Educational Technology & Society 9(2) 2006
ISSN 1436-4522
pp. 241-249

Повышение продуктивности обучения при управлении образовательным процессом на основе информационно – образовательной среды.

С.М. Каратун
кафедра информатики и вычислительной техники
Тюменский государственный нефтегазовый университет, Тюмень, Россия
cmkaratoun@mail.ru

АННОТАЦИЯ
Рассмотрены вопросы повышения качества и сокращения времени обучения за счет организационно-структурного развития системы управления учебным процессом на основе модели цикла обучения и процесса обучения. Эта модель реализуется информационно – образовательной средой. Предложен вариант использования данного подхода обучения для области знаний не имеющей строгого математического описания - для обучения и проверки знаний по английскому языку.
Questions of improvement of quality and reduction of time of training due to organizational-structural development of a control system by educational process on the basis of model of a cycle of training and process of training are considered. This model is realized is information - the educational environment. The variant of use of the given approach of training for a field of knowledge not having the strict mathematical description - for training and examination on English language is offered.

Ключевые слова
Управление обучением, модель обучения, цикл обучения, этап обучения, контроль знаний.

 

Введение

В настоящее время информационные технологии (ИТ) рассматривают как основу для оптимизации процессов управления качеством обучения путем сквозной автоматизации всех составляющих этого процесса и индивидуализацией процесса обучения. С этим связано появление специализированных инструментов – обучающих сред, включающих системы поддержки принятия решений на всех уровнях управления учебными заведениями. Цель применения современных ИТ в образовании формулируется как обеспечение организационно-структурного развития для решения задач обучения [Залата Р. Н., Каратун С. М., 2000], [Каратун С. М., и др., 2002].

