Анализ способов построения обучающих систем

Затылкин А.В

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ

В настоящее время во всем мире (и в том числе в России) широкое распространение получили технологии электронного обучения - E-learning. Внедрение технологий E-learning дает возможность организовать процесс обучения дистанционно, что позволяет охватить более широкую аудиторию слушателей (что вызвано необходимостью доступного образования не только для студентов, территориально удаленных от ВУЗа, но и для людей, имеющих физические ограничения), осуществить индивидуальный подход к каждому студенту с учетом его способностей, обеспечить независимость от аудиторного времени (что особенно важно при прохождении работающими специалистами курсов повышения квалификации или переподготовки) и т.д., поэтому развитие и внедрение технологий электронного обучения является важной научно - практической задачей.

Особенностью развития E-learning в настоящее время является уменьшение степени «обязательности» обучения, вследствие чего система образования становится все более ориентированной на осознанное мотивированное желание учиться, повышение своего квалификационного уровня. В результате происходит смещение акцентов с традиционных преподавательских методик, базирующихся на репродуктивных методах обучения и предполагающих достаточно жесткое администрирование учебного процесса, на методики, ориентированные на эффективное управление процессом обучения, подразумевающие использование продуктивных, деятельностных методов с активным вовлечением обучаемых в процесс получения ими новых знаний.

С этой точки зрения, средства обучения (СО) E-learning на базе современных вычислительных и телекоммуникационных средств следует рассматривать как самостоятельных участников процесса обучения. Наличие двух субъектов процесса обучения (СО E-learning и обучаемый) говорит о невозможности построения таких систем без учета коммуникативных аспектов процесса передачи знаний от информационной системы к обучаемому, поскольку эффективность процесса обучения, в данном случае, напрямую зависит от эффективности коммуникативного процесса.

К существенным недостаткам технологии E-learning следует отнести то, что большое количество существующих на сегодняшний день интеллектуальных компьютерных обучающих систем (ИКОС), позволяют эффективно передавать теоретические знания, но не рассматривают формирование практических навыков и умений. В то же время, получающие все большее распространение автоматизированные лабораторные комплексы (АЛК) направлены на получение лишь практического опыта.

Известно, что навыки и умения базируются на знаниях, полученных на этапе теоретического обучения, но формируются в основном на тренажерах, поэтому процесс обучения (включающий передачу знаний, формирование умений и навыков) подразумевает наличие именно единой стратегии управления обучением. Поэтому программные и аппаратные СО следует рассматривать не как самостоятельные обучающие единицы, а как части единой ИКОС.

Рассмотрим принципы управления обучающими системами активно используемые в настоящее время.

Принципы управления обучающей системой

Качественные изменения инструментария разработки ИКОС предполагают разработку новых методических подходов к организации процессов подготовки специалистов в различных областях знаний [1]. Успешность решения этих задач предполагает ясное понимание целей и возможностей всех участников процесса обучения. Поэтому, при выборе существующей или проектировании новой ИКОС, важно учесть основные принципы управления процессом обучения как коммуникативным процессом.

Предложенная в работе [2] классификация ИКОС основана на теории коммуникации, классификационные признаки которой отражают сформулированные автором основные аспекты процесса обучения как коммуникативного процесса, определяющие основные принципы управления обучающей системой, а именно:

- необходимость обучения;

- двусторонняя направленность обучения;

- наличие коммуникативного пространства;

- наличие моделей эффективного взаимодействия.

Рис. 1 Схема классификации ИКОС на основе теории коммуникации

Сложность подобных систем не позволяет применить традиционные методы классификации. Представленная автором фасетная классификация ИКОС (см. рис.1) основана на теории коммуникации и отличается от существующих тем, что введенные классификационные признаки отражают основные принципы организации процесса коммуникации обучающей системы и обучаемого, поскольку именно они в конечном итоге определяют все существенные аспекты построения конкретного электронного средства.

