Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.10, кандидат технических наук Затылкин, Александр Валентинович

• Затылкин, Александр Валентинович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Затылкин, Александр Валентинович

Введение.

Глава 1. Интеллектуальная компьютерная обучающая система с внешним объектом исследования.

1.1. Анализ современных средств автоматизированного обучения.

1.2. Классификация ИКОС на основе теории коммуникации.

1.3. Этапы передачи профессиональных знаний, формирования умений и навыков.

1.4. Структурная модель ИКОС с внешним объектом исследования

1.5. Выводы.

Глава 2. Управление интеллектуальной компьютерной обучающей системой

2.1. Структурная модель интеллектуальной системы управления ИКОС.

2.2. Методика управления ИКОС.

2.3. Контроль знаний обучаемого.

2.4. Выводы.

Глава 3. Взаимодействие ИКОС с внешним объектом исследования.

3.1. База знаний предметной области.

3.2. Методика количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения

3.3. Интерфейс технических систем.

3.4. Выводы.

Глава 4. Программная реализация ИКОС.

4.1. Интеллектуальный интерфейс пользователя.

4.2. Методика взаимодействия обучаемого с ИКОС.

4.3. Результаты экспериментального исследования эффективности применения ИКОС.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 особенностей; возможность организации дистанционного обучения; независимость 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.

Заключение диссертации по теме «Управление в социальных и экономических системах», Затылкин, Александр Валентинович

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 210201'—

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Затылкин, Александр Валентинович, 2009 год

1. Encarta Electronic resource. — Mode of access: http://encarta.msn.com.

2. Encyclopedia Britannica Electronic resource. — Mode of access: http://www.britannica.com.

3. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.nmg.ru.

4. Рубрикон Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.rubricon.com.

5. Википедия Электронный ресурс.: Свободная энциклопедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org.

6. Вергазов Р.И. Методы генерации адаптивных тестов // Материалы II научн.-метод, конф. проф.- преп. состава, сотрудников и студентов «Инновации в науке, образовании и бизнесе». 2004. С. 28-30.

7. АВЕЛайф Электронный ресурс.: Программное обеспечение для оценки и аттестации персонала. Режим доступа: http:// www.avelife.ru.

8. Backboard Electronic resource.: Learn Platform. Mode of access: http://www.blackboard.com.

9. Digitalthink Electronic resource.: Learn Platform. — Mode of access: http ://ww w. digitalthink. com.

10. Кафедра микро и нано электроники Электронный ресурс.: Автоматизированный лабораторный стенд для исследования температурных иполевых зависимостей концентрации и подвижности носителей заряда. -Режим доступа: http:// www.micro.pnzgu.ru/page/215.

11. ЗАО «Транзас» Электронный ресурс.: разработка и производство бортового радиоэлектронного оборудования, тренажеров для подготовки экипажей самолетов и вертолетов всех сертификационных уровней. Режим доступа: http://avia.transas.com.

12. Macromedia Electronic resource.: Learn Platform. Mode of access: http ://www. macromedia, com.

13. Прометей Электронный ресурс.: дистанционное обучение, оценка персонала, поставка и разработка электронных курсов. — Режим доступа: http://www.prometeus.ru.

14. Соловов А.В.Электронное обучение: проблематика, дидактика, технология. Самара: «Новая техника», 2006. — 462 с.

15. Концепция информатизации сферы образования Российской Федерации. / Проблемы информатизации высшей школы, № 3- 4, 1998 322 с.

16. Цибульский Г.М., Герасимова Е.И., Ерошин В.В. Модели обучения автоматизированных обучающих систем. Сетевой электронный научный журнал "Системотехника", № 2, 2004 г.

17. Вымятнин В.М., Демкин В.П., Можаева Г.В., Руденко Т.В. Мультимедиа-курсы: методология и технология разработки.- Томск: ТГУ, 2003.

18. Мельников А.В., Цытович П.Л. Принципы построения обучающих систем и их классификация. — Электронный журнал «Педагогические и информационные технологии». — 2001. — №4. nttp://scholar.urc.ac.ru/pedjournal/numero4/pedag/tsit3 .html.ru.

19. Давыдов В.В. Теория развивающего обучения. М., 1998.

20. Ильин Г.Л. Философия образования. — М.: Вузовская книга, 2002.

21. Вербицкий А.А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход. М.: Высшая школа, 1991.

22. Баранников А.В. Содержание общего образования: компетентностный подход. М .: ГУВШЭ, 2002.

23. Почепцов Г.Г.Теория коммуникации — М.: «Рефл-бук», К.: «Ваклер^»' — 2001. —656 с.

24. Соколов А.В. Общая теория социальной коммуникации. СПб., 2002 -461 с.

25. Гальперин П.Я. Методы обучения и умственное развитие ребенка. -М., 1985.-С.8.

26. Талызина Н.Ф., Карпов Ю.В. Педагогическая психология. Психодиагностика интеллекта. М., 1987.

27. Давыдов В.В. Виды обобщения в обучении (логико-психологические проблемы построения предметов). М.: Педагогика, 1972.

28. Бадмаев Б.Ц. Психология и методика ускоренного обучения. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998. - 272 с.

29. Талызина Н.Ф. Педагогическая психология: Учебное пособие. М.: Академия, 1998. 288 с.

30. Печников А.Н. Теоретические основы психолого-педагогического проектирования автоматизированных обучающих систем. Петродворец: ВВМУРЭ им. А.С.Попова, 1995. - 322 с.

