УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНИВАНИЯ ВЫРАЖЕННОСТИ ИНДИКАТОРОВ ДОСТИЖЕНИЯ КОМПЕТЕНЦИЙ

Полезная модель относится к области управления образовательной деятельностью, а именно, к организации профессиональной образовательной программы в части конструирования оценочных средств и оценивания результатов обучения.
Для задачи оценивания результатов обучения разработаны модели дискретного оценивания, описанные в статьях, например: Сибикина И.В. Оценка уровня сформированности компетенции студента вуза на примере графовой модели / И.В. Сибикина, И.М. Космачева, И.Ю. Квятковская // Вестн. Саратов, гос. техн. ун-та. 2014. Т. 2, №1. С. 179-185; Печников А.Н., Прензов А.В. Подход к оценке сформированности специальных компетенций // Образование и наука. 2017. №5. С. 28-54. В них разработаны и исследованы модели оценивания результатов обучения. Однако эти модели не учитывают наличествующий в процедуре оценивания субъективизм, который выражается в субъективных решениях лиц, контролирующих испытание, по оцениванию результатов обучения, что понижает достоверность оценок.
Указанные недостатки удалось частично преодолеть за счет применения аппарата нечеткой классификации, что описано в статье «Подготовка классификационных данных для конструирования профессиональных компетенций» / А.Н. Полетайкин, Т.С. Ильина, Л.Ф. Данилова // Вестник СибГУТИ. - Новосибирск, 2018. - №2. - С. 89-102. Однако авторами не учитываются особенности и требования к реализации профессиональной образовательной программы, регламентированные федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС) модификации 3++, а также не учтено непосредственное влияние на результат оценивания человеческого фактора и специфики контрольных заданий, что делает результатные оценки также недостаточно объективными.
Известно устройство для классификации документов, реализующее алгоритмы лексического, морфологического, синтаксического и семантического анализа текстов, предназначенное для классификации совокупностей электронных документов путем определения классов электронных документов совокупностей (патент RU №159737, МПК G06F 17/27 (2006.01)). Для классификации документов совокупностей в устройстве используется метод семиотического анализа. Для управления классификатором используется задатчик тематической области и глубины классификации. Информационную основу устройства составляет база данных, содержащая наборы семиотических дескрипторов и дескрипторов формата, за наполнение которой отвечает блок классификации. Устройство осуществляет фильтрацию документов согласно дескрипторам и сепарацию документов по заданным критериям. Устройство предназначено для улучшения качества и полноты поисковых выдач в поисковых системах, когда область классификации и глубина классификации предварительно заданы.
Известен нечеткий регулятор с двойной базой правил, относящийся к области управления технологическими процессами. Он состоит из фаззификатора и дефаззификатора, выход которого соединен с входом исполнительного механизма объекта управления, отличающийся тем, что выход фаззификатора подключен к двум блокам нечеткого вывода, выходы которых соединены с входами аккумулятора, соединенного с дефаззификатором, а к каждому блоку нечеткого вывода подключена своя база продукционных правил (патент RU №167890, МПК G06N 7/02 (2006.01), G05B 11/00 (2006.01), G05B 13/02 (2006.01), G05B 19/04 (2006.01), G05B 19/045 (2006.01)). Нечеткий регулятор с двойной базой правил повышает производительность нечеткого регулятора, упрощает конструкцию и позволяет управлять динамическими характеристиками объекта управления.
Известные решения основаны на дескрипторных моделях описания объектов, технологии многопараметрической классификации и устройствах нечеткого логического вывода. Однако эти устройства не могут быть использованы в учебном процессе в силу специфики предметных областей, в которых они применяются.
У этих устройств есть блоки хранения баз данных и блоки баз знаний. Однако ни одно из них не решает проблемы нечеткости процедур построения оценочных средств и оценивания результатов обучения, а также соответствия указанных процедур и самой оценочной базы требованиям действующих ФГОС. Устройство «Нечеткий регулятор с двойной базой правил» (патент RU №167890) позволяет достичь приемлемого результата, оценивания в области контроля технологического процесса за счет применения алгоритм нечеткого вывода. Соответственно, это устройство может быть принято за прототип по достигаемому результату.
Задача - разработать устройство с нечеткой логикой, обладающее точностью и достоверностью оценивания, а именно, устройство для оценивания выраженности индикаторов достижения компетенций, позволяющее существенно расширить возможности по оцениванию результатов обучения и повысить оперативность выполнения этой процедуры.