Предложенные в работе [3] принципы управления образовательной системой (ОС) показаны на схеме рисунка 2, на котором числами обозначены номера принципов (см. рис.2):

- Принцип отношения ОС с государством (принцип 1 - иерархии);

- Принцип отношения ОС с обществом (принципы 4, 5, 8 - доступности, бесплатности, общественногосударственного управления);

- Принцип отношения ОС с управляемой ОС (принципы 6, 7, 12, 13 - ответственности, невмешательства, обратной связи, адекватности);

- Принцип отношения ОС с другими ОС (принцип 2 - унификации).

Рис. 2 Принципы управления ОС

Выделенная пунктиром «петля» на рис. 2 отражает следующие требования к системе управления ОС: она должна быть развивающейся (9) , целенаправленной (3) , институализированной (11), эффективно функционирующей (17), а также в полной мере учитывающей специфику (18) и собственные цели всех управляемых объектов/субъектов (19).

Принципы 14-16 (соответственно, принципы: оперативности, опережающего отражения и адап-

тивности) отражают временные отношения - свойства системы управления, позволяющие ей эффективно функционировать в изменяющейся обстановке, то есть реагировать на текущие изменения (14) и прогнозировать будущие изменения (15) с учетом всей предыстории деятельности (16). На рис. 3. даны принципы управления ОС во времени, представленные в работе [2].

Рис. 3 Принципы управления ОС

Таким образом, в принципы управления ОС, выделенные в работе [3]. довольно расплывчаты и не содержат таких важных составляющих, как личностно - ориентированный подход к каждому конкретному студенту с учетом его индивидуальных особенностей, не рассматривают коммуникативные аспекты процесса обучения. Поэтому их применение при разработке средств автоматизированного обучения не целесообразно.

В основе классификации ИКОС предложенной в работе [2] лежит теория коммуникации. Ее использование позволяет учесть основные аспекты процесса обучения как коммуникативного процесса, что очень важно, поскольку в настоящее время уменьшается степень обязательности обучения и, как следствие, эффективность обучения зависит от эффективности коммуникационного процесса.

Модель управления

В работе [4] на основе использования результатов применения новых информационных технологий, теории коммуникации и методологии теории поэтапного формирования умственных действий и понятий разработана структурная модель ИКОС с внешним объектом исследования (ОИ).

Выделение внешнего по отношению к системе объекта исследования вызвано необходимостью постоянной модернизации средств обучения, что обусловлено динамичным изменением профессиональных знаний, умений, навыков. Под открытостью архитектуры подразумевается использование различных моделей изучаемого объекта [5] , информационная интеграция которых осуществляется на основе результатов исследований межсистемного взаимодействия, полученных в работе [6] (рис

4.).

Обучаемый

ИКОС

Интеллектуал ьны й интерфейс пользователя

-------

_______

Интеллектуальная система управления ИКОС

ф

I— £ -ф °

Ф О

Внешний объект исследования

Средства

обучения

И

Объект

изучения

МПО

БЗ

БМ

БИР

БФО

Ф

X

ф

Рис. 4 Структурная модель ИКОС с внешним объектом исследования

Внешний объект исследования состоит из объекта изучения и соответствующих средств обучения. Объект изучения представлен моделью предметной области (МПО) и базой физических объектов

(БФО). Модель предметной области содержащей базу знаний (БЗ), базу моделей (БМ) и базу интер-

нет ресурсов (БИР). Средства обучения представлены функциональными (ФТ) и процедурными тренажерами (ПТ). Поскольку интеллектуальный интерфейс пользователя (ИИП) включает мультимедийные средства, их наличие во внешнем объекте не целесообразно.

Интеллектуальность предложенной структурной модели состоит в выборе коммуникативной стратегии, соответствующей каждому этапу обучения. Выбор осуществляется на основе формирования коммуникативной среды обучения с учетом не только индивидуальных особенностей обучаемого, но и средства обучения,

соответствующего учебной информации на каждом этапе обучения.

