Способ комплексной дистанционной подготовки пользователя к экзамену с обучением решению модельных и теоретических задач
METHOD OF COMPLEX USER EXAMINATION REMOTE TRAINING WITH MODEL AND THEORETICAL PROBLEM SOLVING

Способ комплексной дистанционной подготовки пользователя к экзамену с обучением решению модельных и теоретических задач относится к средствам дистанционного обучения, а именно к адаптивным автоматизированным обучающим системам, используемым при проведении удаленного обучения пользователя решению модельных и теоретических задач по естественнонаучным и инженерным дисциплинам и подготовке к сдаче вступительных аттестационных экзаменов в школах, ВУЗах, СУЗах и иных учебных заведениях.
Во время обучения и подготовки выпускников школ к сдаче вступительных экзаменов по естественнонаучным дисциплинам необходима полноценная и всесторонняя проработка изучаемого материала. Результатом такой проработки является развитое системное мышление, глубинное осмысление методологии науки с наработкой навыков анализа при решении задач различного типа и сложности, вне зависимости от начального уровня подготовки, структуры и стиля мышления обучаемых. Кроме того, обучаемые должны иметь возможность получить удаленный доступ к обучающим курсам и ресурсам вне зависимости от степени их территориальной удаленности и других объективных факторов, влияющих на доступность обучения.
Из уровня техники известен интернет-ресурс, представляющий собой сайт-агрегатор, размещающий на своей странице объявления платных преподавателей-репетиторов, услугами которых могут воспользоваться пользователи, и тексты задач с возможностью простейшей проверки конечных ответов (Якласс, http://www.yaklass.ru). Недостатком этого ресурса является то, что он не может производить автоматизированное обучение на основе методологии решения задач и требует наличие репетитора.
Известен другой интернет-ресурс, предлагающий учебным заведениям приобретение мультимедийных обучающих программ-тестов для использования на локальном компьютере (Физикон, http://phvsicon.ru/products/imumk-oblako-znanijj/podgotovka-k-ege/trenazher-po-podgotovke-k-ege-fizika). Недостатками данного решения являются невозможность удаленного обучения, а также отсутствие методологии решения задач в материалах мультимедийных программ, которые, по сути, являются электронными версиями обычных тестов, лекций и презентаций.
Наиболее близким способом решения поставленной задачи является ресурс Дистант 24 (http://distant24.ru/?yclid-2221774354508680141). Данный ресурс основан на проведении интернет-курсов для подготовки пользователей к экзаменам посредством вебинаров, во время которых лектор разбирает и объясняет решения задач. Недостатком данного решения является отсутствие индивидуального подхода к каждому пользователю, необходимость проведения вебинаров с объяснением примеров решения задач в виде лекций и презентаций без раскрытия теории методологии решения задач, отсутствие автоматизации, объективной оценки успеваемости, высокая стоимость услуги.
Задачей данного изобретения является обеспечение возможности дистанционного управления и корректировки действий пользователя в процессе самообучения решению задач при подготовке к экзаменам по естественным наукам с повышенным эффектом усвояемости.
Данная задача решается благодаря тому, что в способе комплексной дистанционной подготовки пользователя к экзамену с обучением решению модельных и теоретических задач по техническим и естественнонаучным дисциплинам, включающем рабочее место пользователя 1, персональный компьютер или мобильное устройство пользователя с доступом в интернет 2, интернет 3, сервер 4 содержит виртуальную обучающую среду 10, которая может состоять как минимум из блоков предварительного 13, графического 20, аналитического 21 и математического 22 решения, редактора задач 23 с возможностью моделирования сценария решения задач по их условию, анализатора пользовательского решения 33, динамической системы подсказок 32, редактора виртуальной обучающей среды 24, блока виртуальной реальности 28, блока взаимодействия с реальным экспериментальным стендом 31, блока глоссария с теорией дисциплин 29, выполненных в форме динамических и интерактивных примеров, реализованную с помощью движка виртуальной обучающей среды 18, где графический этап решения может быть реализован с помощью блока конструктора эксперимента 20, осуществляющего во взаимодействии с пользователем построение и прохождение пользователем графического решения, аналитический этап решения может быть реализован с помощью блока конструктора интерактивного ситуационного алгоритма 21, осуществляющего во взаимодействии с пользователем построение и прохождение пользователем 1 аналитического решения, математический этап решения может быть реализован с помощью блока конструктора формулы 22, осуществляющего во взаимодействии с пользователем 1 построение и прохождение пользователем 1 математического решения. При выполнении предварительного этапа решения пользователь осуществляет анализ первичных сведений из условия задачи с целью выбора необходимых этапов решения из числа базовых, последовательности их использования и последовательности использования выходной информации для построения конечного решения данной задачи. При выполнении графического этапа решения пользователем движок конструктора эксперимента осуществляет как минимум один и более из отличительных признаков: автоматическое детектирование коллизий между объектами экспериментальной сцены, автоматическое приведение размеров объектов к их размерам по условию задачи после установки параметров, автоматическое масштабирование объектов относительно друг друга и границ сцены, симуляцию технических и естественных процессов на основе их математических моделей в результате обработки некоторых событий. Блок конструктора эксперимента 20 реализует построение экспериментальной сцены с помощью функций условного рисования или палитры инструментов, или дополненной реального на базе экспериментального стенда. Блок анализатора пользовательского решения 33 осуществляет сравнение решения пользователя 1 со сценарием правильного решением данной задачи и осуществляет набор статистики успеваемости по набору критериев с целью передачи статистики в динамическую систему подсказок 32 для оказания актуального информационного сопровождения на данном шаге решения текущей задачи и в последующих задачах. Блок динамической системы подсказок 32 осуществляет информационное сопровождение пользователя 1 при принятии решений в процессе решения задач. Блок виртуальной реальности 28 позволяет производить решение задач в виртуальной обучающей среде 10 с помощью аппаратуры виртуальной реальности 8. Блок редактора задач 23 позволяет по условию задач формировать сценарий правильного решения данной задачи и сохранить его в файл. Блок редактора виртуальной обучающей среды 24 позволяет осуществлять изменение и дополнение объектов виртуальной обучающей среды 10 и логики их функционирования.