Educational Technology & Society 8(2) 2005
ISSN 1436-4522
pp. 298-312

Виртуальный преподаватель "ИНФОРМГИДРО"

Л.Н. Раинкина
Российский государственный университет нефти и газа
им. И. М. Губкина, Москва, Россия
larrain@rol.ru

АННОТАЦИЯ
На современном этапе информатизации образования дальнейший прогресс в этой области многие исследователи связывают с возможностью программирования интеллектуальных функций Учителя. В статье представлена информационная технология обучения (ИТО) гидромеханике, в которой компьютер используется в роли своеобразного виртуального преподавателя. Ядром технологии являются обучающие программы, в которых изучение теоретических основ в справочном файле и контроль усвоения объединены во времени. Базовые понятия, фундаментальные законы, связи и соотношения дисциплины самостоятельно усваиваются студентом при достижении им множества конкретных и ясных целей: решении задачи, при поиске ответа на задания текущего контроля, при прохождении входного контроля на допуск к выполнению лабораторной работы, при защите лабораторной работы и др. На примере ИТО "ИнформГидро" показана возможность перевода в электронный вид всех звеньев педагогической системы: форм, методов, средств обучения и контроля, способов деятельности.

Ключевые слова
обучение, виртуальный преподаватель, гидромеханика, открытое образование.

 

1. Введение

В настоящее время создано огромное количество различных компьютерных программ учебного назначения, однако, как показала практика, существенного влияния на учебный процесс они не оказывают. Компьютер в обучении используется, в основном, как заменитель традиционных средств обучения.
В существующих компьютерных средствах обучения, как правило, реализуются информационный и контрольный этапы. Содержание дисциплины можно очень наглядно представить с использованием различных мультимедийных средств. После работы с электронным учебником учащийся выполняет контрольный тест, по результатам которого делается вывод о достижении целей обучения.
Для такой педагогической технологии характерно разделение информационного и контрольного этапа во времени. Это приводит к тому, что вообще-то безразлично, по какому учебнику изучать содержание дисциплины – по электронному или обычному (многие исследователи склоняются к мысли, что электронный текст с картинками не учит, а читать лучше книгу). Более того, для учащегося остается возможность «маневра» – попытка сдать контрольный тест без изучения содержания дисциплины, наугад. Если есть возможность сдавать тест несколько раз, эта попытка может оказаться удачной. Поэтому не факт, что такая компьютерная технология однозначно приводит к повышению эффективности и качества обучения.
Но ещё более серьёзным недостатком такой технологии является нереализованная возможность активного диалога в системе «обучающий – обучающийся», который может проводиться посредством компьютера при использовании его интерактивности. Упор в большинстве применяемых компьютерных программ делается на наглядность, которая с помощью компьютера реализуется, конечно, чрезвычайно эффективно. Однако зачастую все этим и ограничивается, поскольку программы, по сути дела, являются демонстрационными. Основным содержанием обучающих систем остаются знания, а деятельности по обработке и усвоению этих знаний учеником, в чем, собственно, и заключается смысл обучения, отводится второстепенная роль, как правило, иллюстративная.
Дальнейший прогресс в области применения информационных технологий в образовании возможен при программировании интеллектуальных функций Учителя.
Интеллектуальные функции преподавателя сводятся, в основном, к формированию у учащегося неких умений через передачу знаний, текущую оценку восприятия этих знаний учеником и в итоговом контроле наличия у него требуемых умений, то есть степени достижения цели. Наилучшим образом решить эту задачу возможно при обучении в режиме диалога, когда учитель задает вопрос (и не любой вопрос, а мировоззренческий, касающийся сущности проблемы), ученик ищет пути решения в справочной информации (конечно же, явного ответа там нет), учитель оценивает его ответ, указывает на ошибки, отвечает на возникшие вопросы и т.д. до полного решения проблемы учеником. Режим диалога невозможен без включения рефлексии ученика, он вынужден оценивать свою собственную деятельность и при этом происходит формирование его тезауруса, то есть самообучение при активной помощи учителя.
В традиционном учебном процессе дневной формы обучения, когда студент учится «с голоса» во время занятий по расписанию, когда учеба превращается в «конвейер знаний», движущийся с непосильной для большинства студентов скоростью и обучение является групповым, реализовать режим диалога и самостоятельную управляемую работу учащегося практически невозможно. Тем более невозможно индивидуальное обучение при получении образования дистанционно, когда преподаватель физически отсутствует рядом с учеником.
В данной статье предлагается технология обучения, в которой в роли преподавателя выступает компьютер. В информационной обучающей системе «ИнформГидро» сделана попытка использовать интерактивность компьютера для реализации активного диалога в системе «обучающий – обучающийся» и запрограммировать (в определенной степени, конечно) интеллектуальные функции преподавателя.