Представим модель коммуникативной среды обучения в виде кортежа, отражающего ее особенности:

М = {R, E, S},

где: R - тип репрезентативной системы обучаемого;

E - вариант оформления интеллектуального интерфейса пользователя;

S - вид средства обучения, соответствующего этапу.

Тип репрезентативной системы обучаемого:

R = {Audial, Vizual, Digital}; где: Audial - аудиальная;

Vizual - визуальная;

Digital -дискретная.

Эргономические параметры представлены в виде:

E = {С1, С2, С3},

где: С1-С3 - варианты оформления интеллектуального интерфейса пользователя ИКОС.

Вид средства обучения:

S = {MM, FT, PT},

где: MM - аудиовизуальные средства (мультимедиа);

FT - функциональный тренажер;

PT - процедурный тренажер.

Таким образом, на основе параметров коммуникативной среды для каждого этапа обучения осуществляется выбор соответствующей коммуникативной стратегии, определяющей вид коммуникации обучаемого и ИКОС и отражающей особенности их взаимодействия (информирующая, продуктивная и оценочная).

В зависимости от параметров среды кортеж среды обучения примет следующий вид:

- для информирующей стратегии

R е {Audial, Vizual, Digital};

M = \ E е {C1,C2,C3};

S е {MM},

для продуктивной стратегии

R е {Audial, Vizual, Digital} ;

M = \ E е {C1,C2,C3};

S е{ТТ, PT}.

Информирующая стратегия основана на принципах репродуктивного сообщающего обучения и предназначена для передачи теоретических знаний; продуктивная стратегия основана на применении принципов деятельностного обучения и наиболее соответствует формированию навыков и умений.

Предложенная в работе [7] модель нформационного управления (рис. 5) включает в себя агента (агентов) и управляющий орган. Каждый агент характеризуется циклом «информированность агента

- действие агента - наблюдаемый агентом результат информированность агента», и у разных агентов эти три компоненты цикла являются, вообще говоря, различными. В то же время, и это отражает надпись «Агент(ы)» на рисунке 5, можно считать этот цикл общим для всей управляемой подсистемы, то есть для всего набора агентов.

Рис. 5 Модель информационного управления

Таким образом, предложенная Затылкиным А.В. структурная модель ИКОС с внешним объектом исследования, оперирующая различными типами средств обучения, с интеллектуальной системой управления процессом обучения, позволяет комплексно осуществлять передачу профессиональных знаний, формирование умений и навыков. Модель, предложенная Бурковым В.Н., Коргиным Н.А., Новиковым Д.А. является весьма общей и вследствие отсутствия конкретики, реализация конкретного средство обучения на ее основе будет затруднительно.

Математический аппарат

В основе модели информационного управления, предложенной в работе [7], лежит теория игр. Рассмотрим множество N = {1, 2, ..., n} агентов. Если в ситуации присутствует неопределенный

параметр q Е И (будем считать, что множество И является общим знанием), то структура информированности II (как синоним будем употреблять термины информационная структура и иерархия представлений) 1-го агента включает в себя следующие элементы.

Во-первых, представление 1-го агента о параметре q - обозначим его я1, я1 Е И.

Во-вторых, представления 1-го агента о представлениях других агентов о параметре q - обозначим

их Я131, Е И, j Е N.

В-третьих, представления 1-го агента о представлении j-го агента о представлении к-го

агента - обозначим их я^к, я^к Е И, j, к Е N. И так далее.

Структура информированности - бесконечное п-дерево (то есть тип структуры постоянен и является п-деревом), вершинам которого соответствует конкретная информированность реальных и фантомных агентов.

