Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди

УДК 378.1:37.02]004.891

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора педагогічних наук

Теоретичні та методичні основи створення і використання навчальних експертних систем у підготовці фахівців вищих навчальних закладів

13.00.04 - теорія і методика професійної освіти

Тверезовська Ніна Трохимівна

Харків 2003

Загальна характеристика роботи

навчальна експертна система

Актуальність та доцільність дослідження. Характерною особливістю нового тисячоліття є формування „інформаційного” суспільства, головною відмінною рисою якого є перетворення інформації в один з основних виробничих ресурсів. Це пов`язано з виникненням і розвитком принципово нових технологій отримання, збереження, обробки і передачі інформації. Як процес докорінного перетворення суспільства, це породжує низку серйозних проблем, ключовими серед яких є лавинне нарощування кількості однорідної інформації, розширення сфери інтелектуальної праці та виникнення нових методів діяльності, що докорінно відрізняються від традиційних (А.Ракітов, Е.Тоффлер та ін.).

Інформатизація супроводжується бурхливим впровадженням електронно-обчислювальної техніки в усі сфери людської діяльності та розвитком систем зв'язку, що спричиняє створення машинно-інформаційного середовища і прискорення оборотності знань. Цей процес ініціює радикальні зміни в структурі суспільного виробництва (швидко змінюється характер технологічних процесів, що вимагає постійного відновлення знань і умінь для освоєння нових технологій, підвищення вимог до рівня загальнокультурної та загальнонаукової підготовки всіх учасників суспільного виробництва); забезпечує сфери освіти методологією і практикою розробки та використання інформаційних і комунікаційних технологій на основі застосування автоматизованих баз даних з метою удосконалення механізмів управління системою освіти, її методології; створення методичних систем навчання, орієнтованих на розвиток інтелектуального потенціалу студента, формування умінь самостійно одержувати знання, здійснювати навчальну та експериментально-дослідницьку діяльність; розробки комп'ютерних тестуючих і діагностуючих методик, що забезпечують систематичний, оперативний контроль і оцінку рівня знань студентів.

У сучасних умовах зростають можливості засобів інформаційних і комунікаційних технологій у навчальному процесі, тобто програмні, програмно-апаратні та технічні засоби і пристрої, котрі функціонують на базі мікропроцесорної, обчислювальної техніки, сучасних засобів і систем транслювання інформації та її обміну, забезпечуючи тим самим можливість доступу до ресурсів комп'ютерних мереж.

У багатьох педагогічних дослідженнях розглядаються питання, пов'язані з проектуванням технології навчання, і підкреслюється значуща роль засобів кібернетики й інформатики в цьому процесі (Т.Бороненко, О.Власова, І.Готська, М.Лапчик, І.Роберт, Н.Стефанова, М.Швецький та ін.). Однак зазначається відкритість цієї проблеми, необхідність подальших досліджень, котрі б дозволили ефективно використовувати досягнення інформаційних технологій для проектування процесу навчання.

Розробка концепції експертних систем (ЕС) потребує аналізу інформаційно-технологічної ситуації, а також філософської, технічної, кібернетичної, психологічної та педагогічної літератури з цієї проблеми. Узагальнюючи праці, в яких розкриваються ці питання, можна виділити кілька напрямів проведених наукових досліджень:

P дослідження та розробка програм (пристроїв), які використовують знання і процедури висновків експертів для розв'язання задач (Дж.Елті, М.Кумбс, Д.Поспєлов, К.Таусенд, Р.Форсайт, Д.Фохт);

P визначення сутності ЕС як філософської категорії (Р.Акоф, У.Росс Ешбі, М.Тод, Е.Шуфорд та ін.);

P використання ЕС у різних галузях виробництва (сільське господарство, бізнес, хімія, комунікації, комп'ютерні системи, освіта, електроніка, управління інформацією, виробництво, медицина, армія, наука, космос, транспорт та ін.) з метою розв'язання складних задач;

P використання ЕС в організації контролю знань (Д.Драг, Б.Едельсон, Р.Лєвін, Ю.Рамський та ін.);

P розробка ЕС з окремих курсів інформатики з метою більш глибокої й ефективної перевірки знань студентів, а також надання їм допомоги у вивченні матеріалу (ІАдамович, Л.Бабанін, В.Берестова, П.Брусиловський, В.Даніелян, О.Заволович, Л.Поспєлова, Г.Рибіна, Д.Червік, О.Шудрова та ін.).

Проблемі формування ЕС, зокрема, їх застосуванню у різних галузях виробництва приділяють увагу зарубіжні вчені (Дж.Андерсен, С.Андріоле, І.Браун, Дж. Даркін, Х.Сімон, Р.Сісодіа, Дж.Трафтон та ін.).

ЕС функціонують на базі сучасних технологій, які створюють передумови для інтенсифікації освітнього процесу, оперативного зворотнього зв'язку; комп'ютерної візуалізації навчальної інформації; архівного збереження достатньо великих її обсягів з можливістю легкого доступу користувача до центральної бази даних; автоматизації процесів обчислювальної, інформаційно-пошукової діяльності, обробки результатів навчального експерименту; автоматизації процесів управління навчальною діяльністю та контролю його результатів.

З класу ЕС виділяємо навчальні експертні системи (НЕС), реалізація яких дозволяє організувати нові види навчальної діяльності, такі як інтерактивний діалог - взаємодію користувача з комп'ютером, використання інтенсивного діалогу; управління реальними об'єктами та відображеними на екрані моделями різних об'єктів, явищ, процесів; автоматизований контроль (самоконтроль) та корекція результатів навчальної діяльності, тренування, тестування. Організація цих видів навчальної діяльності дозволяє створювати методики, орієнтовані на розвиток мислення; розвивати комунікативні здібності й ефективно формувати уміння приймати оптимальне рішення або пропонувати варіанти в складній ситуації.

