Реализация компетентностного обучения на основе проблемного подхода в программной среде

Денис Николаевич Буторин

к.пед.н., доцент,

Филиал Красноярского государственного педагогического университета
им. В.П. Астафьева в г. Ачинске,

ул. Дружбы Народов, 8, г. Ачинск, 662155, (39151) 3-72-73

subritto@ngs.ru

Аннотация

В статье рассматривается реализация компетентностного обучения с использованием проблемного подхода в специальной открытой научной образовательной программной среде. Представлено, каким образом концепция проблемно-ориентированного обучения в программной среде позволяет успешно организовывать развитие профессиональных компетенций.

Competency-based learning using problem-oriented approach is demonstrated to solve authentic practical tasks. It released in open scientific educational environment. The use of problem-oriented approach in open scientific educational environment enables identification of knowledge and skills necessary for the successful professional activity of the learner.

Ключевые слова

научная образовательная среда, компетенции, проблемно-ориентированный подход, тренажер компетенций, конструктор диагностик;

scientific educational environment, competencies, problem-oriented approach, trainer of competencies, designer of diagnostics.

Введение

В образовательной среде и научном сообществе существует ряд взаимосвязанных процессов, которые необходимо переносить на новый качественный уровень. Во-первых, это организация обучения, куда входит предоставление учебного материала, контроль знаний, мониторинг и анализ характеристик уровня знаний, умений, навыков. Во-вторых, процесс обобщения и приобретения опыта, как фактор развития профессиональных компетенций в предметной области. В-третьих, осуществление исследовательской деятельности, изучение новых свойств и характеристик процесса обучения, разработка и реализация диагностических инструментов и измерителей.

Часто имеющиеся программные средства и инструменты не включают реализацию этих процессов в комплексе. Вместе с тем, существуют программы и оболочки, обеспечивающие лишь частичную поддержку некоторых функций, при этом их изменения сопряжены с модификацией программного продукта и повторным его разворачиванием. Следует учесть, что большинство программных продуктов являются коммерческими и закрытыми, что не подходит для образовательной среды и научного сообщества, где традиционно важны такие качества как открытость, верифицируемость и повторное использование. В связи с обозначенными и некоторыми другими проблемами имеется необходимость разработки и развертывания особой программной среды образовательного назначения openSEE (open Scientific Educational Environment).

Анализ современного состояния проблемы

Накопление, структуризацию научного знания, а также распространение и контроль знаний, следует рассматривать как комплексную задачу. В системе получения и распространения знаний выделяются следующие роли субъектов: ученый (исследователь), эксперт, преподаватель, обучаемый. Ученый занимается исследованием в каких-либо областях для получения нового знания, чаще всего теоретического. Созданные знания являются основой при подготовке образовательных материалов для обучения широкого круга лиц. Вместе с тем, эксперты в предметных областях изучают и устраняют проблемные ситуации в конкретных процессах на реальных объектах. Полученный экспертами опыт, также используется в образовательных целях при подготовке курсов, учебных модулей, проблемных задач. Новые знания от исследователей обычно формируются в виде публикаций – тезисов, статей, монографий и т.д. Опыт экспертов чаще всего излагается в слабо формализованном виде, например, в статьях, рекомендациях, справочниках, инструкциях, руководствах. Преимущества современных средств информационного обмена используются недостаточно, в основном в публикациях опыта в словесной форме на интернет-форумах, личных дневниках и страницах. Учитывая масштабы таких знаний, следует развивать специальные формы их представления для решения данной проблемы. Формы представления образовательных материалов и средств в настоящее время значительно расширились, от традиционных печатных публикаций учебных пособий, до цифровых образовательных ресурсов и интеллектуальных обучающих средств. Преподаватели обобщают теоретическую информацию, используют психолого-педагогические диагностики для поиска методов наиболее оптимального обучения студентов. Обучаемый, в системе один из важных субъектов системы, поскольку он получает знания, навыки, вырабатывает компетенции благодаря работе преподавателей, экспертов и исследователей. Система и остальные субъекты от обучаемого получают информацию об успешности примененных методов и форм воздействия. Вполне возможно, и это происходит достаточно часто, один и тот же субъект может выполнять две и более роли одновременно. Преподаватель одних дисциплин, может одновременно получать опыт в других областях знаний. Преподаватель может быть экспертом по использованию определенных методов и технологий в обучении, если его опыт обогащает базу знаний системы.

Рассмотрим существующие методы и инструменты реализации указанных процессов. Обмен научными публикациями осуществляется либо через печатные издания, либо на специализированных интернет-ресурсах (порталах). Существуют ресурсы, организующие накопление научных и методических материалов, объединенных одним направлением или уровнем публикаций. Всемирно известная свободная энциклопедия Википедия (wikipedia.org, с января 2001г.) является одним из универсальных проектов подобного рода, как в содержательном аспекте, так и в техническом. С учетом, того что проект дополняется тематическими проектами – Викимедия, Викисловарь, Викиверситет и т.д. Как пример ресурса, объединяющего научную информацию конкретного научного направления, можно привести всемирную базу данных публикаций по молекулярной биологии. В русскоязычном сегменте Интернета следует выделить следующие успешно развивающиеся ресурсы: Открытый класс (openclass.ru), объединяющий учебные и методические материалы для средней школы; Единое окно (window.edu.ru) – портал доступа к самому широкому кругу научных и образовательный ресурсов и публикаций; Научная сеть SciPeople (scipeople.ru) – социальная сеть для ученых и обмена научными публикациями.