Рефлексивной игрой Г1 называется игра, описываемая следующим кортежем:

Г1 = (Ы, (Х1)1 Ж Ы, ^(*)1 Ж Ы, W, I},

Где: N - множество реальных агентов,

XI - множество допустимых действий 1-го агента,

^(х)- его целевая функция, 1 Е N

И - множество возможных значений неопределенного параметра,

I - структура информированности.

Таким образом, рефлексивная игра является обобщением понятия игры в нормальной форме, задаваемой кортежем (Ы, (Х1)1 Е Ы, ^(х)1 Е Ы}, на случай, когда информированность

агентов отражена иерархией их представлений (информационной структурой I). В рамках принятого определения «классическая» игра в нормальной форме является частным случаем рефлексивной игры - игры с общим знанием. В «предельном» случае - когда состояние природы является общим знанием - предлагаемая в настоящей работе концепция решения рефлексивной игры (информационное равновесие) переходит в равновесие Нэша.

В основе модели информационного управления лежит теория нечетких множеств [8], поскольку конкретный тематический блок учебной информации трудно однозначно отнести к множеству декларативных или процедурных знаний.

Методика распределения учебной информации (УИ) по этапам обучения заключается в переборе всех тематических блоков учебной информации предметной области и присвоению каждому из них степени принадлежности к процедурному виду знания. Затем проводится их распределение в порядке возрастания степени принадлежности. Таким образом, в итоге получаем ряд тематических блоков УИ, в котором первыми будут блоки с содержанием теоретических (декларативных) знаний, а затем все более тяготеющие к практическому (процедурному) знанию.

Тематический блок учебной информации (терминал) состоит из декларативной и процедурной части. Декларативная часть содержит фреймы "описания". Каждый фрейм "описание" содержит в себе описание какого либо факта (закономерности). Сумма фреймов "описаний" терминала - декларативная емкость терминала (п).

Процедурная часть содержит фреймы "ситуации". Каждый фрейм "ситуация" содержит в себе пошаговое выполнение какой либо процедуры (алгоритма). Сумма шагов всех фреймов "описаний" терминала -декларативная емкость терминала (Бр).

Тогда, емкость тематического блока учебной информации (терминала) равна:

Т = ( Бб, Бр }.

Относительная процедурная емкость тематического блока учебной информации (терминала) равна: х =----Р— .

Относительная декларативная емкость тематического блока учебной информации (терминала) равна:

У = —у— .

У + 8р

Множество значений относительной и процедурной емкости тематического блока учебной информации (терминала) находится в промежутке от 0 до 1. Поэтому, при условии Бб #0 и Бр #0, Бб + Бр =1.

Введем лингвистическую переменную с именем "Знание" обозначенную как Ъ, принимающую значения "Декларативное" и "Процедурное", обозначенные соответственно в и р:

Ъ = (Б, Р}

Значение лингвистической переменной р опишем нечетким множеством:

Р = (х, Цр(х) | х 6 и};

где: х - значение относительной процедурной емкости тематического блока учебной информации

(терминала);

Цр(х) - функция принадлежности, характеризующая степень принадлежности х значению лингвисти-

ческой переменной р;

и - множество значений относительной и процедурной емкости тематического блока учебной информации (терминала).

Значение лингвистической переменной Б опишем нечетким множеством:

р = (У, Цб(у) I У 6 и};

где: у - значение относительной процедурной емкости тематического блока учебной информации

(терминала);

Цб(у) - функция принадлежности, характеризующая степень принадлежности у значению лингвистиче-

ской переменной Б;

В качестве функции принадлежности характеризующей степень принадлежности х значению лингвистической переменной р выбрана функция з симметричного вида (рис. 6), описываемая формулой:

Up (x) = <

, b - x

1------, a < x < b

b - a 1, b < x < c 0  в  остальных  случаях

Лингвистическая переменная "Знание" принимает значение "Процедурное" на отрезке от 0 до 0,3 и "Декларативное" на отрезке от 0,7 до 1.

Рисунок 6. - Вид функции э симметричного вида

На основе проведенного количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения получена таблица 1.