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является визуализация управляемых пользователем процессов и явлений, формирование у пользователя навыков анализа и построения логических цепочек; автоматизация процесса индивидуализированного самообучения пользователя, обеспечивающая высокую эффективность при наработке навыков решения задач по естественнонаучным и инженерным дисциплинам любого уровня сложности при любом уровне начальной подготовки пользователя, обеспечение доступности обучения локально и удаленно от сервера обучающего ресурса, снижение затрат на обучение, наглядность представления информации об изучаемых естественнонаучных явлениях, снижение затрат на обучение.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема принципа дистанционной подготовки пользователя к экзамену, где 1 - пользователь; 2 - персональный компьютер или мобильное устройство пользователя с доступом в интернет; 3 - Internet или иная телематическая сеть; 4 - сервер виртуальной обучающей среды; 5 - блок проводной или беспроводной связи; 6 - аппаратура реального экспериментального стенда; 7 - блок проводной или беспроводной связи аппаратуры виртуальной реальности с компьютером или мобильным устройством пользователя; 8 - аппаратура виртуальной реальности; 9 - блок дополнительного программного обеспечения; 10 - виртуальная обучающая среда.
На фиг. 2 представлена блок-схема переходов между экранами пользовательского интерфейса обучающей части виртуальной обучающей среды; где 11 - экран сайта и регистрации в системе и мастера выбора задачи; 12 - экран интерактивного туториала; 13 - экран предварительного решения; 14 - экран глоссария; 15 - базовые этапы решения; 16 - экран статистики и рейтинга успеваемости пользователя; 17 - экран конструктора эксперимента; 18 - экран конструктора интерактивного ситуационного алгоритма; 19 - экран конструктора формулы.
На фиг. 3 представлена общая схема движка виртуальной обучающей среды, где 20 - движок виртуальной обучающей среды; 21 - ядро движка виртуальной обучающей среды; 22 - блок конструктора предварительного решения; 23 - блок конструктора эксперимента; 24 - блок интерактивного ситуационного алгоритма; 25 - блок конструктора формулы; 26 - блок редактора задач; 27 - блок редактора виртуальной обучающей среды; 28 - блок туториала; 29 - блок глоссария; 30 - менеджер процессов и состояний; 31 - блок взаимодействия с аппаратурой виртуальной реальности; 32 - блок динамической системы подсказок; 33 - блок анализатора пользовательского решения; 34 - блок взаимодействия с реальным экспериментальным стендом; 35 - блок взаимодействия с дополнительным программным обеспечением.
На фиг. 4 представлена схема возможных вариантов использования выходной информации этапов решения в процессе построения конечного решения, где П - предварительный этап решения, ЭР1 - первый этап решения, ЭР2 - второй этап решения, КР - конечный этап решения, И1 - выходная информация, получаемая из первого этапа решения, И2 - выходная информация получаемая из второго этапа решения.
На фиг. 5 представлено пояснение принципа дополненной реальности.
На фиг 6 представлен принцип прохождения аналитического решения в интерактивном ситуационном алгоритме.
На фиг 7. представлен принцип прохождения аналитического решения в интерактивном ситуационном алгоритме с помощью построения блочной диаграммы.
На Фиг. 8 представлен возможный макет пользовательского интерфейса графического этапа решения.
На фиг. 9 представлен возможный макет пользовательского интерфейса теоретического этапа решения.
На фиг. 10 представлен макет пользовательского интерфейса математического этапа решения.
На фиг. 11 представлен условный макет пользовательского интерфейса статистики успеваемости.
В контексте изобретения мы подразумеваем введение ряда необходимых терминов для описания изобретения.
Виртуальная обучающая среда - программная автоматизированная система, которая совместно с аппаратными средствами предоставляет пользователю возможность дистанционного автоматизированного индивидуализированного самообучения решению модельных и теоретических задач по естественнонаучным и техническим дисциплинам.
Движок виртуальной обучающей среды (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%BE%D0%BA) - основной программный компонент, реализующий логику функционирования и аудиовизуальные отображения пользовательского интерфейса виртуальной обучающей среды.
Обучающая часть виртуальной обучающей среды - условная часть среды, с которой непосредственно взаимодействует пользователь в процессе обучения в среде. В нее входят предварительный этап решения, базовые этапы решения, глоссарий и туториал.
Сервисная часть виртуальной обучающей среды - условная часть среды, которая обеспечивает второстепенные функции среды. В нее входят редактор задач, редактор виртуальной обучающей среды.
Синтаксис решения - набор предельно обобщенных формализованных элементарных объектов и действий, используемых пользователем при построении решения задач в виртуальной обучающей среде.
Предварительный этап решения - производится пользователем для анализа первичных сведений из условия задачи с целью выявления необходимости использования определенных из базовых этапов решения и последовательности их использования для построения конечного решения.