Технически все они построены на wiki-технологии и/или социальных сетях, и не предоставляют интерактивных инструментов поддержки обучения. При этом являются успешными платформами для публикации и обмена научной информацией, а также построения информационного сообщества.

Для организации и управления образовательными ресурсами существуют отдельные проекты. В зарубежном опыте это проект Викимедиа (Wikimedia.org), который уже включает более 6,5 миллионов ресурсов. Популярность сервиса определяется его многоязыковой поддержкой, wiki-стилем, а также интерактивными инструментами для быстрого создания и описания ресурсов.

В отечественном опыте следует отметить проект Единая коллекция образовательных ресурсов (school-collection.edu.ru), который с момента создания (2005 г.) на сегодняшний момент существенно расширился и имеет более 36000 различных ресурсов. С помощью специального клиентского программного обеспечения существует возможность получения цифровых образовательных ресурсов (ЦОР) на локальный компьютер и использования его в среде 1C:Школа. Платформа позволяет разработчикам ЦОР опубликовывать ресурсы в коллекции. Преимущества «нашей» коллекции в строгой структуризации ресурсов по школьным предметам, классам и согласованность со школьной программой обучения. Однако пока коллекция покрывает обеспечение ЦОР только средней школы.

Опыт экспертов в современном интернет-сообществе обычно распространяется через тематические форумы. Кроме того, существуют специализированные экспертные системы по определенным областям науки и техники, однако, в большинстве своем они являются закрытыми и/или коммерческими. Для накопления опыта экспертов и использования его в образовательных целях создана система ITiS Learning System (www.achtng.ru/tree), которую можно развивать до комплексного универсального инструмента.

Формирование и распространения материалов образовательного назначения имеет самый широкий набор средств. Начиная от обычных электронных учебников различных поколений, до специальных оболочек и сред с развитыми инструментами управления образовательными ресурсами. Из множества программных средств выделяется «системы управления обучением» (LMS, Learning Management System). Наиболее известной, популярной и развитой системой является Moodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment, moodle.org) – модульная объектно-ориентированная динамическая учебная среда. Это свободная система управления обучением (LMS), распространяющаяся по лицензии GNU GPL. Система реализует философию «педагогики социального конструкционизма» (social constructionist pedagogy) и ориентирована, прежде всего, на организацию взаимодействия между преподавателем и учениками. С 2007 года в системе появилась инструменты Web Community, благодаря которым web-серверы, построенные на базе Moodle, можно объединять и осуществлять обмен курсами. В системе Moodle отсутствует возможность комбинировать элементы из различных курсов и формировать единую базу образовательных ресурсов (курсов, заданий, тестов) для повторного использования в других модулях. Для работы над созданием курсов не используется wiki-технология. Вместе с тем, система является модульной, что позволяет разрабатывать дополнительные интерактивные модули, реализующие любые дидактические цели.

В Фонде Википедии в 2009 появился проект Викиверситет (ru.wikiversity.org) – свободный университет, где каждый может учиться и/или принять участие в создании свободных интерактивных обучающих материалов и открытых научных проектов. Благодаря разработанному еще в 2007 году модулю Quiz на страницах Википедии можно размещать тесты 1, 2 и 3 уровня. Однако на данный момент интерактивные материалы ограничиваются тестами трех уровней, они встраиваются непосредственно в страницу и недоступны для повторного использования.

Из российских проектов следует отметить Интернет-Университет Информационных Технологий (www.intuit.ru), который можно рассматривать как платформу для публикации курсов и средство обучения по ним. Концепция Интернет-Университета не позволяет в режиме on-line создавать и редактировать курсы, а также встраивать интерактивные контрольные материалы. Тем не менее, Интернет-Университет поддерживает выдачу документа установленного образца по прохождению курсов.

К интерактивным средствам контроля знаний относится проект Quizful (Quizful.net). Он предназначен для онлайн-тестирования специалистов в сфере информационных технологий. Сервис Quizful развивается сообществом, во многом благодаря усилиям специалистов в области информационных технологий. Сервис свободно открыт для тестирования, кроме того, любой желающий может предложить свой вопрос к тесту. Система не предназначена для персонального использования и управления контрольными материалами в педагогической практике. Проект активно осуществляет программу сертификационных экзаменов с выдачей документов установленного образца.

Таким образом, выделяются следующие категории продуктов и сервисов для обеспечения научно образовательного процесса основными инструментами обмена информацией.

Платформы хранения информации (Wikipedia, Открытый класс, Единое окно, Научная сеть) – основная задача предоставлять общий доступ к научной и образовательной информации (статья, публикациям, страницам).

Платформы хранения ресурсов (Wikimedia, Единая коллекция ЦОР) – главная цель сбор, хранение, описание и обмен цифровыми образовательными ресурсами и другими мультимедийными данными.

Открытые экспертные системы (Qanda, CLIPSITS, SAILE, WISE) – основная цель накопление и структуризация научного и экспертного знаний, для последующей поддержки принятия решений, а также в ходе обучения при тренировке разрешения проблемных ситуаций.

Обучающие системы и сервисы (Moodle, Wikiversitet, imathas, Интернет-Университет) – главная задача объединение и структуризация научной информации в форме, пригодной для осуществления образовательного процесса и предоставление инструментов для контроля знаний.

