Модели и алгоритмы планирования учебного процесса высшего учебного заведения на основе модульно-компетентностного подхода

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА ВУЗА НА ОСНОВЕ МОДУЛЬНО-КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА

ХАРИТОНОВ ИВАН МИХАЙЛОВИЧ

05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

Волгоград 2011

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Крушель Елена Георгиевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Халилов Абдурахман Исмаилович

кандидат технических наук,

доктор педагогических наук, профессор

Зайнутдинова Лариса Хасановна

Ведущая организация:ГБОУ ВПО «Брянский государственный

технический университет»

Защита состоится 23 декабря 2011г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056 г. Астрахань, ул. Татищева, 20а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета ДМ.212.009.03, к.т.н. О.В. Щербинина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы повышения эффективности процесса ввода выпускников вузов в сферу профессиональной деятельности приобрели особую актуальность в условиях рыночной экономики в связи с неполным соответствием предшествующих моделей подготовки специалистов новой экономической модели России. В сфере высшего образования наметились и стали быстро развиваться кризисные явления:

1. Значительно увеличился спрос населения на получение высшего профессионального образования. Повышенный спрос оказалось возможным удовлетворить за счет коммерциализации вузов. Это привело к росту как их числа, так и контингента студентов и, как следствие, - к увеличению количества молодых людей с высшим образованием и связанной с этим жесткой конкуренцией за рабочие места.

2. Руководители предприятий стремятся принимать на работу специалистов, уже подготовленных к сфере их деятельности. Но выпускник при прежней технологии получения образования чаще всего не обладал нужными умениями и навыками на момент приема на работу. Высокие требования со стороны руководителей предприятий к умениям выпускников еще более усложняют их положение на рынке труда.

3. В частности, для технических специальностей и направлений, непрерывно и быстро растущий уровень сложности техники и технологий ведет к тому, что ознакомление студентов с основами работы инженера в различных сферах (вынужденно поверхностное, из-за лимита учебного времени) становится неэффективным. Большая часть приобретенных знаний на конкретном месте работы останется невостребованной, а нужные для данной работы знания окажутся недостаточными. Данные факторы можно трактовать как признаки недостаточной эффективности использования образовательных ресурсов вуза.

Преодоление кризисных явлений осуществляется в рамках реформы образования. В настоящее время в вузах происходит переход к технологии обучения, соответствующей требованиям Федеральных государственных стандартов (ФГОС) нового поколения, что вызывает необходимость изменения методик планирования учебного процесса.

Анализ известных методик формирования учебного плана, описанных в работах Герман Э.И., Гусева В.В., Дамбаевой С.В., Карпова В.И., Найхановой Л.В., Соколовой М.С., Трофимовой О.К., J. Gonzalez, R. Wagenaar и других, показывает, что ни одна из них не обеспечивает полное соответствие позициям реформы образования, в связи с чем работа, направленная на создание нужной методики, может претендовать на актуальность.

Новые элементы, которые должны быть учтены при планировании, усложняют этот процесс до уровня, при котором переход от «ручных» методик составления учебных планов к использованию машинно-ориентированных формализованных методик становится неизбежным.

Представляемая работа посвящена частной, но важной задаче разработки методики составления учебного плана подготовки выпускников по новым образовательным стандартам, ориентированной на использование компьютерных технологий.

Объектом исследования данной работы является процесс формирования учебных планов, учитывающий требования реформы образования и образовательных стандартов нового поколения.

Предметом исследования является создание компьютеризированной методики планирования учебного процесса в вузе.

Общая цель работы заключается в повышении эффективности процесса подготовки выпускников в условиях действия реформы высшего образования. Частная цель состоит в повышении качества планирования учебного процесса в вузе.

Для достижения частной цели в работе решены следующие задачи:

1.С позиций требований новой системы образования и ФГОС нового поколения проанализированы существующие методики формирования учебного плана, выявлены их недостатки и на основе этого сформулированы задачи совершенствования процесса планирования учебной деятельности вуза. выпускник реформа рейтинг план

2.Разработана формализованная модель планирования учебного процесса, включающая методику формирования исходного варианта учебного плана на основе модульно-компетентностного подхода с учетом требований новой системы образования.

3.На основе разработанной модели предложены алгоритмы и процедуры анализа и обработки учебно-методических комплексов, основанные на итерационном процессе, сочетающем формализованные методы представления данных с экспертными, что позволило получить методику составления исходного варианта учебного плана подготовки выпускников в вузах.

4.С помощью разработанной модели предложены критерии оценки качества сформированного исходного варианта учебного плана, позволяющие количественно оценить получаемый вариант в зависимости от исходных данных и условий формирования.