Методы повышения продуктивности процесса обучения

Понятие управления учебным процессом на основе ИТ различается в зависимости от выбранной обучающей модели, подхода к структуре знаний (Body of Knowledge), типа и вида процессов при управлении обучением и других факторов. Будем различать понятия «качество управления обучением», под которым понимают управленческую культуру и профессиональную деятельность преподавателей и администрации учебных заведений в процессе подготовки и обучения студентов и «управление качеством обучения» - это реализации определенных процессов.
Существуют закономерности, которым подчиняется организация любого процесса управления качеством обучения. При этом могут быть выделены работы по планированию, учету, анализу и регулированию всех видов учебной деятельности. Для того чтобы процесс управления мог достичь поставленной перед ним цели, необходимо обеспечить правильную его организацию.
Использование ИТ в управлении качеством обучения будем рассматривать как автоматизацию части управленческих работ, а именно работы по обеспечению доступ к информации о предметных областях, проведение их исследований с помощью виртуальных сред, анализу полученной информации и постоянному сбору данных о знаниях студентов (контролю знаний). Функция планирования учебного процесса также может быть автоматизирована. Отдельные вопросы организации систем управления процессами обучения на основе моделирования предметных областей рассматривались при создании систем моделирования формальных языков [ Каратун С. М., Мосягина Н. А., 2004] и имитационных моделей систем массового обслуживания [Каратун С. М., Скочин А. А., 2005]. В процессе обучения получаемые знания претерпевают многочисленные изменения по уровню, в зависимости от состояния усвоенного материала. Совокупность и последовательность этих изменений носит циклический характер. С понятием «цикла обучения» тесно связана определенная последовательность сменяющих друг друга видов деятельности. После изучения теоретического материала в конкретной области рассматриваются практические вопросы их применения, что позволяет получить навык использования полученных знаний, при этом получая дополнительную информацию о конкретной предметной области.
Термин «процесс обучения», в широком смысле, включает все действия, которые производятся при обучении – изучение материала, построение моделей предметной области (решение задач), проведение эксперимента, анализ полученных результатов, выявление проблем в полученных знаниях и умениях их применять на практике (оценка качества полученных знаний). Однако, из-за многообразия типов знаний и изучаемого материала выше перечисленные действия не полностью охватывают всего множества возможных. Могут присутствовать дополнительные виды работ и отсутствовать выше описанные.
Понятие цикла обучения и процесса обучения можно считать равнообъемным. Можно сказать, что это стороны одного понятия. Когда говорят о цикле обучения, имеется в виду сумма знаний, которая должна быть получена студентом. Процесс обучения имеет в виду тот же предмет с точки зрения преподавателя.
Цикл обучения и процесс обучения для каждого студента может быть индивидуален. Поэтому необходимо рассматривать модель цикла обучения и процесса обучения. Слово «модель» здесь будем использовать в широком смысле как абстрактное описание некоторого явления, в котором существенные закономерности учтены, а несущественные детали опущены.
Модель цикла обучения и процесса обучения взаимно определяют друг друга и являются согласованными. Для каждого преподавателя существуют свои собственные модели цикла обучения и процесса обучения. Конечно, в большинстве случаев, эти модели очень близки, но все – таки имеют свои индивидуальные особенности. От такого рассмотрения вопросов управления качеством обучения становится более абстрактным, но одновременно более широко применимым. Можно приспосабливать модели цикла обучения и процесса обучения к конкретным нуждам, меняя их в соответствии с конкретными обстоятельствами.
Управление качеством обучения при использовании ИОС основано на компьютерной реализации. Поэтому для описания модели цикла обучения и процесса обучения, так же как при изучении предметных областей и разработке программных приложений, используем понятиях стадия и этап. Под стадией обучения будем понимать одномоментное идентифицируемое событие в процессе обучения, сопровождаемое появлением некоторого нового знания. Этап обучения – это часть процесса обучения, во время которого выполняются определенные функции с целью достижения определенного знания. Таким образом, стадия наступает в конце этапа и определяет его окончание.
В соответствии с действиями процесса обучения выделим в модели процесса обучения пять этапов: изучение теоретического материала, построение моделей предметных областей (решение практических задач), экспериментирование и обработка результатов, тестирования и анализ знаний студентов с целью выявления проблем в знаниях (определение качества полученных знаний), окончание процесса обучения (рис. 1).
Первый этап - изучение материала имеет целью достичь полного и согласованного понимания со стороны студента и преподавателя тех знаний, которые должны быть получены в конкретном курсе и тех задач, которые при этом должны быть решены. Этап включает в себя со стороны преподавателя формализацию (структурирование) знаний по разделам и подразделам и формулировку фактов, которые должны быть усвоены студентами. Этап может иметь главную цель и несколько вспомогательных или промежуточных подцелей.