31. Затылкин А.В. Архитектура ИКОС с внешним объектом изучения / Юрков Н.К., Затылкин А.В. Алмаметов В.Б., // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1./ Под ред. Н.К. Юркова Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008.

32. Информатизация образования: направления, средства, технологии: Пособие для системы повышения квалификации / Под общ. ред. С.И. Маслова. —М.: Издательство МЭИ, 2004. — 868 с.

33. Арбузов Ю.В., Леньшин В.Н., Маслов С.И., Поляков А.А., Свиридов В.Г. О проекте отраслевого стандарта «Системы автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа». «Проблемы информатизации высшей школы». Выпуск 3-4, 1997. - С. 65-72.

34. Затылкин А. В. Методология формирования профессиональных навыков в ИКОС с внешним объектом изучения / Алмаметов В.Б., Затылкин А.В., Щербакова С.В. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, технические науки. 2009. № 1 (9). - С. 48-54.

35. Юрков Н.К. Особенности управления сложными системами на основе концептуальных моделей. Измерительная техника. 2004, № 4, с. 14-16.

36. Затылкин А. В. К проблеме синтеза модели автоматизированной системы обучения / Затылкин А. В., Юрков Н.К // Современные информационные технологии: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во ПГТА, 2007. - С. 112-115.

37. Айсмонтас Б.Б. Теория обучения. Схемы и тесты. М., изд-во Владос, 2002.

38. Затылкин А.В. особенности организации хранения знаний, умений, навыков в интеллектуальной компьютерной обучающей системе Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1./ Под ред. Н.К. Юркова Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009.

39. Затылкин А.В. Количественный анализ соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения. Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1./ Под ред. Н.К. Юркова Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009.

40. Джозеф О'Коннор, Джон Сеймор. Новейшая психология личного мастерства. Челябинск., изд-во Версия 1997г. 285с.

41. Затылкин А. В. Метод проблемного обучения в ИКОС / Затылкин А. В., Аванский С. М., Юрков Н.К // Инновации в науке, образовании и бизнесе. Материалы V Всероссийской научно-методической конференции. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007, - С. 20-22.ч

42. Затылкин А. В. Поэтапное формирование знаний и навыков в ИКОС /, Затылкин А.В., Граб И. Д., Алмаметов В.Б. // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2009. Вып. 14, с 67-71.

43. Затылкин А.В. Алгоритм стратегии управления обучением в ИКОС / Затылкин А.В., Демьянов А.В./ Сборник статей МНТК Современные информационные технологии. Пенза. Изд-во ПГТА, 2006 г., С. 54-62.

44. Беспалько В.П. Образование и обучение с участием компьютеров (педагогика третьего тысячелетия). М.: Издательство Московского психолого-педагогического института; Воронеж: Издательство НПО «МОДЭК», 2002.352 с.

45. Игнатьев М.Б., Путилов В.А., Смольков Г .Я Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. М.: Наука, 1986, 232 с.

46. Сафронов В.В., Гаманкж Д.Н. Проектирование сложных технических систем с учетом развития. ИТПП, 1999, №№ 3. С. 45-46.

47. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии. М.: Народное образование, 1998.

48. Российская педагогическая энциклопедия: В 2 тт./ Гл. ред. В.В. Давыдов. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998 - 672 е., ил. Т. 2 - М -Я- 1999.

49. Выготский JI.C. Педагогическая психология. Под ред. В.В. Давыдова -М.: Педагогика-Пресс, 1996. 556 с.

50. Гинецинский В.И. Основы теоретической педагогики. Учеб. пособ. -СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского гос. Университета, 1992. 154 с.

51. Ильин Е.П. Умения и навыки: нерешенные вопросы // Вопр. психологии. 1986. - №2.

52. Рубинштейн С. JL Основы общей психологии-СПб: Питер, 2000-712 с.

53. Minsky М. A framework for representing knowledge // Frame conceptions and text understanding / Ed. by Metzing D. В.; N.Y., 1980. P. 1-25

54. Заде JI. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1976. — 165 с.

55. Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. М.: Наука, 1990. — 272 с. \

56. Волкова В.В. Дизайн рекламы. М.: Университет, 1999. — 144 с.

57. Донской М. Интернет и пользовательский интерфейс // Мир Internet.1999.-№9.-С. 78-81.

58. Максимова А. Как писать для Web? // Мир Internet. 1999. - № 10. -С. 54-57.

59. Венда В.Ф. Инженерная психология. М.: Наука, 1982. - 344 с.

60. Хомаха В.Б. Как правильно писать МЕТА-теги // Компьютеры + Программы. 1998.-№ 11.-С. 40-41.

61. Елисеев Н.Ф. Основы военно-инженерной психологии. — Владивосток, ТОВВМУ, 1973.-69 с.

62. Christoffersen К., Hunter С., Vicente К. A longitudinal study of the effects of ecological interface design on deep knowledge // International Journal of Human-Computer Studies, 1998. Vol. 48, - № 6. - P. 729-762.

63. Lomov B.F. Uber die Entwicklungsstand und Perspektiven der psycholo-gischen Wissenschaft in der UdSSR. Zeitschrift fur Psychologie, 1978. - B. 186. -H. I.-P. 106-124.

64. Образцов П. И. Психолого-педагогические аспекты разработки и применения в вузе информационных технологий обучения. — Орел: ОрелГТУ,2000. 145 с.