Каждому преподавателю необходимо иметь качественный персональный инструмент для организации обучения и контроля знаний. Большинство имеющихся систем, таких как Moodle, являются системами, предназначенными для персональной установки. Системы Wikipedia и Quizful являются сервисами. Например, Wikipedia не имеет возможность вести отдельно базы контрольно-измерительных материалов для повторного использования. Сервис Quizful не нацелен на персональное использование любым пользователем для контроля знаний. Поэтому настало время создать сервис свободного доступа для организации обучения и контроля знаний. Бессмысленно пытаться ограничивать доступ к учебной информации и контрольно-измерительным материалам. Они должны быть открыты, чтобы каждый мог расширять свои знания, развивать практические навыки, получать опыт в разрешении проблемных ситуаций и помогать сообществу своими знаниями и опытом.

Методологическая часть

Учитывая тенденции в современной инновационной научной образовательной среде, следует вовлечь исследователей, экспертов, преподавателей и обучающихся в процесс создания, обмена и интеграции научной и образовательной информацией с целью получения знаний нового уровня.

В условиях Болонского процесса и введением стандартов третьего поколения в отечественных вузах особенно актуальной становится реализация компетентностного обучения фундаментальным естественнонаучным дисциплинам математического и информационного цикла. В связи с этим следует заметить некоторые изменения в образовательном процессе. Во-первых, увеличение количества времени отводимого на самостоятельную работу студентов повышает трудозатраты преподавателей и вызывает организационные сложности, учитывая необходимость индивидуализации обучения, а также использования личностно-ориентированного подхода. Во-вторых, обучение и контроль приобретаемых компетенций основываются на деятельностном подходе, вследствие чего федеральным государственным образовательным стандартом рекомендуется использовать проектную деятельность. Однако, учитывая особенности математических и информационных дисциплин, следует отметить их важные отличия от других. При изучении дисциплин математического и информационного цикла основные профессиональные компетенции формируются благодаря решению разного рода прикладных задач и в процессе разрешения проблемных ситуаций. Вместе с тем следует учесть широкие возможности информационных технологий по автоматизации ряда задач в процессе обучения. Естественно, не ставится задача реализовать обучение без преподавателя, однако, часто этот процесс можно и нужно преобразовать для управления информационной системой, чтобы повысить качество обучения, а также вести его более интенсивно.

Компетентностный подход в обучении – это особая система методов обучения, которая предполагает овладение учеником знаниями и умениями в комплексе, с усилением прикладного и практического характера образования. Компетентностный подход в данном случае заключается в том, чтобы обучаемые самостоятельно научились решать проблемы в новой ситуации. Умения, необходимые для этого, называются компетенцией [1, 2]. Существует некоторая сложность в оценке и диагностике профессиональных компетенций студентов вузов, обучающихся по математическому и ИКТ профилю. Рассматривая Федеральный государственный образовательный стандарт, можно убедиться в том, что многие компетенции поддаются оценке только в ходе изучения деятельности обучающегося при разрешении проблемных ситуаций и работе над индивидуальными проектами [3]. Вместе с тем, возможности обычных тестов (1, 2 и 3 уровня) в области диагностики компетенций, а также их задачи и функции при компетентностном обучении нуждаются в дополнительном исследовании.

В результате анализа обозначенных тезисов оказалось логичным начать воплощение компетентностного обучения в программной среде с реализации проблемного подхода. Сам подход, или проблемно-ориентированное обучение – «это такая организация учебных занятий, которая предполагает создание под руководством преподавателя проблемных ситуаций и активную самостоятельную деятельность учащихся по их разрешению, в результате чего и происходит творческое овладение профессиональными знаниями, навыками и умениями и развитие мыслительных способностей» [4]. Изучение различных трактовок понятия проблемная задача и проблемная ситуация [4-7] показало, что противоречие (между знанием и не знанием, известным и не известным) является основным их объектом (Д.В. Вилькеев, Б.Г. Зильберман, И.Я. Лернер, М.И. Махмутов, С.И. Мелешко, М.Н. Скаткин и др.).

Основным методом исследования является моделирование проблемных ситуаций с помощью экспертных систем и разрешения их с использованием обратных выводов. В [8] представлено как моделировать и разрешать проблемные ситуации в программной среде, используя данную идею. В совокупности проблемный подход, программная среда, реализующая его, позволяют перейти к компетентностному обучению. Теперь требуется выявить систему проблемных задач так, чтобы она соотносилась с психолого-педагогическими целями преподавателя, и позволяла развивать профессиональные компетенции. Здесь основной метод исследования – моделирование обучения с помощью методов оптимизации стохастических процессов с дискретным контролем времени [9].

Реализация компетентностного подхода в обучении с помощью программного средства началась с подготовки инструмента контроля. Традиционно практически любое исследование начинается с подготовки системы диагностики. Схема обучения представляет собой систему с прямой и обратной связью относительно преподавателя (управляющий субъект) и обучаемых (управляемые субъекты). Для успешного управления необходимо определить характеристики обучаемых связанные компетенциями и научиться их контролировать. Только после этого возможно выработать систему правил, позволяющую повысить эффективность приобретения и развития важных профессиональных компетенций. Отладка правил возможна при уменьшении дискретности времени контроля, что позволит перейти от непосредственного контроля к мониторингу. Обучение возможно тогда, когда воздействие преподавателя посредством педагогического программного средства станет устойчивым, а автоматизированное применение методов обучения будет приводить к качественным результатам с большой вероятностью.

В настоящее время автором ведется работа по разработке открытой научной образовательной среды openSEE (open Scientific Educational Environment, свидетельство ОФРНиО №16723) [10] в рамках проектов Сибирского федерального университета, Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева, филиала КГПУ в г. Ачинске, а также Ачинского техникума нефти и газа.