Для достижения поставленной в работе цели использовались следующие методы исследования: теория графов и теория баз данных для построения формализованной модели учебного плана; методы контент-анализа, латентно-семантического анализа и компьютерного моделирования для анализа и обработки учебно-методических комплексов, а также для формирования исходного варианта учебного плана.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность полученных результатов доказывается результатами вычислительных экспериментов, в которых проводится сопоставление критериев оценки качества полученных исходных вариантов учебных планов с вариантом учебного плана, использующегося в настоящее время в учебном процессе. Данный подход проверен на примере сопоставления вариантов учебных планов подготовки бакалавров направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» (Камышинский технологический институт). Проверка возможности использования результатов работы в вузах различного профиля осуществлена в ходе внедрения как в вузе с набором специальностей гуманитарного блока, так и в вузе с инженерными специальностями.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1.Предложен формализованный модульно-компетентностный подход к представлению учебной дисциплины в виде системы взаимосвязанных модулей, ответственных за формирование компетенций выпускающегося специалиста.

2.На основе предложенного подхода разработана компьютерно-ориентированная методика формирования исходного варианта учебного плана, отвечающего требованиям новых образовательных стандартов, основанная на декомпозиции модели представления знаний на статическую и динамическую составляющие.

3.Для решения статической задачи определения состава учебных дисциплин разработаны математические модели, основанные на контент-аналитических методах для нахождения и количественной оценки терминологических связей между учебными дисциплинами и на методах латентно-семантического анализа для определения степени соответствия материалов учебных дисциплин требованиям социального заказа регионального рынка труда.

4.Для решения динамической задачи расстановки учебных дисциплин по периодам обучения предложена модель прогнозирования уровня знаний и умений выпускников на конец периода обучения, учитывающая как результаты единого государственного экзамена абитуриентов вуза, так и статистические данные о динамике изменений рейтинговых оценок текущей успеваемости студентов предшествующих наборов.

Практическая значимость результатов.

С использованием предложенной методики формирования исходного варианта учебного плана разработаны программные средства, позволяющие:

-анализировать качество действующих учебных планов;

-осуществлять формирование исходного варианта учебного плана;

-находить и количественно оценивать терминологические связи между учебными дисциплинами с применением контент-аналитического аппарата;

-оценивать степень соответствия материалов учебных дисциплин требованиям социального заказа регионального рынка труда с применением аппарата латентно-семантического анализа;

-прогнозировать уровень освоения компетенций выпускниками на момент окончания вуза в зависимости от расстановки учебных дисциплин по времени изучения.

Внедрение. Разработанная методика формирования исходного варианта учебного плана используется в Камышинском технологическом институте (филиал) Волгоградского государственного технического университета при формировании исходного варианта учебного плана для направления подготовки бакалавров 230100 «Информатика и вычислительная техника», а также в Камышинском филиале Современной гуманитарной академии для анализа и совершенствования действующих учебных планов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: Международной конференции «Современное образование: методология и методика реализации стандартов нового поколения» (Ульяновск, 2011), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), VIII Всероссийской конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2007), V, VI, VII Всероссийских конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008, 2009, 2010), а также на научных семинарах кафедры «АСОИУ» КТИ ВолгГТУ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10-ти статьях и материалах конференций, в том числе 3 публикации в журналах, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 166 страницах. Диссертация содержит 36 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 135 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность и практическая значимость исследования, перечислены задачи диссертационной работы, представлены полученные автором основные научные результаты и положения, вынесенные на защиту, сведения об апробации работы и о структуре диссертации.

В первой главе содержится обзор основных принципов новой системы образования, описаны ее компоненты. Проведен анализ существующих методик формирования учебных планов и выявлены позиции их неполного соответствия требованиям реформы образования. Сформулированы задачи разработки новой методики формирования учебного плана, ориентированной на учет требований новой системы высшего профессионального образования.

Известно, что в настоящее время используются методики формирования учебных планов на основе следующих подходов:

-основанных на анализе дерева целей подготовки специалистов (И.Т. Гусев, М.С. Соколова и др.);

-использующих модульный принцип формирования учебного плана (В.И. Карпов, О.К. Трофимова и др.);

-базирующихся на решении слабоформализованной задачи в условиях неопределенности (Л.В. Найханова, С.В. Дамбаева и др.);

-основанных на построении формализованной модели связности учебно-методических материалов (В.А. Богословский, Е.В. Караваева и др.).

В таблице представлено сравнение показателей качества существующих методик формирования учебного плана; в состав показателей включены как традиционные (строки 1-11 таблицы), так и дополнительные, учитывающие требования новой системы образования (строки 11-15).