2. Постановка проблемы

Поставлена задача перевода в электронный вид процесса обучения гидромеханике. Этот предмет входит в естественнонаучный цикл дисциплин, составляющий основу инженерных знаний. Для предметов этого цикла (математика, физика, теоретическая механика, сопротивление материалов, гидромеханика, термодинамика и другие) характерно:

  1. Наличие логики построения дисциплины, что упрощает формализацию и решение поставленной задачи – с одной стороны.
  2. Наличие большого количества формул, рисунков, графиков, схем, что существенно усложняет задачу – с другой стороны.
  3. Необходимо не только теоретическое обучение, но и лабораторный практикум, и приобретение навыков по решению задач – это требует разработки виртуального аналога лабораторного практикума и обучающих программ по решению задач.
  4. Кроме этого, существует общая проблема создания обучающих программ, позволяющих сформировать систему знаний по предмету, а также контроля и оценки знаний вообще и системных знаний в частности. Данную проблему необходимо решать.
В результате обучения по этой технологии предполагается:

3. Основное содержание обучающей системы

Ядром технологии являются обучающие программы, в которых изучение теоретических основ в справочном файле и контроль усвоения объединены во времени. Базовые понятия, фундаментальные законы, связи и соотношения дисциплины самостоятельно усваиваются студентом при достижении им множества конкретных и ясных целей: решении задачи, поиске ответа на задания текущего контроля, прохождении входного контроля на допуск к выполнению лабораторной работы, защите лабораторной работы и др.
Технология обучения построена по модульному принципу. Для каждого модуля имеется:

Общими для всей технологии являются тестовые программы для текущего и итогового контроля, а также оперативная база данных для отслеживания хода учебного процесса.
В настоящее время создана работающая версия виртуального преподавателя «ИнформГидро» в среде программирования Visual Basic 6. Программное обеспечение общим объёмом ?70 Мбайт содержит: Требования к системе и инсталляция:
Операционная система Window’s 95 и выше, NT, XP.
Необходимое оборудование: MS Office 2000 Pro, Visual Basic 6.
Программное обеспечение может устанавливаться в локальной сети учебного заведения, а также использоваться в качестве обучающей кейс-технологии.

4. Программирование функций обучения и контроля

При решении большинства учебных проблем учитель должен:

Для выполнения всех этих действий разработаны обучающие программы, которые состоят из интерактивных интерфейсов, позволяющих вести диалог компьютер-студент, справочных файлов и оперативной базы данных для учета деятельности учащегося.
В данной информационной системе разработано несколько типов интерфейсов в зависимости от назначения обучающей программы.

4.1. Обучающие программы по решению задач

Пример базового интерфейса такой программы приведен на рис. 1.




Рис. 1. Базовый интерфейс обучающей программы по решению задач.


Перед работой студент вводит свой шифр в текстовое поле и входит в программу. Далее он выбирает для работы любую задачу из списка. При выборе задачи 10 появляется интерфейс, изображенный на рис. 2.




Рис. 2. Интерфейс задачи 10 после решения и реакции программы на неправильный ответ.


В текстовом поле приводится условие задачи и некоторые методические указания по её решению. Исходные данные задает генератор случайных чисел. Для получения максимального балла необходимо правильно вычислить все величины, указанные в задании и записать их в соответствующие текстовые поля с заданной точностью. После этого нажать на кнопку «Результат» и узнать реакцию программы. Если хотя бы одна величина вычислена неверно, программа предлагает воспользоваться справочным файлом (рис. 2), и после нажатия кнопки «Справка» появляется интерфейс справочной системы, изображенный на рис. 3.




