Проектирование адаптивной обучающей среды для получения навыков администрирования Linux

Проектирование адаптивной обучающей среды для получения навыков администрирования Linux

Казарин Максим Вячеславович, студент группы 4191 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева

Долгов Денис Вячеславович, студент группы 4191 института компьютерных технологий и защиты информации, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет имени А.Н.

Туполева

Аннотация

В работе описано проектирование среды обучения администрированию Linux. Обучающая среда включает в себя реализованный в TestMaker тест, для проверки теоретических знаний, интеллектуальную обучающую систему для формирования навыков администрирования, разработанную с использованием инструментальных средств МОНАП.

The work contains the design of the learning environment for Linux administration. The learning environment includes a TestMaker for test the theoretical knowledge, an intelligent learning system for the formation of administrative skills, developed using MONAP tools.

Ключевые слова

Адаптивная обучающая среда, учебная система, контроль знаний, администрирование Linux

Adaptive learning environment, learning system, knowledge control, Linux administration

Введение

Развитие информационных технологий оказывает значительное влияние на многие сферы жизни современного общества, в частности и на образовательную среду. За последние десятилетия было создано множество обучающих сред, способных реализовывать методы обучения, которые не только воспроизводят традиционные действия преподавателя, но и реализуют инновационные принципы обучения, такие как адаптивность, интерактивность и индивидуализация обучения. Под адаптивностью обучения понимают возможность организации процессов обучения и преподавания с помощью разделения учебного материала по содержанию, объему и сложности для адекватной подготовки обучаемого.

Каждый обучаемый выполняет индивидуальные задачи, для которых выполняется проверка результатов. Все это способствует улучшению качества усвоения учебного материала.

В данной работе выбор предметной области обусловлен актуальностью операционных систем Linux, которые получили широкое распространение среди программистов и разработчиков за свою универсальность и дружественность. Обладание навыками администрирования операционных систем на базе Linux

является одним из ключевых умений системного администратора, благодаря которым, специалист в данной области будет востребован во многих сферах деятельности, так как системы Linux активно интегрируются в большое число различных организаций по всему миру [1,2].

Представление функциональных возможностей обучающей среды, разработанной с использованием МОНАП

Функционирование интеллектуальной обучающей системы обеспечивает адаптивное формирование навыков решения учебных задач в выбранной предметной области обучения. В качестве изучаемой предметной области выбрано обучение администрированию Linux.

Обучающая среда включает в себя:

• Электронный тест, реализованный в программной среде TestMaker [3];

• Интеллектуальная обучающая система, разработанная при помощи инструментальных средств серии МОНАП [4-9].

В качестве основы для любого процесса обучения могут быть использованы принципы любой из множества существующих на данный момент теорий обучения. Одной из таковых теорий является теория поэтапного формирования умственных действий. Использование ее основ и принципов при проектировании и разработке различных обучающих систем позволило реализовать рациональное управление процессом усвоения знаний, а также приобретением необходимых умений и навыков. Процесс обучения в интеллектуальных системах является контролируемым и управляемым процессом решения учебных задач обучаемым. На каждом шаге обучения выполняются следующие действия:

• выдаются задачи с требуемыми свойствами;

• обучаемый вводит ответы, правильность которых проверяется в ИОС, а в случае выявления ошибочных ответов выдаются объяснения;

• оцениваются навыки обучаемого и принимаются решения о продолжении или успешном завершении обучения, или же об аварийном окончании обучения (обращение обучаемого к преподавателю или к соответствующей учебной литературе);

• определяются требуемые данные для выдачи следующей задачи (определение ее свойств), если принято решение о продолжении обучения.

При организации процесса обучения часто используется алгоритмический подход. Он подразумевает создание определенного алгоритмического предписания, которое разрабатывается экспертом-педагогом и описывает способы решения учебных задач из выбранной для обучения предметной области. Само алгоритмическое предписание представляет собой совокупность элементарных операций, а также указывает последовательность их выполнения, которая в итоге и приводит к верному решению учебной задачи.

Для осуществления различных подходов к организации процесса обучения, а также к формированию навыков и умений у обучаемого были выбраны следующие прикладные программные комплексы: система компьютерного контроля знаний TestMaker и инструментальное средство МОНАП (модель обучения навыкам адаптивного программирования).