Конструктор предварительного решения - виртуальный конструктор и компонент движка виртуальной обучающей среды, в котором пользователь производит предварительное решение.
Графическое решение - один из базовых этапов решения, предполагающий интерактивное построение некоторой графической сцены с целью извлечения выходной информации для использования ее в следующем этапе решения. Графический этап может являться начальным, промежуточным или конечным этапом решения.
Конструктор эксперимента - виртуальный конструктор и компонент движка виртуальной обучающей среды, в котором пользователь производит графическое решение.
Аналитическое решение - один из базовых этапов решения, предполагающий прохождение интерактивного ситуационного алгоритма с целью извлечения выходной информации для использования ее в следующем этапе решения. Аналитическое решение может являться начальным, промежуточным или конечным этапом решения.
Конструктор интерактивного ситуационного алгоритма - виртуальный конструктор и компонент движка виртуальной обучающей среды, в котором пользователь производит аналитическое решение.
Математическое решение - один из базовых этапов решения, предполагающий прохождение с целью извлечения выходной информации для использования ее в следующем этапе решения. Математическое решение может являться начальным, промежуточным или конечным этапом решения.
Конструктор формулы - виртуальный конструктор и компонент движка виртуальной обучающей среды, в котором пользователь производит математическое решение.
Анализатор пользовательского решения - компонент движка виртуальной обучающей среды. Производит автоматическое сравнение решения, которое прошел в виртуальной обучающей среде пользователь, с достоверно правильным решением, которое хранится в файле задачи. Накапливает статистические данные о текущем уровне подготовки пользователя.
Динамическая система подсказок - компонент движка виртуальной обучающей среды, который производит автоматическое динамическое информационно-справочное сопровождение пользователя в процессе выполнения решения задачи.
Редактор задачи - компонент движка виртуальной обучающей среды, с помощью которого моделируется и составляется сценарий достоверно правильного решения любой данной задачи и сохраняется в специализированный файл.
Сценарий решения задачи - последовательность всех элементарных действий в определенной последовательности, которые необходимо произвести пользователю для достижения полного решения любой данной задачи.
Файл задачи - специализированный файл, который имеет расширение, распознаваемое движком виртуальной обучающей среды и содержит в произвольном формате представления составленную в редакторе задач последовательность действий достоверно правильного сценария решения данной задачи.
Редактор виртуальной обучающей среды - компонент движка виртуальной обучающей среды, в котором производится изменение и дополнение компонентов виртуальной обучающей среды с целью оптимизации процесса обучения пользователя в среде.
Принцип работы виртуальной обучающей среды состоит в том, что обучение пользователя происходит за счет постепенного изменения автоматической корректировки информационного сопровождения и действий пользователя в зависимости от текущего уровня подготовки пользователя и сложности решаемой задачи при выполнении действий по решению задачи. При этом формализованные действия производятся пользователем в результате анализа некоторой входной информации по ряду формализованных критериев и признаков и приводят пользователя к синтезу некоторой выходной информации на данном этапе решения задачи. Выходная информация, полученная на более ранних этапах решения, может быть использована для анализа на последующих этапах решения и/или построения конечного решения на завершающем этапе.
Пользователь 1 (Фиг. 1) удаленно со своего персонального компьютера или мобильного устройства с доступом в Internet может произвести через браузер первичную регистрацию (создать пользовательский аккаунт) на экране регистрации сайта 11 (Фиг. 2) виртуальной обучающей среды 10 (Фиг. 1), либо может осуществить вход в уже созданный ранее пользовательский аккаунт. Также пользователь 1 может выполнить вход в систему и осуществлять работу в ней, используя аппаратуру виртуальной реальности 8 (Фиг. 1). Функционирование аппаратуры виртуальной реальности 8 совместно со средой поддерживает специальный блок 29 (Фиг. 3) в движке виртуальной обучающей среды 20 (Фиг. 3). Далее пользователь 1 может перейти к интерактивному туториалу 12 (Фиг. 2) (http://myslang.ru/slovo/tutorial), который объясняет принципы работы в виртуальной обучающей среде 10, либо сразу перейти непосредственно к решению задачи. Интерактивный туториал 12 может быть представлен в виде видеозаписи, на которой показан процесс решения задач в интерактивной обучающей среды 10, либо в виде непосредственного выполнения решения задач в виртуальной обучающей среде 10 с использованием инструментария ее обучающей части. При этом в туториале 12 приведены к сведению формализованные наборы элементарных действий, объектов и критериев анализа информации и применяются указания и разнообразные метаграфические средства для обозначения объектов и действий, которые должен выполнять пользователь 1 при решении различных задач. Обучающая часть виртуальной обучающей среды 10, с которой непосредственно взаимодействует пользователь 1, представляет собой интерактивные виртуальные конструкторы 22-25 предварительного и трех базовых универсальных этапов решения задач для любых естественных и технических дисциплин - графического, аналитического и математического. Решение любой задачи в виртуальной обучающей среде 10 состоит в пошаговом анализе входной информации с последующим формированием выходной информации, необходимой для следующего этапа решения. При этом последовательность прохождения базовых этапов, их количество и набор действий внутри них может быть разным, и определятся контекстом условия решаемой задачи и сценарием сформированного для нее решения. В случае если в сценарии решения определенной задачи присутствует более одного этапа решения, то существуют начальные этапы решения и один завершающий этап полного решения. Из различных этапов решения пользователем извлекается выходная информация, которая затем используется в совокупности для построения конечного решения на завершающем этапе.