Авторы Показатели	Методика на основе дерева целей (до 1991 года)	Методика на основе модульного подхода (до 1991 года)	Гусев 1996 г.	Карпов 1997 г.	Соколова 1999 г.	Трофимова 1999 г.	Найханова 2004 г.	МГТУ 2010 г.
1. Автоматизация процесса	Отсутствует	Отсутствует	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется
2. Дерево целей	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
3. Коэффициент значимости	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
4. Формализованное представление	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется
5. Комплекс ограничений	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется	Имеется	Отсутствует
6. Граф направления	Отсутствует	Имеется	Имеется	Имеется	Отсутствует	Имеется	Имеется	Имеется
7. Модульный подход	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Имеется	Имеется
8. Вариативная длина модулей	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется	Имеется
9. Связи между модулями	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется	Имеется	Имеется
10. Количественная оценка связей	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется	Отсутствует	Имеется
11. Оценка связей кроме экспертных	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
12. Компетентностный подход	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется
13. Кредитная система	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует
14. Новые ФГОС	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Имеется
15. Социальный заказ	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует

Проведенный анализ существующих методик показал, что ни одна из них не может в полной мере использоваться для планирования учебного процесса в рамках новой системы образования. В связи с этим в работе поставлена задача совершенствования методики формирования учебного плана в направлении учета всех новых элементов, введенных в ФГОС нового поколения, в том числе: компетентностного подхода для определения требований к формированию выпускающегося специалиста; измерения трудоемкости видов учебной деятельности, выраженной в зачетных единицах с применением кредитной системы; представления учебного процесса в виде совокупности взаимосвязанных между собой модулей учебной информации.

Глава 2 содержит описание разработанной формализованной модели планирования учебного процесса.

В работе использованы следующие непротиворечивые критерии качества учебного плана соответствующие положениям реформы образования, ориентированным на достижение конечных результатов обучения в вузе:

Критерий 1, характеризующий конкурентоспособность выпускников на местном рынке труда, используется в процедурах отбора в учебный план модулей (из заранее заданного избыточного списка) согласно их ранжированию по значениям коэффициентов значимости для выпускающегося специалиста.

Критерий 2, характеризующий уровень остаточных знаний студента на момент завершения обучения в вузе, используется в процедурах расстановки учебного материала по периодам обучения с учетом особенностей запоминания, забывания и восстановления знаний.

Процесс формирования исходного варианта учебного плана формализуется в работе с использованием двух классов моделей: статической модели, представляющей учебный материал в виде статического набора взаимосвязанных элементов, и динамической модели, формализующей процесс преобразования знаний, полученных после изучения дисциплины, в систему общекультурных и профессиональных компетенций. Процесс формализации подразумевает построение базы данных D учебного плана, атрибуты которой представляют собой объединение атрибутов, относящихся к статической D_stat и динамической D_dyn моделям, D = D_statD_dyn (формулы 1-6).

В качестве основной единицы используемой в статической модели учебного плана, в работе принята проекция базы данных - учебная дисциплина D_stat, которая представлена списком атрибутов

D_stat = {TEOR_D, PRACT_D, SRAB_D}, (1)

TEOR_D - теоретическая часть учебной дисциплины, ответственная за формирование у учащегося теоретических знаний;

PRACT_D - практическая часть учебной дисциплины, ответственная за формирование у учащегося практических умений;

SRAB_D - самостоятельная работа студентов в рамках данной дисциплины, способствующая приобретению навыков.

Конкретная дисциплина представляется в форме кортежа модулей, каждый из которых представляет собой структурированный, логически завершенный объем учебного материала, обеспечивающий первичное приобретение некоторых теоретических, практических, самостоятельных знаний, умений, навыков. Модуль представляет собой самостоятельную дидактическую единицу, относящуюся к одной или нескольким темам учебной дисциплины

D_stat = {M_i: i = 1.. n_Md }, (2)

M_i - i-ый модуль учебной дисциплины;

n_Md - количество модулей учебной дисциплины.

Все модули внутри одной учебной дисциплины или модули различных учебных дисциплин в разной степени связаны между собой. Следуя работе Трофимовой О.К., используются понятия модулей-предков (материал которого служит основой для изложения материала другого модуля) и модулей-потомков (наследующим результаты модуля-предка). Структура каждого модуля представлена в работе кортежами понятий-термов, вкратце описывающих некоторый объем изучаемого внутри модуля материала

M_stat = {TERM_i: i = 1..n_t }, (3)

M_stat - учебный модуль;

TERM_i - i-ый терм модуля;

n_t - количество термов модуля.

Выделение термов внутри каждого модуля предоставляет возможность определения степеней смысловой и терминологический связи между модулями, для чего используются как экспертные оценки, так и уточняющие их объективные методы анализа (контент-анализа и латентно-семантического анализа).

