контроль (удаленное «репетиторство») - рис. 1.8,а; - (ТМ- -подсистема - виртуальное самообучение - рис. 1.8,6; - (TWMj-подсистема - формирование электронных учебников, выбор и компоновка учебных материалов - рис. 1.8,в.
Модели представления образовательной информации
При автоматизированном обучении используется широко распространенный и часто используемый принцип подачи учебного материала, основанный на структурировании по темам [20, 73, 136, 155, 164, 206, 212, 214, 224]: учебный материал дисциплины разделен на N однородных тем. Каждой теме присвоим номер п є {1,2,...,NJ и соответствующий информационный учебный модуль.
Учебный модуль (УМ) - концептуальное понятие сетевой автоматизированной обучающей системы и является ее элементом. На основе учебных модулей строятся различные обучающие схемы - методики автоматизированного обучения. Учебный модуль представляет собой совокупность обучающего и контролирующего материала по теме, которой он соответствует.
Обучающий модуль (ОМ) - совокупность обучающего материала учебного модуля. Обучающий модуль включает в себя набор обучающих текстов и заданий. Обучающие тексты в простом случае - это подробное описание решения типовых задач (ситуаций) для данной темы. Типовая задача определяется иа основе экспертной оценки и наиболее полно отражает основные педагогические функции, характерные для дисциплины и ее темы.
Множество типовых задач (обучающих текстов) темы обозначим TZ"; TZ " = \[Z JZ "2 11"к\ (2.11) где п - номер темы, а К количество типовых задач в теме. Обучающие задания определим как задачи-аналоги типовым. Каждой типовой задаче соответствует некоторое множество обучающих заданий: где М- количество обучающих заданий. Обучающий элемент (ОЭ) - совокупность типовой задачи и соответствующего ей множества обучающих заданий. Множество обучающих элементов Л-й темы; ОЕп =\ Е ОЕ ...,ОЕпк\ (2.13)
Таким образом, в каждой теме дисциплины можно выделить К обучающих текстов и (К х М) обучающих заданий. В Приложении 1 к диссертации приведены примеры обучающих элементов Владимирской РИОС. Применение обучающего элемента для конкретного обучающегося определяет элементарный процесс или квант обучения. Структура кванта: df = \[Z» .AZ AZ?MJ l,C?,Zl (2.14) где TZ? - і-ая типовая задача и-ой темы; AZ-pAZj2,---,AZjM - задачи - аналоги к z -ой типовой задаче/7-ой темы; ТР - время запроса г -го обучающего элемента; С/7 - счетчик числа обращений к г -му обучающему элементу; Z?- параметр, характеризующий результативность обращений к обучающему элементу. Уровневую архитектуру обучающего модуля представим рис. 2.2. Уровень1Уровень2 оэ, оэ2 ОЭк Уровеньобучающегоматериала , rz\ Подуровень типовых задач Л AZ1 AZ1 Подуровень обучающих заданий AZ1 » AZ1 AZ1 AZ1 А Л Подуровень моментов запросов г1к Уровеньполучениярезультатов с? 4 Подуровень числа запросов 4 А 4 Подуровень результатов 4 Уровень3 А 4 Уровень применения Рис. 2.2. Уровневая архитектура обучающего модуля Контролирующий модуль (КМ) - это набор тестовых заданий по соответствующей теме. Из множества заданий КМ формируются проверочные тесты KZ, по L заданий в каждом, причем заданий в тесте меньше или равно их общему количеству: KZn = Z1n,KZl...,KZ[\. (2.15) Применение контролирующего модуля для конкретного обучающегося в той или иной методике определяет элементарный процесс, или процедуру контроля. Процедурой контроля назовем кортеж элементов: 5? = \(Z KZ ,...tKZJ[,KTn,KCn,KZn\, (2.16) где KZ", KZ 2 ,.-1 KZ? - /-й тест п-й темы; AT - время запроса теста; КС - счетчик числа обращений; KZ - параметр, характеризующий результативность обращения к тесту.