В данной статье под программной средой подразумевается программный комплекс, реализующий окружение, инструменты и средства решения пользовательских задач некоторой предметной области. В рамках исследования, в частности, в области педагогики включаются задачи по организации исследований, обучения, анализу и представлению знаний.

При разработке открытой научной образовательной среды ставится несколько целей, среди них наиболее перспективные и решаемые автором следующие.

1. Облегчить рутинные процессы по обучению, структуризации научных и экспертных знаний. Повысить эффективность в создании качественного образовательного продукта с широкой базой ресурсов (курсов, учебных модулей, контрольных материалов, моделей задач и т.д.). Перевести на новый качественный уровень процесс обучения, контроля знаний и компетенций, как по организации, так и по содержанию.

2. Создать открытую образовательную экспертную систему и систему поддержки принятия решений для конечных пользователей.

3. Подготовить платформу для реализации педагогических исследований в области изучения процесса обучения и выявления оптимальных траекторий обучения субъектов по их характеристикам. Сюда входят конструктор диагностик, система сбора и анализа статистических данных. Это следует реализовать, чтобы не было необходимости создавать каждый раз некую систему для проведения частных педагогических экспериментов.

Впоследствии это позволит ставить более высокие цели, а именно:

1. Предоставить комплексные педагогические инструменты для образовательных целей, обеспечить интеграцию с другими сервисами, а также реализовать среду в качестве многофункционального открытого сервиса.

2. Изучить процесс решения учебных проблемных задач учащимися, с тем, чтобы выработать рекомендации по более эффективному обучению разрешения проблемных ситуаций и научиться выявлять индивидуальную траекторию обучения машинным способом.

3. Обеспечить интегративное обучение различным дисциплинам в условиях информационного сообщества на основе идеи социального конструктивизма. Это означает, что участники смогут изучать материал нескольких дисциплины в рамках обучения одной дисциплине (интегративность), находясь в информационном сообществе, организуемом с помощью Сети и являясь при этом его частью. Обучаемые должны создавать продукты (учебные материалы) для других участников сообщества и работать совместно (социальный конструктивизм). Подобная организация называется проективной стратегией организации учебного процесса [11].

4. Изучить процесс понимания учебного материала и процесс формирования тезауруса человека с тем, чтобы реализовать универсальный инструмент преобразования обучающих материалов из поля понятий тезауруса преподавателя в поле понятий тезауруса конкретного обучаемого для наиболее эффективного усвоения учебной информации последним (тезаурусная форма интегративного обучения) [11, 12].

Сформулируем некоторые важные положения открытой образовательной среды:

1) Реализация должна быть совместима (необязательно полностью схожа) с традиционным обучением, это необходимо лишь для того, чтобы пользователи (преподаватели и обучаемые) как можно быстрее привыкали к окружению и технология выполнения действий не вызывала дискомфорт и недовольство. Таким образом, необходимо наличие в некоторой форме теоретического материала, тренажеров для отработки практических навыков, механизмов контроля знаний.

2) Равенство всех пользователей по отношению к процессу обучения в системе. Каждый пользователь должен иметь возможность использовать уже созданные ресурсы по их прямому назначению (технология wiki). Предоставить возможность всем пользователям создавать собственные ресурсы, как в личных целях, так и для использования остальным сообществом. То есть каждый пользователь в среде обладает как правами обучающегося, так и правами преподавателя.

3) Реализация методов самоадминистрируемости системы. Так как предполагается быстрый рост объемов хранимых данных, наличие открытого доступа должно способствовать нераспространению вандализма и спама. Для этого рекомендуется использовать технологии «сообщить модератору», «принцип мягких правок», «премодерация» для недоверенных пользователей, «постмодерация» для доверенных пользователей и т.д. В итоге реализовать ответственность каждого пользователя за размещенные данных и данных тех пользователей, кому он доверил права на редактирование содержимого. Чтобы пользователям не было выгодно передавать права на редактирование содержимого людям с сомнительной репутацией.

4) Накопление статистики об обучаемых, а именно о структуре их тезауруса и практических навыках, чтобы при последующем обучении более качественно подстраиваться под их текущие знания. Наличие статистики позволит выявлять проблемы в настоящих технологиях и методиках обучения. С другой стороны с ее помощью можно регулировать статус субъекта в обучающей системе, позволяя обучающимся становиться «преподавателями» по некоторому разделу или дисциплине в обучающей системе.