Можливості НЕС та їх реалізація в навчальній діяльності здійснюються різними шляхами: їх методичне призначення полягає у повідомленні суми знань, формуванні умінь навчальної і практичної діяльності та забезпечення необхідного рівня засвоєння, встановлюваного зворотнім зв'язком; програми, призначені для контролю (самоконтролю) рівня оволодіння навчальним матеріалом, формування навичок та умінь з систематизації інформації, вивчення та створення моделі основних структурних або функціональних характеристик моделі об'єкта, явища, процесу або ситуації (як реальних, так і віртуальних); наочне представлення навчального матеріалу; програвання навчальних ситуацій (наприклад, з метою формування умінь приймати оптимальне рішення або вироблення оптимальної стратегії дії).

При безумовній важливості цих досліджень ступінь розробки проблеми застосування та впровадження НЕС у навчальний процес вищої школи є недостатнім, вимагають обґрунтування компоненти її змісту з урахуванням нових підходів до процесу навчання, необхідне уточнення критеріїв і показників впровадження НЕС, важливою є розробка моделі фахівця, яка забезпечує ефективне використання НЕС та ін. Це приводить до виникнення суперечностей між потребами суспільства у компетентних фахівцях та практикою підготовки у вищих навчальних закладах, зокрема, між:

· об'єктивними потребами суспільства в інформатизації освітнього простору та недостатньою розробленістю освітньо-інформаційних технологій;

· об'єктивною потребою у підготовці фахівців вищих навчальних закладів та традиційною системою освітньої підготовки, орієнтованою лише на формування приватних інструментальних компонентів навчальної діяльності майбутніх спеціалістів;

· рівнем розвитку комп'ютерних технологій та традиційною методикою викладання;

· невпинним зростанням кількості інформації та “кризою” міжособистісних відносин у системі “викладач-студент”.

Отже, актуальність проблеми, її недостатня розробленість, необхідність розв'язання протиріч і зумовили вибір теми дослідження “Теоретичні та методичні основи створення і використання навчальних експертних систем у підготовці фахівців вищих навчальних закладів”.

Зв'язок теми дослідження з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційного дослідження є складовою комплексної програми науково-дослідної роботи Київського славістичного університету, що виконується за проблемою “Підвищення ефективності навчально-виховного процесу у вищих навчальних закладах” (протокол № 1 засідання Вченої ради університету від 28 серпня 1998 р.), узгоджена Радою з координації наукових досліджень у галузі педагогіки і психології в Україні (протокол № 7 від 17 вересня 2002 р.).

Об'єкт дослідження - професійна підготовка фахівців у вищих навчальних закладах засобами освітньо-інформаційних технологій.

Предмет дослідження - теоретичні та методичні засади створення і використання навчальних експертних систем як компонента освітньо-інформаційних технологій.

Мета дослідження полягає в теоретичному обґрунтуванні, розробці концепції створення, використання навчальної експертної системи у вищих навчальних закладах, технології змістовно-структурних та організаційно-методичних основ її реалізації, наповнення, експериментальній перевірці ефективності функціонування.

Провідною ідеєю концепції є положення про те, що цілеспрямоване створення НЕС та її використання в навчальному процесі забезпечує розвиток особистості студента, сформованість системи знань і системи умінь за невеликий проміжок часу з максимальною ефективністю засвоєння навчального матеріалу, тобто НЕС спрямована на підвищення якості як фахової, так і професійної їх підготовки.

Концепція дослідження включає три взаємопов'язаних концепти, які сприяють реалізації провідної ідеї:

1. Методологічний концепт відбиває взаємозв'язок і взаємодію різних підходів до вивчення проблеми експертної системи. Передумовами її є:

- системний підхід, який дозволяє розкривати закономірності, зв'язки між окремими структурними елементами навчальної експертної системи (база даних, база знань, модель студента та ін.);

- синергетичний, який дозволяє розглядати навчальний процес з використанням НЕС як відкритий, систему, яка піддається саморозвитку, саморегуляції;

- особистісно-діяльнісний підхід, що передбачає таку організацію діяльності об'єкта, за якою він усвідомлює себе як особистість, виявляє і розкриває свої можливості, здібності, виступає активним учасником різних видів діяльності, з метою формування системи знань і системи умінь.

2. Теоретичний концепт визначає систему вихідних параметрів, дефініцій, оцінок, без яких неможливе розуміння сутності явища, яке вивчається, специфічних цілей, завдань, функцій і властивостей. Експертна система - комплексна комп'ютерна програма, яка у процесі роботи може відтворювати мислення людини-експерта при аналізі й рішенні проблеми. Різновидами виступають системи перевірки знань, прийняття рішень, програмованого навчання, тестуючі, діагностуючі та інші. Інтеграція цих систем у процесі навчання створює НЕС, яка діалектично пов'язує між собою знання, уміння та навички особистості, що формуються, реалізуються і вдосконалюються в різноманітних видах професійної діяльності, її вирізняє спрямованість на кінцевий результат - професіоналізацію і самовдосконалення особистості фахівця, що призводить до професійної компетентності. Підґрунтям створення НЕС є динамічний закон, дидактичні закономірності та принципи.

3. Технологічний концепт включає в себе як розробку, так і використання НЕС як динамічної системи навчання, розвитку, формування, контролю знань, умінь та навичок студента як майбутнього фахівця. Це процес спеціально організований, цілеспрямований, динамічний, інноваційний, такий, що потребує розробки науково-методичних основ, котрі передбачають визначення комплексу законів і принципів її функціонування на теоретичних засадах системного, синергетичного та особистісно-діяльнісного підходів.

Отже, сукупність теоретико-методологічних положень і організаційно-педагогічних заходів, спрямованих на створення умов для засвоєння системи знань, умінь і навичок, забезпечує професійну компетентність особистості.

Загальна гіпотеза дослідження полягає в припущенні, що професійна підготовка фахівців значно підвищиться за умови використання у навчальному процесі НЕС, заснованої на дидактичних законах, закономірностях, принципах і реалізованої з використанням відповідних програмних продуктів, які сприяють формуванню системи знань, інтелектуальних умінь, дають можливість поліпшити організацію навчальної діяльності студентів при мінімізації комплексних витрат на даний процес.