TestMaker - прикладная программа для создания тестов, состоящих из различного типа вопросов и ответов на них, а также для осуществления тестирования

с использованием этих разработанных тестов. Тестирование возможно, как на отдельном компьютере, так и в локальной сети. Основная цель использования данного программного комплекса - это проверка теоретических знаний по дисциплинам, которые относятся к выбранной предметной области. В данной программе возможно использование различных по структуре и содержанию вопросов. Среди них выделены такие типы вопросов как закрытый однозначный вопрос, закрытый многозначный вопрос, вопрос на соответствие, открытый вопрос и расширенный открытый вопрос. Осуществляется быстрый переход из режима обучаемого в режим просмотра создаваемого теста и редактирования вопросов. Для повышения качества процесса обучения в TestMaker имеются такие функциональные возможности, как определение максимального времени прохождения теста, изменение порядка следования вопросов, задание значения сложности вопросов. Использование данной прикладной программы позволяет педагогу осуществлять проверку знаний обучаемых быстро и эффективно за счет реализованных ему в помощь современных информационных технологий.

В качестве предметной области для проектирования интеллектуальной обучающей системы с помощью TestMaker были выбраны основные консольные команды ОС Linux. На рис. 1 изображен интерфейс программы, а именно редактор вопросов, а на рис. 2 - окно выполнения теста.

Рис. 1. Система TestMaker. Редактор вопросов

Укажите команду, с помощью которой происходит добавление пользователя в группу:

С useradd С usermod С usergroup С userdel 1

Рис. 2. Система TestMaker. Выполнение теста

МОНАП - инструментальные средства разработки для автоматизации проектирования интеллектуальной обучающей системы, в которой реализуются алгоритмы адаптивного управления процессом обучения в выбранной предметной области. [4-9]

Применение алгоритмизации, необходимой для управления обучением, сопровождается разработкой алгоритмов решения учебных задач.

При создании алгоритмического предписания, о котором упоминалось ранее, проводится анализ предметной области и выбираются основные элементы - простые понятия, на которых базируется используемый учебный материал.

Проектирование ИОС в среде МОНАП можно разделить на следующие этапы:

1. Выбор предметной области, в которой будет организовано управление обучением. В данной работе рассматривается предметная область -администрирование ОС Linux [1,2].

2. Создание среды обучения, которая будет соответствовать выбранной предметной области и настройка параметров среды обучения для обеспечения адекватности управления процессом обучения.

3. Проектирование справочников базы знаний.

Создание среды обучения администрированию Linux и настройка параметров среды обучения в системе МОНАП представлено на рис. 3.

£

Описание среды обучения

Администрирование Linux

Ю среды Число гипотез о степени обуценности Число типов операций Предаварийное число шагов Оптимальное значение трудности Интервал изменения трудности Минимальная скорость обучения Порог стресса Файл правил

1

:

5 :

е :

о.м :

о.ю :

о.ю :

0.Ю ;

1

1

1

1

I I Доступ к учебнику I I Показывать правильные ответы 0 Показывать правила

Путь к учебнику [ | Обзор...

Рис. 3. Окно разработки учебной среды

После выбора предметной области обучения и описания учебной среды можно перейти к ее разработке и составлению базы знаний. База знаний данной системы является совокупностью правил и фактов. В среде МОНАП желательна форма представления правила в конструкции вида «ЕСЛИ - ТО», где условие - это образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний, а действие - совокупность действий, выполняемых при успешном исходе поиска. Но если использование данной конструкции невозможно по каким-либо причинам, то допустима иная их формулировка. Правила используются при конструирования учебных задач, а также для выдачи комментариев к допущенным ошибкам при прохождении обучения. На рис. 4 представлен пример создания одного из правил обучающей среды администрированию Linux.

Рис. 4. Окно для разработки учебного правила

Важным этапом при разработке ИОС в прикладной программной среде МОНАП является создание файла свойств задач. Для каждой учебной задачи определяется число использований сформированных ранее правил. Суммарное число применений по каждой отдельной задаче определяет ее сложность. Пример файла свойств задач представлен на рис. 5.

Класс Подкласс Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9

1 2 0 2 2 2 0 0 0 0 D

1 3 0 3 3 3 0 0 0 0 0

1 4 0 4 3 3 0 0 0 0 0

1 5 0 4 3 5 0 0 0 0 0

2 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0

2 2 0 0 0 0 2 2 2 0 0

2 3 0 0 0 0 3 2 3 0 0

2 4 0 0 0 0 3 4 3 0 0

2 5 0 0 0 0 5 4 3 0 0

3 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1

3 2 2 0 0 0 0 0 0 2 2

3 3 3 0 0 0 0 0 0 3 2

3 4 2 0 0 0 0 0 0 3 4

3 5 0 0 0 0 0 0 0 5 5

Рис. 5. Файл со свойствами учебных задач, содержащий 3 класса с 5-ю подклассами различной сложности

При разработке свойств задач используются такие ключевые понятия как класс и подкласс. Они условно определяют содержимое и спецификацию учебных задач. Так, в рассматриваемой ИОС были выделены 3 класса, каждый из которых содержит по три правила о различных элементах управления ОС Linux. Деление на классы производится по их сложности, согласно принципу усвоения от простого к сложному. Внутри класса созданы пять подклассов. Для каждой задачи вектор правил

заполнен неравномерно, то есть каждое правило для разных задач используется неодинаковое количество раз, а также выделены задачи с минимальной и максимальной уровнями сложности. Поэтому организация свойств задач таким образом и позволяет достигнуть адаптивности в процессе управления обучением. На рисунках 6 и 7 представлены примеры учебных задач из разных классов.