Учебная дисциплина. Из выше рассмотренных элементов построим архитектуру учебной дисциплины автоматизированного обучения, состоящую из Л/ учебных модулей. Она изображена на рис. 2.3.
База данныхобучающих текстовдисциплины(учебник) AZ1 База данных заданий (задачник)А2КМ KZ[ А Л кт1 База данных успехов обучающихся («История обучения», «Досьеобучения») с? КС1 А 4 KZ1 А А S1 УМ, УМ2 YMN Рис. 2. 3. Архитектура учебной дисциплины Если рассматривать уровневые «срезы», то: - весь обучающий текстовый материал реализуется базой данных обу чающих текстов дисциплины (учебник); - множество задач - базой данных заданий (задачник); - множество параметров, характеризующих процесс изучения тем дисциплины субъектом обучения - базой данных успехов обучающихся («история обучения» или «досье обучения»). Обучающие элементы и тестовые задания - статическая (неизменная) часть системы. Параметры 7, С, Z- динамическая часть. Они - атрибуты каждого субъекта. Идентификатор состояния обученности
В процессе обучения по каждой из тем учебной дисциплины проводится контроль знаний. Назовем его промежуточным контролем. Пусть рп - вероятность ответа испытуемого на произвольный вопрос л-ой темы. Назовем вектор Рс компонентами Pi ... Ры идентификатором состояния обученности (ИСО) субъекта обучения.
В простейшем варианте в качестве оценки рп компоненты ИСО можно взять, например, долю правильных ответов среди всех вопросов промежуточного теста по теме (в дальнейшем оценку будем обозначать так же, как и оцениваемую величину). Допустим, что промежуточный контроль проведен не по всем темам. Таким образом, в результате серии промежуточных испытаний получаем следующий набор, изображенный на рис. 2.4,
Проектирование электронного учебника из обучающих элементов
Индивидуальным (адаптивным) электронным учебником РИОС является совокупность ОЭ, построенная исходя из главной цели (обучаемого), заданной на концептуальной (понятийной) сети дисциплины обучения с учетом ограничений на ресурсы обучения. В АЭУ определим динамическую составляющую -учебный план (УП) - процедуру, указывающую последовательность следования отобранных ОЭ.
Постановка задачи Дано: - содержание информационной базы данных АЭУ в виде множества ОЭ, полученное в результате работы процедуры уточнения целей; - допустимое время обучения (допустимый ресурс). В предельном случае, суммарный объем (по времени обучения) отобранных элементов превышает допустимый ресурс, следовательно, некоторые ОЭ придется исключить из ИИБД. Требуется: выбрать «наиболее важные» с точки зрения обучения ОЭ и расположить их оптимальным образом (спроектировать учебный план).
УП не является только набором ОЭ, которые должны «провзаимодейст-вовать» с обучающимся за определенный отрезок времени. ОЭ, входящие в план, информационно могут быть связаны между собой, то есть в более поздних по требуемому времени изучения модулях используется информация из ранее изученных без ее конкретизации, т.е. предполагается, что обучаемый знает, какой смысл вкладывается в то или иное определение или понятие.
ОЭ, информационная база которого используется для последующего использования (изучения) других элементов, будем называть предком по отношению к этим элементам. ОЭ, который использует информационную базу ранее использованных элементов, будем называть потомком по отношению к этим ОЭ. Связь между ОЭ можно представить графом. Вершины - модули, дуги - связи между ними. Кроме самого обозначения связи можно поставить ей в соответствие некоторый коэффициент TSjj, который будет отражать тесноту связи между ОЭ-предком / и ОЭ-потомком }. При описании всех связей между элементами мы будем иметь граф связности ИБД дисциплины. Фрагмент типового графа связности приведен на рис. 3.3.