Разработанная модель используется как основа для построения базы данных учебного плана заданного направления и профиля обучения. В предложенной статической модели устранены несоответствия известных методик формирования учебного плана требованиям реформы образования за счет включения следующих элементов:

-организация модульного подхода к построению учебного плана;

-вариативное значение размерности модулей;

-учет связей между модулями и дисциплинами;

-более объективное оценивание смысловых связей между модулями благодаря использованию экспертных оценок, дополненных количественными оценками терминологических связей;

-учет ограничений, налагаемых на учебный план;

-определение коэффициентов значимости каждого модуля для формирования компетенций. Структура формализованной модели представления учебной дисциплины представлена на рис. 1.

Динамическая модель преобразования знаний, полученных после изучения дисциплины, в общекультурные и профессиональные компетенции, представлена в виде трехкомпонентной структуры (M, D, K), где M - входное воздействие, D - объект, K - выходное воздействие.

Под объектом в динамической модели понимается проекция базы данных - учебная дисциплина D_dyn, которая обладает следующими атрибутами

D_dyn = {N_D, С_D, E_D, M_D}, (4)

N_D - идентификатор учебной дисциплины;

С_D - цикл дисциплин, к которому относится данная дисциплина;

E_D - трудоемкость учебной дисциплины, выраженная в зачетных единицах;

M_D - множество модулей, составляющих учебную дисциплину.

Динамическая модель используется в двух направлениях: во-первых, для расстановки учебных дисциплин по времени изучения и, во-вторых, для отбора модулей из избыточного списка (представленного статической моделью), наиболее значимых для профессиональной деятельности выпускника, подготовленного согласно конкретному профилю обучения.

Входом модели (рис. 2) является избыточный набор учебных модулей с атрибутами

M_dyn = {N_M, I_M, D_M, R_M, E_M, Z_M, K_M, T_M}, (5)

где M_dyn - учебный модуль;

N_M - идентификатор модуля;

I_M - индивидуальный код модуля;

D_M - указатель принадлежности модуля к учебной дисциплине;

R_M - распределение трудоемкости модуля, выраженной в зачетных единицах, между частями учебной дисциплины, к которой относится данный модуль;

E_M - общая трудоемкость модуля, выраженная в зачетных единицах;

Z_M - коэффициент значимости модуля для формирования компетенции выпускающегося специалиста, выраженный в 5-балльной шкале;

K_M - перечень компетенций, которые формирует данный модуль;

T_M - множество термов, составляющих модуль.

Выход модели (рис. 2) представлен набором формируемых компетенций. Каждая компетенция K представлена атрибутами

K = {N_K, V_K}, (6)

N_K - идентификатор компетенции;

V_K - вид компетенции (общекультурная, профессиональная).

Представление динамической модели формирования учебного плана в виде трехкомпонентной структуры (рис. 2) позволяет подробно рассмотреть процесс наполнения учебного плана учебным материалом, необходимым для приобретения компетенций, соответствующих данному профилю обучения с учетом социального заказа региона - основного потребителя выпускников вуза.

Динамическая модель позволяет учесть следующие требования реформы образования:

- компетентностный подход к формированию знаний специалиста;

-расчет трудоемкости в зачетных единицах;

-учет социального заказа региона.

Глава 3 посвящена определению параметров, используемых при формировании исходного варианта учебного плана с применением разработанной формализованной методики; описаны основные методы обработки экспертной информации и машинного анализа текстов, используемые для идентификации параметров моделей смысловых и терминологических связей как между учебными дисциплинами, так и между входящими в них модулями.

Процедура формирования исходного варианта учебного плана на основе формализованной методики, описанной в главе 2, содержит следующие этапы:

1. Задание исходных данных:

-полный (избыточный) перечень учебных дисциплин, которые может преподавать вуз в рамках заданного направления и профиля обучения;

-принадлежность каждой дисциплины из составленного перечня к какому-либо учебному циклу (гуманитарный, естественнонаучный и т.д.);

-трудоемкость каждой дисциплины из составленного перечня, выраженная в зачетных единицах;

-длительность периодов обучения и их количество.

2. Формализация учебных дисциплин. Каждая дисциплина из составленного перечня разбивается преподавателями и/или экспертами в этой области на модули с указанием соответствующих атрибутов:

-наименование модуля;

-указатель принадлежности модуля какой-либо учебной дисциплине;

-индивидуальный идентификационный код модуля;

-объем модуля, выраженный в академических часах или зачетных единицах;

-коэффициент значимости модуля для формирования какой-либо компетенции заданного направления и профиля обучения, выраженный в 5-балльной шкале;

-перечень формируемых модулем компетенций;

-перечень изучаемых в модуле термов;

-учебный материал модуля в форме учебно-методического комплекса (УМК).

В результате такой формализации формируется база данных, позволяющая в структурированном виде представить весь учебный материал заданного направления и профиля обучения.