Для поддержки вариативности в процессе обучения используются такие задачи как синонимичные. Синонимичными называются задачи, отличающиеся друг от друга внешним видом и характеризующиеся одинаковыми наборами используемых для их решения правил.

+ X '£) Нч-

Л

5 *

'—— Для пг:рол1Дл п домашний каталог иякиплустся «ом.-и до ОчМ ИиКСЫ фздВДИЦ11Ш11Л)№101№МЬ1НШ Для изменение цив досрпа файла иышльзуею* кшандо ^^^ .

—

т-5 ч.

га в

л 6

* а

И К'

Рис. 6. Задача 1-го класса со сложностью 3

Рис. 7. Задача 1-го класса со сложностью 10

т - В"-- Бет яд&ч Прсдрсрнтсгьный просиогр »дачи

— н™ 5 Переход в каталог .'аЯши |

=  Передш в дирек 1 ирию № уровень шлиц: [

1 Обновить дату изменении фрапа рг^л | Определить его тип флй ля |_| ^

'<-— • * - право чтении файла. | | • мраш зашей в файл У праооиегюпигавг файла

— ! •

— •

1

1 3

. 5

2 а е

. &

Г«,««.

Рис. 8. Окно с синонимичной задачей 1 класса 3 подкласса

14 " * Ссходшии пиний | чя шг ЛсЬпп: |

__;__ Обновить дату иэменажя файла ш1е5.

1 3 Наш и 1вк"-'4^6)5" в файлах катален а: 1 пралл чтения файпл • право записи в фа? л | - прэео исполнения файла.

1 к

2 1

— I I

з ;

-4 з *

3 5 Ы

Г---- ------

Рис. 9. Окно с синонимичной задачей 1 класса 3 подкласса

На рисунках 8 и 9 представлены две синонимичные задачи первого класса третьего подкласса. Для решения этих задач используются одни и те же правила одно и то же количество раз. Использование синонимичных задач обеспечивает разнообразие процесса обучения для обучаемого в случае, когда на двух последовательных шагах обучения задача оптимальной трудности описывается одним и тем же набором правил, требуемых для ее решения.

Заключение

Программные системы TestMaker и МОНАП используются для решения различного рода задач. Использование системы TestMaker ориентировано на проверку усвоенных теоретических знаний обучающегося, а система проектирования МОНАП применяется для адаптивного управления процессом обучения при формировании

навыков/умений обучаемого в выбранной для обучения предметной области. Для достижения успешных результатов в учебном процессе необходимо применять оба программных комплекса, тем самым преподаватель организовывает инновационное обучение в рамках выбранной им предметной области. Использование рассмотренных выше технологий, реализующих описанные подходы, позволяет сформировать знания и навыки без однотипного заучивания учебного материала, а также обеспечить максимальный уровень адаптации управления процессом обучения для каждого обучаемого.

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

Литература

1. Марк Г. Собел. Linux. Администрирование и системное программирование // Питер. - 2011. - С. 150-243.

2. Стахнов А.А. Сетевое администрирование Linux // БХВ-Петербург. - 2004. -С.80 - 167.

3. 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», Казань, 9-10 июня 2005г. Казань: ЗАО "Новое знание" -С. 101-105.

4. Галеев И.Х. Организация адаптивного обучения навыкам алгоритмической природы // Программные продукты и системы. - 1989.-N3. - С.50-71.

5. 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

6. Galeev I. Automation of the ETS Design // Educational Technology - September-October 1999. - V. XXXIX, No. 5. - P. 11-15.

7. Galeev I. Adaptive Training: Direct and Return Routes (From Knowledge to Skills and Back) Proceedings of the 31st International Convention MIPRO (MIPR0'2008) Conference Computers in Education, Opatija, Croatia, May 26- 30, 2008, p. 159-163.

8. 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/journal.html

9. Галеев И.Х. Интеллектуальные обучающие системы (Российский опыт) // Перспективные информационные технологии (ПИТ 2016): труды Международной научно-технической конференции / под ред. С.А. Прохорова. -Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2016. - С. 731 - 734. -ISBN 978-5-93424-758-5.