Алгоритм формирования учебного плана с применением методики формализованного представления учебной дисциплины (на примере дисциплины «Моделирование систем»)

УДК 004.42

И. М. Харитонов

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ УЧЕБНОГО ПЛАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДИКИ ФОРМАЛИЗОВАННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Основной целью системы высшего образования является профессиональная подготовка специалистов высшей квалификации в соответствии с социальным заказом. Поэтому именно профессиональная деятельность специалистов задает и определяет цели изучения всех учебных дисциплин, а следовательно, и содержание, и структуру, и формы соответствующей учебной деятельности студентов, готовящихся к этой профессиональной работе. Вот почему особое значение в настоящее время, когда происходит переход к новым государственным образовательным стандартам по всем учебным специальностям, приобретают исследования по прогнозированию последствий реформирования учебного процесса [1].

Управление учебным процессом вуза состоит из множества задач. В данной работе рассматривается одна из важных задач управления - задача моделирования процесса построения учебного плана. Решение частной задачи повышения эффективности составления учебного плана позволит повысить эффективность управления учебным процессом в целом.

Наиболее распространенные из существующих методик управления основаны либо на принципе модульного представления учебных дисциплин, либо на основе дерева целей подготовки специалиста, однако методики управления учебным процессом вуза на основе формализованного подхода к построению учебной дисциплины разработаны недостаточно [2].

Одним из направлений работ в области управления учебным процессом вуза является составление учебных планов вузов на основе дерева целей подготовки специалиста. Основные цели обучения - определение списка знаний и умений, которыми должен обладать выпускник вуза. Каждой цели ставится в соответствие одна или несколько дисциплин учебного плана. Входными данными являются коэффициенты относительной важности целей учебного процесса. Далее происходит набор необходимых тем учебных дисциплин, наиболее важных для формирования специалиста. При таком алгоритме работы не учитываются связи между модулями. Связи между модулями, попавшими в учебный план, оцениваются после отбора содержания, поэтому может проявиться информационная недостаточность для изучения некоторых модулей, т. к. элементы-предки, необходимые для них в качестве информационной базы, могут иметь недостаточно высокий групповой вес.

Другим направлением работ в области управления учебным процессом вуза является методика модульного обучения. Сущность модульного обучения заключается в том, чтобы максимально обособить отдельные блоки (модули) учебного материала. При модульном построении обучения строится граф логической структуры предмета, в котором указываются не только внутрипредметные, но и межпредметные связи. Затем в отдельные учебные элементы, составляющие структуру модуля, выбираются полностью те темы из графа логической структуры, которые необходимы для изучения конкретного учебного элемента, причём эти темы могут выбираться из различных учебных дисциплин, в зависимости от междисциплинарных связей.

Некоторым недостатком такого подхода является то, что в модули помещается информация, не относящаяся непосредственно к изучаемой дисциплине. Причем информация фундаментальных наук для данной специальности (в частности, для инженерного образования - математика, физика и другие естественнонаучные дисциплины) может дублироваться несколько раз в различных модулях. Это, конечно же, положительно влияет на качество усвоения материала, но значительно сокращает общий объем учебного материала, который можно преподнести студенту за срок его обучения в вузе.

Кроме этого, недостаток модульного подхода проявляется в том, что при отборе наиболее связанных и часто используемых модулей для формирования учебного плана в него могут не войти модули, которые имеют малое количество связей, но при этом имеют большое значение для формирования знаний выпускника [3].

На основании вышеизложенного можно заключить, что работа по совершенствованию методики управления учебным процессом вуза, позволяющей устранить недостатки существующих методик управления учебным процессом, актуальна. Нахождение и количественная оценка взаимосвязей между учебными дисциплинами позволяют устранить недостатки методики, основанной на построении дерева целей подготовки специалиста. Построение базы учебных дисциплин и нахождение места каждой учебной дисциплины в учебном плане, основанного на степени важности каждого модуля для вклада в формирование бакалавра, позволяют избежать дублирования изучаемой информации и перераспределить время на изучение наиболее важных модулей, что устраняет недостаток методики управления учебным процессом на основе модульного обучения.

Кроме того, в связи с переходом к новым образовательным стандартам, состав дисциплин стал более вариативным, происходит переход от почти статического набора дисциплин к динамическому, что также повышает актуальность данной работы.

Алгоритм составления исходного варианта учебного плана

Шаг 0: Подготовка исходных материалов.

