Управление качеством учебно-познавательной деятельности студентов при компьютерном обучении. Часть 1. Модель

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Управление качеством учебно-познавательной деятельности студентов при компьютерном обучении. Часть 1. Модель

Ашеров А.Т.

1. Исходные предпосылки

1.1. Постановка проблемы в общем виде. Под учебно-познавательной деятельностью при компьютерном обучении понимается познавательная деятельность студента как частный вид интеллектуальной деятельности, направленной на приобретение новых знаний, умений и формирование новых навыков под руководством компьютера как средства обучения. Компьютерным обучением будем называть метод, в котором собственная, самостоятельная учебно-познавательная и учебно-практическая деятельность субъекта учения обусловлена формирующей деятельностью преподавателя, реализованной в электронных средствах обучения (в электронных учебниках, интеллектуальных тренажёрах и т.п.) и в технологии интерактивного самообучения.

Дальнейшее изложение будем вести на примере электронного учебника, используемого при дистанционном обучении. Под электронным учебником будем понимать такую обучающую систему [1], которая, начиная обучение с некоторого исходного уровня обученности студента, способна тестировать знания и умения и, в зависимости от результата тестирования, выбирать в пределах выделенных ресурсов управление для перехода к следующей учебной дозе, соответствующей данному или следующему уровню обученности.

При создании и эксплуатации электронного учебника по любой дисциплине возникают следующие задачи:

1. Отбор учебного материала.

2. Многоуровневое структурирование учебного материала: а) разбиение на части, разделы, главы, параграфы; б) выделение смысловых абзацев - минимальных доз учебного материала, содержащих определённые законченные мысли; в) выделение смысловых единиц - смысловых абзацев с добавлением сопутствующего им дополнительного, вспомогательного учебного материала, который служит для пояснения, иллюстрации, уточнения мысли, содержащейся в этих абзацах; г) построение структурно-смысловой модели учебного материала.

3. Формирование иерархии целей («деревьев целей») в когнитивной области. Формирование перечней целей вида «знать», «понимать», «применять», «анализ», «синтез», «оценка» для каждой смысловой единицы.

4. Концептуальное проектирование модулей: мотивационных (что предстоит изучать?), информационных (что надо знать?), алгоритмических (как это делать?), имитационных (как это делается?), тренировочных (сделай сам!), контролирующих (проверь себя!).

5. Дозирование учебной информации с помощью кадрирования, выделения и нумерации смысловых единиц и т.п.; введение опорных указаний, обращений, смысловых рисунков (пиктограмм) и т.п., управляющих самообучением.

6. Разработка методов и средств диагностики знаний и умений с позиции достижения целей п. 3.

7. Разработка модели управления учебно-познавательной деятельностью (УПД).

Каждая из перечисленных задач имеет сложную структуру процесса решения, что является предметом отдельного исследования. В данной работе обсуждается в постановочном плане лишь последняя задача 7. Задачи 1-6 будут затрагиваться лишь по мере необходимости.

1.2. Анализ последних публикаций и исследований. Проблема обучения в электронной среде является одной из наиболее обсуждаемых в последнее десятилетие [2]. При этом наибольшее число публикаций приходится на описание и решение задач 2-6 [3]. Создание электронно-информационных продуктов учебного назначения становится определённой научно-промышленной отраслью, для которой Иститутом по электротехние и радиоэлектронике (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) совместно Международной организацией по стандартизации (ISO) разработан стандарт IEEE P1484.1/ D8, посвящённый архитектуре систем, реализующй технологии обучения [4]. Однако задача управления учебно-познавательной деятельностью студентов при компьютерном обучении в формальном (строго математическом) плане до сих пор не ставилась.

2. Формулировка задачи

Предположим, что УПД организована таким образом, что за некоторый период (0, Т ) студент должен усвоить определенный (плановый) объем QП учебного материала. Контроль процесса усвоения учебного материала заключается в проведении последовательности проверок П = { рi }, i = 1, 2, … (текущих контролей). Моменты проверки ti и ti+1 разделены интервалами времени фi. Каждая проверка рi имеет свою «стоимость» (например, затраты компьютерного времени) и может иметь два исхода: положительный и отрицательный. Положительным исходом называется случай, когда фактически усвоенный объем знаний и умений QiФ, определенный за период времени (0, ti ), по результатам проверки рi находится в допустимой области (QiП - QiФ ? дi , дi - допуск). Отрицательным исходом называется случай, когда QiП - QiФ > дi .

