Среда адаптивного обучения проектированию веб-систем

Среда адаптивного обучения проектированию веб-систем

Поликаров Евгений Анатольевич студент группы 4192 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева (КНИТУ-КАИ), ул. К. Маркса, 10, г. Казань, 420111, (917)8983372 уПе1т9@ла^е.у гц

Аннотация

В работе рассмотрено проектирование среды обучения для формирования навыков/умений обучаемого, в сфере разработки веб-систем. Данная среда формирует задания с оптимальной для обучаемого трудностью и состоит из: теоретического материала в виде электронного учебника, теста, реализованного в программе TestMaker для проверки теоретических знаний обучаемого и интеллектуальной обучающей системы, разработанной с использованием инструментальных средств МОНАП.

The development of the learning environment for the formation of skills/abilities of the student in the field of development of web-systems is examined in this work. This environment allows creating tasks with specific optimal difficulty for students and includes: theoretical material in the form of electronic textbook, test implemented in the TestMaker for testing theoretical knowledge of learner and an intelligent learning system developed using the MONAP tools.

Ключевые слова

учебный контент, адаптивная обучающая система, обучающая среда, оценка навыков/умений, веб-системы

educational content, adaptive training system, learning environment, skills/abilities assessment, web-systems

Введение

На сегодняшний день разработка интеллектуальных обучающих систем (ИОС) является актуальной проблемой, так как имеется большое число обучаемых пользователей с различным уровнем знаний, умений и навыков в различных сферах деятельности, которые должны изучить определенный теоретический материал и адаптивно сформировать навыки работы с новыми знаниями. ИОС позволяет пользователю включиться в процесс обучения в любое время и изучать материал в наиболее подходящем для него темпе, а также контролировать процесс обучения. ИОС так же позволяет производить адаптивное обучение, то есть, реализовать процесс обучения и преподавания за счет градации изучаемого материала по сложности и трудности. Благодаря индивидуальности набора заданий улучшается качество процесса обучения.

В качестве предметной области, была выбрана область разработки веб-систем. Веб-система представляет собой веб-сайт, который обеспечивает пользователю возможность использовать различные интерактивные сервисы, которые работают в рамках одного веб-сайта.

Разработка веб-систем подразумевает разработку сайтов с определенным функционалом, настройку авторизации пользователей, добавления различных материалов, а так же элементы веб-дизайна и разработки скриптов для выполнения различных операций.

В виду того, что данная предметная область имеет большой объем, было решено спроектировать для неё обучающую систему. Обучающая среда должна обеспечивать получение знаний и формирование умений и навыков у обучающегося с учетом его подготовки. В связи с этим актуальной является задача формализации, а на ее основе и автоматизации функции формирования учебных задач с требуемыми свойствами, обеспечивающими усвоение рассмотренных алгоритмических предписаний [1]. Рассматриваемый процесс обучения основан на принципе адаптивного формирования умений решения задач.

Компоненты среды обучения:

• Теоретический материал предметной области для изучения;

• Тест, созданный в приложении TestMaker [2];

• Интеллектуальная обучающая система, спроектированная инструментальными средствами МОНАП [1,3-8].

Теоретический материал

В качестве теоретического материала был выбран практический лабораторный комплекс Минязева Р.Ш., охватывающий основной курс разработки веб-систем, доступный по адресу https://vadi.sk/d/FcFFBtEX3WEh¡J [9].

Рис. 1. Скриншот первой работы из лабораторного комплекса Минязева Р.Ш.

Рис. 2. Скриншот второй работы из лабораторного комплекса Минязева Р.Ш.

Система TestMaker

Для проверки знаний может быть применен электронный тест. Система TestMaker позволяет создавать и редактировать тесты с различными типами вопросов, таких как как однозначный, многозначный, закрытый, вопросы на выбор соответствия, простой и расширенный открытые вопросы. Так же система позволяет реализовать прохождения теста с различными параметрами, такими как ограничение по времени выполнения, последовательностью и сложностью вопросов. В рамках предметной области разработки веб-систем был реализован тест из 10 вопросов с использованием TestMaker, представленный на рисунке 3 и 4.

Еопрос:5Л0 Еремя:0:00:59 ВЕвдите праеильеый ответ

Рис. 3. Система TestMaker выполнение теста

Рис. 4. Система TestMaker проектирование вопросов теста

Инструментальные средства проектирования МОНАП

МОНАП (Модель Обучения Навыкам Алгоритмической Природы) -инструментальное средство разработки для автоматизации проектирования интеллектуальной обучающей системы, в которой реализуются алгоритмы адаптивного управления процессом обучения в заданной предметной области.

Составными компонентами системы являются: среда преподавателя и среда обучаемого [10].

Среда обучения

В окне, представленном на рисунке 5 рассматривается общее описание среды, различные параметры обучения и настройки среды проектирования.