Основой для использования предлагаемой методики являются: примерный список дисциплин, предоставляемый учебно-методическим объединением, рабочие программы по дисциплинам и государственный образовательный стандарт по данному направлению. Из этого перечня документов имеем следующие исходные данные: список обязательных и вариативных дисциплин; перечень тем, входящих в дисциплину; количество часов, отводимых на изучение дисциплины; общее количество учебных часов; список компетенций, которыми должен обладать бакалавр текущего профиля.

Шаг 1: Формализованное представление.

На данном этапе происходит формализованное представление каждой учебной дисциплины в виде определённого набора атрибутов. Преподаватель или группа преподавателей, обслуживающих данную дисциплину, производят ее разбиение на модули, из которых состоят все виды учебной деятельности, а также выделяют в каждом модуле список ключевых понятий или термов, характеризующих данный модуль.

В результате такого представления выделяются следующие параметры: список модулей учебной дисциплины с перечнем изучаемых тем; время изучения каждого модуля (суммой времени всех модулей дисциплины является общее время изучения дисциплины); список входных и выходных термов каждого модуля.

В качестве примера формализованного представления учебной дисциплины нами используется дисциплина «Моделирование систем», входящая в учебный план подготовки бакалавров по направлению 230100 - «Информатика и вычислительная техника» (рис. 1).

Учебная дисциплина разбивается на модули, где модуль - это унифицированно структурированный, логически завершенный объем материала, обеспечивающий первичное приобретение теоретических и практических навыков для выполнения какого-либо вида работ. Модуль представляет собой самостоятельную учебную дидактическую единицу, включающую одну или несколько тем учебного курса. Для каждого модуля указывается объем в часах, виды учебной деятельности, входящие в него, список входных и выходных термов и степени связности модулей друг с другом. Такое разбиение позволяет составить базу учебных дисциплин с указанием атрибутов, соответствующих каждой дисциплине.

После формализации всех учебных дисциплин для выбранного направления обучения строится общая база знаний, содержащая все учебные дисциплины. Такую базу будут заполнять учебные дисциплины в виде набора характеризующих их атрибутов и сущностей. Благодаря такому подробному представлению дисциплин обеспечивается возможность оценки (в том числе количественной) взаимосвязей между всеми дисциплинами учебного цикла: возможна не только диагностика наличия связей, но и их количественная оценка, а также определение мест взаимного проникновения дисциплин (например, по практическим навыкам, которые студенты получают в ходе выполнения лабораторных работ). В результате, после определения взаимосвязей между учебными дисциплинами, строится полная модель всего учебного процесса, на которой отображены все изучаемые дисциплины направления с соответствующими атрибутами, и взаимосвязи между всеми изучаемыми модулями каждой из учебных дисциплин.

| Наименование дисциплины Цикл дисциплины f Обьем в часах

- Моделирование Специальный 130

Название модуля - 101 Основные понятия теории моделирования сложных систем

Список выходных термов Список входных термов

ДМ.!Д|И

свойства модели

классификация видов моделей

имитационное моделирование

абстракция

способы представления моделей

структура модели

цели и задачи моделирования

объект

физическая модель

абстрактная модель

математическая модель

адекватность

достоверность

точность моделирования

сложная система

статическая модель

динамическая модель

детерминированная модель

стационарная модель

сосредоточенная модель

дискретная модель

непрерывная модель

*

Виды учебной деятельности

102 Построение имитационных моделей систем

103 Статистическое моделирование систем на ЭВМ иповые математические схемы моделирования

♦ 104 Ті

4 105 Формализация и алгоритмизация процессов функционирования систем

♦ 106 Инструментальные средства моделирования систем Языки моделирования 4 107 Планирование экспериментов по имитационному моделированию систем

♦ 108 Перспективы развития машинного моделирования сложных систем

Лек+Пр+Лаб

Лек+Пр+Лаб

Лек+Пр+Лаб

0 Лек

1 Ле

0 Лек

1 Лек

Рис. 1. Формализованное представление дисциплины «Моделирование систем»

Шаг 2: Компетентностный подход.

На данном этапе производится анализ значимости каждого учебного модуля для формирования выпускающегося бакалавра. С помощью экспертных оценок производится расстановка коэффициентов значимости модулей и соответствия знаний, полученных в результате изучения модуля, компетенциям, которыми должен обладать бакалавр-выпускник.

