Диагностика учебной деятельности по конструированию пространственных объектов

ДИАГНОСТИКА УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Учебная деятельность, диагностика, пазлы, конструирование, обучаемость, проблемная среда.

Конструирование пространственных объектов является тем видом деятельности, которым будущие представители точных наук должны владеть в совершенстве, так как специфика профессиональной деятельности требует хорошо развитой функции воображения и зрительного синтеза. Поэтому проблема создания инструмента для диагностики способности студентов физико-математических и инженерных специальностей вузов к конструированию пространственных объектов в воображении является актуальной и важной как с точки зрения профессиональной ориентации, так с точки зрения организации учебного процесса. Представляет также интерес связь базовых когнитивных функций (дифферен-цировки, распознавания, направленного внимания, скорости обработки информации, оперативной памяти) мозга (БКФМ) [Гнездицкий, 1997] обучающихся с динамическими характеристиками решения задач по конструированию пространственных объектов.

Учебная деятельность в процессе конструирования пространственных объектов происходит либо в виде мысленных манипуляций (преобразований) модели задачи, либо в виде предметных или материализованных действий путем проб и ошибок. В первом случае учебная деятельность осуществляется мысленно, с опорой на внутренний контекст, во втором — с опорой на внешний контекст или реакцию среды. Недостаточность БКФМ обучающихся обусловливает, как правило, второй путь научения.

Конструирование пространственного объекта из фрагментов осуществляется в специальной проблемной среде «Динамические пазлы», реализованной на базе компьютерной системы автоматического управления учебной деятельностью [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229-237]. Задание состоит в сборке чертежа из 25 фрагментов. Обучающийся может совершать три вида действий: 1) просмотр фрагментов в специальном окне; 2) установка выбранного фрагмента на рабочее поле; 3) отмена установленного ранее фрагмента. Задание, которое выполняет испытуемый, одно и то же. Оно повторяется до тех пор, пока деятельность по сборке объекта не станет безошибочной.

Несмотря на то что задание одно и то же и потенциально проблемная среда одинакова для всех обучающихся, реальная проблемная среда зависит как от поведения (учебной деятельности), так и от личности обучающегося. Это обусловлено тем, что поведение обучающегося является саморегулируемым и взаимосвязанным с проблемной средой и личностью обучающегося.

Учебная деятельность рассматривается как определенный способ взаимодействия обучающегося с проблемной средой. Генеральной функцией учебной деятельности является продуцирование обучающимся новой информации, необхо-

димой для поиска решений задач или проблем. Деятельности отводится опосредующая роль между внешними и внутренними условиями.

Как указывал С.Л. Рубинштейн, «...структура деятельности человека есть внешнее проявление структуры мыслительной деятельности, ее психической сути. То есть структура деятельности есть отражение структуры психических процессов, протекающих при этом и неразрывно связанных. Это две стороны одной медали» [Рубинштейн, 1958, с. 350].

Саморегуляция учебной деятельности осуществляется через изменение частоты подачи информации о величине рассогласования текущего и целевого состояния решения задачи. Если относительная частота правильных действий при ¿-й попытке собрать чертеж увеличивается, то частота подключения датчика рассогласования «расстояния до цели» при ¿+1-й попытке уменьшается, и наоборот: частота подключения датчика будет увеличиваться, если доля правильных действий будет уменьшаться. В процессе выполнения заданий ведется скрытое протоколирование действий обучающегося. Программа обработки протоколов деятельности обучающихся в проблемной среде представляет собой электронную книгу, содержащую информацию о деятельности обучающихся как в текстовом (табличном), так и в графическом представлении [Бортновский и др., 2010, с. 10-18].

Проведенный в ходе исследования эксперимент состоял в сопоставлении результатов психофизиологического обследования обучающихся методом когнитивных вызванных потенциалов Р300 [Гнездицкий, 1997] и результатов, полученных при обработке протоколов деятельности обучающихся в проблемных средах.

Вызванные потенциалы (ВП) являются индикаторами электрических процессов работы мозга, связанных с механизмами восприятия информации, ее обработки. Одной из таких методик, значительно продвинувших анализ этих процессов, является методика когнитивных вызванных потенциалов, или методика Р300. Сущность этой методики заключается в том, что выделяются не просто ответные реакции на тот или иной стимул, связанные с приходом афферентации, а анализируются эндогенные события, происходящие в мозгу, связанные с опознанием стимула, его дифференциацией, удержанием в памяти и пр. Все, что создает сущность когнитивных процессов.