Загальна гіпотеза конкретизована у часткових, які передбачають, що створення та використання НЕС у вищі навчальні заклади можливі, якщо:

· у майбутніх фахівців сформовано інтерес до самостійного оволодіння знаннями за допомогою НЕС з метою професійного самовдосконалення;

· завдання і структура НЕС формуються в залежності від змісту освіти, структури відповідних фахових дисциплін;

· у структурі НЕС передбачено модель студента, яка враховує його індивідуальні особливості;

· застосування НЕС спрямоване на свідоме засвоєння студентами системи знань і розвиток умінь;

· забезпечено реалізацію науково-методичного комплексу фахових дисциплін з використанням НЕС.

Відповідно до проблеми, об'єкта, предмета, мети, концепції та гіпотези визначено основні завдання дослідження:

1. На основі аналізу літератури, вивчення досвіду роботи у вищих навчальних закладах, виявити ступінь розробленості проблеми та використання НЕС у вищій школі.

2. Науково обґрунтувати концепцію створення навчальної експертної системи.

3. Визначити теоретичні основи створення навчальної експертної системи.

4. Теоретично розробити модель навчальної експертної системи.

5. Науково обґрунтувати базову модель студента як одного з компонентів структури НЕС.

6. Визначити алгоритм роботи викладача в процесі створення та використання НЕС і методику роботи студента з нею.

7. Розробити науково-методичний комплекс фахових дисциплін із застосуванням НЕС у вищих навчальних закладах.

Методологічна основа дослідження. В основу методології дослідження покладено системний підхід до розгляду НЕС як системи відкритої і здатної до самоорганізації. Методологічну основу дослідження становлять:

P філософські закони і категорії теорії наукового пізнання; діалектична теорія про загальний зв'язок, взаємозумовленість і цілісність явищ об'єктивної дійсності, положення про роль системи, представлену в працях Р.Акофа, Г.Гегеля, С. Гессена, У.Росса Ешбі, І. Канта, М Тода, А.Хола, Е. Шуфорда та ін;

P загальнонаукові принципи, методи ідеї про впровадження інформаційних технологій (Г.Атанов, В.Глушков, О.Довгялло, О.Єршов, Ю.Машбиць, Ю.Рамський та ін.);

P конкретно-наукові положення:

теорія діяльності та розвитку особистості (Б.Ананьєв, О.Асмолов, Г.Балл, Л.Божович, Л.Виготський, П.Гальперін, О.Леонтьєв, Б.Ломов, В.Мясищев, В.Моляко, А.Петровський, К.Платонов, С.Рубінштейн, Н.Тализіна, І.Якиманська);

теорія штучного інтелекту (А.Берг, В.Беспалько, Р.Бенерджі, М.Гаврилов, В.Гладун, Ю.Журавльов, Р.Луллій, О.Ляпунов, Л.Микулич, Г.Осіпов, Є.Попов, Д.Поспєлов, В.Стефаник, Н.Тализіна, О.Тихомиров, В.Хорошевський, М.Цетлін та ін.);

теорія інформатизації освіти (В. Агєєв, Л.Білоусова, В.Биков, І.Булах, І.Василевський, Б.Гершунський, В.Глушков, М. Глузман, Р.Гуревич, О.Довіяло, М.Жолдак, І.Звєрєва, Ю.Машбиць, С.Раков, А.Стогній, О.Чалий, В.Шкурба та ін.);

теорія систем та системного підходу з інформаційної точки зору (Р.Акоф, Г.Бергман, Л.Берталанфі, В.Беспалько, Р.Гібсон, У.Ешбі, Н.Крашевський, А.Маліновський, М.Месарович, Дж.Міллер, В.Садовський, В.Тюхтін, К.Чері, Ю.Шрейдер, Е.Шуфорд, Е.Юдін);

теорія навчальних експертних систем (О.Алексєєва, А.Антонченко, Л.Бабанін, О.Баловнєв, П.Брусиловський, О.Власова, Г.Гризлов, А.Довгялло, О.Заволович, О.Ібрагимов, А.Казеннов, Ю.Лобанов, В.Мороз, В.Петрушин, Л.Поспєлова, Г.Рибіна, Я.Савельєв, В.Стефанюк, І.Юріна)

Серед зарубіжних учених це перш за все праці Є.Гарсі, Н.Краудера, Д.Нейлора, С.Осуги, Ю.Саекі, Б.Сюннера, Р.Сміта, Р.Тайлера, Є.Толмана, Є.Тройндака та ін.

Теоретичний фундамент дослідження становлять положення і висновки:

P філософії освіти (В.Андрущенко, Л.Буєв, Б.Гершунський, С.Гончаренко, І.Зязюн, В.Кремень, В.Лутай, М.Нікандров);

P концептуальні ідеї теорії педагогічних систем (Ю.Бабанський, В.Беспалько, Т.Ільїна, В.Козаков, Н.Кузьміна, М.Махмутов, І.Харламов, А.Хуторський та ін);

P педагогіки вищої школи (А.Алексюк, В.Андрєєв, С.Архангельський, Г.Васянович, І.Лернер, І.Огородников, Е.Полат та ін.);

P праці, присвячені професійній підготовці майбутніх фахівців (О.Абдуліна, А.Алексюк, А.Бойко, Г.Гребенюк, Т.Дмитренко, Г.Журавльова, Г.Ільїн, Н.Крилова, Н.Кузьміна, М.Лєщенко, О.Пєхота, М.Подберезький, В.Семиченко, В.Сластьонін, О.Смирнова);

P методичні пошуки шляхів і засобів ефективного професійного становлення майбутнього спеціаліста в умовах вищих навчальних закладів (І.Булах, С.Гончаренко, В.Гриньова, В.Євдокимов, С.Єрмаков, О.Іонова, В.Лозова, О.Коваленко, В.Козаков, Г.Нагорна, О.Попова, І.Прокопенко, М.Сметанський, Г.Троцко, Г.Шевченко та ін. ).

P наукових праць щодо впровадження інформаційних технологій у навчальний процес (В.Агеєв, Т.Барський, В.Биков, І.Булах, В.Глушков, М.Глузман, Р.Гуревич, О.Довіяло, І.Козловська, Ю.Машбиць, О.Романовський та ін).