Компетенция представляет собой сложное, интегрированное понятие, характеризующее способность человека реализовать свой потенциал (знания, умения, личностные качества) для решения профессиональных и социальных задач в определенной области. Известно, что компетенции бывают двух видов: общекультурные и профессиональные. Первые направлены на формирование норм мышления и поведения бакалавра, выработку профессиональных качеств, а вторые направлены на формирование базы знаний, навыков и умений, которыми должен обладать бакалавр данного профиля. Все компетенции перечислены в государственных образовательных стандартах нового поколения по каждому направлению подготовки.

После расстановки коэффициентов значимости модулей можно провести их ранжировку по степени вклада в формирование знаний и умений бакалавра, что поможет преподавателю правильно распределить учебное время, отведенное на изучение дисциплины.

Шаг 3: Анализ взаимосвязей.

После построения формализованной модели всех учебных дисциплин и построения общей базы знаний учебного плана происходит анализ взаимосвязей учебных дисциплин с целью определения порядка изучения дисциплин и наполнения необходимым материалом каждой учебной дисциплины. Производится экспертная оценка, выявляющая состав модулей данной дисциплины, необходимых для поддержки изучения других дисциплин. Таким образом, выявляются родительские и дочерние модули, благодаря чему возможна правильная расстановка учебных дисциплин по времени изучения. Происходит также определение «автономных» модулей, т. е. таких, для освоения которых не требуются знания, осваиваемые в других модулях, либо такие, вклад которых в изучение других модулей несуществен.

Построение общей базы знаний и расстановка коэффициентов значимости модулей позволяет построить графовое дерево учебного направления. Пример построения графа для дисциплины «Моделирование систем» показан на рис. 2. На основании данных о связности модулей между собой, полученных группой экспертов, преподающих данную дисциплину, строится граф связности с указанием степени связей модулей между собой. Степени связей между модулями указываются как для модулей внутри одной дисциплины, так и для модулей, принадлежащих разным учебным дисциплинам.

Рис. 2. Граф связности дисциплины «Моделирование систем»

На рис. 2 показан граф связности учебной дисциплины «Моделирование систем». На данном графе отображаются модули учебной дисциплины (моделирование 1 - моделирование 8), их значимость для выпускающегося бакалавра направления «Информатика и вычислительная техника по профилю «Сервисно-эксплуатационная деятельность» по пятибалльной шкале (указаны сразу после наименования модуля, модули с различной степенью значимости отображаются разной цветовой заливкой, в данном случае значимость составляет лишь 0 и 1 балл, что говорит о малой значимости данной дисциплины для рассматриваемого профиля деятельности), а также степени связности этих модулей между собой тоже по пятибалльной шкале (двойные цифры связности говорят о двусторонней связности модулей между собой).

Шаг 4: Контент-анализ.

После проведения анализа результатов экспертного оценивания производится контент-анализ содержания модулей учебных дисциплин с целью выявления реальных взаимосвязей. Если полученный коэффициент сильно отличается от экспертного, то следует пересмотреть содержание модулей в сторону большего приближения терминологического словаря и наполнения материала между связанными дисциплинами.

Методы контент-анализа предоставляют возможности компьютерной обработки текстов и текстовых массивов с целью последующей содержательной интерпретации выявленных числовых закономерностей. Применительно к рассматриваемой задаче контент-анализ позволяет выявить и количественно оценить взаимосвязи между модулями различных дисциплин, что позволит оценить реальную картину связности учебного материала, уточняющую полученную на основе экспертных оценок.

Для использования методики контент-анализа был разработан программный комплекс, позволяющий выявлять и оценивать встречаемость термов модулей одних учебных дисциплин в модулях других учебных дисциплин (рис. 3).