Реализация открытой образовательной среды

Разрабатываемая программная среда является web-ориентированным приложением, благодаря чему пользователям необходим лишь браузер для использования системы. Основа базы данных среды – структурированная коллекция ресурсов. Причем под ресурсами подразумеваются элементы, начиная с традиционных (первичных) ресурсов, до элементов со сложной структурой и интерактивными свойствами. Под традиционными или первичными ресурсами будем понимать текст, гипертекст, изображения, аудио, видео и т.д. Под интерактивными ресурсами или ресурсами второго порядка – различные задания, упражнения и тренажеры. Сюда входят тесты первого (выбор ответов), второго (установка соответствия) и третьего (прямой ввод) уровня, проблемно-ориентированные задания, имитационные тренажеры, автоматизированные диагностики и системы сбора данных. Ресурсами высшего порядка назовем экспертные базы знаний и тезаурус по различным областям знаний. Они могут быть построены ручным и машинным способом, их основная задача отвечать на запросы пользователей и улучшить качество ресурсов второго порядка. Например, имея достаточную базу заданий по различным темам предмета «Информатика» возможно собрать статистику о результатах их решения: «из обучаемых, которые ознакомились с материалом Т и решили успешно задачи типа А и Б, 80 % решили задачи типа С». Похожие выводы, совершаемые машинным способом, могут быть учтены при дальнейшем планировании курсов, и собраны в динамически расширяемую базу знаний. Приведенная структура, в условиях краудосорсинга, вики-технологии и проективной стратегии организации учебного процесса является более эффективной. В данном случае база данных имеет множество контейнеров с объектами одного типа, классифицированных по предметным областям, в отличии от структуры похожей системы Moodle, где основным контейнером объектов является Курс. Эта характерная особенность достаточно популярной зарубежной системы не позволяет вести активный легкий обмен и повторное использование ресурсов, даже с учетом поддержки форматов SCORM и moodle-hub.

Выделены основные компоненты архитектуры открытой научной образовательной среды.

Модули контроля уровней знаний. В качестве таких модулей в первую очередь созданы компоненты оценки уровня знаний на основе узнавания, распознавания и воспроизведения, т.е. тесты первого, второго и третьего уровня. Несмотря на свою простоту и тривиальность организации, при правильной, адекватной постановке заданий тесты данных уровней являются достаточно эффективным инструментом оценки уровня знаний. При этом известно, что эталонные ответы должны быть однозначными, взаимоисключающими, а постановки заданий не требовать субъективных оценок (например, «как более эффективно…») и неопределенных во времени формулировок («какой метод в настоящее время…»).

Тренажеры компетенций. Развитие, контроль и проверка различного рода компетенций, на основании анализа требований федерального государственного образовательного стандарта к результатам освоения программ, пока возможны только при анализе решения конкретных прикладных задач. Как правило, реальные прикладные задачи относятся к одному или нескольким типам задач: разрешение проблемных ситуаций, поиск решения и принятия решений в условиях неопределенности. Поэтому создание специального тренажера, с помощью которого имеется реальная возможность приобрести опыт и развить определенную профессиональную компетенцию, есть путь осуществления компетентностного обучения.

Генераторы задач. Поскольку среда представляет собой открытую систему, контроль знаний по статическим задачам будет эффективным либо в случае большого количества самих заданий, либо при реализации динамически генерируемых заданий. В связи с этим разрабатываются специальные модули-генераторы определенных задач, и возможно весьма узкоспециализированных. Например, модуль-генератор нелинейных уравнений с заданными характеристиками, для решения их различными численными методами. Кроме того, важно реализовать подобные генераторы в виде конструктора для конечного преподавателя-методиста, чтобы позволить ему создавать задания сообразно психолого-педагогическим целям.

Конструкторы педагогических диагностик. Важнейшей частью педагогического исследования является проведение диагностики разного рода характеристик обучаемых и получение достаточного объема экспериментальных данных. В условиях сетевого сообщества и с учетом возможностей информационных технологий успешное получение достаточного количества данных становится задачей реализуемой в более сжатые сроки. Проведение соответствующего анализа позволит ускорить обработку экспериментальных данных, обмен результатами исследований, повысит качество исследований за счет значительного расширения аудитории испытуемых, а также количества потенциальных исследователей и их возможностей в данной среде.

Конструктор экспертных систем. Обмен педагогическим опытом и поддержка принятия педагогических решений играют существенную роль в образовательном процессе. Необходимо обеспечивать соответствующую техническую и информационную поддержку педагогам и методистам в плане поддержки принятия решений о выборе диагностических инструментов, методик обучения, интерпретации результатов обучения. Поскольку, как конечный продукт экспертные системы весьма дорогостоящие инструменты, реализация открытых экспертных систем в виде конструктора решит вопрос их широкой доступности, позволив повысить качество педагогических и управленческих решений. Одновременно требуется реализовать высокое качество и валидность информации современными методами администрирования и реализации ответственности пользователей при широком доступе и гибких правах для пользователей. Организовать быстрое внедрение новых формализованных знаний, которые получены на основании экспериментальных данных. Это вполне логично, если диагностика и анализ реализованы в одной и той же программной среде.

Открытый сервис по построению тезауруса человека и информационной модели мозга человека. Изучение тезауруса человека, его создание, принципы развития позволят сформировать более точные представления об информационной модели мозга [12], благодаря которой возможно построение более точных и более качественно формализованных методик обучения, адаптивного учебного материала, а также строить и корректировать дальнейшие педагогические исследования.

Более подробно представим проблемный подход, используемый для контроля и развития профессиональных компетенций.

Наилучшим образом для этого подходят проблемно-ориентированные задачи. На основании психологического подхода А.М. Матюшкиным [6] выделяется три основных класса проблемных задач: класса поиска цели, поиска условия и способа действия.

Задачи класса поиска условия действия. Формализованные знания в системе хранятся в виде дерева, эта структура является графическим представлением продукционных правил. Каждый узел верхнего уровня есть цель, которая требует для своего достижения условия, обозначаемые узлами нижних уровней. Любая проблема определяется как тройка: цель, условие действие, описание проблемы [13-15]. В качестве инструментов решения задачи обучаемому представляют интерфейсные элементы проверки гипотез. Первоначально данный интерфейс реализован в виде консоли взаимодействия обучаемого и среды, в которой обучаемый ищет и выбирает гипотезы для проверки, а система отвечает в формате «да/нет», выдавая дополнительную информацию о проблеме. В настоящее время ведется работа по созданию графического интерфейса по определенным предметным областям. В рамках исследовательской работы автора [8] была создана программная система ITiS Learing System (зарегистрирована в ОФАП за №10017), организующая решение проблемных задач класса поиска условия действия.