3. Определение связей между модулями. Для сформированной базы данных учебного материала проводится определение связей между модулями как внутри одной дисциплины, так и между модулями различных дисциплин в несколько этапов:

3.1 Экспертная оценка связей. Преподаватели и/или эксперты в данной области определяют состав модулей, необходимых для изучения других модулей, с указанием степени важности по 5-балльной шкале, согласно трактовке, приведенной в таблице:

коэффициент критерий	1	2	3	4	5
Значимость	Очень низкая	Низкая	Средняя	Высокая	Очень высокая
Связь	Очень слабая	Слабая	Средняя	Сильная	Очень сильная

3.2 Контент-анализ связей. Методами контент-анализа находятся и количественно оцениваются терминологические связи между всеми модулями на основе частоты встречаемости термов одного модуля в тексте учебного материала другого. На основе частот встречаемости определяется вес каждого терма по формуле:

где - вес i-ого терма;

term_i - частота встречаемости i-ого терма в тексте j-ого модуля;

?_k s_k - общее количество всех слов в тексте j-ого модуля;

k - порядковый номер слова в тексте j-ого модуля;

?_j M_j - общее количество модулей учебной дисциплины;

(m_j term_i) - количество модулей, в тексте которых встречается i-ый терм.

Определение веса позволяет уменьшить вклад так называемых общеупотребительных термов, которые используются в большинстве модулей учебной дисциплины, или термов, имеющих двойное значение (омонимов).

На основе весов термов рассчитываются коэффициенты терминологической связи между модулями по следующей формуле:

, , (8)

где Lm_ij - коэффициент связи между i-ым и j-ым модулями;

- суммарный вес термов j-ого модуля;

- суммарный вес термов i-ого модуля;

n_M - количество модулей;

Q - коэффициент, отражающий связь между введенной 5-балльной системой определения коэффициентов связи между модулями и реальной терминологической связью учебного материала этих модулей.

Определение контент-аналитических коэффициентов связи позволяет получить текущую оценку связности учебного материала и, таким образом, частично исключить субъективность при выставлении связей экспертами. Полученные данные могут как подтверждать представленные экспертами коэффициенты связности, так и опровергать.

3.3 Корректировка экспертных связей. Предусматривается процедура корректировки назначенных экспертами оценок степеней связи между модулями. На этапе корректировки экспертам предъявляются результаты оценки связей между термами дисциплин, получаемые методом контент-анализа. В местах значительного расхождения экспертных коэффициентов связи и контент-аналитических производится более детальное рассмотрение учебного материала «проблемного» модуля и его коэффициента связи.

3.4 Построение матрицы и графа связности. После окончательной расстановки коэффициентов связности между модулями на основе этих коэффициентов строится общая матрица связности и общий граф связности учебного материала заданного направления и профиля обучения. В матрице строками и столбцами являются модули, а элементами коэффициенты связи между ними. В графе связности узлами являются модули (с указанием их коэффициентов значимости для формирования компетенций), а дугами - связи между модулями с указанием их веса. Для каждого модуля рассчитывается его итоговый коэффициент значимости по формуле:

, , (9)

где IZm_i - итоговый коэффициент значимости i-ого модуля;

Zm_i - коэффициент значимости i-ого модуля для формирования компетенций;

Zm_j - коэффициент значимости j-ого модуля-потомка для формирования компетенций;

Lm_ij - коэффициент связности между i-ым модулем и его j-ым модулем-потомком;

Q - коэффициент, связи между 5-балльной системой коэффициентов модулей и реальной связью учебного материала этих модулей (равен коэффициенту из формулы 8);

p - количество j-ых модулей-потомков для i-ого модуля;

n_M - общее количество модулей.

Расчет итогового коэффициента значимости для каждого модуля начинается с нижних ветвей графа, т.е. с модулей, не имеющих собственных модулей-потомков (рис. 3).

4. Наполнение учебного плана модулями. Производится процедура наполнения учебного плана необходимыми для выпускника модулями, т.е. такими, учебный материал которых окажется полезным в условиях конкуренции на местном рынке труда. Процедура содержит следующие этапы:

4.1 Отбор модулей обязательных дисциплин. Учитываются учебные дисциплины базовой части каждого из учебных циклов, указанные в ФГОС и учебные дисциплины, устанавливаемые вузом.

Из обязательных учебных дисциплин в учебный план отбираются модули, имеющие собственный коэффициент значимости для формирования компетенций (Zm) выше определенного минимального значения (Z_min), устанавливаемого группой экспертов в результате их опроса. Это позволяет отфильтровать малозначимый учебный материал. Вместе с отбираемыми модулями в учебный план отбираются также вся «цепочка» их модулей-предков. При отборе модулей учитывается следующее правило, установленное ФГОС: суммарное количество учебных часов, выделяемых в учебном плане на какую-либо учебную дисциплину должно быть кратным 0,5 зачетным единицам, т.е. 18 академическим часам. Поэтому при добавлении очередного модуля, принадлежащего какой-либо дисциплине, происходит резервирование минимального числа недостающих часов.