Для того чтобы приступить к решению определенной задачи после регистрации в системе или входа в аккаунт, пользователь 1 заходит в мастер выбора задачи на экране сайта 11, и может выбрать дисциплину, специальный раздел дисциплины и уровень сложности задачи. Далее движок виртуальной обучающей среды 18 заранее определенным или случайным образом выбирает в базе данных и открывает заранее подготовленный файл задачи, который соответствует выбранной в мастере выбора задач дисциплине и ее специальному разделу. Файл задачи содержит условие задачи, сценарий ее правильного решения, которая соответствует критериям проверки решений задач, кодификаторам формул ЕГЭ или иными нормативно-правовыми документами, действующими на данный момент времени и имеющим аналогичное назначение в стране действия.
Первый этап решения - предварительный этап решения 13 (Фиг. 2). Он производится пользователем 1 для анализа первичных сведений из условия задачи с целью выбора необходимых этапов решения из числа базовых, последовательности их использования и последовательности использования выходной информации для построения конечного решения данной задачи. Использование выходной информации может быть последовательным - выходная информация предыдущего этапа решения используется как входная информация на следующем, либо параллельным - выходная информация начальных этапов решения используется в совокупности на этапе построения конечного решения (Фиг. 4).
Графический этап представляет собой графическое решение в виде построения виртуальной трехмерной или двумерной сцены технического или научного эксперимента по условию задачи на экране пользовательского интерфейса 17 (Фиг. 2) конструктора эксперимента 23. Такая сцена может быть реализована тремя способами. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0).
Первый способ состоит в построении виртуальной сцены эксперимента путем добавления объектов с соответствующей палитры или панели инструментов в рабочую область экрана пользовательского интерфейса 17 конструктора эксперимента 23. Далее между объектами сцены задаются связи, образующие единую систему виртуального экспериментального стенда. Такими объектами могут являться: система координат, структурные формулы химических соединений и их функциональные группы, модели физических тел различной геометрической формы, модели объектов реального мира, векторы, электрические и измерительные приборы, неподвижные опоры, блоки, рычаги, различные механизмы, актюаторы, химическая посуда, нагреватели, датчики и т.д. После добавления объектов пользователь должен произвести обозначение имен параметров, указанных в задаче и установить их численные значения. Объекты сцены можно создавать, удалять и размещать на любое место рабочей области пользовательского интерфейса конструктора 17 эксперимента 23 в любом количестве, произвольно задавать связи между ними, произвольно устанавливать величины и присваивать им имена. Это предоставляет пользователю свободу выбора и вместе с тем стимулирует его на осознанный подход к решению задачи и достижения качественного результата обучения. Если построение сцены завершено, пользователь 1 может подтвердить наполнение созданной сцены, и может запустить анимацию сцены, в ходе которой видно в реальном или масштабированном времени динамику процессов, явлений и поведение объектов сцены с изменением значений их величин и другой актуальной информации.
Второй способ заключается в использовании функции условного рисования. Данная функция обеспечивается специальным алгоритмом физического движка конструктора эксперимента 23 и заключается в следующем: внутри рабочей области пользовательского интерфейса конструктора эксперимента 23 в соответствии с действиями пользователя 1 автоматически отрисовывается условный контур примитива от руки. Физический движок конструктора эксперимента 23 может автоматически распознавать прочерченную пользователем 1 фигуру, удалять зарисовку пользователя 1 и создает на этом же месте эту фигуру геометрически правильной формы. Далее пользователь 1 может создать из таких фигур-примитивов более сложные объекты, которые могут потребоваться для решения задачи, задавая связи между примитивами. Размеры объектов и примитивов при создании сцены могут масштабироваться пользователем 1 и/или автоматически масштабироваться движком конструктора эксперимента 23 относительно друг друга и границ рабочей области пользовательского интерфейса.
Третий способ создания сцены состоит в построении сцены в виде композиции из предварительно записанных видео фрагментов и статичных изображений, на которых изображены реальные экспериментальные объекты и их группы, реальный экспериментальный стенд 34 в целом с возможностью смены видов, планов обзора на реальный экспериментальный стенд и его объекты, а также изменение состояний стенда и объектов в динамике. Таким образом, реализуется принцип дополненной реальности (Фиг. 5). На изображение видеофрагментов и статичных изображений реального экспериментального стенда 34 накладываются некоторые специализированные виртуальные объекты с привязкой к расположению объектов изображаемого стенда, такие как векторы, проекции сил, системы координат, поясняющие обозначения, численные значения и другие. Например, изображение видеозаписи движения пружинного маятника совмещается с изображениями виртуальных векторов сил, действующих на маятник, их проекций, различных надписей, с названиями сил, их значениями и прочей вспомогательной информацией. При воспроизведении этих видеофрагментов, наложенные на их изображение виртуальные объекты, могут перемещаться и масштабироваться синхронно с реальными объектами, изображенными на видеофрагментах.
В зависимости от экспериментальной картины, описанной в условии задачи, последовательность создания объектов сцены может быть определенной строго или не строго. Строгость последовательности создания задается динамической системой подсказок 32, исходя из сценария правильного решения данной задачи. Во всех трех способах создания сцены от пользователя 1 требуется присвоения уникальных имен объектам сцены и задание численных значений необходимых параметров. Пользователь 1 может установить свой комментарий внутри объекта или примитива, либо на рабочей области вблизи всей сцены. Комментарий может отличаться от имени объекта наличием специального тэга или заранее оговоренного символа. Символ, обозначающий комментарий, может быть выбран произвольно. К примеру, это может быть одинарный слеш или любой другой малоиспользуемый нейтральный символ.
