Educational Technology & Society 6(3) 2003
ISSN 1436-4522
pp. 154-163

Методология и средства повышения степени интеллектуализации ИТ-учебного процесса

И.Л.Надточий, И.Л.Кафтанников
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
nil@chel.com.ru, kil@chel.com.ru

АННОТАЦИЯ

Рассматриваются вопросы применения интеллектуальных информационных технологий для организации учебного процесса по дисциплинам, в основе которых лежат информационные технологии (ИТ) в различных формах обучения, реализуемых кафедрой «Электронные вычислительные машины» Южно-Уральского государственного университета. Предлагаемая Интеллектуальная инструментальная среда (ИнС) поддержки ИТ-учебного процесса, повышающая степень интеллектуализации автоматизированных средств обучения, позволит отследить бурное развитие ИТ-технологий, которое требует постоянного обновления всех компонент учебного процесса, а также технологий модификации его организации; эффективно организовать учебный процесс и управлять им.Предлагается методология разработки интеллектуального образовательного пула корпоративного сайта кафедры.

Ключевые слова
Интеллектуальная инструментальная среда, образовательный пул сайта, модель обучаемого, учебный процесс, ДО-компонент, моделирование процессов.

 

1. Введение

Стремительное развитие Веб-технологий, большие возможности обеспечения компьютерной поддержки для различных уровней и объемов предоставляемых образовательных услуг, выводят на первый план вопросы эффективности организации многоступенчатой и многосторонней ИТ - поддержки учебного процесса.
Средством достижения указанных целей является системная интеграция информационных и Internet-технологий. Под системной интеграцией, понимается целенаправленное объединение существующих и/или разрабатываемых информационных проектов в целостную систему, обеспечивающую заданные требования, как самих элементов учебного процесса, так и условий их взаимодействия. Одновременно, под интеграцией следует понимать также собственно процесс технического объединения информационных объектов.
Повысить эффективность инструментального программного обеспечения предлагается за счет использования интеллектуальных средств моделирования процессов обучения, и использования Internet-технологий для создания интеллектуального образовательного пула на сайте учебного подразделения.

2. Организация учебного процесса в Интеллектуальной инструментальной среде

Внедряемая на кафедре ЭВМ Интеллектуальная инструментальная среда (ИнС) [Кафтанников И. Л., Надточий И. Л. 1999; Надточий И. Л., Кафтанников 2002] призвана реализовать основную идею обеспечения системной интеграции информационных технологий. Эта идея заключается в том, чтобы совокупность информационных технологий сопровождала обучаемого с момента начала обучения до достижения им профессионального уровня и далее в рамках послевузовского образования. Желательно на протяжении всего обучения «существовать» в единой информационно-образовательной среде, повышая, возможно, лишь степень сложности изучаемых дисциплин. Такая среда должна позволять интегрировать в себе как традиционные, так и новые методы обучения, а также современные информационные технологии. Это должно происходить как на стадии создания обучающих компонент, так и в процессе их использования.
Еще одной задачей, решаемой при помощи интегрированной среды, является обеспечение наследования средств контроля «выживаемости» знаний по предыдущим дисциплинам и возможность организации повторения предыдущего материала без участия соответствующего преподавателя.
Текущая версия системы проблемно ориентирована на ИТ-дисциплины. Основным назначением ИнС является помощь студентам в обучении основам алгоритмизации на лекционных занятиях (с применением мультимедийного проектора), при выполнении практических и лабораторных занятий, самостоятельных работ, курсовом и дипломном проектировании. В основе этой помощи лежит классификация задач по типам, осуществляемая на базе:

Структурно ИнС состоит из трех независимо работающих частей: ИнС может работать в нескольких режимах: коллоквиума, тренажера и экзаменатора. Режим коллоквиума – традиционный, реализован для совместимости системы с предыдущими методиками преподавания. При работе в этом режиме система не обладает какой-либо информацией о задаче сформулированной преподавателем. Естественно, что вся весь контроль и ответственность за правильность ответов на вопросы, заложенные в среду, обеспечивает преподаватель. Среда не имеет возможности в этом режиме контролировать корректность ответов и вмешиваться в процесс. Применение режима коллоквиума предлагается на начальных этапах тематического обучения, для отработки элементов и основных понятий тематики.
После успешной сдачи коллоквиума ИнС предоставляет пользователю возможность расширенного выбора фрагментов более высокого уровня, например, просмотр алгоритмов, схем, описаний методов или примеры решения проблемы, предлагаемой на коллоквиуме, а также начала работы со следующей проблемой. Режим коллоквиума предназначен для выработки у студента навыков осмысленной работы с интеллектуальной частью ИнС. Коллоквиум может проводится как в дисплейной классе при проведении лабораторного или практического задания, так в режиме дистанционного обучения (здесь различают on-line-коллоквиум и свободный коллоквиум над задачами, заданными для самостоятельной проработки).
По окончании коллоквиума, ИнС может (по требованию преподавателя) сравнить результат с эталонным, и при существенном несовпадении предложить студенту повторить коллоквиум. При этом система протоколирует ход выполнения задания, что дает преподавателю возможность оценить, насколько осмысленно работал студент с обучающими средствами.
В режиме тренажера интеллектуальная среда сама предлагает студенту задачи из имеющегося в базе знаний списка, тип каждой из которых известен. Режим тренажера позволяет в полной мере реализовать задачи моделирования различных изучаемых процессов. Эффективность компьютерного эксперимента связана в данном случае с возможностью быстрого проведения комплекса исследований при различных условиях (значениях параметров) и его визуальной наглядностью. Работа с моделью предполагает следующие этапы: Режим экзаменатора достаточно традиционен, однако ИнС позволяет настроить проведение экзамена на локальные требования преподавателей. Преподаватель самостоятельно может настроить режимы проведения теста и параметры оценки результата. Характерно, что подготовка материала для всех режимов, может осуществляться локально. Основными требованиями, положенными в основу разработки автоматизированных обучающих средств с повышенной степенью интеллектуальности, являются наличие унифицированного интерфейса обучаемого и многофункциональность по элементам обучения. Система должна охватывать все аспекты преподавания и изучения дисциплины: содержит теоретический материал (лекционный материал в режиме презентаций или действующих программных систем, систем моделирования и т. п.), обеспечивает контроль усвоения материала и выполнение практического задания или лабораторной работы, а также дает возможность наглядного представления и оформления полученных результатов.
Основной принцип подачи теоретического материала: сведение к минимуму текстовой информации (с использованием гиперссылок), широкое использование графического представления.
Тестирование проводится на основе базы тестовых вопросов и вариантов ответов, которые формируются при загрузке системы случайным образом. Интеллектуальность режима тестирования сводится к попытке выяснения темы или раздела, неусвоенного обучаемым, сохранения истории ответов, адаптации теста на способность студента воспринимать изучаемый результат.
После окончания цикла опроса системой выставляется оценка (и если необходимо рейтинг) и предоставляется информация о допущенных ошибках, а также ссылки на соответствующий теоретический материал.

3. Использование Internet-технологий в ИнС

Образовательный пул сайта кафедры ЭВМ Южно-Уральского государственного университета в составе Интеллектуальной инструментальной среды позволяет активно участвовать в организации учебного процесса обеим сторонам образовательного процесса. Работа обучаемого в среде ОПС начинается от простого информирования абитуриентов о требованиях, предъявляемых к будущим студентам специальности до проведения всего комплекса дистанционного обучения по конкретной дисциплине.
Основу ОПС составляет совокупность моделей, начиная от простой презентационной модели (Internet-технологии используются как глобальная информационная магистраль) и до реализации экспертной модели обучаемого. При этом ОПС является быстрым и надежным средством коммуникации для преподавателей кафедры, в этом случае данный фрагмент строится по закрытой модели, под которой понимается с одной стороны, максимальная защищенность информации, предоставляемой преподавателем на ОПС от изменений (взлома), а с другой – возможность установления преподавателем уровней доступа студентов к этой информации. Здесь Internet-технологии используются для решения корпоративных с точки зрения кафедры университета задач. Для решения определенных задач используется комплексная модель, когда образовательный пул сайта является и информатором для студентов или потенциальных студентов и коммуникатором для сотрудников кафедры и других сотрудников университета, взаимодействующих с кафедрой. В этом случае предусматривается реализация технологии разграничения доступа к ресурсам ОПС. Иными словами, ОПС может являться базовым элементом корпоративной информационной системы факультета или учебного заведения в целом.
На ОПС кафедры могут быть представлены:

Для доступа к представленной информации в ОПС осуществляется разграничение доступа посредством создания нескольких «уровней компетентности», которые также могут состоять из нескольких «подуровней».
Internet-технологии кардинально упрощают документооборот кафедры, который становится все более объемным. На ОПС возможно использование баз данных любой степени сложности, что позволяет реализовать функции управления учебным процессом (списки, ведомости, рейтинги и т.п.).
Критериями оценки образовательного пула сайта кафедры могут служить: Основные требования, предъявляемые к интерфейсу ОПС: легкость освоения и использования, надежность (защита данных от несанкционированных действий), стандартизация, использование типовой навигации или иерархической схемы интерфейса пользователя. В разработке использована идея многооконного интерфейса, который в основном удовлетворяет перечисленным требованиям.
Примерный план разработки ОПС представлен на рис. 1.



Рис.1. План разработки образовательного пула сайта (ОПС).

4. Методология создания интеллектуальной среды

Основными посылками при разработке методологии создания интеллектуальной инструментальной среды ИнС являются традиционные для систем искусственного интеллекта начальный опыт и обратная связь, которые в своей совокупности привносят в процесс обучения обращение к тому, что уже известно ранее. При этом любое индивидуальное знание может варьироваться в зависимости от таких факторов, как способности обучаемого, личный опыт, обучаемость и т.д.
Аналогичные процессы должны происходить в "хорошей", глубоко продуманной интеллектуальной среде ИнС.
Интеллектуальные компоненты построены по типу прототипных экспертных систем.Общая идея тут состоит в том, чтобы создать некоторую систему-прототип, затратив на ее создание достаточно много усилий. Но затем использовать ее как каркас для решения задач в конкретной предметной области (дисциплине). Если в системе-прототипе заранее зафиксированы все средства заполнения базы знаний и манипулирования знаниями в ней, но сама база знаний не заполнена, то такая инструментальная система называется «пустой». Чтобы «настроить» ее на некоторую предметную область, преподаватель (или студент) должен, используя готовую форму представления знаний, ввести в базу знаний всю необходимую информацию о предметной области. После этого компонент-прототип превращается в интеллектуальный компонент.
Прототипная система является усеченной версией экспертной системы, спроектированной для проверки правильности фактов, связей и стратегий рассуждения обучаемого как эксперта. Такой компонент дает возможность преподавателю как «специалисту» по знаниям привлечь студента именно как эксперта к активному участию в разработке интеллектуального компонента и, следовательно, к активизации его усилий для решения проблемы (задания) в полном объеме. Такие же прототипы могут реализовать модель обучаемого и выполнять другие функции, требующие «интеллектуальных» методов разрешения.
Жизненный цикл такого компонента показан на рис. 2.



Рис.2. Жизненный цикл интеллектуального компонента ИнС.