4.2 Отбор модулей в соответствии с социальным заказом. Для определения требований местного рынка труда производится опрос ведущих специалистов организаций и предприятий региона, заинтересованных в выпуске специалистов заданного профиля, с целью определения групп понятий или термов, необходимых выпускающемуся специалисту для работы на данном предприятии или организации, с указанием количества необходимых рабочих мест для каждой группы.

Для сформированного перечня термов производится контент-анализ встречаемости этих термов в тексте всех модулей полного списка учебных дисциплин, в том числе и в уже отобранных в учебный план модулях. При отсутствии некоторых важных для предприятий региона термов в текстах учебных дисциплин необходимо рассмотреть вопрос внедрения в учебный процесс дополнительных модулей, обеспечивающих изучение недостающих термов.

В случае достаточной встречаемости термов в тексте учебных модулей, по результатам контент-анализа для еще неотобранных в учебный план модулей проводится латентно-семантический анализ с целью выявления степени близости каждого из модулей составленному перечню термов. По результатам латентно-семантического анализа для каждого терма и модуля находится группа факторов, из которых определяются коэффициенты близости по формуле:

где Bm_i - коэффициент близости i-ого модуля всем термам;

Zterm_j - коэффициент значимости терма, в зависимости от количества рабочих мест;

m - количество модулей;

k - количество термов;

bterm_ij - расстояние от i-ого модуля до j-ого терма, которое определяется по следующей формуле:

,, (11)

где выражение под корнем является суммой квадратов разности f-ых факторов (расстояний) между i-ым модулем и j-ым термом, а n_f -количество факторов.

Для отбора модулей в учебный план проводится ранжирование по убыванию коэффициентов близости учебных материалов модулей требованиям рынка труда, показывающих, насколько учебный материал модуля близок всем термам рынка труда.

4.3 Отбор модулей оставшихся учебных дисциплин. Если учебный план сформирован еще не полностью, то он дополняется модулями, имеющими суммарный максимальный итоговый коэффициент значимости (IZm) всей «цепочки» его предков.

После отбора всех необходимых модулей происходит частичное перераспределение зарезервированного учебного времени внутри дисциплины между отобранными модулями. Данная процедура выполняется преподавателями и/или экспертами в данной области по собственному усмотрению.

5. Расстановка дисциплин в учебном плане по времени изучения. Исходными данными для процедуры распределения учебных дисциплин по времени изучения являются:

-перечень дисциплин, отобранных для изучения в учебный план;

-трудоемкость дисциплин, выраженная в зачетных единицах;

-список модулей отобранных учебных дисциплин;

-объем каждого модуля, выраженный в академических часах или зачетных единицах;

-объем итоговой государственной аттестации, выраженный в зачетных единицах;

-итоговые матрица и граф связности учебного материала для отобранных модулей учебных дисциплин;

-общее количество зачетных единиц, отводимое на каждый период обучения.

5.1 Определение дисциплин с жестко заданным временем изучения. На основе графа связности определяется возможный порядок изучения дисциплин в зависимости от связей их модулей. В результате автоматического анализа определяются и расставляются в учебном плане дисциплины, которые могут изучаться только в одном конкретном периоде обучения.

5.2 Расстановка оставшихся дисциплин. Для оставшихся дисциплин определяются возможные для расстановки периоды обучения на основе графа связности. Расстановка таких дисциплин производится с применением экспоненциальной модели прогнозирования уровня знаний выпускников на момент выпуска с учетом забываемости учебного материала.

Возрастающая экспоненциальная зависимость означает углубление освоения материала в процессе изучения модуля или учебной дисциплины с максимальным значением зависимости на момент времени, соответствующий завершению изучения этого модуля или дисциплины. Убывающая экспоненциальная зависимость характеризует степень забываемости студентом изученного материала. Скорость убывания экспоненты и точка, с которой начинается забывание, зависит от способностей студента и его первоначального усвоения материала, что коррелируется с рейтинговой оценкой, полученной студентом в результате аттестации по данной дисциплине.

На вид зависимости степени усвоения/забывания материала от времени оказывает влияние многократное повторение материала модуля или дисциплины в будущем, т.е. в другом модуле или дисциплине. При повторении материала возможно частичное восстановление уровня остаточных знаний, что выражается сменой убывающего характера зависимости на возрастающий. Чем меньше времени проходит между повторениями материала, тем лучше запоминается материал и, соответственно, тем выше окажется минимальная точка запоминаемости материала.

Основной задачей расчетов по такой модели является расстановка учебных дисциплин по периодам обучения таким образом, чтобы коэффициент усвоения (K) каждой из компетенций не был ниже минимального значения (K_min), устанавливаемого вузом экспертно, а также чтобы сумма всех коэффициентов усвоения компетенций была максимальной.