Відповідно до визначених завдань і перевірки вихідних припущень використано комплекс методів, адекватних природі феномену освітньо-інформаційних технологій: методи аналізу (історичний, порівняльний, ретроспективний) для порівняння та зіставлення різних поглядів на досліджувану проблему, розгляду теоретичних питань з метою визначення поняттєво-категоріального апарату, розробки моделі експертної системи та її науково-методичної реалізації; емпіричні методи: прогностичні (експертні оцінки, узагальнення незалежних характеристик), діагностичні (анкетування, опитування, інтерв'ю, тестування, бесіда, діалог), обсерваційні (спостереження, самоспостереження, метод рейтингу, самооцінки) для виявлення рівня сформованості системи знань і системи умінь особистості; педагогічний експеримент для виявлення ефективності реалізації НЕС; кількісний та якісний аналіз емпіричних даних з використанням методів математичної статистики (статистична обробка даних, графічне відображення результатів та ін.).

Дослідження здійснювалося протягом 1994-2002 років та охоплювало такі етапи науково-педагогічного пошуку.

На аналітико-констатуючому етапі (1994-1997рр.) здійснювалися вивчення й аналіз стану дослідження проблеми; аналіз досвіду роботи вищих навчальних закладів; сформульовано базові теоретичні питання.

На аналітико-пошуковому етапі (1997-1998 рр.) сформульовано гіпотезу, мету і завдання дослідження, розроблено концепцію та визначено методологічні засади, обґрунтовано та створено модель НЕС, визначено експериментальні методики, визначено програму дослідження; встановлено кількісний і якісний склад учасників експерименту; проведено масове обстеження студентів і викладачів.

На формуючому етапі (1998-2000 рр.) здійснювалася експериментальна перевірка гіпотези, концептуальних положень, апробація науково-методичної системи створення та використання НЕС, аналіз проміжних результатів контрольних зрізів, корекція експериментальних методик.

На завершально-узагальнюючому етапі (2000-2001 рр.) проводилася інтегративна обробка даних, співставлення одержаних експериментальних результатів з метою і гіпотезою; документування ходу та результатів дослідження у відповідності до вимог ВАКу.

На впроваджувальному етапі (2001-2002 рр.) одержані результати безпосередньо впроваджено у навчальний процес вищих навчальних закладів. Узагальнені дані теоретичного пошуку і експериментальної роботи відображено в докторській дисертації, монографіях, підручниках, навчальних посібниках, методичних рекомендаціях, визначено перспективи подальших досліджень цієї проблеми.

Експериментальна база дослідження. Експериментальна робота проводилася у Київському славістичному університеті, Національному педагогічному університеті ім. М.П. Драгоманова, Київському національному університеті культури і мистецтв, Південнослов'янському інституті. Експериментальною роботою було охоплено 896 студентів та 78 викладачів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

· вперше введено поняття “освітньо-інформаційні технології”;

· вперше розроблено концепцію створення та використання НЕС як компонента освітньо-інформаційних технологій, що складає основу сучасного навчального процесу у вищій школі: розроблено інформаційну структуру НЕС та визначено вимоги до кожного інформаційного блоку; обґрунтовано необхідність визначення граничних умов; введено поняття “ключові інформаційні зони”; впроваджено в педагогічний науковий обіг математичний термін “гранична умова”; обумовлено необхідність і важливість його використання в процесі роботи НЕС; введено поняття “точка гармонії”, інформаційна, технологічна, міжособистісна площини; розроблено технологічну та методичну структуру НЕС, що дозволило розглянути процес підготовки фахівця як інформаційний потік;

· теоретично обґрунтовано методи апроксимації теоретичної моделі студента на структуру навчальної експертної системи, яка забезпечує єдність загальнонаукової, психолого-педагогічної та прикладної його підготовки;

· доведено, що використання НЕС є підґрунтям професійної підготовки майбутнього спеціаліста, тобто сформованості системи знань і системи умінь;

· розроблено технологію впровадження НЕС у практику роботи ВНЗ;

· подальшого розвитку набули основні дефініції процесу створення та використання НЕС (“експертна система”, “навчальна експертна система”, “модель студента” та ін.); система критеріїв і показників її продуктивності й ефективності.

Теоретичне значення одержаних результатів дослідження полягає у філософському, кібернетичному, технологічному та психолого-педагогічному обґрунтуванні понять і категорій, які стосуються освітньо-інформаційних технологій взагалі та навчальних експертних систем зокрема; розробці й обґрунтуванні концепції конструювання структури та змісту НЕС; визначенні теоретичних основ створення НЕС; уточненні системи критеріїв і показників її продуктивності та ефективності; науковому обґрунтуванні базової моделі студента.

Практичне значення одержаних результатів дослідження полягає в тому, що монографії, навчальні посібники, науково-методичні комплекси та науково-методичні матеріали орієнтовані на систему неперервної освіти та можуть використовуватися як викладачами для розробки навчальних курсів, семінарів, лабораторних робіт, проведення тренінгів, діагностики, тестування з метою підвищення рівня їх професіоналізму, так і студентами для навчання, самодіагностики. Фрагменти НЕС дають можливість не тільки ознайомитися з можливостями взагалі, а й розпочати процес її формування за умов відповідної технологічної та методичної підтримки. Дослідно-експериментальна перевірка науково-методичного комплексу фахових дисциплін дозволяє осмислити й реалізувати технологію ефективного розвитку НЕС, що особливо важливо в умовах зміни парадигми освіти з авторитарної на гуманістичну. Концептуальний підхід, теоретичні положення та практичні напрацювання, які відображено в монографіях і посібниках, використовуються у процесі викладацької, навчально-методичної діяльності в Київському славістичному університеті, Київському національному університеті культури і мистецтв, Національному педагогічному університеті ім. М.П. Драгоманова, Південнослов`янському інституті. Автор постійно надає науково-консультативну, методичну допомогу викладачам інформатики, у процесі керівництва дипломними роботами, що виконувалися на кафедрі математики та інформатики Київського славістичного університету.

Результати дослідження впроваджено у навчальний процес Київського славістичного університету (довідка № 101/1 від 06.06.2002 р.), Київського національного університету культури і мистецтв (довідка № 946 від 07.06.2002 р.), Національного педагогічного університету ім. М.П. Драгоманова (довідка № 02-10/716 від 07.06.2002 р.). Південнослов'янського інституту (довідка № 162 від 09.10.2002 р.)