 

Рис. 1. Снимок экрана во время решения проблемной задачи класса поиска условия действия.

Программная система успешно апробирована в КГПУ на специальности «Информатика» в таких дисциплинах как «Архитектура ЭВМ» и «Компьютерные сети», поскольку именно в них чаще всего встречаются проблемные ситуации класса поиска условия действия, которые поддаются четкой формализации. В апробации принимало участие 45 человек. При этом потенциальные возможности, созданной системы, не ограничиваются только указанными дисциплинами.

Рассмотрим этот класс задач на примере. Пусть преподавателю необходимо воссоздать учебную проблемную ситуацию студенту с исходными данными: цель – «Компьютер доступен в сети по имени», с проблемой – «заданный узел не найден». Тогда преподавателем производится поиск и выбор главной цели задачи в базе знаний, в данном примере это «Компьютер доступен в сети по имени». Поиск происходит по ключевым словам. Далее он просматривает дерево условий и отключает некоторое условие в соответствии с педагогическими целями. К примеру будет выбрано условие «Кэш DNS-записей актуален на клиенте», для отработки действий с утилитой ipconfig. Цель решения задачи в указании обучаемому невыполненного условия или условий, которые приводят к проблеме. Для этого обучаемый с помощью интерфейса инструментов решения задачи по ключевым словам ищет условие и запускает его проверку, в результате которой система возвращает ответ – выполняется это условие или нет. Легко заметить, что всё решение проблемной задачи выглядит в форме диалога с обучающей системой. Важно, чтобы этот диалог был направлен на сужение круга подозреваемых условий, то есть на снижение уровня неопределенности причины проблемы.

Задачи класса поиска способа действий. Данные задачи характерны, прежде всего, для таких естественнонаучных дисциплин как математика, физика и т.д.

Рассмотрим методологию решения математических задач с тем, чтобы формализовать этот процесс для реализации деятельности студента в автоматизированной программной среде. На данном примере покажем, каким образом возможен контроль приобретаемых компетенций. В большинстве математических задач присутствуют следующие элементы: набор исходных данных, выражающихся в виде чисел или переменных; описание условий или параметров, в рамках которых решается задача; а также набор неизвестных параметров (чисел, переменных и т.д.), тип которых может быть достаточно широким. Суть решения задачи заключается в следующем:

1. Необходимо правильно выбрать адекватные математические модели. В данной системе модель интерпретирована в классическом стиле, как черный ящик, имеющий входные и выходные параметры.

2. Правильно организовать передачу данных в математические модели и пересылку промежуточных данных между ними.

3. Верно интерпретировать результаты и соответствие их искомым неизвестным.

Все три этапа соответствуют основным действиям студента и наиболее важным рубежам контроля преподавателя. Данная модель реализации взаимодействия обучаемого и автоматизированной системы, при этом успешным образом скрывает вычислительные процессы и другие низкоуровневые операции. Это позволяет контролировать следующие навыки: использование математических моделей в расчетах; определение дальнейших действий по решению задачи при получении определенных значений величин и их типов; оценка адекватности интерпретации полученных и требуемых результатов.

В основе противоречия задач класса поиска способа действия лежат исходные данные и искомые величины. В качестве решения задачи, или в терминах проблемного обучения – гипотезой, выступает математическая модель или их совокупность с указанным соответствием между входными и выходными данными, а также установленными необходимыми параметрами моделей. Со стороны обучаемого процесс решения проблемной задачи этого класса состоит в «сборке» решения из коллекции вычислительных моделей. Обучаемый по ключевым словам или по справочнику коллекции находит необходимые модели, устанавливает соответствие между исходными данным задачи и входными параметрами модели. Таким же образом с помощью соответствия определяет интерпретацию выходных параметров моделей с искомыми данными.

 

Рис. 2. Снимок экрана во время решения проблемной задачи класса поиска способа действия.

Продемонстрируем идею на примере. Задача: «Для ремонта автомобилей типа А1 и А2 необходимы узлы B1 и B2. Для сборки узлов требуются детали C1, C2 и C3. Определить а) количество детали для ремонта одной машины и б) стоимость деталей для ремонта машин каждого типа». Конкретные данные в задаче указаны. Нетрудно увидеть, что для определения решения по первому пункту необходимо умножить матрицу машины-узлы на матрицу узлы-детали, а для второго пункта результат первого пункта в матричном виде умножить на вектор-столбец из расходов на каждую деталь. В обучающей системе действия студента сводятся к следующим операциям. В коллекции по ключевым словам подбираются вычислительные модели, в данном случае модель «Произведение двух матриц». Устанавливаются необходимые настройки модели, для описываемой задачи, это размерность входных и выходных матриц. Затем указываются соответствия между исходными данными задачи и входными параметрами моделей, а также между искомыми величинами и выходными данными моделей. В решении задачи может быть задействовано неограниченное число моделей и параметров.

 

Рис. 3. Снимок экрана во время решения проблемной задачи, связанной с действиями над матрицами.

Следует заметить, что в задачах обоих классов проявляется диалектическое единство, знания успешно формализуются с помощью семантических правил или ориентированного графа. Поиск решения осуществляется и проверяется с помощью прямых и обратных выводов.