При создании УП логично расположить ОЭ во времени так, чтобы модуль-потомок инициировался после всех модулей-предков. Это обуславливается способностью человеческой памяти: чтобы запомнить то или иное положение, необходимо связать его с другим известным. Кроме того, часть ОЭ может не войти в ИИБД. В этом случае формируемые «наследственные связи» помогут автоматизировать формирование нового более крупного (составного) ОЭ из нескольких существующих. Анализ путей автоматизированного решения Известно несколько подходов автоматизированного синтеза УП.
1). Составление УП на основе дерева целей. Метод реализуется на основе дерева целей учебного процесса подготовки специалиста [33, 34, 81,177, 211]. Дерево целей имеет несколько иерархических уровней. Каждой цели ставится в соответствие один или несколько ОЭ. Объем УП в часах (неделях) известен заранее, необходимо наполнить этот объем наиболее важным содержанием. Входными данными являются коэффициенты относительной важности целей учебного процесса, а также их веса относительно целей нижнего уровня. Решение ищется посредством размещения элементов УП в порядке убывания групповых весов и отбора первых «самых значимых». Далее проводится экспертный опрос по связям между выбранными элементами.
В предложенном алгоритме можно отметить следующие недостатки:
- коэффициенты относительной важности целей учебного процесса и веса целей определяются с помощью экспертов, но не изложены принципы определения этих коэффициентов, а так как цели разных уровней представляют собой абстрактные понятия, это может вызвать определенные трудности в понимании поставленной перед экспертами задачи, и, следовательно, большой диапазон разброса экспертных оценок;
- при отборе содержания обучения не учитываются связи между отдельными элементами УП, а учитывается только их вклад в достижение цели. Тогда из УП могут оказаться исключенными ОЭ, которые имеют невысокие коэффициенты относительной важности для достижения цели, но на них базируются ОЭ-потомки. В этом случае ОЭ все равно придется инициировать, но при этом уменьшится отрезок времени на функционирование следующих за ними модулей, что не может благоприятно сказаться на их усвоении.
2). Составление УП на основе связей между ОЭ. Алгоритмы оптимизации УП на основе связей между элементами (модулями) рассмотрены в работах [32, 56, 177, 178, 182, 216, 217]. В большинстве работ предлагается сначала на основе графа связности учебного материала установить логичность изложения, т.е. порядок изучения модулей. При этом для каждого модуля определяется временной промежуток возможного изучения. Затем по выбранному критерию оптимизации модули распределяются по неделям.
Во всех перечисленных выше работах связь между модулями (ОЭ) - величина логическая, т.е. фиксируется только наличие или отсутствие связи. Для уменьшения размерности задачи использовались некоторые методы усечения исходной информации: - устранение контуров в графе связности [176, 179,182, 211]; - исключение несущественных (или эквивалентных) путей [179, 182]; - исключение связей, перекрещивающих слои графа [182].
Общие вопросы реализации распределенной архитектуры
Шаг 1. Пользователь инициирует запрос информации. Заявка может специально форматироваться под использование в РИОС или может быть стандартным SQL-запросом. Если связь со «своим» узлом-коммутатором отсутствует (например, в случае отказа), то пользовательское приложение обращается к узлу обработки, который инициирует процедуру «Выбор узла-коммутатора». Следует заметить, что узлы обработки при отсутствии связи с узлом-коммутатором могут сами инициировать выборы. В результате пользователю будет передан адрес нового коммутатора, и процесс запроса информации повторится.
Шаг 2. Передача заявки от персонального компьютера пользователя на узел-коммутатор. При большом количестве заявок от пользователей возможно появление очередей, как при передаче заявки с компьютера пользователя, так и при ее приеме на уз л е-коммутаторе.
Шаг 3. В соответствии с выбранной стратегией планирования и алгоритмом маршрутизации узел-коммутатор осуществляет выбор узла, которому будет передана заявка из узлов, которые способны ее выполнить и маршрут передачи заявки на выбранный узел. Если узел обработки «не найден» узел-коммутатор инициирует процедуру «Восстановление после сбоя узла обработки». В соответствии с протоколом тайм-аута производится выбор нового узла обработки (если такое возможно) и передается копия заявки на обработку новому узлу. Если такая переадресация невозможна (фрагмент ИБД хранился в узле, на котором произошел сбой), тогда возникает необходимость в реконфи-гурировании (перераспределение ИБД по узлам обработки) всей системы.