Особистий внесок автора в працях, що написані у співавторстві, полягає в теоретичному обґрунтуванні проблеми, розкритті сутності, структури, технології формування, технологічній та методичній підтримці процесів створення, використання та супроводу НЕС; обґрунтуванні її основних змістовних компонентів та технології реалізації; науковій обробці отриманих результатів науково-методичної діяльності; у розробці концепції та теоретичному обґрунтуванні основних ідей і положень досліджуваної проблеми; формуванні методичних принципів роботи викладачів та студентів з НЕС.

Вірогідність одержаних результатів дослідження забезпечено методологічною обґрунтованістю його вихідних позицій, використанням комплексу взаємопов'язаних методів, адекватних об'єкту, предмету, меті, гіпотезі та завданням дослідження; репрезентативністю вибірки; поєднанням кількісного і якісного аналізу одержаних результатів, а також позитивними наслідками їх впровадження.

Апробація результатів дослідження. Основні положення і результати дослідження доповідалися на міжрегіональній науково-практичній конференції, присвяченій 70-річчю Сумського державного педагогічного інституту ім. А.С. Макаренка (Суми, 1994), І міжнародній науково-практичній конференції “Високі технології виховання” (Харків, 1994), міжвузівських науково-практичних конференціях “Нові інформаційні технології у навчальному процесі загальноосвітньої школи та вузу” (Київ, 1995), “Актуальні проблеми впровадження нових педагогічних технологій та інновацій в навчальний процес сучасної школи” (Рівне, 1995), всеукраїнській науково-практичній конференції “Психолого-педагогічні фактори підвищення професійної майстерності вчителя-вихователя” (Житомир, 1995), науково-практичній конференції “Проблеми екологічної освіти та виховання учнівської молоді” (Глухів, 1995), міжрегіональній науково-практичній конференції “Культура педагогічного спілкування як фактор гуманітаризації сучасної освіти” (Суми, 1996), регіональній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми формування творчої особистості вчителя початкових класів” (Вінниця, 1996), обласній науково-практичній конференції “Розвивальний потенціал сучасного уроку в початковій школі” (Суми, 1996), міжвузівській науково-практичній конференції “Нові педагогічні технології навчання і виховання (Слов'янськ, 1997), Всеукраїнській науково-практичній конференції, присвяченої 190-й річниці університету “Сучасні освітні технологій” (Харків, 2001), науково-практичній конференції молодих учених (Харків, 2001), Всеросійській науково-практичній конференції “Творческая самореализация личности в контексте профессионально-педагогической культуры” (Бєлгород, 2001), міжвузівській науково-практичній конференції “Педагогічна підготовка викладачів вищих навчальних закладів” (Харків, 2002), науково-практичній конференції молодих вчених (Харків, 2002). Результати виконаної роботи обговорювалися на засіданнях кафедри педагогіки, математики та інформатики Київського славістичного університету, на звітних науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу (1997-2002 рр.), кафедри загальної педагогіки Харківського державного педагогічного університету ім. Г.С. Сковороди (2001-2002 рр.).

Публікації. Результати дослідження опубліковано у 62 друкованих працях, з них 53 одноосібних, загальний обсяг особистого внеску - 49,3 друкованих аркушів, у тому числі: 1 монографія, 2 навчальних посібника, 2 навчально-методичних посібника, 30 статей у провідних наукових фахових виданнях, 3 статті у збірниках наукових праць, 2 брошури науково-методичних рекомендацій, 22 - у збірниках матеріалів і тез доповідей на наукових конференціях.

Кандидатська дисертація на тему “Педагогічні умови розвитку творчої активності молодших школярів у гуртковій роботі” захищена у 1994 році. Матеріали кандидатської дисертації у тексті докторської дисертації не використовуються.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків до кожного розділу, загальних висновків, списку використаних джерел, таблиць, рисунків та 19 додатків. Загальний обсяг роботи становить 632 сторінки, з них основного тексту - 361 сторінка. Список використаних джерел охоплює 550 найменувань, з них 61 - іноземними мовами. Дисертація містить 67 рисунків на 24 сторінках і 23 таблиці на 12 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і стан розробки проблеми, визначено мету, об'єкт, предмет і завдання дослідження, сформульовано його методологічні основи і методи, гіпотезу та концепцію, розкрито наукову новизну, теоретичне і практичне значення отриманих результатів роботи, викладено форми апробації та впровадження результатів дослідження, їх вірогідність.

У першому розділі - “Розвиток та становлення інформаційних технологій в освітньому просторі” - розглядається історія розвитку, становлення та роль інформаційних технологій в дидактично цілісній системі вищої освіти як України, так й інших країн, а також розвиток експертних систем як компонента інформаційних технологій.

На основі аналізу наукових джерел встановлено, що передумовою виникнення поняття “інформаційні технології” було проникнення в педагогічну теорію та практику математичних і кібернетичних методів. У 60-ті роки ХХ ст., які характеризується активною автоматизацією сфери освіти, під керівництвом А. Берга були організовані й проведені роботи, присвячені проблемам програмованого навчання, технічним засобам навчання (ТЗН) і навчальним машинам, що дало нам змогу схематично представити динаміку розвитку ІТ (рис. 1). За цей час суспільство пройшло шлях від технологічного до інформаційного етапу свого розвитку.

Виникнення інформаційного суспільства, основою соціальної динаміки в якому є не традиційні матеріальні, а інформаційні ресурси (наука, знання, інтелектуальні здібності, ініціатива, організаційні чинники), зумовило появу поняття “інформаційні технології” (ІТ), котре вперше докладно розглянув В.Глушков, трактуючи як “людино-машинну технологію збирання, оброблення та передачі інформації”, тобто тут вже мова йде про інформацію за допомогою обчислювальних машин. Таким чином, тільки поява нової техніки вважалася інформаційними технологіями.