Ведется разработка диагностики профессиональных компетенций. Основной ее смысл заключается в том, чтобы степень различий результатов автоматизированного контроля компетенций была мала по сравнению с ручным контролем экспертом. По данному определению необходимо подготовить задачи-ситуации, представляющие собой описание условий учебной ситуации и всех необходимых параметров, описание цели, набор используемых инструментов для ее достижения, а также максимальный объем времени на достижение цели. Сформулируем порядок действий реализации данной диагностики.

1. По каждой профессиональной компетенции совместно с экспертами в предметных областях выделить набор контрольных задач-ситуаций, по которым они при очном взаимодействии определяют уровень сформированности компетенции. При этом следует учитывать, что у каждого эксперта набор контрольных задач и точек (параметров) контроля и их приоритет важности будет различным. Поэтому данная информация должна быть атрибутом каждого эксперта. Интегрированный набор контрольных задач станет важным только при подготовке стандартизированного набора задач, принимаемым большинством экспертов на заданный период времени.

2. Формализовать каждый параметр совместно с экспертами, зафиксировать приемы их определения в машинном виде, которые бы устраивали, как эксперта, так и разработчиков программного инструмента диагностики. Данный этап важен, поскольку часто эксперты и педагоги не в состоянии формализовать то, что они оценивают в приемлемом для машины виде. Так как многие вещи у профессионалов происходят на интуитивном уровне. На этом же этапе необходимо подготовить семантическое описание различных значений параметров. Например, в задаче-ситуации по компьютерным сетям необходимо указать шлюз по умолчанию для некоторого клиента в сети. Для этого параметра необходимо описать, что будет означать, если этот параметр указан правильно, а также различные варианты, если настройка указана неверно. В данном случае удобно использовать тезаурус понятий, представленный в виде графа, в узлах которого находятся понятия, свойства, процесс, а ребра есть отношения между этими элементами. Тезаурус понятий по данной предметной области подготавливается на данном этапе. Также необходимо согласовать объем решения, и допустимые погрешности и неточности.

3. Разработать генераторы задач-ситуаций, реализующие среду для организации и решения контрольных задач. Здесь важно добиться того, чтобы задачи были не статическими по данным, а динамически генерировались по некоторым условиям. Например, компетенция «Уметь настраивать сетевые интерфейсы устройств, подключенных к сети». В качестве задачи-ситуации выступает задача по настройке конкретного клиента подключенного к сети. Программная реализация, позволяет отображать некоторую структуру сети в традиционной форме (обозначение узлов, сетей, коммуникационного оборудования), сгенерированной по некоторым параметрам (количество сетей, типы подключения, используемые протоколы и т.д.). Цель обучаемого принять решение по условию задачи и указать настройки для сетевых интерфейсов.

4. Разработать алгоритм выбора задач-ситуаций на основе тезауруса предметной области. Задача алгоритма выбрать необходимое и достаточное число заданий соответствующих типов для диагностики компетенций обучаемого. Вполне возможно, что алгоритм будет принимать решения о генерации следующей задачи по ходу проведения диагностики в зависимости от результатов решения предыдущих задач-ситуаций.

5. Следующим этапом необходимо провести калибровку и настройку средства диагностики. Для этого нужно провести серию испытаний задач-ситуаций. Если количество ошибок программной системы будет в пределах статистической погрешности относительно оценок эксперта, то инструмент будем считать валидным на данном наборе компетенций.

Кроме проблемно-ориентированных заданий, в среде создан модуль для реализации задач с программированным вводом, который можно сравнить с диалогом обучаемого с экзаменатором. Описание действие для опроса тестируемого представляются в виде дерева или графа. В его узлах находятся действия, которые необходимо совершить модулю. Каждый узел состоит из двух структурных частей. Старшая часть это вариант ответа, который может быть распознан алгоритмом. Младшая часть – следующее действие, которое необходимо выполнить. Поскольку описание логики ответов на каждом этапе является в логике высказываний дизъюнктивной нормальной формой, то возможно любое логическое выражение описать в виде элементов такого дереве. Кроме того, с алгоритмической точки зрения, движение этапов по узлам дерева следует сравнивать с линейными конструкциями и условными переходами. С учетом того, что в виде действия, также может быть и переход как какой-либо другой этап в дереве, то следует заключить, что любой алгоритм опроса возможно представить в виде графа-действий. Следовательно, данный вид задания хорошо подходит для описания решения различного рода задач. Особенностью подхода является большее приближение к формальному решению студентами задачи на бумаге.

Анализ и оценка разработки

На организационном уровне разработанное педагогическое программное средство реализует следующие функции:

-         подготовлен модуль реализации заданий с выбором вариантов ответов (тесты первого уровня);

-         создан модуль реализации заданий с установлением правильного порядка и соответствия между объектами (тесты второго уровня);

-         разработан модуль реализации заданий с текстовым вводом, проверкой чисел по абсолютной и относительной погрешности, соответствия строк по регулярным выражениям;

-         создан модуль реализации проблемных задач класса поиска способа действий;

-         создан модуль для реализации задач с программированным вводом, который можно сравнить с диалогом обучаемого с экзаменатором;

-         производится портирование реализации проблемных задач класса поиска условия действий из авторской системы ITiS Learing System;

-         возможно создание сеансов занятий из неограниченного ряда заданий;

-         запуск сеансов в заранее заданных временных рамках (например, преподаватель может создать сеанс для свободного и самостоятельного обучения студентов, который будет длиться весь семестр. Аналогично, создается сеанс контроля знаний, время проведения которого можно настроить вплоть до минуты);

Во время прохождения сеанса выполнения заданий обучаемый решает задачи, выбранные или сгенерированные системой. В ходе выполнения заданий регистрируются действия обучаемого. По итогам выполнения заданий обучаемому и преподавателю представляется исчерпывающий отчет об итогах выполнения заданий. Существует защита от преднамеренной и непреднамеренной модификации заданий во время прохождения сеанса выполнения заданий. Для преподавателя реализован мониторинг за ходом выполнения заданий в реальном времени;

Ведется работа по организации распараллеливания деятельности  по развитию среды с тем, чтобы вовлекать в проект несколько рабочих групп, которым возможно вести разработку в отдельных направлениях.