В

Описание среды обучения

Разработка веб-систем

Ю среды |25

Число гипотез о степени обученности ¡4 -н

Число типов операций ¡21 -и

Предаварийное число шагов м

Оптимальное значение трудности jo.sc

Интервал изменения трудности |р,

Минимальная скорость обучения ) 0.10

Порог стресса ¡0.10

Файл правил (Я) л!

Файл свойств (Р) ¡29 м

Файл задач (~П | 29 л!

Файл обучаемых (Е5) ¡29 и

Доступ к учебнику Показывать правильные ответы ш Показывать правила

Путь К учебнику |&:\изега\изег\0оситеп4з\Уче6а\Разра6отка_"Л'ЕВ_систем_дляИС\ Обзор

Обновить Отмена

Рис. 5. Окно описания среды обучения

Подсистема правил

После описания среды необходимо определить набор правил, которые являются базовыми элементами для оценки формирования умений/навыков. Обучения

основывается на данных правилах. Правила желательно формировать в виде «если условие, то действие». На базе созданных правил осуществляется проектирование учебных задач. В рамках разработки системы создано 21 правило из разных областей разработки веб-систем. Пример просмотра и редактирования правил изображен на эисунке 6.

Номер правила Желательная форм а представления Если [условие]. то [действие]

Среда ойучэмя [ для открытие сайта в консольном браузере необходимо выполнить команду:

- 2

3 'л.'.гп [ййеМатпе]

*1

Номер правила [ю 13

1 екст правила

Microsoft Sans Serif ~ 12 - А В / U

Ща s 1А • * := 1 Ш 1 юо

Для открытие сайта в консольном браузере w3m, необходимо выполнить команду:

w3m [SiteName]

Где SiteName - название сайта

Сохранить Отмена Л

Т

Рис. 6. Список правил среды обучения и окно редактирования

Свойства учебных задач

При проектировании ИОС одной из главных проблем является разработка свойств задач, который содержит классы, подклассы и вектор использований правил, который определяется числом использований каждого правила. Каждому классу соответствует определенное число правил, подклассы же дифференцируют задачи по их сложности и должны содержать те же правила, что и класс к которому они относятся. Сложность задачи определяется количеством используемых правил, при чем чем выше подкласс, тем сложнее уровень сложности задачи. Таким образом реализуется принцип от простого к сложному. В рамках данной предметной области реализовано 3 класса по таким разделам веб-разработки, как:

• Создание простейшего веб-сайта

• Создание баз данных для веб-сайтов

• Настройка доступа пользователей к сайту

В общей сложности было создано 21 правило. В каждом классе выделено по 4 подкласса с задачами различной сложности. Таблица свойств учебных задач изображена на рисунке 7.

Свойства учебных задач

|Класс :дкпа[ У1 | У2 УЗ | У4 У5 уе | У7 У8 УЭ 1 У10 УП У12 У13 | У14 У15 У16 У17 У1& | У1Э 1 У20 У21

1 2 1 2 1 1 2 2 2 5 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 3 1 2 1 1 2 2 2 2 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 4 1 3 1 1 3 3 3 3 1 3 о 0 0 0 а 0 0 0 0 0 а

2 ! 0 0 0 0 0 0 0 о 0 0 1 1 1 1 1 а 0 0 0 0 0

2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 0 0 0 0 0 0

2 3 0 0 0 0 0 <1 0 0 0 0 1 2 4 2 2 а 0 0 0 0 а

2 4 0 0 0 0 0 0 и 0 0 0 1 2 4 3 3 о 0 0 0 и 0

3 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1

3 2 0 0 о 0 0 1 1 2 1 0 0 0 0 0 а 1 1 1 1 1 1

3 3 0 0 0 0 1 1 С 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

3 4 0 0 0 0 0 1 2 10 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

Рис. 7. Таблица свойств учебных задач

Банк учебных задач

В разделе банка задач отображаются все учебные задачи ИОС. Как видно на рисунках 8, 9, 10 задачи разделяются на классы и подклассы с градацией по сложности. Также имеются синонимичные задачи для разнообразия процесса обучения. Синонимичные задачи принадлежат одинаковому классу и подклассу, то есть используют одинаковый набор правил, подобная задача показана на рисунке 9.

Банк задач Предварительный просмотр задачи

Класс Подкласс Номер Задача №1.1.1

1 1 2 10 Необходимо создать сайт supersait.ru, со своей строкой на его дефолтной странице, проверить работу сайта путем открытия его в браузере.

1 2 1 15

1 3 1 16

1 4 1 22 ©1 10.116.0.70.зирersait.iu index.html ^ т 0 т а ^ т Страница  Безопасность  Сервис  в "

2 1 5 1 Я - совсем крутой программист!