Виходячи з визначень “інформація”, “технологія”, “комп'ютерне навчання”, “програмоване навчання”, “комп'ютерне програмоване навчання”, “автоматизоване навчання”, “інформаційні технології” та ін. у дисертації визначено поняття “освітньо-інформаційні технології”, оскільки розглядається навчання як динамічний процес діалогової обробки освітніх інформаційних потоків засобами сучасних технологій.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Динаміка розвитку інформаційних технологій

Під освітньо-інформаційними технологіями (ОІТ) розуміємо ієрархізовану й упорядковану систему процедур, виконання яких максимізує ймовірність досягнення заданого результату, радикальним оновленням інструментальних і методологічних засобів педагогіки та методики за умови збереження наступності в розвитку педагогічної науки й освітньої практики, набором технологічних процедур, які модифікують професійну діяльність педагога з інтуїтивного на інформаційно-технологічний підхід, метою якого є досягнення оптимального результату в навчанні, що визначається вимогами суспільства до освіти.

Встановлено, що одними із складових ОІТ виступають експертні та навчальні експертні системи, які, в свою чергу, входять до складу ІТ (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурна схема сучасних інформаційних технологій

Обґрунтовано, що одним з пріоритетних напрямів застосування ОІТ у навчальному процесі вищої школи виступають експертні системи як динамічний напрям штучного інтелекту. Їх поява стала можливою завдяки застосуванню у навчанні комп'ютерів. На основі праць О.Алексєєва, П.Брусиловського, Т.Гаврилової, К.Міллера, Л.Поспєлова, В.Стефаника, К.Червинської, М.Язадані та ін. узагальнено поняття “експертні системи” (ЕС), під якими розуміємо комплексну комп'ютерну програму, котра в процесі роботи може відтворювати мислення людини-експерта у ході аналізу й вирішення проблеми. Їх призначення полягає в розв'язанні достатньо важких для експертів завдань на основі бази знань, котра ґрунтується на досвіді їхньої роботи у даній проблемній галузі, а перевага полягає в можливості прийняття рішень в унікальних ситуаціях, для яких заздалегідь невідомий алгоритм, що формується за вихідними даними у вигляді ланцюжка міркувань (правил прийняття рішень) з бази знань.

У розділі подано класифікацію ЕС, а також зазначено, що ЕС, орієнтовані на процес навчання, мають специфічну структуру і слугують підґрунтям для створення навчальної експертної системи (НЕС).

Викладене вище дає підстави для висновку про те, що експертні системи є компонентом інформаційних технологій.

У другому розділі - “Теоретичні засади створення навчальних експертних систем як компонента інформаційних технологій” - проаналізовано та узагальнено дослідження, які присвячені сутності, структурі, класифікації, особливості навчальних експертних систем, обґрунтовано, на яких принципах, законах і закономірностях вони будуються, визначено мету, завдання, функції, на основі чого розроблено структуру навчальної експертної системи та модель студента.

Теорія трансформації освітнього простору з проекцією на площини ґрунтується на аналізі праць У. Росс Ешбі, І. Земана, К. Шенона, а тому процес навчання у ВНЗ розглядаємо як площину, що має дві координати, одна з яких - рівень фахових знань, інша - термін навчання студентів, оскільки з початком упровадження комп'ютерних технологій (Т-площина) в освітній процес відбулося її “продавлення”, що відразу ж відгукнулося “продавлюванням” в протилежному напрямі рівня методики викладання (М-площина). Одночасно відбулося “викривлення” простору: з одного боку, - подвоєння кількості інформації кожні п'ять років (закон Мура) (І-площина), з іншого, - кризи міжособистісних відносин у системі “викладач-студент” (МВ-площина) та нагальна потреба врахування у цих відносинах проміжної ланки - ОІТ, що схематично можна представити кривими, де кожна є динамікою розвитку у часовому просторі відповідної площини (рис. 3). У результаті площина освіти перетворилася на об'ємну фігуру, гранями якої виступають: 1) інформаційні технології та протилежна ним методика викладання; 2) коефіцієнт засвоєння фахових знань студентами та відповідно протилежне ним “падіння рівня викладача” як носія інформації. Викладене вище й зумовлює необхідність впровадження новітніх методик і технологій з використанням ОІТ, оскільки цей об'єм буде збільшуватися, що є недопустимим.

Рис. 3. Впровадження новітніх технологій і методик з використанням освітньо-інформаційних технологій

Викладене вище дає підстави для висновку про те, що, зведення разом всіх площин

дозволяє розглянути необхідність впровадження технологічно сумісних інформаційних засобів у методику та міжособистісні відносини. На даний час такими засобами можуть виступати тільки програмні, а у контексті нашого дослідження - навчальні експертні системи. Саме використання ЕС (мають практично безмежну базу даних фактичного матеріалу /І-площина/, базу знань методів навчання /М-площина/, інтегровану базу даних та знань поведінки та стосунків кожного конкретного студента /МВ-площина/ та логічні управляючі програмовані елементи /Т-площина/) й дозволяє перетворити її в НЕС, яка виконує роль персонального асистента викладача, що можна пояснити таким чином. В ідеалі у цих чотирьох площинах повинен працювати один викладач, тобто він повинен бути психологом (МВ-площина), методистом (М-площина), спеціалістом у своїй галузі (І-площина), організатором-програмістом (Т-площина). На даний час це неможливо з економічних та індивідуально-фізіологічних причин. Ось чому і з'являється персональний асистент викладача - НЕС, яка виконує суперпозицію цих площин. Звідси впливає необхідність її створення та впровадження в навчальний процес ВНЗ.

Вивчення філософської, інформаційної, кібернетичної, психолого-педагогічної літератури дозволило обґрунтувати теоретико-методологічні передумови створення НЕС, якими є динамічний закон, дидактичні (змістовно-процесуальні), гносеологічні, психологічні, кібернетичні, соціологічні, організаційні закономірності, принципи навчання (науковості, зв'язку теорії з практикою, свідомості й активності, доступності, наочності, міцності, систематичності й системності), підходи. Так, системний підхід передбачає взаємозв'язок та взаємозалежність між відносно самостійними структурними (мета, завдання, зміст, закони, закономірності, принципи розвитку НЕС) і функціональними (проектуючі, тестуючі, діагностичні, процесуально-діяльнісні, управлінсько-організаторські) компонентами НЕС. Синергетичний підхід враховує наявність вибору та передбачуваність змін при роботі студента з НЕС і дозволяє розглядати навчальний процес з її використанням як відкритий, систему, яка піддається саморозвитку, саморегуляції. Особистісно-діяльнісний підхід розглядає особистість фахівця вищого навчального закладу як суб'єкта діяльності, котра сама, формуючись у діяльності, визначає характер цієї діяльності. Створення НЕС вимагає розкриття її сутності, структури та особливості.