Рис 1. Циклический характер процесса получения знаний
Должны быть четко определены и кратко описаны методы, средства, приемы и мероприятия, которые предполагается использовать для достижения поставленной цели. Должна быть определены критерии и методика для проверки степени правильности использования этих фактов.
Второй этап, связанный с построением моделей предметных областей или решением конкретных предметных задач в настоящее время не имеет универсального средства реализации. В каждом конкретном случае создается уникальное средство моделирования и решения задач для групп однотипных объектов. Стадией является готовая модель или метод решения.
Третий этап работы с моделью, на котором получают и анализируют основные результаты проведения эксперимента с моделями предметной области. Этот этап является основным, позволяющим в дальнейшем оценить степень полученных знаний. Стадией являются выводы, формулируемые на естественном или математическом языке.
Тестирование и анализ знаний может осуществляться на каждом этапе, однако на четвертом этапе тестирование и анализ знаний является основной деятельностью. Стадией является формулировка выявленных ошибок и путей их устранения.
Мониторинг знаний может быть реализован на основе анализа ответов, основными типами которых являются выборочный ответ, числовой ответ, проверка простой формулы, проверка логической формулы и проверка слова [Кривицкий Б. Х., 2004].
Можно выделить следующие виды автоматизированного анализа знаний. Тестирование при выборе правильных ответов, из нескольких предложенных является первым, самым простым и наиболее широко используемым в настоящее время видом контроля.
Второй вид включает проверку правильности полученных решений путем компьютерного тестирования. Проверяется не само решение задачи, а результат ее решения на соответствие заданным ответам. Подобная проверка может быть осуществлена, если можно создать компьютерную реализацию решения задачи. Например, при проведении мировых чемпионатов по программированию по версии ACM, работа студенческих программ проверяется автоматически. Сравниваются правильные ответы с ответами, полученными в результате выполнения программ. Тем самым определяются ошибки, которые можно разделить на следующие виды: Компьютерная имитация рассуждений преподавателя является третьим, наиболее сложным видом тестирования, относящегося к проблемам искусственного интеллекта. Логика проверки знаний студентов строится отдельно в виде модели по каждой дисциплине для проверки каждого факта и требует длительного времени.
Пятый этап является заключительным. Обучение с помощью данной среды закончено. Разработанная студентом модель предметной области (или полученное решение) является адекватной (или нет) реальной модели, результаты моделирования и тестирования модели и студента должны быть документированы, измерены, архивированы и подготовлены для повторного использования.
Действенным способом повышения эффективности управления качеством обучения, как с точки зрения студента, так и с точки зрения преподавателя, является грамотное разбиение получаемых знаний на части. При этом знания делятся «вертикально» и «горизонтально», по слоям. В первую очередь рассматриваются только основные знания, во - вторую и третью и т. д. – дополнительные (углубляющие), которые расширяют и углубляют основные знания по предмету. Для преподавателя важно, что процесс обучения, которым он управляет, приобретает упорядоченный циклический характер. Для студента постепенное изучение материала дает возможность, начиная с простых моделей предметной области, проводить эксперименты, получать результаты, формулировать выводы, которые в дальнейшем дают возможность более уточнять, конкретизировать и усложнять получаемые знания.
Методы повышения продуктивности процесса обучения в работе носят административный характер и применяются при планировании процесса обучения, управлении этим процессом, определении отношений между преподавателем и студентом.
В большинстве видов человеческой деятельности различия в производительности выполнения работ отдельных индивидуумов может отличаться на порядок и более. Процесс обучения одними студентами может быть в 10 раз быстрее, чем других. Поэтому необходимо заложить в систему такие приемы повышения продуктивности обучения, которые доступны любому – было бы желание и терпение их использовать. Повышение продуктивности процесса обучения возможно за счет двух основных факторов: Синтаксические ошибки использования компонентов выявляются самой средой и исправляются студентом очень легко. Ошибки построения моделей при использовании автоматизированных средств отладки и следовании эмпирическим правилам моделирования могут автоматически выявляться, однако неправильно заданные параметры элементов модели при ведут к искажению полученных результатов. Более существенны ошибки неправильной организации эксперимента с построенными моделями, дающие неверные результаты и соответственно будут сделаны неправильные выводы о работе системы и прогнозы ее функционирования.