Интервал фi между проверками может быть различным. Частые проверки обуславливают чрезмерно большую психическую нагрузку на обучаемого и приводят к повышению стоимости процедуры контроля. Необоснованное уменьшение частоты проверок может привести к «учебной неудаче» (пустой трате учебного времени и т.п.) из-за невозможности своевременной выработки должных педагогических воздействий. Изменения во времени объема приобретаемых знаний можно признать непрерывным случайным процессом QФ(t). Требуется разработать такую процедуру подачи учебного материала в данной предметной области и такую процедуру контроля знаний и умений, чтобы с учетом свойств процесса QФ(t) и наличных ресурсов обеспечить к моменту Т приобретение и закрепление объема знаний QП.

Для того, чтобы конкретизировать постановку, необходимо дать более глубокую и содержательную интерпретацию многих выделенных понятий (QiП , QiФ , рi , дi , QФ(t)). Это будет сделано ниже, по мере построения моделей и лишь частично ввиду ограниченного объема статьи.

3. Результаты

3.1. Контроль УПД как управляемый полумарковский процесс. Для дальнейшего изложения конкретизируем понятие «исход проверки» следующим образом:

исход 1: доза учебного материала усвоена; связанные с нею умения сформированы полностью;

исход 2: доза учебного материала усвоена; связанные с нею умения сформированы частично, т. е. не достигнуты все цели, приписываемые этой дозе (см. задачу 3 в п. 1.1);

исход 3: порция учебного материала не усвоена.

В терминах теории управления исходы как бы идентифицируют состояния, которые будем обозначать через ri . Пусть { ri } -последовательность состояний УПД, ri = 1, 2, 3. Ввиду того, что судить о переходе процесса усвоения знаний из состояния в состояние можно только по результатам проверок, будем считать, что этот переход осуществляется в моменты проверок ti . Примем следующие допущения:

1) учебный процесс из любого состояния ri = r может перейти в любое состояние ri+1 = s с конечной вероятностью prs ;

2) вероятность перехода процесса обучения из состояния r в состояние s на шаге 1, 2, …, n зависит только от состояния r, так что условное распределение вероятностей

prs = P{ri+1 = s | ri=r} (i = 1, 2, …, n: r, s = 1, 2, 3)

содержит всю информацию, необходимую для образования последовательности состояний процесса, как только становится известным r0 ;

3) время фrs между переходами процесса можно рассматривать как случайную величину с распределением, зависящим от r и s;

4) с каждым состоянием r можно связать конечное число допустимых управлений, влияющих на длительность переходного интервала и на вероятность перехода в следующее состояние;

5) с каждым управлением может быть связан некоторый «доход», численно выражаемый через объем приобретаемых знаний (умений).

Любой случайный процесс, отвечающий условиям 1) - 5), может быть представлен как управляемый полумарковский процесс [5]. Поэтому введенные допущения позволяют описать процесс обучения и контроля знаний при компьютерном обучении тоже как управляемый полумарковский процесс (УПМП).

Рассмотрим компоненты задания процесса: доход, состояния, управления, - и наметим пути их исследования и содержательной интерпретации. компьютерный обучение полумарковский электронный

3.2. Структура «дохода». Содержательная интерпретация понятия «доход» как главного компонента УПМП и структура «дохода» имеют решающее значение для продуктивности модели. Определение целевой функции Q(t) термином «доход» не связано с экономикой и является просто историческим фактом. И в данном случае эта функция не имеет экономического смысла, а будет определяться категориями познания и когнитивной психологии. В этой статье будет предложена пока только гипотеза построения функции QФ(t), а не ее аналитическое выражение. Сформулируем положение этой гипотезы:

1. «Доход» - это знания, приобретенные в процессе УПД.

2. Функция дохода QФ(t) - монотонно неубывающая в процессе обучения или самообучения функция времени.

3. Изменения объема знаний в процессе УПД конструктивно может быть выражено только с помощью законов памяти - законов запоминания, сохранения, воспроизведения, забывания. Это положение основано на общепринятой в теории памяти гипотезе «о возможности рассматривать память как сложную информационную систему, обладающую функциями отбора, количественных и качественных преобразований, поступающих на сенсорный вход человека сигналов в соответствии с их отношением к целям деятельности субъекта и результатами ее осуществления» [6, c. 7].

4. Приобретение знаний в процессе УПД (рост QФ(t)) должно рассматриваться в рамках деятельностного подхода к мнемическим процессам, при котором исследования памяти (запоминания, сохранения, воспроизведения информации) увязывают с операционной, мотивационной и целевой структурами конкретных видов УПД [7].

5. С математической точки зрения процесс накопления знаний представляет собой сложный нелинейный процесс, связанный с взаимодействием процессов усвоения новых знаний и процессов забывания. В первом приближении приращение функции QФ(t) за период (ti+1 - ti ) можно получить суперпозицией функций запоминания V(tЗП) и забывания V(tЗБ), которые имеют экспоненциальный характер [8] (рис. 1).