Рис. 3. Интерфейс справочной системы.


Работа студента со справочным файлом является ключевым моментом в программе. В настоящее время почти общепринятой является точка зрения, что теоретические мультимедийные электронные курсы малопригодны для регулярного изучения логических дисциплин, нацеленных на понимание существа дела. Вряд ли студент будет изучать электронный курс просто для того, чтобы познакомиться с предметом и пополнить свои знания, если для этой цели можно использовать обычный учебник. Если же справочная информация включена в обучающую программу, и без неё невозможно решить задачу или выполнить лабораторную работу, то это уже совсем другое дело!
Для того, чтобы студент мог разобраться в проблеме и сформировать для себя некую систему, компьютер должен выступать в роли учителя и советчика. Для таких целей мало уместен «телеграфный» стиль изложения, необходимо указывать «подводные камни» при изучении темы, постоянно подчеркивать и даже повторять основные методологические аспекты.
Справочная информация в каждом конкретном случае должна быть адресной и предназначаться для решения конкретного вопроса. Необходимая глубина понимания существа дела достигается с помощью гиперссылок (можно посмотреть вывод формулы, трактовку и сферу применения физического закона, «освежить» в памяти то или иное понятие, (рис. 4).
Справочные файлы подготовлены при использовании современной утилиты HTML Help Workshop, которая позволяет компилировать исходные файлы в формате HTML в файл проекта справочной системы, обеспечивает поддержку оглавления, предметного указателя и ссылок на другие разделы. Созданы всплывающие окна с контекстными подсказками и определениями. Имеется возможность вызвать из справочного файла обучающую программу, просмотреть видеоклип и проиграть звуковой файл.
После правильного определения всех величин, программа выставляет оценку в баллах в зависимости от числа обращений к справочному файлу (рис. 1). Если задача сразу решена верно, оценка максимальна, каждая неудача снижает количество баллов в два раза.
Предусмотрена возможность выхода из программы и возобновления работы с решения любой задачи.
Результаты имеют накопительный характер. По желанию студента тренинг можно проводить до получения максимального числа баллов по каждой задаче.




Рис. 4. Просмотр информации в процессе решения задачи с помощью гиперссылки.


Задачи в обучающей программе предлагаются по схеме от простого к сложному. При определенной заинтересованности студента, он в процессе решения задач формирует для себя и усваивает необходимое мировоззренческое ядро знаний по разделу курса, то есть обучается (обучает себя).

4.2. Обучающие программы по усвоению аппарата понятий и теоретических основ

Обучающие программы состоят из ряда тестов различного типа. Самые простые предлагают учащемуся выбрать правильный ответ из четырех предложенных вариантов (рис. 5).




Рис. 5. Интерфейс простой обучающей программы для усвоения теоретических основ.


Для выбора ответа нужно нажать мышью на соответствующее место в форме. При неправильном ответе студент отправляется к справочному файлу. После каждого обращения к справочному файлу оценка снижается на один балл. В случае трех неправильных ответов студент принудительно удаляется из программы. Результат направляется в базу данных. Количество попыток не ограничено. Студент может выполнять программу несколько раз до получения максимальной оценки.
Более сложные программы представляют тест с несколькими правильными ответами (рис. 6).




Рис. 6. Тестовое задание с несколькими правильными ответами.


Выбор считается верным, если выбраны все правильные ответы. При каждой новой загрузке программы варианты ответов меняются местами случайным образом. При неправильном выборе необходимо открыть справочный файл, проработать теоретические основы тестового задания и попробовать еще раз. Однако при правильном (уже вторичном) выборе число зачетных баллов уменьшается в два раза.
Если не удалось выбрать правильные ответы с третьего раза, программа выставляет оценку "0 баллов" и можно перейти к следующему заданию.