Рис. 2. Движение информации в цикле обучения.
Наиболее существенны ошибки контроля, снижающие эффективность обучения в наибольшей степени Они обусловлены неточностью, неполнотой или неадекватностью моделей проверки знаний. Выявление этих ошибок происходит через взаимодействие преподавателя со студентом.
Величина положительного воздействия второго фактора (повторное использование уже разработанных моделей) на эффективность обучения определяется информационным потоком в цикле обучения, проходящем через студента. Хотя выгоды повторного использования очевидны, но требуют дополнительных усилий от студента при их использовании в другой модели. Средством поддержки процесса накопления и повторного использования конкретных решений является организация репозитория.
Важным является выбор уровня формализации информации, циркулирующей в циклах повышения эффективности (рис. 2), проходящих через преподавателя и студента. Если информация, циркулирующая в левом цикле, представлена совершенно формально, например, в виде готовых формул, то она оказывается недостаточно гибкой, (то есть недостаточно легко модифицируется) для повторного использования при разработке модели. Если информация, циркулирующая в правом цикле, представлена совершенно неформально, например, в виде текстов на естественном языке, то она оказывается слишком гибкой, (то есть неоднозначной и неопределенной) для использования при анализе и последующем моделировании. Опыт и принцип экономии мышления подсказывает, что в обоих случаях следует использовать один и тот же уровень формализма. Более того, в обоих случаях можно использовать одно и то же средство представления информации.
В цикле обучения можно выделить следующие типы информации и направления ее движения (как показано на рис. 2): Во всех случаях информация имеет одну и ту же семантику – это некоторое описание компонента модели и плана проведения эксперимента, но разную прагматику, то есть предназначение. Если все виды описаний будут выражены в одном и том же синтаксисе, то можно надеяться на интенсификацию информационных потоков и увеличение эффективности обучения.
Использование визуального моделирования при управлении процессом обучения, наиболее целесообразно и естественно (после преодоления невысокого входного порога непривычности). Такое моделирование, будучи строгим и формальным, хотя и графическим языком обладает достаточной точностью для автоматического исполнения.

Создание многопользовательской оболочки с распределенной базой для анализа знаний в области английского языка

Наиболее близко к предложенной модели обучения описан вариант ИОС для изучения дисциплины имитационное моделирование [Каратун С. М., Скочин А. А., 2005]. В данной работе рассмотрена возможность реализации данного подхода для области знаний не имеющей математического описания.
В настоящее время существует множество методик изучения английского языка, включая чтение англоязычной прессы, просмотр фильмов и передач спутникового телевидения, изучение текстов песен, разговор на английском языке. Для освоения иностранного языка большое значение имеет регулярная работа. Для развития соответствующих навыков требуется большое количество усилий. Но не всегда есть возможность проверить и оценить свои знания, не привлекая к данному процессу преподавателя. Информационно – обучающая среда для управления процессом обучения и контроля знаний по иностранному языку позволила бы более продуктивно совершенствовать и стимулировать развитие соответствующих языковых навыков и расширять словарный запас [Клементьева Т.Б., Шэннон Д.А, 2000].
В настоящее время существует множество тестирующих программ позволяющих анализировать знания, помогают лучше усваивать различные дисциплины, выдают оценки и рекомендации по изучению материала. Но в большинстве случаев такие программы выполнены в виде тестов и требуют полного совпадения ответов пользователя и исходного ответа. Уровень обучения дисциплине, как правило, не превышает средний [Европейская Школа Корреспондентского Обучения, 1992].
Разработанная Европейской Школой Корреспондентского Обучения (ЕШКО) методика изучения английского языка высшего уровня как раз предполагает многоразовую периодическую проверку языковых знаний на практике при известных утверждениях на исходном (русском) языке и части результирующего предложения (на английском). Перед тем, как приступить к процедуре проверки знаний, студенту следует ознакомиться с правилами английского языка и потренироваться по отдельным темам. Во время тестирования ему предстоит подобрать необходимое слово или словосочетание, подходящее по смыслу, в соответствии с изученными правилами и терминами.
Под руководством автора студентом направления Информатики и вычислительной техники ТюмГНГУ Ахметовым Р. А. был реализован вариант ИОС для обучения и проверки знаний по английскому языку. Разработанная среда объединяет этих две вышеперечисленные методики: ЕШКО и тестирующих программ, позволяет создать анализатор знаний английского языка более высокого уровня. При контроле знаний, среда загружает случайным образом вопросы по различным темам, на которые студенту следует дать ответ. После произведенного анализа ответа студенту должны быть выданы рекомендации по повторению материала или по правильному написанию орфографии. Может быть выставлена итоговая оценка по результатам контроля. Такой подход не реализует полностью все этапы цикла обучения, приведенные на рис.1. Реализуется цикл обучения, состоящий из изучения материала, тренинга пользователя (вместо построения модели и анализа результатов моделирования), контроля и анализа знаний и окончания цикла обучения (формулировка выводов о знаниях и документирование).
Разработанная ИОС KnoledgeAnalyser позволяет производить проверку знаний по следующим двадцати темам: герундий, инфинитив, артикли the/a, использование слов actually/eventually, использование глаголов do/make, модальные глаголы, использование глаголов tell/say/speak/talk; сложные глаголы, содержащие get; использование оборотов there is/it is, сослагательное наклонение, использование предлогов at/in, инверсия, инфинитивная конструкция, глаголы will/would, использование предлогов with/by, использование предлогов on/in; группы предметов, животных, людей; длительная форма глагола to be, будущее совершенное время, использование местоимений some/any.
ИОС реализована как экспертная система, имеющая Базу знаний, Машину вывода и Интерфейс. База знаний содержит набор фактов и правил английского языка, Машина вывода отвечает за логику и заключения, а интерфейса пользователя позволяет получать сообщения и проводить исследования знаний.