Процесс забываемости учебного материала какой-либо дисциплины или модуля, начиная с момента ее окончания и сдачи контрольного мероприятия (зачета, экзамена) без учета частичного восстановления знаний за счет изучения других модулей, описывается экспоненциальной зависимостью по следующей формуле:

где K₁(t) - коэффициент усвоения компетенции t-ого периода изучения для модуля или учебной дисциплины;

R - вектор рейтинговых оценок абитуриентов;

K_max - максимально возможное значение коэффициента усвоения компетенции (устанавливается вузом);

t₁ - период изучения модуля или учебной дисциплины;

t - текущий период обучения, t = 1..p;

p - общее количество периодов обучения;

h - индекс компонента вектора;

q₁ - случайный коэффициент, учитывающий неопределенность будущих оценок студента по данным об оценке его школьных знаний;

q₂ - коэффициент, характеризующий средний темп деградации знаний из-за забывания студентами учебного материала, т.е. индивидуальный темп забывания принят зависящим от прогнозируемой оценки, коэффициент определяется экспертно.

На рис. 4 представлены примерные графики снижения уровня знаний учебного материала после завершения изучения дисциплины для студентов, имеющих высокий, средний и низкий рейтинги.

Рис. 4. График забываемости учебного материала в зависимости от рейтинга студента

Процесс снижения уровня знаний по одному из модулей или по одной из дисциплин после завершения их изучения с частичным восстановлением знаний в другом модуле-потомке или учебной дисциплине, наследующей данную, рассчитывается по формуле:



где K_i(t) - коэффициент усвоения компетенции t-ого периода изучения для изучения i-ого модуля или учебной дисциплины; i = 1.. m_k;

m_k - количество связанных модулей формирующих заданную компетенцию;

t_j - период изучения j-ого модуля или учебной дисциплины;

t - текущий период обучения, t = 1..p;

p - общее количество периодов обучения;

h - индекс компонента вектора;

q₃ - коэффициент, характеризующий восстановление знаний (зависит от коэффициента связи между двумя модулями или учебными дисциплинами).

На рис. 5 представлены примерные графики частичного восстановления уровня знаний учебного материала после завершения изучения двух связанных дисциплин для студентов, имеющих высокий, средний и низкий рейтинги.

Рис. 5. График забываемости учебного материала в зависимости от рейтинга студента для двух модулей или дисциплин

Зависимость итогового коэффициента усвоения компетенции от расстановки двух связанных дисциплин представлена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость коэффициентов усвоения компетенции от расстановки двух связанных дисциплин

За счет перестановок периодов изучения различных дисциплин удается обеспечить такую расстановку учебных дисциплин по времени изучения, чтобы для каждой компетенции коэффициент ее усвоения был не меньше минимального значения, а среднее значение этих коэффициентов было максимальным.

В главе 4 описан пример формирования нескольких исходных вариантов учебного плана с помощью разработанной формализованной методики для направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», профиля обучения «Сервисно-эксплуатационная деятельность». Проведено сравнение полученных критериев оценки качества вариантов учебного плана с учебным планом, применяемым в настоящее время в учебном процессе. Рассчитаны три варианта учебного плана для следующих условий отбора (т.е. стратегий обучения, применяемых в вузе):

1.Основой учебного плана являются модули обязательных для изучения дисциплин, большинство которых отбирается в учебный план; оставшийся объем заполняется за счет модулей, удовлетворяющих требованиям социального заказа и (по возможности) за счет модулей оставшихся дисциплин;

2.В учебный план отбирается примерно равный объем модулей обязательных дисциплин, социального заказа и модулей других учебных дисциплин;

3.Основой учебного плана являются модули, соответствующие социальному заказу региона; из числа модулей обязательных дисциплин выбираются только имеющие уровень значимости не ниже заданного порога; модули остальных дисциплин добираются до предельного заполнения учебного времени.

В качестве критериев оценки качества получаемого варианта учебного плана приняты следующие коэффициенты:

Для статической модели, определяющей состав и наполнение учебных дисциплин, приняты минимальные коэффициенты значимости отбираемых модулей для обязательных дисциплин, в соответствии с социальным заказом и для оставшихся дисциплин.

Для динамической модели, характеризующей грамотность расстановки учебных дисциплин по времени изучения, приняты минимальный коэффициент усвоения какой-либо компетенции и среднее значение коэффициентов усвоения всех компетенций.

В качестве базы для сравнения были рассчитаны критерии оценки качества для учебного плана, использующегося в настоящее время в учебном процессе, а также его модифицированный вариант, полученный при альтернативной расстановке учебных дисциплин без изменения их содержания.

Получившиеся коэффициенты для каждого из вариантов учебного плана представлены в таблице.