Шаг 4. Передача заявки от узла-коммутатора до узла обработки. Процесс передачи в пределах РИОС можно организовать значительно быстрее по сравнению с сетью общего пользования за счет прямого соединения серверов. Однако такой подход связан со значительными затратами и не рассматривается.
Шаг 5. Обработка заявки на узле обработки и оформление ответа пользователю. Результат обращения к ИБД может иметь «внутрисистемный» формат для упрощения его обработки на узле-коммутаторе.
Шаг 6. Передача сообщения-ответа из узла обработки до узла-коммутатора. Если «коммутатор отсутствует», инициируется процедура выборов, которая завершится передачей одному из узлов функции коммутатора. Далее обработка заявок с новым коммутатором возобновляется, потерянные заявки в соответствии с используемым протоколом обмена восстанавливаются.
Шаг 7. Фиксирование результатов обработки заявки на узле-коммутаторе и подготовка ответа пользователю. Результаты представляются в форме, воспринимаемой либо пользовательским приложением, либо пользователем непо средственно (например, в виде стандартного сообщения операционной системы или текстового сообщения на естественном для пользователя языке).
Шаг 8. Передача сообщения-ответа из узла-коммутатора компьютеру пользователя.
Шаг 9. Расшифровка (в случае необходимости) и представление ответа пользователю. Конец алгоритма.
Шаг 1. Пользователь инициирует запрос информации.
Шаг 2. Передача заявки от персонального компьютера пользователя на узел-коммутатор. Если связь со «своим» узлом-коммутатором отсутствует, то пользовательское приложение обращается к узлу обработки, который инициирует процедуру «Выбор узла-коммутатора».
Шаг 3. Узел-коммутатор осуществляет выбор узла, которому будет передана заявка, и (в общем случае) маршрут ее передачи узел обработки. Выбор узла обработки может осуществляться на основе сведений о загруженности этих узлов.
Шаг 4. Передача заявки от узла-коммутатора до узла обработки. Если узел обработки «не найден» узел-коммутатор инициирует процедуру «Восстановление после сбоя узла обработки». В отличие от предыдущего варианта поиск альтернативного узла обработки осуществляется с меньшими затратами и при меньшем количестве условий. Теперь заявка повторно может быть обработана любым доступным узлом. Шаг 5. Обработка заявки на узле обработки и обращение к ИБД. Шаг б. Передача запроса от узла обработки до сервера баз данных [235]. Так как в данной архитектуре он один, то на входе возможно возникновение очереди поступающих запросов. Шаг 7. Обработка запроса сервером баз данных и оформление ответа. Шаг 8. Передача результатов выполнения запроса с сервера баз данных до узла обработки. Шаг 9. Обработка результатов выполнения запроса к серверу баз данных и оформление ответа пользователю. Шаг 10. Передача сообщения-ответа из узла обработки до узла-коммутатора. Если «коммутатор отсутствует», инициируется процедура выборов, которая завершится передачей одному из узлов функции коммутатора. Далее обработка заявок с новым коммутатором возобновляется, потерянные заявки в соответствии с используемым протоколом обмена восстанавливаются. Шаг 11. Фиксирование результатов обработки заявки на узле-коммутаторе и подготовка ответа пользователю. Шаг 12. Передача сообщения-ответа из узла-коммутатора до персонального компьютера пользователя. Шаг 13. Расшифровка и представление ответа пользователю. Конец алгоритма. Графически процесс обработки заявки по варианту В представим рис. 4.4.
Так как пользовательские компьютеры подключены к узлам обработки (дочерним серверам), и взаимодействие с ИБД осуществляется через узел-коммутатор, то это приводит к возникновению дополнительного трафика между узлами обработки и узлом-коммутатором.