Рис. 3. Результат анализа знаний.
ИОС, автоматизирующая процесс управления обучением английскому языку высшего уровня, должна формировать вопросы; генерировать случайный номер вопроса из темы; осуществлять выбор темы; проверять на абсолютную идентичность ответы, генерировать отчет тестирования; вызывать и загружать справочную систему, содержащую изучаемый материал.
Для каждой темы имеется некоторое правильное высказывание – факт, представляющий собой два предложения на русском и английском языках и словосочетание, предназначенное для вставки в одно из этих предложений. Вопросы и ответы в каждой теме выбираются из текстового файла, хранимого в базе знаний, и могут быть легко отредактированы. В файле могут содержаться строчки такого типа: (question2,2,"03. Жизнь булочника тяжелая.", "___ life of a baker is hard.","the"). Первая цифра 2 – это номер темы, вторая цифра 2 – номер проверяемого факта в этой теме, далее идет предложение на русском языке и предложение на английском языке с пропущенным словом.
База знаний экспертной системы имеет вид текстового документа, с расширением dba. Он легко корректируется, не требует для этого особой квалификации. При этом система может работать как с этим файлом, так и с любой другой базой знаний, имеющей аналогичную структуру. Путь к рабочей базе знаний указывается в файле «путь.dba». Здесь же указывается путь к файлу помощи и к Internet Explorer, для запуска html-файлов.
Результат работы среды (в минимальном варианте) представлен на рис. 3. По желанию пользователей может быть выставлена результирующая оценка.
Для обеспечения редактирования преподавателем информации в базе знаний разработан интерфейс преподавателя, включающий информацию о названиях тем, их количестве и о количестве вопросов по каждой теме. ИОС может быть использоваться для работы с материалом разной сложности и направления.
Существенное отличие от стандартных тестирующих программ - проведение анализа ответов на наличие орфографических ошибок. Машина вывода данной системы организована на основе алгоритма нейтрализации ошибок основанного на теории формальных языков [ Каратун С. М., Мосягина Н. А., 2004]. В данной работе опустим описание алгоритма нейтрализации ошибок из-за ограниченности объема статьи.
Программа реализована на Visual Prolog 5.2.1, поскольку именно это средство логического программирования позволяет быстро, удобно и надежно организовать экспертную систему с подключением разного рода баз знаний, и обеспечивает применение всевозможных визуальных компонент, что облегчает взаимодействие пользователя и системы. Интерфейс пользователя для проведения тестирования приведен на рис. 4.

Рис. 4. Окно процесса контроля знаний.
Во время итогового контроля знаний производится загрузка из базы знаний одного вопроса по каждой теме, при этом номер вопроса генерируется случайным образом. Окно тестирования абсолютно идентично окну тренинга, но правильные ответы при итоговом контроле знаний не выдаются.