Для регистрации и обработки когнитивных вызванных потенциалов использовался аппаратно-программный комплекс МВП «Нейрософт» (Иваново, Россия). Методика Р300 основывалась на подаче в случайной последовательности звуковых сигналов двух типов, отличающихся по частоте, среди которых были значимые и незначимые. Соотношение значимых стимулов и незначимых 1:3. Студенты выделяли значимые стимулы. При анализе ВП учитывались следующие показатели по степени значимости: качественные изменения в характере ответа — изменение формы ответа, нестабильность при выделении и количественные показатели — латентность пика РЗ, амплитуда пика РЗ, латентность пика № 2, амплитуда № 2.

В компьютерном эксперименте участвовало 150 студентов первого курса КГПУ и СФУ, включая студентов (63 испытуемых), прошедших нейрофизиологическое обследование БКФМ. Функции вознаграждения г(Ь) [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229—237] вычисляются из обработки данных синтаксической информации о деятельности обучающегося.

Проследим, какие отличия имеют место в способах осуществления деятельности в проблемной среде для этих обучающихся. Поиск решения задачи при выполнении первого задания в проблемной среде осуществляется при незамедлительном предъявлении информации о рассогласовании между текущим и целевым состояниями. Графически учебная деятельность в пазловой проблемной среде для первого выполнения задания обучающимися 001 и 002 представлена на рис. 1 функциями вознаграждения г(Ь).

Рис. 1. Функция вознаграждения при выполнении 1-го задания масштаба времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002

Из сравнения функций вознаграждения или траекторий деятельности видно, что обучающийся 002 совершает больше неправильных действий по сравнению с обучающимся 001 (рис.1). Энтропия его деятельности значительно выше, чем энтропия деятельности обучающегося 001 [Дроздова, Дьячук, 2007, с. 168-175].

Сравним траектории деятельности этих обучающихся после выполнения серии заданий. В качестве примера рассмотрим траектории прохождения четвертого задания (рис. 2). Видно, что обучающийся 001 совершает действия, последовательно приводящие его к решению задачи. В отличие от него, обучающийся 002 продолжает хаотичную деятельность — энтропия высока. На основании этих данных делаем вывод, что ценность состояния обучающегося 001 выше (он не нуждается в помощи со стороны проблемной среды), чем обучающегося 002.

а б

Рис. 2. Функция вознаграждения при выполнении 4-го задания масштаба времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002

Построим график функции ценности состояния в зависимости от количества выполненных заданий. Мерой ценности состояния обучающегося в проблемной среде является величина I = 1 — Н, где Н— энтропия деятельности. На рис. 3 представлена уровневая траектория для обучающегося 001 и обучающегося

002. Засечки на графике обозначают выполненное задание.

м -м

а о

Рис. 3. Функция ценности состояния в масштабе времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002

В компьютерном эксперименте все обучающиеся достигают десятого уровня. Но обучающемуся 001 потребовалось всего четыре задания (при выполнении пятого задания функция ценности состояния максимальна) для усвоения требуемой информации, в то время как обучающемуся 002 потребовалось выполнить восемнадцать заданий.

Рассмотрим скорость обучения, или обучаемость, по отношению к количеству выполненных заданий и к затраченному времени:

Л1 Л1

АТ’ 1)п~ N ’

где Л1 — количество усвоенной информации (для приведенной проблемной среды условно примем Л1 = 25 бит); ЛТ — время, затраченное на прохождение заданий; Н — значение динамического порога. На рис. 4 представлена диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей у" и V по результатам выполнения первого задания, нормированных на средние значения: V и V. .

2,0

1,0

0,0

*Л

Щ •  • * • •

• ** • «• * с* •V-*

* **Л * % $** * 1-

0,0

1,0

X о

VII!

Рис. 4. Диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей при выполнении 1-го задания

Анализ диаграммы рассеяния на рис. 4. позволяет предположить, что корреляция параметров д и ^ неоднородна. В группе обучающихся с минимальным и средним значением V показатели V и положительно связаны между собой: в среднем чем выше V , тем выше 0^ .

В группе обучающихся с высокими значениями V связь между этими показателями заметно ниже, поскольку высокий уровень V характеризуется широким размахом значений . Определим значения коэффициента корреляции для

этих групп: гв = 0,473 для первой группы; гв = 0,245 для второй группы.