Кроме того, пользовательский интерфейс 17 конструктора эксперимента 23 может содержать панели инструментов и палитру для создания вспомогательных объектов, не относящихся напрямую к экспериментальной сцене. Например, такими объектами могут быть дополнительные вкладки для обзорных видов на сцену: вид сбоку, вид сверху и другие, интерактивные и не интерактивные графопостроители и некоторые другие инструменты, актуальные для определенных дисциплин.
При построении сцены движок конструктора эксперимента 23 может автоматически производить подравнивание углов, подсветку часто используемых в задачах углов, к примеру - 30, 45, 60, 90 градусов, подсветку линий при параллельной установке объектов на сцену, подсветку ключевых точек, линий, примитивов или объектов при их выделении табуляцией или указателем мыши в небольшой окрестности выделяемого элемента, подсветку уже сконструированных объектов при перетаскивании, выделении и т.д.
Функциональность и аудиовизуальное оформление пользовательского интерфейса 17 конструктора эксперимента 23 реализуется физическим движком, в котором есть возможность создавать интерактивные динамические виртуальные сцены и сцены дополненной и смешанной реальности научного или инженерного эксперимента в соответствии с описанием такой сцены в условии решаемой задачи. На сцене могут быть созданы интерактивные процедурные анимации реального времени для наглядного изображения процессов и явлений, происходящих с объектами, построенными в конструкторе эксперимента сцены. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D0%B4%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F)
Функциями физического движка конструктора эксперимента 23 могут быть: автоматическое детектирование столкновений (соприкосновений или примыканий) между объектами; автоматическое приведение объектов к их размерам (или масштабирование) по условию задачи после установки параметров; автоматическое масштабирование объектов относительно друг друга и границ сцены, имитация законов физики; воспроизведение анимации сцены по команде пользователя 1 (например, нажатия кнопки); автоматическое установление механических и других актуальных связей между объектами по команде пользователя 1, автоматическая цветовая подсветка объектов в зависимости от определенных действий пользователя; автоматическое подравнивание углов объектов близких по значению к необходимым; автоматическое подравнивание линий близких к параллельному расположению; поэлементное удаление объектов по команде пользователя; удаление всех объектов сцены по команде пользователя; изменение имен и параметров объектов по команде пользователя 1; установка комментариев на сцене и на объектах сцены по команде пользователя; рендеринг (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%B3) изображения и звука пользовательского интерфейса.
На Фиг. 5 представлено пояснение принципа дополненной реальности (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%B5%Dl%88%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C).
Второй из возможных базовых этапов решения задачи - аналитический. Пользователь 1 может осуществить переход к экрану пользовательского интерфейса 18 конструктора интерактивного ситуационного алгоритма 24 (1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%ВЕ_%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%8F_%D1%82%D0%B8%D1%8F%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B9, 2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0_%D0%BF%D1%80%DQ%B8%D0%BD%D1%8F%D1%82%D0%B8%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%В9, (http://ru.wikipedia.org/wiki/Дерево_принятия_решений), 3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%A0%D0%90%D0%9A%D0%9E%D0%9D#.D0.9F.D1.80.D0.B8.D0.BC.D0.B5.D0.BD.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D1.8F.D0.B7.D1.8B.D0.BA.D0.B0_.D0.94.D0.A0.D0.90.D0.9A.D0.9E.D0.9D_.D0.B2_.D0.BC.D0.B5.D0.B4.D0.B8.D1.86.D0.B8.D0.BD.D0.B5).
Его модель представляет собой виртуальное интерактивное графическое древо с ветвлением по принципу «от общего к частному», содержащего актуальные теоретические наводящие вопросы с правильными и ложными ответами на эти вопросы. Для каждой уникальной задачи может существовать один или более одного пути прохождения в древе алгоритма с ответвлениями, в виде последовательной цепочки наводящих вопросов и правильных ответов, которые заранее неизвестны обучаемому. Конструктор интерактивного ситуационного алгоритма 24 также содержит и отображает ответвления с ложными вопросами и ответами, что создает естественную вариативность подачи теоретического материала. Это, так же, как и в конструкторе эксперимента 23, совместно с не строгим переходом между этапами решения, дает пользователю свободу выбора и вместе с тем стимулирует его на осознанный подход к решению задачи, направленный на достижение качественного результата обучения. Вопросы могут формироваться динамически в зависимости от уровня сложности задач и подготовки пользователя. Интерфейс пользователя предоставляет доступ из ситуационного алгоритма к глоссарию, содержащему пояснения к базовым понятиям изучаемой дисциплины.
Аналитическое решение в конструкторе интерактивного ситуационного алгоритма 21 может быть реализовано двумя способами.
Первый способ состоит в том, что вопросы и ответы в древе ситуационного алгоритма содержат ключевые слова - научные понятия, которые являются кнопками-ссылками на глоссарий с их исчерпывающими научными определениями, законами и формулами (Фиг. 6). Пользователь 1 проходит древо ситуационного алгоритма, отвечая на поставленные наводящие вопросы нажатием кнопок с ответами и, при необходимости просматривает определения понятий в глоссарии 29 для осмысления причинно-следственных связей между объектами и явлениями в физической или иной научной картине, представленной в условии решаемой задачи. Пользователь 1 может произвольно выбирать ответы на наводящие вопросы путем нажатия на соответствующую кнопку. Так же как и в конструкторе эксперимента 23, на экране пользовательского интерфейса 18 интерактивного ситуационного алгоритма 24 допускается установка пользовательских комментариев.