На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства, реализующего нечеткую дескрипторную модель.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для оценивания выраженности индикаторов достижения компетенций (ИДК), состоящее из блока конфигуратора нечетких дескрипторов, блока нечеткой классификации результатов обучения (РО), блока хранения данных, блока базы знаний и блока нечеткого контроллера (НК). Блок НК представляет собой программируемое логическое устройство, ядром которого является микроконтроллер (МК), работающий под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ). Блок нечеткого контроллера включает блок задатчика уровня оценок, блок устройства индикации и блок программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), который содержит блок нечеткого сопроцессора и блок базы знаний (БЗ). При этом вход-выход блока конфигуратора нечетких дескрипторов соединен с первым входом-выходом блока хранения данных, а своим выходом соединен со входом блока базы знаний. Блок нечеткой классификация РО своим выходом соединен со входом блока хранения данных. Второй вход-выход блока хранения данных соединен с первым входом МК, который соединен своим вторым входом с выходом блока базы знаний, а третьим своим входом МК соединен с выходом блока задатчика уровня оценок, а четвертым выходом - с блоком устройства индикации. Пятым своим выходом МК соединен с блоком нечеткого сопроцессора, а шестым входом-выходом - с блоком БЗ. Блоки нечеткого сопроцессора и БЗ соединены входом-выходом между собой.
Отличительной особенностью заявленного устройства является осуществление процедуры оценивания выраженности ИДК посредством нечеткого логического вывода, а также расположение базы знаний в виде выделенного блока БЗ непосредственно во внутренней памяти ПЛИС, что существенно ускоряет процесс оценивания.
Устройство для оценивания выраженности индикаторов достижения компетенций (ИДК) состоит из блока конфигуратора нечетких дескрипторов 1, блока нечеткой классификации результатов обучения (РО) 2, блока хранения данных 3, блока базы знаний 4 и блока нечеткого контроллера (НК) 5 (фиг.). Блок НК 5 представляет собой программируемое логическое устройство, ядром которого является микроконтроллер (МК) 6, работающий под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ). Также в состав НК 5 входят блок задатчика уровня оценок 7, блок устройства индикации 8 и блок программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 9. Блок ПЛИС 9 включает себя блок нечеткого сопроцессора 10 и блок базы знаний (БЗ) 11. При этом вход-выход блока конфигуратора нечетких дескрипторов 1 соединен с первым входом-выходом блока хранения данных 3, а своим выходом соединен со входом блока базы знаний 4. Блок нечеткой классификация РО 2 своим выходом соединен со входом блока хранения данных 3. Второй вход-выход блока хранения данных 3 соединен с первым входом МК 6, который соединен своим вторым входом с выходом блока базы знаний 4. Третьим своим входом МК 6 соединен с выходом блока задатчика уровня оценок 7, а четвертым выходом - с блоком устройства индикации 8. Пятым своим выходом МК 6 соединен с блоком нечеткого сопроцессора 10, а шестым входом-выходом - с блоком БЗ 11. Блоки нечеткого сопроцессора 10 и БЗ 11 соединены входом-выходом между собой.
Для реализации устройства были выбраны в качестве МК 6 - микроконтроллер ARM Cortex-M4 фирмы STMicroelectronics, сопряженный с блоком ПЛИС 9, а именно ПЛИС ЕРЗС25Е144С8 фирмы Altera. В блоке ПЛИС 9 осуществляется вычисление алгоритмов нечеткой логики посредством стандартного программного обеспечения нечеткого сопроцессора 10. Блок БЗ 11 представляет собой область выделенной памяти ПЛИС 9. Блоки 7 и 8 являются стандартными. Работа блоков 1 и 2, являющихся логическими устройствами, осуществляется типовым образом и обеспечивает подготовку соответственно знаний и данных для решения основной задачи оценивания выраженности ИДК. Указанные знания и данные хранятся соответственно в блоках базы знаний 4 и хранения данных 3. Эти блоки организованы стандартным образом: блок базы знаний 4 организован как продукционная база знаний нечеткого типа и хранит знания в декларативном и процедурном виде. Блок хранения данных 3 организован в соответствии с реляционной моделью данных.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Заявляемое устройство реализует нечеткую дескрипторную модель, а именно -конфигурирование нечетких дескрипторов, которое осуществляется в блоке конфигуратора нечетких дескрипторов 1. Через его выход полученные дескрипторы поступают в блок базы знаний 4. Также устройство реализует формирование бинарных нечетких отношений (БНО), устанавливающих отношение РО к контрольным заданиям, и осуществляется в блоке нечеткой конфигурации РО 2, с выхода которого БНО поступает в блок хранения данных 3. При этом блок конфигуратора нечетких дескрипторов 1 через вход-выход обменивается сформированными лексемами дескрипторов через первый вход-выход блока хранения данных 3. Со второго входа-выхода блока хранения данных 3 в блок МК 6 через его первый вход поступает список нечетких переменных, а из блока базы знаний 4 через его выход на второй вход МК 6 передается список правил нечеткого вывода, необходимых для контроля ИДК. Таким образом НК 5 подготовлен к работе по оцениванию РО при проведении испытания.