Низкая информационная продуктивность деятельности при выполнении задания обусловливает потребность в дополнительном времени на обдумывание действий. Но высокий уровень V не гарантирует высоких показателей . Добавим, что, как видно на приведенной диаграмме (рис. 3), наивысшие показатели обучаемости по времени тем не менее демонстрируют обучающиеся с максимальным значением д„ .

"1

В ходе эксперимента в группе студентов из 63 человек, кроме компьютерной диагностики, была проведена нейрофизиологическая диагностика БКФМ. Средний возраст студентов составил 17—18 лет. После анализа ВП были выделены три группы.

В группе из 36 человек, что составило 57 % от числа обследованных, показатели БКФМ соответствовали норме, что свидетельствует о том, что процессы опознания, дифференцировки, направленного внимания и объем оперативной памяти не страдают.

В группе из 15 человек, что составило 24 % от числа обследованных, отмечались нарушение процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти.

В группе из 12 человек, что составило 19 % от числа обследованных, отмечались нарушения ответа в виде удлинения пика РЗ и слабо выраженного пика № 2 (снижение амплитуды, удлинение латентности № 2), что свидетельствует не только о снижении объема оперативной памяти и направленного внимания, но и о нарушении процессов опознания и дифференцировки.

В таблице приведены обобщенные данные, иллюстрирующие различия в показателях осуществления учебной деятельности обучающимися с разным уровнем развития базовых когнитивных функций мозга. Видно, что обучающимся с нарушенными функциями необходимо в два раза больше заданий (повторений одной и той же деятельности), чем тем, у кого функции мозга не страдают.

Интерес представляет среднее время, затраченное на совершение каждого действия, связанного с установкой или отменой фрагментов. Именно эти действия составляют основу конструирования пространственных объектов в рассматриваемых проблемных средах. Пятый столбец таблицы иллюстрирует отличия обучающихся в осуществлении деятельности по этому параметру. Обучающиеся третьей группы совершают действия с наименьшим интервалом. Это говорит о том, что функциональная недостаточность процессов опознания и дифференцировки в совокупности со снижением объема оперативной памяти и нап-

равленного внимания не позволяют им конструировать требуемое изображение «в голове».

Для компенсации такого рассогласования у обучающегося возникает потребность скорее перенести фрагмент на рабочее поле и, исходя из фактической ситуации, выбрать необходимое действие. Обучающиеся второй группы нормально опознают и дифференцируют предлагаемые фрагменты изображения, но дисфункция процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти требуют дополнительного ресурса времени для принятия решения о совершении действия.

Таблица

Доля обучающихся, % Среднее количество выполненных заданий Среднее время, затраченное на обучение, мин. Среднее время принятия решения, с

Группа 1 57 7 29 3,6

Группа 2 24 9 36 4,2

Группа 3 19 14 45 2,9

Таким образом, сравнительный анализ данных нейрофизиологической диагностики БКФМ с данными компьютерной диагностики учебной деятельности обучающихся в проблемных средах, пооперационно сохраненной в протоколах прохождения заданий, выявил, что одной из причин возникающих проблем в обучении студентов является недостаточный уровень развития БКФМ.

Практическая значимость проведенного исследования состоит в создании компьютерных систем первичной диагностики способности студентов к конструированию пространственных объектов, что позволяет: во-первых, решать проблему профессиональной ориентации обучающихся; во-вторых, давать рекомендации для индивидуализированного обучения; в-третьих, в случае обнаружения недостаточной обучаемости конструированию пространственных объектов направлять обучающихся на нейрофизиологическое обследование для уточнения затруднений и определения корректирующих мероприятий.

Библиографический список

1. Бортновский С.В., Дьячук П.П., Шадрин И.В. Система автоматического управления целенаправленной деятельностью «Тг@сК» // Открытое образование. 2010. № 3.

2. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. Таганрог, 1997. 252 с.

3. Дроздова Л.Н., Дьячук П.П. Диагностика динамики когнитивных стратегий поиска решения задач и когнитивных функций мозга студентов в процессе обучения // Материалы межд. конф. Proceedings «Competences and teacher competence», Osijek, 18th 19th April 2007e.

4. Дьячук П.П., Шадрин, И.В. Динамическая информационная система управления и диагностика обучаемости // Информационные технологии моделирования и управления. 2008. № 2(45).

5. Рубинштейн С.Л. О мышлении и путях его исследования. М., 1958.