2 2 1 7

2 3 1 11

2 4 1 13

3 1 1 10

3 2 1 11

3 3 1 15

3 3 2 15

3 4 1 20

Готово Компьютер | Защищенный режим: выю1, т 81100%

Для решения данной задачи необходимо:

Перейти в каталог с конфигурационными файлами сайтов

Далее скопировать дефолтный конфигурационный файл ОООнЗеТаиК.сопТ в конфигурационный файл сайта ч

Проверить | Изменить | Удалить

Рис. 8. Задача 1-го класса 1-го подкласса

Рис. 10. Задача 3-го класса 2-го подкласса

Среда обучаемого

Преподаватель может регистрировать обучаемый в системе, после чего зарегистрированный пользователь может авторизоваться как на рисунке 11 и начать процесс обучения. После входа в среду обучаемого пользователю доступен интерфейс данной среды, представленный на рисунке 12. Данный интерфейс позволяет получить доступ к информации о состоянии обучения, истории обучения, вероятности распределения гипотез, вероятности гипотез о состоянии обученности, распределения вероятностей правильного применения операции, вероятности правильного применения операции, а также доступны опции для начала или продолжения обучения.

Рис. 11. Форма авторизации

Рис. 12. Интерфейс среды обучаемого

Задачи предоставляются в виде описания ее условий и полей для ввода ответа, как показано на рисунке 13. При прохождении обучения пользователь может наблюдать за текущим его состоянием на вкладках детализации и текущего шага. На основе информации о шагах обучаемого формируется история обучения, представленная в виде графика вероятности правильного применения операции на рисунке 14. Также во время тестирования система может осуществить аварийной завершение обучения при заданных параметрах среды обучения.

Таким образом, разработанная ИОС позволяет автоматизировать получение и оценку умений/навыков обучаемого, определение оптимальной сложности учебных задач в соответствии со знаниями, навыками и умениями обучаемого.

Рис. 13. Прохождения обучения

МОНАП: система обучения

Задача на текущий шаг Детализация История общения

а-

га а. о с о к

1,0

0.8 -

0,6

с о с л ш

о

X

J Ц

s ш

Я 0,4

I-

о о

X

ьЕ

О

о.

о Ш

1.0

Информация о шагах обучаемого

1'

/

2,0 3,0

Шаги обучения

4,0

5,0

Y1

Y2 Y3 Y4 Y5 Y7 Y9 Y10

Рис. 14. Состояние обучения

Заключение

В процессе проектирования была создана адаптивная среда обучения в области разработки веб-систем; включающая в себя тест, разработанный в программном комплексе TestMaker, и интеллектуальную систему обучения, созданную в среде МОНАП по разделам разработки веб-систем.

Работа выполнена под научным руководством доцента кафедры АСОИУ КНИТУ-КАИ Галеева Ильдара Хамитовича.

Литература

1. Галеев И.Х. Свойства учебных задач при алгоритмизации в обучении // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society))» - 2011. - V.11. - №2. - С.289-299. - ISSN 14364522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/joumal.html

2. Галеев И.Х., Колосов О.В., Филяев А.И. Сравнительный анализ систем компьютерного контроля знаний // Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в многоуровневой системе образования» - 2005. - Казань: ЗАО «Новое знание» - С. 101-105

3. Галеев И.Х. Модель обучения в МОНАП-ПЛЮС // Искусственный интеллект - 96. КИИ-96. Сборник научных трудов пятой национальной конференции с международным участием. T.I. - Казань, 1996. - С.17-25

4. Galeev Ildar, Sosnovsky Sergey and Chepegin Vadim. MONAP-II: the analysis of quality of the learning process model // in Valery Petrushin, Piet Kommers, Kinshuk

and Ildar Galeev: Proceedings of IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2002), Kazan, Tatarstan, Russia, September 9-12, 2002, pp. 116120

5. Galeev Ildar, Tararina Larissa, Kolosov Oleg, Kolosov Vlad. Structure and implementation of partially integrated adaptive learning environment // in Allison Rossett: Proceedings of E-Learn 2003, Phoenix, Arizona USA, November 7-11, 2003, p. 2151-2154

6. Галеев И.Х. Организация адаптивного обучения навыкам алгоритмической природы // Программные продукты и системы. - 1989. -N 3. - С.50-57.

7. Galeev Ildar, Tararina Larissa and Kolosov Oleg. Adaptation on the basis of the skills overlay model // in Kinshuk, Chee-Kit Looi, Erkki Sutinen, Demetrios Sampson, Iganacio Aedo, Lorna Uden and Esko Kahkonen: Proceedings of 4th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2004), Joensuu, Finland, August 30 - September 1, 2004, p. 648-650

8. Галеев И.Х. Модель управления процессом обучения в ИОС // Международный электронный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society))» - 2010. - V.13. - №3. - С.285-292. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

9. Минязев Р.Ш. Лабораторный курс по разработке веб-систем за 2017 год. URL: https ://yadi. sk/d/FcFFBtEX3 WEhj J.

10. Галеев И.Х. Интеллектуальные обучающие системы: Теоретические основы: учебное пособие/ И.Х. Галеев; Мин-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. - Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2018. - 76 с. -ISBN 978-5-7579-2303-1.