Список терминов Количество терминов

1ое слово 2ое слово 1 2 3 4 5 6 7 8

ПЕРВЫЙ МОДУЛЬ 0 0 0 0 0 6 0 0

свойств модел 0 0 0 1 1 0 1 0

вид модел 14 1 0 0 0 1 1 0

имитац модел 54 0 5 Б 1 14 7 3

описан модел 0 0 0 0 3 2 0 0

структур модел 1 6 0 0 7 1 7 0

задач модел 4 0 2 3 11 32 0 0

цел модел 10 0 2 2 0 5 1 1

физич модел 5 0 0 0 0 1 0 0

абстракгн модел 0 0 0 0 0 0 0 0

математич модел 17 7 0 14 16 1 1 0

адекватн модел 4 0 0 1 2 0 1 0

достоверн модел 0 1 0 0 4 0 0 0

точн модел 1 1 0 0 0 1 0 0

сложи систем 24 0 1 Б 1 12 0 1

статич модел 1 0 0 1 0 0 0 0

динамич модел 1 0 0 2 0 0 0 0

детерминир модел 1 0 0 5 0 0 0 0

стационары модел 0 0 0 0 0 0 0 0

сосредоточ модел 0 0 0 0 0 0 0 0

дискретн модел 2 0 1 2 0 3 0 0

непрерывн модел 2 0 0 3 0 0 0 0

ВТОРОЙ МОДУЛЬ 0 0 0 0 0 0 0 0

метод идентифик 0 В 0 0 1 0 0 0

наименьш квадрат 1 2 0 0 0 0 0 0

МНК 0 0 0 0 0 0 0 0

уравнен модел 0 0 0 0 0 1 0 0

псевдолин идентифик 0 0 0 0 0 0 0 0

Критер идентифик 0 0 0 0 0 0 0 0

линейн модел 0 э 0 0 0 0 5 0

параметр модел 1 5 0 0 0 1 1 0

конечн разност 0 0 0 0 0 1 0 0

метод сеток 0 0 0 0 0 0 0 0

разности схем 0 0 0 1 0 0 0 0

метод прогонк 0 0 0 0 0 0 0 0

шаг дискретиз 0 0 0 0 0 0 0 0

ТРЕТ ИИ МОДУЛЬ 0 0 0 0 0 0 0 0

метод монте-карло 1 0 0 0 0 0 0 0

генер случайн 0 0 19 0 1 0 1 0

аппаратн генер 0 0 3 0 0 0 0 0

программы генер 0 0 1 0 0 0 0 0

конгруэнтн метод 0 0 0 0 0 0 0 0

метод исключен 0 0 0 0 0 0 0 0

стохасти модел 1 0 0 4 0 0 1 1

ЧЕТВЕРТЫЙ МОДУЛЬ 0 0 0 0 0 0 0 0

этап модел 0 0 0 0 22 1 0 0

Рис. 3. Контент-анализ модулей дисциплины «Моделирование систем»

На основе полученных данных, после обработки результатов контент-анализа, строится таблица связности модулей, в которой сравниваются гипотетические значения связности модулей, полученные в результате экспертного опроса, с количественными оценками, полученными после контент-анализа (рис. 4). На рис. 4 показан пример такой таблицы для дисциплины «Моделирование систем». В этой таблице первое значение получено в результате контент-анализа, а второе - в результате экспертного опроса.

Таблица связности и одул ей 1 2 3 4 5 6 7 8

термы из модуля 1 - 5

термы из модуля 2 1

термы из модуля 3 1

термы из модуля 4 0

термы из модуля 5 3

термы из модуля 6 2

термы из модуля 7 3

термы из модуля 8 1

Рис. 4. Таблица связности модулей дисциплины «Моделирование систем»

Такая таблица позволяет быстро и наглядно отобразить соответствие между экспертными и количественными оценками связности, а также обнаружить проблемные места (на рис. 4 выделены контрастной заливкой). Преподаватель, анализирующий результаты, может частично пересмотреть материал проблемных модулей с целью их сближения с другими модулями (либо за счет пересмотра терминологического словаря, используемого для изложения темы, либо за счет внесения дополнительных материалов, усиливающих взаимосвязи - например, за счет использования иллюстративных примеров, постановки задач для которых уже встречались в модулях, изучавшихся ранее).

Помимо методики контент-анализа, взаимосвязи между дисциплинами можно оценить с помощью другой методики - латентно-семантического анализа. Данный метод позволяет устранить недостаток метода, описанного выше, за счёт построения графика, отображающего степень связности между различными термами и дисциплинами. Метод латентно-семантического анализа позволяет выявить скрытые взаимосвязи между терминами учебных дисциплин и между самими дисциплинами (рис. 5).

1 ,и П-Д.-

и,о • Модуль 4

и;о ~ Л-Л - N .