У розділі обґрунтовано, що навчальна експертна система є апаратно-програмно-методичним комплексом, що орієнтований на досягнення максимально дієвих результатів навчального процесу з певної предметної галузі на основі базових експертних знань, самонавчаємих евристичних алгоритмів та діалогового спілкування у системі студент-експертна система-викладач-студент.

У дисертації проаналізовано праці дослідників, присвячених створенню НЕС (Беранек, Болт, О.Власова, А.Довгялло, Д.Дранг, Б.Еделсон, С.Єслямов, О.Ібргімов, С.Кущевий, Ньюмен, В.Петрушин, С.Раков, Ю.Рамський та ін.)

Доведено, що основна педагогічна мета створення НЕС - розвиток особистості студентів шляхом створення сприятливого середовища, використовуючи яке, він набуває необхідних знань; завдання - синтез цілеспрямованої системи управління навчальними діями, при виконанні яких стан знань і умінь студента наближається до необхідного; функції - навчання, демонстрація навчального матеріалу, тестування, діагностика (помилок і причин помилок), тренування.

На основі використання композиції технології розробки педагогічних систем (В.Беспалько), автором розроблено структурну схему НЕС, що відповідає вимогам, які пред'являються до неї.

Обґрунтовано, що складовими НЕС є база знань і модель студента.

У ході дослідження виявлено, що база знань є основою будь-якої інтелектуальної системи, сукупністю одиниць знань, котрі формалізовані за допомогою деякого методу їх представлення, відображенням об'єктів проблемної галузі та їх взаємозв'язків, дій над об'єктами і можливо, невизначеностей, з якими ці дії здійснюються, тобто основу НЕС складають знання, на основі яких формуються уміння.

Доведено, що складовою частиною НЕС є модель студента (МС), під якою розуміємо об'єднання його ментальних проекцій на всі площини. Конкретність цих проекцій визначається спільністю багатьох параметрів. Так, І-площина містить знання, МВ-площина - особистісні характеристики, М-площина - уміння застосовувати отримані знання, Т-площина - уміння використовувати технологічну ноосферу в професійних цілях.

Встановлено, що моделювання студента можна розглядати в трьох аспектах: знання про те, яким він є; знання про те, яким хочемо його бачити; знання про те, яким його можемо побачити. Знання про те, який є студент, установлюються шляхом аналізу його поведінки у процесі навчання і називаються поведінковою МС, яка змінюється разом зі зміною студента, тому її називають динамічною або поточною МС. Найбільш повно дана модель може бути охарактеризована об'єднанням ментальних проекцій на М-площину і МВ-площину. Проекція на І-площину є досить вузькою, що практично переходить у лінії (зріз знань про конкретну поведінку конкретної особистості). Це і визначає той факт, що досить часто один і той же методичний прийом не працює однаково (перевагу має МВ-площина). Проекція ж на Т-площину перетворюється у фігуру, площа якої прагне до нуля (тобто крапка), тобто спроба перетворити цю модель у точно прогнозований, математично передбачуваний об'єкт також гранично прагне до нуля.

Нормативну МС представляють знання про те, яким хочемо бачити студента, тобто вимоги до нього як фахівця, тобто ці знання є багатогранними і визначають мету навчання. До них відносяться вимоги до особистісних якостей майбутніх фахівців (МВ-площина), їхніх професійних якостей і умінь (перетинання І- та Т-площин), знання й уміння з різних навчальних предметів (І-площина), характеристики фізичного та психічного стану та ін. Дана модель задається досить точно і конкретно, а тому її необхідно перевести в математичну, наслідком якої буде заміна громіздкого множинного інформаційного поля (бази даних) у компактну адаптивну інформаційну модель (базу знань). Первинною є нормативна модель, а поведінкова - вторинна, тому що вона має сенс тільки в тому випадку, якщо побудована в термінах нормативної моделі, тобто спочатку необхідно побудувати бажаний образ студента, а потім уже визначити відповідність йому реальної особистості (перевірити співпадання проекцій з усіх площин і з урахуванням їх пріоритетів).

Третій аспект ґрунтується на тому, що, в загальному випадку існують різні шляхи або траєкторії, за якими можуть просуватися студенти в процесі навчання. З одного боку, це можуть бути коректні траєкторії, обумовлені правильними діями студента і передбачені його нормативною моделлю, з іншого, - різні траєкторії можуть бути обумовлені помилковими діями студентів і багато їхніх помилок можуть бути заздалегідь передбачені викладачем. Робота викладача з визначення можливих помилок студентів надзвичайно корисна з дидактичної точки зору; сукупність же цих помилок (бажано, з повним проробленням помилкової траєкторії) складає специфічну МС, котру називають моделлю помилок. Для її побудови необхідно знати особливості поведінки студентів, помилки, утруднення, нерозуміння окремих моментів у навчальному матеріалі та ін. Модель помилок проектується заздалегідь, і в цьому сенсі вона подібна нормативній моделі. Але для конкретного студента вона має ймовірнісний характер, а фактичні помилки студента фіксуються його поточною моделлю.

В дисертації обґрунтовано, що при створенні НЕС необхідно враховувати і застосовувати всі три аспекти, оскільки МС є адаптивним об'єднанням трьох моделей: нормативної, поведінкової та моделі помилок (рис. 4).

Частина нормативної МС, котра визначає предметні знання (знання з навчальних предметів), складає предметну МС. Вона дозволяє завершити його моделювання, оскільки з усієї множини предметних галузей виділяє навчальні, а також поєднує всі його аспекти (рис. 5).