4.3. Итоговый контроль результатов обучения

Основная цель тестирования при контроле качества обучения – установить степень достижения целей обучения каждым студентом, независимо от достижений других членов группы. Для этого служат критериально-ориентированные тесты, в которых задания должны соотноситься с уровнями усвоения знаний. Согласно авторам [Кальней С.Г. и др., 2003], можно выделить следующие уровни:

Для осуществления итогового контроля представлено большое количество тестовых заданий различных типов не ниже четвертого уровня усвоения знаний. Разработаны разные варианты компьютерного экзамена, в том числе с учетом времени ответа на задание.
В данной технологии используются все четыре известные формы тестов: открытая форма (написать ответ), выбрать один или несколько правильных ответов, установить соответствие и установить правильную последовательность.
В тестовом задании (рис. 7) анализируется некое понятие или физический закон в разных практических проявлениях. Для его характеристики предлагается семь утверждений, из них четыре, пять или шесть истинных, остальные ложные. При каждой новой загрузке программы порядок ответов в списке задает генератор случайных чисел. На каждое понятие предлагается несколько заданий, которые выбираются случайным образом. Выбор считается верным, если выбраны все правильные ответы. Таким образом, для гарантированного правильного ответа на задание студент должен из более чем трех десятков утверждений выбрать 25-28 истинных. Это задание относится к пятому уровню – «фрагментарное понимание».
На рис. 8 приведен пример другого типа тестового задания.




Рис. 7. Пример задания для итогового контроля на выбор нескольких правильных ответов.


При проведении итогового контроля важно отметить следующее.




Рис. 8. Тест на установление соответствия.


4.4. Текущий контроль и самоконтроль

Для того, чтобы студент мог выполнять задания итогового контроля, он должен заранее знать, что от него требуется и в соответствии с этим строить свою индивидуальную траекторию обучения.
Задания для самоконтроля по форме и содержанию похожи на таковые для итогового контроля. Отличия – «мягкая» рейтинговая оценка и возможность пользоваться справочным файлом. Такие задания, по существу, представляют собой специальные обучающие программы для получения системных знаний.
На рис. 9 показано задание для самоконтроля. Здесь необходимо выбрать из семи вариантов истинные утверждения. После первого неправильного выбора количество зачетных баллов уменьшается в два раза, студент получает возможность открыть справочный файл и после работы с ним повторить попытку. Если он опять ошибется, количество баллов уменьшается в четыре раза. После неудачной третьей попытки выставляется ноль баллов и можно перейти к следующему заданию.




Рис. 9. Задание для текущего самоконтроля.


В качестве тестовых заданий широко используются задачи. Отличие от задач, решаемых в обучающей программе (рис. 2), заключается в отсутствии связи со справочным файлом.

Особенности проведения текущего контроля и самоконтроля

5. Компьютерный эксперимент

Лабораторный практикум играет важную роль в процессе обучения. Между тем следует отметить, что учебный эксперимент не ставит самоцелью получение новых результатов, а лишь выполняет экспериментальную проверку существующих законов и гипотез, что позволяет более осознанно применять эти законы для решения практических задач. В этой связи преимущества «виртуального» эксперимента перед натурными опытами становятся особенно очевидными. К ним следует отнести:

Работа выполняется студентом в индивидуальном режиме, а не бригадным способом. Активная позиция студента способствует лучшему усвоению материала и получению глубоких и прочных знаний.
Используются современные средства для обработки результатов эксперимента – электронные таблицы MS Excel. Особенно ценны эти преимущества для систем открытого образования, где такой эксперимент зачастую является единственно возможным.

Выполнение лабораторной работы

Лабораторная работа представляет собой ряд пользовательских интерфейсов. На одном из них проводится компьютерный эксперимент – "открывается" кран, включается секундомер, "измеряется" объем жидкости, давление и другие параметры. Процесс движения жидкости сопровождается звуком, используются анимационные эффекты. Вариант исходных данных определяется по шифру студента или может задаваться генератором случайных чисел.
На рис. 10 представлен экспериментальный стенд для проведения лабораторной работы «Истечение жидкости через отверстия и насадки».




Рис. 10. Интерфейс лабораторного стенда.