Объем прототипа – это несколько десятков правил, фреймов или примеров. Здесь наиболее интересным является процесс разработки прототипа, включающая в себя идентификацию, представляющую собой создание неформальной формулировки проблемы (задания), извлечение знаний, в рамках которого происходит перенос компетентности преподавателя как эксперта на студентов с использованием различных методов. Извлечение знаний предполагает анализ текстов, диалоги, лекции, дискуссии (форумы), то есть глубокое знакомство и обучение пары преподаватель - студент или бригада студентов. В результате у студентов формируется, возможно, полное представление о предметной области и знания по решению задач в ней.
Структурирование или концептуализация знаний призвана выявить структуру полученных знаний о предметной области, т.е. определяются терминология; список основных понятий и их атрибутов; отношения между понятиями; структура входной и выходной информации; стратегия принятия решений; ограничения стратегий и т.д. Концептуализация знаний — это разработка неформального описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области.
Фаза формализации позволяет построить представление концепций предметной области, например, на основе выбранного языка представления знаний (ЯПЗ). Традиционно на этом этапе используются: логические методы (исчисления предикатов 1 порядка и др.); продукционные модели (с прямым и обратным выводом); семантические сети; фреймы; объектно-ориентированные языки, основанные на иерархии классов, объектов и др. В результате создается база (или базы) знаний на языке, который, с одной стороны, соответствует структуре поля знаний, а с другой - позволяет реализовать прототип системы на следующей стадии программной реализации.
Создается прототип интеллектуального компонента, системы, включающий базу знаний и остальные блоки, при помощи одного из следующих способов: Под реализацией понимается разработка программного комплекса, проверка жизнеспособности подхода в целом. Чаще всего первый прототип отбрасывается на этапе реализации действующего компонента.
На этапе тестирования оценивается и проверяется работа прототипа интеллектуального компонента с целью приведения в соответствие с реальными запросами пользователей. Прототип проверяется на: удобство и адекватность интерфейсов ввода-вывода (характер вопросов в диалоге, связность выводимого текста результата и др.), эффективность стратегии управления (порядок перебора, возможно использование нечеткого вывода и др.); качество проверочных примеров; корректность базы знаний (полнота и непротиворечивость правил).
Предлагаемую методологию организации учебного процесса с применением компьютерных технологий можно описать следующим образом: имеется некоторая цель обучения, выраженная в терминах текущих характеристик обучаемого. До тех пор, пока цель не достигнута, осуществляются действия в такой последовательности: ИнС можно представить совокупностью трех взаимодействующих систем: средства по решению задач в изучаемой предметной области; средства по диагностике ошибок обучаемого; средства по планированию процесса управления обучением.
Основные проблемы, которые решены при создании программного и методического обеспечения ИнС.
  1. Представление знаний о предметных областях, связанных с общеобразовательными и специальными дисциплинами, подлежащих изучению, в форме, необходимой для автоматизированной обработки. Эта проблема формализации и представления знаний по отдельной дисциплине учебного плана специальности.
  2. Разработка моделей статистической обработки данных об автоматизированном учебном процессе, в основе которых должны быть методы распознавания и классификации.
  3. Создание средств образного анализа обработки экспертных знаний с целью "сжатия" статистической информации и формирования выводов, обеспечивающих оперативное принятие управляющих решений в ИнС.
  4. Разработка программных средств представления информационных порций, подлежащих изучению, в наглядной форме, релевантные образному восприятию, свойственному человеку (различного рода мультимедийные средства).
  5. Разработка средств автоматизации труда преподавателей с машинными информационными массивами данных и знаний по заданной предметной области.
  6. Интеллектуализация обмена информации между обучаемым и преподавателем с компьютером на основе лингвистических средств общения в рамках интерфейса пользователя, на языках программирования или даже на естественном языке профессиональной прозы в заданной ограниченной области знаний, подлежащих изучению.

5. Особенности функционирования интеллектуального компонента

Нетрадиционно в ИнС решается проблема организации баз знаний (БЗ). В системе как минимум можно выделить три разнородные базы:

Формально модель ученика может быть представлена пятеркой объектов вида:

<PR, CZ, T, H, K>

Где: В ИнС реализованы различные методы обновления модели. Основной функцией модуля поддержки модели является определение текущего состояния знаний обучаемого на основе его наблюдаемого поведения.
В качестве примера сгенерирована интеллектуальная среда «ИТ-профи» [Надточий И. Л. 1999], предназначенная для комплексной проверки знаний в рамках специальности "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" (220100) на основе генерации различных по сложности и уровню подготовки и тематикам (по курсам, разделам курсов, по циклам) тестов и комплексов тестов. В системе предусмотрена автоматическая адаптация на уровень знаний тестируемого, при этом оценка соответствующим образом корректируется. База знаний позволяет осуществлять генерацию тестов и его оценочную стоимость. Обработка результатов автоматизирована, но допускает коррекцию со стороны модуля «Преподаватель». Для тестов цикла «Программирование» предусмотрена возможность запускать программы на исполнение, если они написаны на таких языках, как VB, Паскаль, С ++, Ассемблер или с использованием макросредств некоторых интегрированных пакетов.
Интересным приложением использования средств ИнС является генерация методических комплексов конкретных дисциплин. Так, для дисциплин, условно названных «Информатика», состав такого комплекса будет иметь следующую структуру:

6. Реализация компонент в интеллектуальной инструментальной среде

Процесс генерации различных компонент информационной системы как универсальной обучающей системы в рамках объектно-ориентированной технологии представлен на рис. 3.



Рис. 3.Разработка компонент в инструментальной среде.