Семантичну предметну МС складають декларативні знання (описують порядок і характер перетворення об'єктів предметної галузі), які визначають змістовну або семантичну частину предметних знань.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Модель студента

Процедурну предметну МС складають процедурні знання (твердження /факти/ про властивості об'єктів предметної галузі і відносин між ними), які описують порядок і характер перетворення об'єктів предметної галузі. У процесі навчання у студента повинні бути сформовані певні уміння, перелік яких визначає операційну предметну МС. Перелік тем, що підлягають вивченню, визначає тематичну предметну МС. Крім того, методологічно дуже важливо визначити, яку роль відіграють ті або інші знання, які функції вони виконують, тобто здійснити функціональне структурування. Це можна зробити, склавши перелік функціональних рубрик, визначивши у такий спосіб функціональні знання. При цьому серед них можуть бути знання, що виконують як неперетворюючі функції (декларативні знання), так і перетворюючі (процедурні знання). Разом вони складають функціонарну предметну МС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Предметна модель студента

У дисертаційному дослідженні розглянуті моделі НЕС, котрі дали змогу розробити її структурно-логічну схему, сутністю якої є перехід до проблемного структурування загальноосвітніх та спеціальних знань, що дає можливість підготувати студента до ефективного розв'язання професійних завдань у майбутньому. Але цього недостатньо, оскільки, на нашу думку, процес створення моделі НЕС, як найбільш загальний, повинен ще забезпечувати об'єднання всіх її площин (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Схематична модель навчальної експертної системи

Так, схематична модель НЕС уже дає уявлення про зв'язки, що виникають у ній. Як бачимо, фундаментом даної системи є інформаційна площина (І). Методична (М) і технологічна (Т) площини можуть навіть не взаємодіяти між собою. Викладач (В) в основному взаємодіє на методичній площині, студент (С) досить часто взаємодіє з усіма трьома площинами. Інтегрує ж їх між собою в навчальному процесі площина міжособистісних взаємин (МВ). Для деталізації даної схеми необхідно спочатку розглянути детальніше об'єкти навчальної взаємодії - студента і викладача.

Створення моделі НЕС розроблялася в нашому дослідженні за такою послідовністю: педагогічне моделювання - розробка цілей (загальної ідеї) розробка педагогічної системи, педагогічне проектування - подальша розробка моделі й доведення її до рівня практичного використання та педагогічне конструювання - подальша деталізація проекту, яка наближає його до використання у конкретних умовах.

У ході створення НЕС склалася певна її технологія, яка включає шість етапів: ідентифікацію (визначаються задачі /підлягають рішенню/, експерти, типи користувачів, виявляються цілі розробки); концептуалізацію (проводиться змістовний аналіз проблемної галузі, визначаються поняття, які використовувались, взаємозв'язки, методи розв'язання задач); формалізацію (обираються інструментальні засоби, визначаються способи представлення усіх видів знань, їх інтерпретація, формалізуються основні поняття, моделюється роботи системи, оцінюється адекватність цілям зафіксованих системою понять, методів рішення та ін.); виконання (здійснюється наповнення БЗ експертом); тестування; досвідчену експлуатацію (рис. 7):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Схема створення навчальної експертної системи

Викладене вище дає підстави стверджувати, що обґрунтована нами концепція створення НЕС дозволила визначити етапи її побудови.

У третьому розділі - “Науково-методичні основи використання навчальних експертних систем у вищих навчальних закладах” - розглядається методика підготовки навчальної експертної системи до роботи та безпосереднє її функціонування (використання) у вищих навчальних закладах.

У розділі представлено методику підготовки НЕС до роботи, яка поділяється на декілька етапів.

1. Формування алгоритму інформаційного обміну. З точки зору інформаційних технологій, уявляємо процес навчання як процес передачі інформації від джерела до приймача, складовими якого класично вважаються викладач та студент, а тому вони та НЕС розглядаються нами як інформаційні потоки, які взаємодіють між собою (суперпозиція).

Встановлено, що процес навчання є скалярним інформаційним полем, тобто потоки інформації мають свою спрямованість з метою оптимізації навчального процесу. Необхідне не тільки використання цих потоків, але й їх суперпозиції, тобто їх взаємодії та перекриття. Оскільки педагогічна діяльність як інформаційний процес обмежена часовими рамками (навчання у ВНЗ протягом чотирьох-п'яти років; тривалість заняття - 80 хвилин та ін.), то виникає необхідність у застосуванні критерію оптимальності, який можна визначити на основі теореми Шенона, що розробляв ймовірністну теорію інформації. Найбільш спрощено її наслідки можна сформулювати наступним чином: передача максимальної кількості інформації за мінімальний час при найменших перешкодах та викривленнях. Рівень та темп передачі інформації визначаються індивідуально-фізіологічними особливостями суб'єктів навчального процесу та їхньою спрямованістю (властивості, в яких виражаються потреби, мотиви, світогляд, установки, цілі життя та діяльності) та соціальними умовами (соціальне замовлення), а рівень перешкод залежить від рівня сформованості знань і вмінь як викладача, так і студента, а також умов навчання.

Вважаємо, що інформаційні потоки можна поділити на односпрямовані (передача інформації від джерела до приймача) та неспрямовані, що мають два (викладач-студент) або декілька напрямів розповсюдження (самонавчання студента передбачає звернення до різних джерел інформації, наприклад, того ж викладача, довідників, підручників та ін.). Останні й визначають сутність зворотного зв'язку, який ми уявляємо як неспрямований інформаційний потік, який несе в собі інформацію про мотиви, установки, інтерес, рівень сформованості знань, умінь, психолого-педагогічних особливостей (темп, якість засвоєння та ін.) студента. Зазначено, що у даному випадку інформаційна система в такому вигляді не є дієздатною, оскільки не задані закони передачі та зміни інформаційних потоків, що має зробити викладач. Системне поєднання цих законів і формує алгоритм.

2. Формування ключових зон інформаційного обміну та граничних умов до них. Оскільки зміст освіти (повний об'єм інформаційного поля) зафіксовано в навчальних планах і програмах та закладено в НЕС (як база знань матеріалу у вигляді інформаційного поля), його ще необхідно структурувати у вигляді об'єднання інформаційних потоків, які є сукупністю ключових зон (терміни, поняття, визначення, теореми, закони та ін.). Для кожної ключової зони повинні бути задані граничні умови (верхня, нижня та плаваюча - базова границя), котрі й дозволяють оперувати та управляти нею.

...