При включении МК 6 под управлением ОСРВ через его пятый выход передает на вход блока нечеткого сопроцессора 10 управляющие данные, тем самым осуществляя конфигурирование ПЛИС 9. При этом из МК 6 через его шестой вход-выход в блок БЗ 11 через первый вход-выход поступают данные для реализации нечеткого вывода, представляющие собой декларативную часть нечетких дескрипторов, соответствующих измеряемым ИДК. Через третий вход МК 6 поступают первичные оценочные данные из блока задатчика уровней оценок 7, которые также передаются в память ПЛИС 9 через шестой вход-выход МК 6. Блок ПЛИС 9 реализует нечеткий вывод по Мамдани, в процессе которого блок нечеткого сопроцессора 10 осуществляет взаимодействие с блоком БЗ 11 через его вход-выход, получая из него нечеткие дескрипторы и фиксируя в нем результаты активизации и аккумулирования для каждого дескриптора. Результаты нечеткого вывода, представляющие собой оценки выраженности проверяемых ИДК, передаются из блока БЗ 11 через первый вход-выход в МК 6, где сохраняются во внутренней памяти и выводятся вовне с четвертого выхода в блок устройства индикации 8.
Заявленное техническое решение осуществляется в условиях проведения любых видов испытаний, проверяющих результаты обучения, например, студентов.
Пример использования. Устройство предварительно программируют посредством специального программного обеспечения (драйвера) через интерфейс USB. Ниже представлены листинги файлов исходных данных для программирования устройства для примера оценивания сформированности одной компетенции с одним индикатором. В этом примере для оценивания выраженности ИДК используют две четкие и шесть нечетких входных переменных, а также одну нечеткую выходную переменную (см. листинг 1). Для вывода применяют систему из девять правил вывода (см. листинг 2). На листинге 1 обозначения a1, а2, b1, b2, b3, o1, о2, о3, z1 - идентификаторы переменных, используемых в системе правил нечеткого вывода (см. листинг 2).
Листинг 1. Структура файла исходных данных variables.dat
Листинг 2. Структура файла исходных данных rules.dat
Занесение оперативных данных о результатах испытания в виде оценок контрольных заданий и экспертных оценок нечетких переменных осуществляется посредством блока задатчика уровней оценок 7 (фиг.). После задания всех необходимых данных устройство выполняет расчет результатных оценок уровней выраженности ИДК и уровней сформированности компетенций, которые отображаются на блоке устройства индикации 8 и сохраняются в МК 6. В последствии они могут быть выгружены в ЭВМ через интерфейс USB, а также храниться в памяти устройства до следующего перепрограммирования.
Пример исходных данных для занесения в устройство представлен в таблице.
Результат расчета может быть выгружен в виде файла, содержание которого отражено на листинге 3
Листинг 3. Структура файла результатных данных result.dat
На листинге 3 обозначения b1, b2, b3, o1, о2, о3, z1 - идентификаторы переменных и их значения согласно заданной в файле variables.dat области определения (см. листинг 1). При этом оценки РО o1, о2, о3 представлены в значении по десятибалльной шкале, оценка выраженности ИДК - в значении уровня, согласно области определения переменной z1.
Разработанное устройство за счет применения нечеткого логического вывода снижает чувствительность к вариации входных оценочных данных и исключает субъективизм экспертных суждений лиц, контролирующих испытание, повышая тем самым достоверность результатных оценочных данных.
Предлагаемое техническое решение обладает новизной и применимостью, а, следовательно, удовлетворяет критериям охраноспособности для полезных моделей.