Коэфф. План	Всего модулей	Обязательные модули	Модули социального заказа	Остальные модули	Модель забываемости
		Всего	Min	Всего	Min	Всего	Min	Ksred	Kmin
Жесткий	380	181	1	199	3	-	-	71%	65%
Равномер.	372	141	3	100	5	136	4	77%	68%
Социал.	376	93	5	255	1	28	5	73%	62%
Текущий	392	203	1	72	1	117	1	64%	53%
Модифиц.	392	203	1	72	1	117	1	66%	58%

Из таблицы видно, что все три сформированных варианта имеют значения коэффициентов выше, чем у текущего учебного плана, применяемого в учебном процессе, что говорит о необходимости его замены.

В заключении обобщены результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Предложен формализованный модульно-компетентностный подход к представлению учебной дисциплины, на основе которого разработана компьютерно-ориентированная методика, позволяющая сформировать исходный вариант учебного плана с учетом требований новой системы образования.

2.Разработаны средства компьютерной поддержки методики формирования исходного варианта учебного плана, позволяющие как анализировать качество действующих учебных планов, так и осуществлять формирование новых вариантов учебного плана.

3.На основе методов контент-анализа разработана математическая модель, позволяющая находить и количественно оценивать терминологические связи между учебными дисциплинами и на основе полученных оценок корректировать состав модулей, формирующих дисциплину.

4.На базе методов латентно-семантического анализа разработана математическая модель, позволяющая оценивать степень соответствия материалов учебных дисциплин требованиям социального заказа регионального рынка труда и проводить отбор и/или дополнение учебного материала согласно условиям будущей профессиональной деятельности выпускников.

5.Предложена математическая модель прогнозирования уровня знаний и умений выпускников на конец периода обучения, использование которой позволяет распределять учебные дисциплины по периодам изучения с учетом требований к уровню конечных результатов обучения, определяемых новой системой образования.

6.Результаты работы проверены при разработке учебного плана подготовки бакалавров направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», в котором были достигнуты более высокие показатели качества по сравнению с действующим учебным планом.

7.Разработанная методика и средства ее компьютерной поддержки использованы в учебной деятельности в Камышинском филиале Современной гуманитарной академии и в Камышинском технологическом институте (филиал) Волгоградского государственного технического университета.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТЫ

1.Харитонов, И.М. Применение контент-анализа для оценки терминологической связи между учебными дисциплинами / И.М. Харитонов, Е.Н. Скрипченко // Известия ВолгГТУ. - 2010. №11(71). - С. 114-117.

2.Харитонов, И.М. Моделирование процесса построения учебного плана на основе формализованного представления учебной дисциплины / И.М. Харитонов // Открытое образование. - 2011. №2(85). Ч1. - С. 21-32.

3.Харитонов, И.М. Алгоритм формирования учебного плана с применением методики формализованного представления учебной дисциплины (на примере дисциплины «моделирование систем») / И.М. Харитонов // Вестник АГТУ. - 2011. №2. - С. 178-185.

4.Галай, А.С. Принцип блочного разбиения материала в автоматизированных обучающих системах / А.С. Галай, И.М. Харитонов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы всероссийской конференции. - Камышин, 2007. - С. 109-111.

5.Харитонов, И.М. Моделирование процесса накопления знаний по естественнонаучным дисциплинам при подготовке инженеров-системотехников / И.М. Харитонов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы V всероссийской конференции. - Камышин, 2008. - С.125-127.

6.Харитонов, И.М. Совершенствование междисциплинарных связей при подготовке инженеров-системотехников / И.М. Харитонов, Е.Н. Скрипченко, М.А. Осадший // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VI всероссийской конференции. - Камышин, 2009. - С.131.

7.Скрипченко, Е.Н. Контент-анализ учебно-методических комплексов с целью совершенствования междисциплинарных связей при подготовке инженеров-системотехников / Е.Н. Скрипченко, И.М. Харитонов // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: материалы международной конференции. - Волгоград, 2009. - С. 44-48.

8.Скрипченко, Е.Н. Применение методики латентно-семантического анализа для нахождения взаимосвязей между учебными дисциплинами / Е.Н. Скрипченко, И.М. Харитонов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VII всероссийской конференции. - Камышин, 2010. - С. 50-53.

9.Харитонов, И.М. Методика формирования учебного плана на основе формализованного подхода к построению учебной дисциплины / И.М. Харитонов // Приоритетные направления развития науки и технологии: материалы VIII всероссийской научно-технической конференции. - Тула, 2010. - С.120.

10.Харитонов, И.М. Алгоритм формирования исходного варианта учебного плана вуза на основе формализованной модели представления учебной дисциплины / И.М. Харитонов // Современное образование: методология и методика реализации стандартов нового поколения: материалы международной научной конференции. - Ульяновск, 2011. - С.146.

Размещено на Allbest.ru

...