Инструментальная среда управляет исполнением кода и обеспечивает сервисами, упрощающими процесс разработки. Транслятор и соответствующие утилиты расширяют функциональность и позволяют создавать код, использующий все преимущества управляемой среды выполнения программ. В результате разработчики получают следующие преимущества: ИнС позволяет более легко разрабатывать компоненты и приложения, взаимодействующие объекты которых написаны с использованием различных инструментальных средств. Созданные объекты, могут легко взаимодействовать друг с другом, и их поведение тесно интегрировано.
Так, компонент, призванный поддерживать дистанционное обучение (ДО-компонент), использующий описанную технологию, представляет собой обучающую систему с накоплением информации, управляемую правилами, т.е. систему с повышенной степенью интеллектуальности [Кафтанников И. Л., Надточий И. Л. 1999], [Надточий И. Л. 1999] Вершины, как и ребра, могут создаваться, модифицироваться и уничтожаться. При генерации вершины преподаватель (или администратор) имеет возможность непосредственно указывать файлы, находящиеся на локальном диске. Именно для обеспечения этой возможности компонента Редактор учебных курсов выступает как традиционный управляющий элемент, который должен функционировать непосредственно на сервере ДО-компонент системы, поскольку все остальные функции ДО-компонента могут выполняться и удаленно, через Internet. Более того, ДО- компонент может функционировать удаленно как Java-апплет, только без функций работы с локальным диском (что делает работу менее удобной).
Некоторые вершины курса могут быть помечены как обязательные для посещения. Одна из вершин должна быть назначена как стартовая. В реализованном ДО-компоненте осуществляется автоматическое преобразование локальных адресов файловой системы в URL, при этом используется специальная таблица соответствия локальных и сетевых адресов, вся работа с которой также происходит в рамках данной программы.
Рабочее место обучаемого — это часть ДО-компонента которую видит перед собой обучаемый в процессе обучения. В качестве основы может быть использован любой браузер, поддерживающая элемент языка HTML “фрейм” (независимая подобласть в окне просмотра) и способная исполнять Java-апплет. При этом в фрейме расположен управляющий Java-апплет, который высылает запрос конкретной реализации на SQL-сервер и управляет входом обучаемого в ДО-компонент, продвижением его по учебному курсу и выходом из ДО-системы. Именно этот апплет принимает решение о том, какое из возможных перемещений будет сделано после изучения некоторой вершины (на основе протокола и модели обучаемого).
В другом фрейме отображаются материалы учебного курса, загруженные управляющим апплетом с сервера ДО-компонента по протоколу HTTP. Это могут быть документы HTML, Java-апплеты, виртуальные миры VRML, графика, видео- и аудиоданные, т.е. любые документы. В этом же фрейме отображаются все тесты и контрольные работы, тексты семестровых заданий и коллоквиумов, которые студент должен выполнять в процессе обучения.
Основная деятельность администратора ДО-системы состоит в учете всех, кто имеет доступ к СДО, – обучаемых и обучающих. Пользователи ДО-системы подразделяются на три группы: администраторы, преподаватели и обучаемые.
Программное обеспечение реализованной версии ИнС [Надточий И. Л., Кафтанников 2002] содержит два глобальных компонента: В целом в ИнС реализован широко применяемый в практике разработки корпоративных систем уровня предприятия (MRP, ERP-системы) принцип смещения бизнес-логики реализуемого процесса (в данном случае - учебного) в ядро создаваемой системы с максимальным использованием инструментария, в том числе и интеллектуального, используемого в Internet-технологиях. Такой «Web-центризм» подразумевает Internet-ориентированность всех компонент интеллектуальной инструментальной среды поддержки учебного процесса.

Литература

[Кафтанников И.Л., Надточий И.Л., 1999] Кафтанников И.Л., Надточий И.Л. Организационно-методическое обеспечение многоуровневого непрерывного образования в области информационных технологий // IX Международная конференция-выставка "Информационные технологии в образовании": Сб.трудов. Часть III.— М.: МИФИ, 1999.— С.78-80.
[Надточий И.Л. 1999] Надточий И.Л. Современные технологии программирования на Windows- платформе: Учебное пособие.— Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1999. — 75 с.
[Надточий И.Л., Кафтанников И.Л., 2002] Надточий И.Л., Кафтанников И.Л. Технология повышения степени интеллектуализации при организации компьютерного образования // Труды Международной конференции “IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies”, 9-12 сентября 2002. —Казань. — С.397-401.