Второй способ прохождения интерактивного ситуационного алгоритма заключается в сборке аналитического решения в виде блочной диаграммы из элементарных объектов (Фиг. 8). Такими объектами могут быть списки понятий и связи между ними. Списки могут быть исполнены в виде фреймов, на границах которых имеются входы/выходы. Входы/выходы разных списков соединяются связями в виде линий в единую диаграмму. Также на экране пользовательского интерфейса конструктора интерактивного ситуационного алгоритма 24 расположена специальная палитра для выбора действий создания/удаления нового списка, связи или редактирования содержания списков. В зависимости от контекста задачи на рабочей области конструктора интерактивного ситуационного алгоритма 24 в начале решения могут уже располагаться некоторые пустые или непустые списки, между некоторыми списками могут быть частично заданы связи. В непустых списках могут содержаться некоторые ключевые понятия. Пользователь 1, следуя условию задачи, определениям в глоссарии 29, советам и рекомендациям динамической системы подсказок 32, задает связи между фреймами в том порядке, в который считает правильным при решении данной задачи.
Третий из возможных этапов решения задач - математический. Пользователь 1 осуществляет переход на экран пользовательского интерфейса 19 конструктора формулы 25. Данный этап служит для численно-символьного решения, являющегося математической формализацией научной или технической картины, обозначенной в условии задачи. Он может состоять в выборе математических соотношений, формул, законов на панели инструментов. Пользователь 1 составляет математическое решение для получения окончательного ответа или выходной информации путем необходимых математических преобразований. В процессе построения математического решения пользователь 1 должен в обязательном порядке самостоятельно поставить подписи правильных обозначений к переменным. Конструктор формулы 25 также содержит ссылки на глоссарий 29, в котором доступно и понятно изложена теория с интерактивными примерами. Конструктор формулы 25 допускает произвольный выбор формул из имеющегося набора. Все доступные для использования формулы имеют уникальное обозначение и сведены в соответствующий кодификатор.
В процессе решения каждой задачи анализатор пользовательского решения 33 виртуальной обучающей среды 10 производит отслеживание и оценивание действий пользователя 1 на основе сценария правильного решения и производит запись данных статистики об успеваемости пользователя 1 о каждом произведенном действии на каждом шаге решения с целью передачи набранной статистики в динамическую систему подсказок 32 для оказания актуального информационного сопровождения пользователя 1 в случае, если у пользователя 1 возникают проблемы с принятием решения о реализации необходимого действия на данном шаге решения данной задачи и при решении следующих задач. После получения результата решения и его подтверждения пользователем 1, анализатор пользовательского решения 33 виртуальной обучающей среды 10 производит оценку успеваемости, после чего производится автоматический переход на экран рейтинга успеваемости пользователя 16 (Фиг. 2). По ряду формализованных критериев анализатор пользовательского решения 33 виртуальной обучающей среды 10 определяет общий и текущий уровень успеваемости и на основе этого анализа наглядно отображает актуальную информацию об успеваемости для пользователя 1. После этого пользователь 1 может продолжить работу в системе и начать решение следующей задачи, либо завершить работу, выйдя из нее.
В процессе выполнения решения пользователь 1 может с помощью соответствующих кнопок на панели инструментов или комбинаций «горячих клавиш» на клавиатуре произвести сохранение текущего этапа и шага решения с возможностью последующего продолжения работы в системе с текущего шага и отмены/возврата на определенное количество шагов вперед или назад.
Виртуальная обучающая среда 10 содержит динамическую систему подсказок 32 (Фиг. 3), способную на основе статистики, набранной анализатором пользовательского решения 33 (Фиг. 3) по заданному набору критериев определять уровень подготовки пользователя и в соответствии с ним оказывать пользователю 1 информационное сопровождение в виде пояснений и направлением пользователя 1 при необходимости по правильному ходу решения задачи на данном шаге любого этапа решения задачи. Поясняющая информация имеет детализацию. Подробность подсказок и их детализация для каждого пользователя формируется адаптивно в зависимости от уровня его подготовки, психоэмоционального состояния и уровня сложности решаемой задачи. Количество уровней детализации информационного сопровождения может быть не менее трех (Таблица 1). Динамическая система подсказок 32 автоматически производит отображение пояснений в виде актуальных советов и рекомендаций, цветовую подсветку синтаксиса решения на экранах этапов решения виртуальной обучающей среды 10, в том числе используя аудиовизуальные спецэффекты по принципу зеленой ручки, (http://creu.ru/printsip-zelenoj-ruchki-35175) Советы указывают пользователю 1 совершить какое-то определенное необходимое действие и его назначение, которое он по какой-то причине не сделал. Рекомендации указывают пользователю 1 на необходимость совершения какого-либо действия без пояснения, какое именно и для чего. При необходимости динамическая система подсказок 32 блокирует выполнение пользователем дальнейших действий, пока пользователь не выполнит правильно текущий шаг решения.
Детализация информационного сопровождения на самом высоком уровне подготовки пользователя 1 предполагает отключение всех подсказок в любом виде, отключение аудиовизуальных эффектов эмоционального подкрепления, полное отсутствие цветовой подсветки синтаксиса решения, доступа к глоссарию 29 и туториалу 28. В этом случае пользователь взаимодействует с виртуальной обучающей средой 10 в режиме «песочницы», в ситуации максимально приближенной к условиям на экзамене.