Анализ и оценка разработки ИОС KnoledgeAnalyser

При разработке информационно- образовательной среды в качестве главной цели была выбрана задача автоматического тренинг пользователя, контрольное тестирование и анализ его знаний. Тренинг предполагает проверку знаний студента по отдельной конкретной теме, выбранной из списка тем. В этом случае из базы знаний случайным образом загружаются вопросы (при этом они могут повторяться – для более эффективного запоминания), а по истечении лимита ответов выводится отчет о знаниях студента по данной теме и итоговая оценка.
При сравнении ответов пользователя и эксперта возникают ряд проблем. Первая проблема принятия решения о правильности ответа. Пользователь выучил правила, описанные в теории, но не знает орфографию. В данном случае синтаксический анализатор должен допускать орфографические ошибки и не учитывать их при генерации оценки. Допустимое число орфографических ошибок в слове устанавливается фактом «длина».
Пользователь подобрал перевод, эквивалентный переводу эксперта, но данные слова не совпадают. В этом случае база знаний должна содержать список эквивалентных ответов.
Пользователь выучил правила, описанные в теории, но не может подобрать соответствующий перевод с русского на английский язык. Этот случай считать ошибкой пользователя.
Проблема коротких слов. Допустим, синтаксический анализатор нашел одно несовпадение в ответах эксперта и пользователя. Эти слова состояли из двух букв (“on” и “in”). С одной стороны, анализатор позволяет допускать одну ошибку в правописании, с другой стороны – подобная ошибка в корне подчеркивает незнание студентом материала. Необходимо запретить анализатору поиск ошибок в орфографии для коротких слов.
В целом, реализованная ИОС выполняет следующие функции: загрузка базы знаний, генерация случайного номера вопроса из темы, осуществление выбора темы, проверку на абсолютную идентичность ответов, анализ ответов на наличие орфографических ошибок, генерацию отчета, вызов и загрузку справочной системы.

Заключение

Разработанная система позволяет достаточно точно выявить проблемы пользователя в определенной области английского языка, закрепить эти знания с помощью тренинга, повысить уровень знаний. ИОС повышает производительность обучения на основе самоконтроля, что является очень удобным, поскольку не требует привлечения преподавателя для проверки выполненной работы. Кроме того, данная программа многофункциональна, может проверить знания студентов не только в области английского языка высшего уровня, но и в области любого другого языка любого уровня или другой близкой по области знания дисциплины при правильной организации базы знаний.

Литература

[Европейская Школа Корреспондентского Обучения, 1992] Европейская Школа Корреспондентского Обучения. Английский язык для высшего уровня. Уроки 1-32. Издание 2-е, Белгород, 1992.
[Залата Р. Н., Каратун С. М., 2000] Залата Р. Н., Каратун С. М., Разработка многопользовательской оболочки экспертной системы с распределенной базой данных, Труды Четвертого Международного симпозиума: «Интеллектуальные системы», INTEL’S2000, Москва, 2000.
[Каратун С. М., и др., 2002] Каратун С. М., Мосягина Н. А., Лозикова И. О. Система анализа знаний для хорошо структурированных предметных областей, Труды Пятого Международного симпозиума: «Интеллектуальные системы», INTEL’S2002, Калуга, 2002.
[Каратун С. М., Мосягина Н. А., 2004] Каратун С. М., Мосягина Н. А., Проблемы создания информационно-образовательной среды, Education Technology & Society, 2004, 7(4), с. 118 – 123.
[Каратун С. М., Скочин А. А., 2005] Каратун С. М., Скочин А. А., Информационно-образовательная среда для исследования систем массового обслуживания с помощью имитационных моделей Education Technology & Society, 2005, 8(4), с.347 - 354.
[Клементьева Т.Б., Шэннон Д.А., 2000 ] Клементьева Т.Б., Шэннон Д.А., Счастливый английский. Кн. 2. – 2-е изд., испр. – Обнинск: Титул, 2000. 448 с.
[Кривицкий Б. Х.] Кривицкий Б. Х. К вопросу о компьютерных программах учебного контроля знаний, Education Technology & Society, 7 (3) 2004, pp. 158.