Отчет по лабораторной работе

Результаты опытов заносятся в таблицу опытных данных и далее направляются в таблицу MS Excel, где производится их обработка.
Студент самостоятельно вводит в электронную таблицу расчетные формулы, строит и форматирует графики и производит анализ полученных графических зависимостей (рис. 6).
При нажатии кнопки “Excel” программа создает файл отчета под шифром студента и автоматически заносит его в базу данных.




Рис. 11. Отчет студента по лабораторной работе.


Допуск к выполнению лабораторной работы

Перед выполнением лабораторной работы студенты проходят входной контроль. Для допуска необходимо правильно ответить не менее, чем на 70% вопросов. Правильный ответ выбирается из четырех вариантов. При каждой новой загрузке программы варианты ответов меняются местами случайным образом.
Вопросы для входного контроля призваны не только проконтролировать знание студентом основных базовых положений темы, но и обучить его. Поэтому в вариантах ответов на вопрос определения основных понятий часто повторяются.

Контроль выполнения лабораторной работы

Основной принцип при планировании контроля выполнения лабораторной работы – контролировать не результаты, а процесс получения результатов. Для этого нужно или явно защитить отчет или (и) включить в экзаменационные программы итогового контроля задания, связанные с выполнением лабораторных работ. Такой подход снимает проблему идентификации учащегося при дистанционном выполнении лабораторной работы.

6. Учет деятельности учащегося. База данных

Функции преподавателя по учету и контролю за деятельностью студента в информационной системе возлагаются на базу данных. Информация о студентах, выполнении ими лабораторных работ, итоги работы с обучающими программами, итоги самоконтроля, текущего и итогового контроля направляются программным способом из «ИнформГидро» в таблицы базы данных, разработанной в MS Access. Запросы к базе данных выполняются с использованием технологии ADO (ActiveX Data Object – объекты данных ActiveX) и языка программирования Visual Basic 6 и реализованы в виде пользовательских интерфейсов исполняемого файла информационной системы. На рис. 12 приведено главное меню базы данных. По существу это оглавление информационного журнала, с помощью которого можно производить текущий мониторинг процесса обучения и оперативно управлять ходом учебного процесса.




Рис. 12. Меню информационного журнала.


На рис. 13 представлены итоги работы одного из студентов. С этого интерфейса также можно вызвать из базы данных отчет по лабораторной работе для его просмотра или доработки.




Рис. 13. Итоги работы студента.


7. Анализ и оценка информационной системы

7.1. Основные функциональные принципы

7.2. Преимущества

7.3. Недостатки

Невозможность для среднестатистического учащегося достигнуть конечной цели обучения по дисциплине. Информационная технология облегчает студенту процесс "узнавания правил" на пути к свободе толковать, оценивать и открывать, но сформировать некую законченную систему знаний, необходимых для выполнения будущих профессиональных действий в данной области, способен только преподаватель. Подобные технологии наиболее эффективны при обучении фундаментальным дисциплинам на младших курсах, когда учащийся должен усвоить «азбуку», с тем, чтобы двигаться на её основе к вершинам профессии.

7.4. Сертификация

Литература

[Кальней С.Г. и др., 2003] Кальней С. Г., Олейник Т. А.., Прокофьев А. А.. Принципы разработки тестовых заданий для установления уровня усвоения знаний по математике // Открытое образование, 2003, №2.
[Раинкина Л.Н., 2001] Раинкина Л.Н. Комплект программ по курсу гидростатики // Электронное учебное пособие. – Министерство образования РФ. Федеральный экспертный Совет по электронным изданиям. - Свидетельство № ММ - 0009. – 2001.
[Раинкина Л.Н., 2004a] Раинкина Л.Н. Виртуальный преподаватель «ИнформГидро 2003» // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. – РФ. РосПатент, 17 мая 2004г.
[Раинкина Л.Н., 2003] Раинкина Л.Н. Информационные технологии при обучении инженерным дисциплинам // Открытое образование, 2003, №5. – С. 15–25.
[Раинкина Л.Н., 2004b] Раинкина Л.Н. Виртуальный преподаватель по естественнонаучной дисциплине // Телематика: Труды XI Всероссийской научно-методической конференции, 2004. – С. 277–278.