(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_(%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B8%D0%B3%D1%80%D1%8B)#.D0.9F.D0.B5.D1.81.D0.BE.D1.87.D0.BD.D0.B8.D1.86.D0.B0_.28.D0.B6.D0.B0.D0.BD.D1.80.29)
Таким образом, динамическая система подсказок 32 в процессе своей работы формирует позитивное психологическое подкрепление у пользователя 1 в процессе освоения стратегии обучения на каждом шаге и этапе решения в форме специальных аудиовизуальных спецэффектов.
В виртуальной обучающей среде 10 может быть осуществлено повторное прохождение решения одной и той же задачи с различным уровнем детализации информационного сопровождения динамической системы подсказок 32 по запросу пользователя 1.
Виртуальная обучающая среда 10 содержит редактор задач 26, который может быть исполнен в формате WYSIWYG (https://ru.wikipedia.org/wiki/WYSIWYG), предназначенный для моделирования и создания сценария решения с сохранением ее в специализированные файлы. В этих файлах хранится текстовая, графическая, любая другая информация, связанная с условием задачи и правильным ходом решения (далее «файл задачи»). Такой файл необходим для возможности визуального представления условия выбранной задачи на экранах пользовательского интерфейса виртуальной обучающей среды 10 и сравнения истинного решения, которое находится в файле, с решением, которое прошел в виртуальной обучающей среде 10 пользователь 1. В процессе решения задачи, сравнение правильного решения с решением пользователя 1 может автоматически производится с помощью анализатора пользовательского решения 33 в движке виртуальной обучающей среды 20. Информация в файле задачи может иметь шифрование. Алгоритмы шифрования и внутреннее представление данных в файлах задач могут быть выбраны произвольно.
Возможный общий план создания сценария решения в редакторе задач:
1. Задание необходимых действий по анализу необходимости этапов решения для данной задачи и последовательность их прохождения
2. Задание всех необходимых шагов на каждом этапе решения и их последовательности
3. Задание ключевых объектов для каждого этапа решения данной задачи и последовательности создания объектов для пользователя
4. Задание имен, параметров, значений параметров объектов, которые пользователь должен создать по условию данной задачи
5. Задание ключевых объектов и понятий, используемых при решении задачи с привязкой к глоссарию
6. Задание информационного сопровождения пользователя для каждого шага построения каждого этапа решения с привязкой к динамической системе подсказок
7. Сохранение созданного сценария решения данной задачи в специализированный файл
Виртуальная обучающая среда 10 также содержит редактор виртуальной обучающей среды 27 (Фиг. 3), который может быть выполнен в формате WYSIWIG (https://ru.wikipedia.org/wiki/WYSIWYG). Он необходим для изменения и дополнения существующих объектов и для создания и добавления новых объектов виртуальной обучающей среды 10 и изменения/дополнения логики их работы с целью повышения оптимизации процесса обучения в среде и процесса создания фалов решения новых задач. Такими объектами могут быть: пользовательский интерфейс, функционал и инструментарий конструктора предварительного решения 22, конструктора эксперимента 23, функционал и инструментарий конструктора интерактивного ситуационного алгоритма 24, функционал и инструментарий конструктора формулы 25, содержание глоссария 29, интерактивного туториала 28 и редактора задач 26. Редактор виртуальной обучающей среды 27 имеет свой пользовательский интерфейс с инструментарием для редактирования перечисленных объектов.
Пример 1. Принципы работы виртуальной обучающей среды. Решение школьной задачи по общей физике:
Условие задачи: брусок массой 500 грамм скользит вниз по наклонной поверхности под углом 45 градусов. Коэффициент трения равен 0.5. Определить ускорение бруска.
В модели решения приводимой в качестве примера задачи присутствуют три базовых этапа решения в порядке следования «графический - теоретический - математический». Графический и теоретический этапы являются начальными этапами общего решения. Математический этап является завершающим. Извлекаемая для построения конечного решения информация в графическом этапе - силы и проекции сил, действующих на блок. В теоретическом этапе - второй закон Ньютона. В математическом этапе - выражение для ускорения и его численное значение.
Пользователь выбирает задачу в мастере выбора задач в последовательности «механика → динамика → движение тела по наклонной поверхности». Виртуальная обучающая среда загружает из базы данных файл с траекторией решения данной задачи в дидактический анализатор решения, динамическую систему подсказок и показывает пользователю экран конструктора эксперимента. На экране конструктора эксперимента пользователь видит условие задачи, представленной для решения, рабочую область и инструменты для прохождения решения. Действия, необходимые для прохождения решения, можно разделить на условные группы. Первая группа действий связана с обозначением ключевых понятий и объектов физической картины, указанной в условии задачи. Для этого пользователь выделяет цветом эти понятия непосредственно в тексте условия и заносит их в список «дано». Если в условии пользователю не понятен смысл некоторых понятий, то он может вызвать экран глоссария.
Вторая группа действий связана с построением экспериментальной сцены. Пользователь нажимает на кнопку «создать» и таким образом переходит в режим конструирования сцены. С помощью палитры «эксперимент» пользователь выбирает объекты, которые нужно создать и разместить на сцене. Пользователь также имеет возможность удалять любые созданные объекты поэлементно или все объекты сразу. В данном случае последовательность создания объектов будет такова: создание наклонной поверхности в виде треугольника, задание ее параметров - угла наклона 45 градусов и коэффициента трения 0.5, затем создание бруска в виде прямоугольника, размещение его на верхней части наклонной поверхности, создание декартовой системы координат и привязывание ее к центру бруска в качестве начала отсчета. После этого пользователь создает векторы всех сил, действующих на брусок и определяет их проекции на оси, указывает их названия и обозначения и заполняет список сил и их проекций. Используя глоссарий, пользователь также может узнать теорию, связанную с понятием векторов и физических сил. Выходная информация данного этапа решения - силы, действующие на брусок и их проекции оси системы координат. Пользователь после занесения их список сил и проекций выделяет этот список для обозначения его как информации, необходимой для построения конечного решения. После этих действий пользователь, если считает графический этап решения законченным, может нажать на кнопку подтверждения структуры сцены и просмотреть анимацию движения бруска по наклонной поверхности, наблюдая в динамике изменение векторов сил, действующих на брусок в реальном (или масштабированном) времени. На этом графическое решение завершается. С помощью нажатия на кнопку «далее» пользователь переходит на экран конструктора ситуационного алгоритма, где будет производить теоретическое решение.