Модуль 7 ♦ Таї плі тическое нирование, Конечный автомат ♦ ф 0 •• • ♦ ♦ Математическая схема

Машинный эксперимент планирован* эксперимент,. *1»**яУтооа имитационный фактора эксперимент : Модуль 8 + . Вероятностный СМО автомату. Автомат Мили й^^Модуль 2 Математическое ♦ моделирование

,8 -С ,6 -0 ,4 -0 и,и ,2 0 П-О - 9 д /шгоритми^ация модели 4 Сложность ♦системы ф 2 Имитационное ^ моделирование и І о 6 0

“и’Х П.Д — Реализуя модели “ф ; Модуль 5 ♦яим і

-ил п с _ нуль 6

0,6

♦ Термы * Модули

Рис. 5. Латентно-семантический анализ дисциплины «Моделирование систем»

Результаты контент-анализа, полученные при выполнении предыдущего метода, являются исходными данными для анализа. Из полученных данных строится исходная матрица для анализа, в которой элементами являются частоты встречаемости терминов. Исходная матрица под-

вергается обработке с помощью метода сингулярной декомпозиции значений, в результате получаются две сингулярные матрицы. Одна содержит набор факторов для перечня терминов, а другая - для списка дисциплин. После выполнения преобразований результат представляется в виде двух столбцов, трактуемых как координатные оси. В результате такого представления становится возможным построения графика связности терминов и дисциплин.

Как видно из графика на рис. 5, верхний правый квадрант содержит термы и модули математической части моделирования систем (математическое моделирование, математическая схема, Л-схема, ^-схема и др.), верхний левый - термы и модули, отвечающие за экспериментальную часть моделирования систем (машинный эксперимент, планируемый эксперимент, имитационный эксперимент, факторный эксперимент и др.), нижний правый - термы и модули, имеющие отношение к имитационному моделированию (имитационное моделирование, языки имитационного моделирования, алгоритмизация модели, реализация модели и др.). Из этого следует, что модули 1, 3, 5, 6 в большей степени связаны между собой, чем с другими модулями (поскольку описывают сходную область изучения дисциплины), модули 7, 8 также больше сходны между собой, чем с другими модулями, а модули 2, 4 имеют более сильную связь друг с другом, чем с остальными модулями. Можно сделать вывод, что методика латентно-семантического анализа подтверждает результаты, полученные при применении методики контент-анализа.

Шаг 5: Формирование учебного плана.

На заключительном этапе происходит объединение всех полученных результатов, производится настройка всех параметров и формируется исходный вариант учебного плана для направления обучения, который предоставляется ведущим преподавателям выпускающей кафедры и учебному отделу вуза для дальнейшей профессиональной работы.

Исходный вариант учебного плана содержит распределение учебных модулей по времени изучения (с учетом ограничения по общему времени, отведенному на изучение дисциплины), выборку наиболее значимых модулей для формирования знаний и умений бакалавра, наполнение каждого модуля учебным материалом.

Заключение

Разработанная методика формирования учебного плана на основе формализованного подхода к представлению учебной дисциплины позволяет дополнить и частично устранить недостатки существующих методик, основанных на модульном подходе и на методике построения дерева целей специалиста.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Когнитивный анализ качества подготовки специалистов в вузах / В. А. Камаев, М. А. Заболотский, И. А. Полякова, А. В. Тихонин // Современные наукоемкие технологии. - 2005. - № 6. - С. 25-26.

2. Трофимова О. К. Автоматизация процесса составления учебных планов вузов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1999. - 25 с.

3. Найханова Л. В., Дамбаева С. В. Описание метода выбора наилучшего варианта учебного плана специальности // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий: Материалы I Всерос. науч.-техн. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2000. - С. 215-219.

Статья поступила в редакцию 19.01.2011

THE STUDY PLAN FORMING ALGORITHM BASED ON THE STUDY DISCIPLINE FORMALIZED PRESENTATION PROCEDURE

I. M. Kharitonov

The algorithm of formation of the initial specialty study plan based on the method of the formalized study plan presentation is offered. The advantages of the proposed method are underlined being compared with the existing approaches using the module study and the method of construction of specialist’s objectives tree. The work describes the study discipline formalization process and its representation as an attribute collection and the process of detection and estimation of the different discipline interlinks based on the expert experience and content analysis methodology. The conclusions generalized during the investigation of the "Systems simulation" discipline are given.

Key words: study plan formation, study process control, formalized approach to the elaboration of study discipline, study disciplines’ interdependence, competences, specialists graduation, module approach, tree of objectives.