Таблица 1 Соответствие степени принадлежности учебной информации этапам обучения

№ Название этапа Средства обучения Коммуникативная стратегия Z

1 Начальный Мультимедиа средства под управлением ИКОС Информирующая + оценочная "Де- клара- тивное

2 Ключевой

3 Материаль- ный Функциональные тренажеры под управлением ИКОС Продуктивная + оценочная (Информирующая + оценочная) -

4 Речевой Процедурные тренажеры под управлением ИКОС Продуктивная + оценочная "Про- цедур- ное"

5 Умственный

Таким образом, разработанная Затылкиным А.В. методика количественного анализа соотношения декларативных и процедурных знаний в предметной области обучения на основе теории нечетких множеств позволяет работать ИКОС с декларативными и процедурными знаниями с целью распределения их по этапам обучения в соответствии с заложенной педагогической теорией. Такое распределение учебной информации создает основу для принятия решений по выбору управляющего воздействия в виде конкретной коммуникативной стратегии обучения для каждого этапа, что повышает эффективность всего процесса обучения.

Применение моделей [7] затруднено тем, что позволяя учесть концепцию решения рефлексивной игры (информационное равновесие), отсутствует учет индивидуальных особенностей обучаемого, не уделено внимание особенностям процесса коммуникации "игроков". Тем не менее, на практике игроки выстраивают систему взаимоотношений сразу в нескольких направлениях, при этом важно, чтобы эти стратегические линии не противоречили друг другу. Именно поэтому профессионалы стараются заниматься не просто коммуникациями, а делают это в комплексе. Соответственно, умение строить эффективную коммуникацию очень ценно для любого игрока [9].

Кроме того, теория игр - раздел прикладной математики, исследующий модели принятия решений в условиях несовпадения интересов сторон (игроков), когда каждая сторона стремится воздействовать на развитие ситуации в собственных интересах [9]. В процессе обучения, основанном на осознанном мотивированном желании учиться, повышать свой квалификационный уровень, интересы сторон полностью совпадают.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юрков, Н.К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами. -Пенза: ИИЦ ПензГУ, 2003 г. - 198 с.

2. Затылкин, А.В. [электронный ресурс]: Автореферат диссертации. - Режим доступа:

http://www.pnzgu.ru/dep/dissov/files/avto_zav.pdf.

3. Новиков, Д.А. Введение в теорию управления образовательными системами. М.: Эгвес, 2009. -

156 с.

4. Затылкин, А. В. Методология формирования профессиональ-ных навыков в ИКОС с внешним объектом изучения / В. Б. Алмаметов, А. В. Затылкин, С. В. Щербакова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. № 1 (9). С. 48-54.

5. Юрков, Н.К. Математическое моделирование конструкций РЭС в электронной среде // Н.К. Юрков, В.Б. Алмаметов, И.И. Кочегаров. Информационные технологии в проектировании и производстве. -2002г. №3, М.: ВИМИ, С. 41-43

6. Юрков Н. К. Машинный интеллект и обучение человека: монография / Н.К. Юрков. - Пенза: ИИЦ

ПензГУ, 2008г. - 226с.

7. Бурков, В.Н. Введение в теорию управления организационными системами / Бурков, В.Н., Коргин Н.А., Новиков Д.А. /Под ред. чл.-корр. РАН Д.А. Новикова. - М.: Либроком, 2009. - 264 с.

8. Затылкин, А. В. Количественный анализ соотношения декларативных и процедурных знаний в

предметной области обучения / А. В. Затылкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп.

Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - С. 224-226.

9. Игрок на коммуникационном поле [электронный ресурс]: HR-Portal. Сообщество профессионалов.

Режим доступа: http://www.hr-portal.ru/article/igrok-na-kommunikatsionnom-pole.

10. Воробъев, Н.Н. Основы теории игр. Бескоалиционные игры. М.: Наука, 1984.