На Фиг. 8 изображен возможный макет пользовательского интерфейса графического этапа решения. В начале прохождения процесса аналитического решения пользователь видит начало древа интерактивного ситуационного алгоритма, проходя который пользователь приходит к определенному выводу о втором компоненте выходной информации, который совместно с выходной информацией из первого этапа решения является достаточной основой для построения окончательного математического решения задачи.
Прохождение теоретического древа в данном примере заключается в ответе на поставленные теоретические вопросы, содержание которых напрямую связано с физической картиной, описанной в задаче. Под фреймом каждого вопроса могут быть две или более линии-связи, которые ведут к одному из ответов. Один из этих ответов является достоверно правильным, другой - ложным. Пользователь выбирает ответ нажатием на кнопки «да» или «нет». После выбора ответа ниже за линией возникает фрейм со следующим вопросом и возможными ответами на него в той же форме. Таким образом, пользователь проходит всю цепочку причинно-следственной связи, приходя к финальному ответу, который является ключевой информацией в данном этапе решения. На специальной панели справа пользователь может просматривать все ответы, которые он сделал, и перейти к определенному шагу по желанию. Для удобства на экране конструктора ситуационного алгоритма имеются полосы прокрутки для вертикального и горизонтального перемещения по древу алгоритма. В данной задаче цепочка выглядит следующим образом: 1. Движение тела есть, 2. Движение тела зависит от массы, 3. Движение неравномерное, 4. Закон механики, используемый при решении и описывающий движение тела - второй закон Ньютона. После выбора финального ответа, он высвечивается в отдельной строке ниже древа ситуационного алгоритма. Если пользователь не знаком с некоторыми понятиями, которые встречаются в вопросах, он может перейти в глоссарий, кликнув на фрейм, который содержит конкретный интересующий его вопрос. После прохождения всего древа, пользователь, если считает данный этап решения оконченным, подтверждает решение нажатием соответствующей кнопки и переходит к окончательному этапу решения задачи - математическому.
На Фиг. 9 изображен возможный макет пользовательского интерфейса теоретического этапа решения. В начале завершающего этапа на экране конструктора формулы пользователь видит название второго закона Ньютона, пронумерованное как строка номер один. Справа рядом панель с набором физических законов из раздела «механика», палитру действий и таблицу с физическими величинами, установленными как действующие в процессе графического решения. В конструкторе формулы все действия можно разделить на три базовые группы. Первая группа - запись формул, выражений и величин в специальные строки, таблицы, фреймы. Вторая - действия по преобразованию формул, выражений и величин. Третья - вспомогательные действия по выделению, переносу и подстановке значений, формул, выражений, их фрагментов в другие выражения и формулы. Первый шаг решения - выбор правильной математической формулировки второго закона Ньютона на панели с условным набором физических законов нажатием на соответствующую кнопку, после чего кнопка подсвечивается. Второй шаг математического решения - запись векторной суммы сил, действующих на тело общем виде. Третье действие - запись второго закона Ньютона в векторной форме с учетом действующих в системе сил, описанных в условии задачи. Четвертый и пятый шаг - запись уравнений проекций силы тяжести на оси системы координат. Шестой, седьмой и восьмой шаги - составление системы уравнений с учетом уравнений для проекций силы тяжести и остальных сил, действующих в системе. Девятый - одиннадцатый шаги - выражение неизвестных величин через уравнения. Двенадцатый шаг - подстановка численных значений физических величин и получение конечного численного ответа искомой величины ускорения. Подстановки значений, выражение величин, сложение, вычитание уравнений производится с помощь палитры действий и функции drag & drop (https://ru.wikipedia.org/wiki/Drag%26drop). Символы, обозначающие известные и неизвестные величины в формулах, имеют соответствующую подсветку. При получении окончательного численного значения искомой физической величины пользователь может нажать на кнопку подтверждения завершения всех этапов решения, выйти из системы или перейти на экран статистики успеваемости (Фиг 11).
На экране статистики успеваемости отображается информация с детализацией о текущей и общей успеваемости пользователя по всем разделам данной дисциплины, например, физики. После просмотра статистики пользователь может перейти к решению следующей задачи, либо выйти из системы.
В процессе выполнения всех трех этапов решения задачи динамическая система подсказок предоставляет пользователю рекомендации, либо советы о дальнейшем выполнении решения, в случае, если у пользователя появляются затруднения, и он не знает или не может понять, что делать дальше. Если пользователь проходит решение задачи уверенно, то система иногда может выдавать советы, делать цветовые подсветки ключевых объектов или не делать таковых вовсе, что приближает процесс решения задачи к реальным условиям на экзамене (Фиг. 8, 9, 10).
Данное изобретение реализуется на базе физико-технического факультета Тверского государственного университета.