В настоящее время, с февраля 2011 года, проходит апробация системы с использованием проблемных задач класса поиска способа действия. Исследования проходят на базе Сибирского федерального университета (кафедра прикладной математики и компьютерной безопасности), Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева (кафедра информатики и вычислительной техники), филиала КГПУ в г. Ачинске, а также Ачинского техникума нефти и газа. Часть работ проекта, а именно по разработке задач с программированным вводом, поддержана грантом АВЦП РНП, код проекта 3.1.1/1954 «Интегративно-компетентностное обучение студентов математическим и информационным дисциплинам в условиях Болонского процесса».

Заключение

В статье представлена краткая характеристика открытой научной образовательной среды, как инструмента решения ряда образовательных и научных задач. Раскрывается порядок использования моделирования проблемных ситуаций с помощью экспертных систем и разрешения их с применением обратных выводов в качестве метода исследования организации проблемного подхода в обучении. Также обозначено возможности моделирования обучения с помощью методов оптимизации стохастических процессов с дискретным контролем времени как метода исследования в области реализации компетентностного обучения с помощью проблемного подхода. Представлена концепция и основные отличия разрабатываемой программной среды. Сформулированы ее цели и задачи, рассмотрены функции и архитектурные компоненты. Представлены пути реализации проблемного обучения с помощью программных средств. Обосновано использование проблемных задач для развития профессиональных компетенций и реализации компетентностного обучения. Выявлено диалектическое единство между задачами поиска и устранения проблемных ситуаций в дисциплинах информационного цикла и задачами поиска способа решения в математических и физических задач. Представлено, каким образом ведется работа по развития и совершенствованию открытой научной образовательной среды openSEE (open Scientific Educational Environment, свидетельство) в рамках проектов Сибирского федерального университета, Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева, филиала КГПУ в г. Ачинске, а также Ачинского техникума нефти и газа. Открытая научная образовательная среда openSEE доступна по адресу http://opensee.achtng.ru.

Литература

1.       Андреев А.Л. Компетентностная парадигма в образовании: опыт философско-методологического анализа. // Педагогика. 2005. №4. – C. 19-27.

2.       Зимняя И.А. Ключевые компетенции - новая парадигма результата образования // Высшее образование сегодня. 2003. № 5. – С.34-42.

3.       Кузнецов А.А., Семенов А.Л., Бешенков С.А., Кушниренко А.Г. Примерная программа по информатике и ИКТ (VII-IX классы) // Информатика и образование. 2010. №11. – С.3–28.

4.       Селевко Г.К. Современные образовательные технологии: учебное пособие. М.: Народное образование, 1998. – 256 с.

5.       Лернер И.Я. Проблемное обучение. М. 1974. – 64с.

6.       Матюшкин А.М. Проблемные ситуации в мышлении и обучении. М. 1972. – 208 с.

7.       Махмутов, М.И. Организация проблемного обучения в школе. М.: Педагогика. 1977. – 240с.

8.       Буторин Д.Н. Машинная реализация методики проблемного обучения студентов информатике в программной среде: Монография. Красноярск: Изд-во Краснояр. гос. пед. ун-та им. В.П. Астафьева, 2010. – 124 с.

9.       Буторин Д.Н. Применение методов оптимизации стохастических процессов с дискретным контролем для решения задачи автоматизированного обучения в образовательном процессе // Информатизация педагогического образования: материалы международной научно-практической конференции. Екатеринбург. 2007. Ч. 1. – C.124–128.

10.    Буторин Д.Н. Электронный информационный образовательный ресурс: Открытая научная образовательная среда openSEE / Хроники объединенного фонда электронных ресурсов // Наука и образование. № 2. 2011. URL: http://ofernio.ru/portal/newspaper/ofernio/2011/2.doc (дата обращения: 24.06.2011).

11.    Пак Н.И. Проективный подход в обучении как информационный процесс: монография.  Красноярск: Краснояр. гос. пед. ун-т им. В.П. Астафьева. 2008. – 112 с.

12.    Пак Н.И. Сущность обучения с позиций информационного подхода // Открытое образование. Краснояр. гос. пед. ун-т им. В.П. Астафьева. 2011. – С.3-9.

13.    Буторин Д.Н. Интеллектуальная адаптивная обучающая система для дистанционного образования // Информатика и образование. 2007. №10. – С.126–128.

14.    Буторин Д.Н. Различные аспекты интеллектуальной обучающей системы основанной на проблемных ситуациях // Вестник СибГАУ. 2008. №2(19). – С.100–104.

15.    Буторин Д.Н. Практическое внедрение проективной обучающей системы в педагогическую практику // Информатика и образование. 2008. №6. – С.100–103.