Рис. 1. Предполагаемый характер функции запоминания (А) и функции забывания (Б)

(V - объем знаний, tЗП - время обучения, tЗБ - перерыв в обучении)

6. Учебная информация имеет синтаксический, семантический и прагматический аспект. Поэтому характер функции V(tЗП) запоминания зависит от того, какой вид знаний формирует эта информация (рис. 2).

7. В самом первом приближении за единицу знаний можно принять понятие. По отношению к понятию следует ставить цели «знать», «понимать», «применять», «анализ», «оценка». Например, если понятие - «надежность деятельности человека-оператора», то

цель «знать» - знать определение надежности;

цель «понимать» - понимать составляющие надежности, роль состояний и отказов;

цель «анализ» - уметь анализировать деятельность с позиции надежности;

цель «синтез» - уметь выбирать вариант деятельности по показателям надежности: максимум безошибочности при ограничении на время и / или на ресурсы.

цель «оценка» - уметь оценивать показатели безошибочности выполнения действий, операций, функций, алгоритма деятельности в целом.

При таком подходе функция QФ(t) будет аддитивной функцией. Приращением ?QФ(t) функции за период фi будет число новых усвоенных понятий. Число понятий в каждой учебной дисциплине счетно. Например, в дисциплине «Эргономика информационных технологий» (32 часа лекций, 32 часа лабораторно - практических занятий, 71 час на самостоятельную работу) выделены 155 понятий [10].

Рис. 2. Классификация знаний, формируемых в процессе УПД

(на основе типологии знаний [9])

8. Приобретение (накопление) знаний в процессе УПД на некотором интервале (0, Т) целесообразно до тех пор, пока не будет достигнут некоторый уровень обученности (плановый объем QП). Поэтому структура дохода QФ(t) связана с понятием обученности. В связи с важностью этого понятия опишем его подробнее.

3.3. Уровни обученности. Сформулируем три базовых утверждения:

А. Уровни обученности можно связать с уровнем деятельности.

Б. Обученностью будем называть умение студента выполнять все элементы деятельности, требуемые на данном уровне деятельности

В. Под деятельностью вообще будем понимать деятельность, для которой готовится будущий специалист.

Рассмотрим элементы деятельности. Для этого примем следующую иерархию структурных элементов (уровней) деятельности [11]:

,

где А (activity) - вся деятельность, свойственная тем должностям, для которых готовится специалист; Т (task) - множество задач управления; F (function) - множество функций специалиста в данной задаче; O (operation) - множество элементарных технологических операций; R (run) - множество простых действий.

Работу специалиста на каждом из уровней деятельности будем рассматривать как совокупность двух процессов: идентификации (identification) - выбор специалистом конкретного элемента (задачи, функции, операции, действия) для исполнения; реализация (realization) - исполнение выбранного элемента. Определим, как строится данная иерархия уровней деятельности.

1. На основании анализа процедур деятельности в структуре труда устанавливается перечень производственных функций в виде перечня: исследовательские, инженерные, прогностические, учебные, коммуникативные функции т.д.

2. Для каждой производственной функции устанавливается перечень типовых задач деятельности. Они бывают трех видов: профессиональные, социально-производственные и социально-бытовые.

3. Каждая задача деятельности из этих трех видов, в свою очередь, классифицируется на стереотипные, диагностические и эвристические.

4. На основании анализа содержания типичных задач деятельности, их класса (стереотипная, диагностическая, эвристическая) формируется система умений, необходимых для решения задачи, и опорных знаний. При формировании умений учитывается характер предмета или орудия труда и способ выполнения действия (выявляются умения предметно-практические, предметно-умственные, знаково-практические и знаково-умственные).

5. Для каждого умения устанавливается уровень его сформированности: выполнение с опорой на материальные носители информации; с опорой на постоянный умственный контроль; автоматическое выполнение (навыки).

Исходя из этого алгоритма структурные элементы деятельности можно уточнить следующим образом:

- уровень А (вся деятельность) - это множество производственных функций (п. 1);

- уровень Т (задачи) - это п.п. 2-3;

- уровни F (функции), O (операции), R (действия) - это п. 4.

Общее представление о структуре уровней обученности дает рис. 3, конкретный пример приведен на рис. 4.

3.4. Состояния. Понятие состояния является вторым ключевым понятием УПМП. Под состоянием процесса обучения будем понимать "состояние обучаемого", т.к. оно связано с уровнем обученности. и характеризует УПД в каждый момент ti. В первом приближении можно принять следующие состояния, определяемые исходами проверок):

учебная доза знаний усвоена; связанные с нею умения сформированы полностью;

учебная доза знаний усвоена; связанные с нею умения сформированы частично;

учебная доза знаний не усвоена.

В свою очередь, состояние 2 можно рассматривать как групповое событие, и тогда внутри этого состояния нужно рассматривать множество состояний. Мощность множества определяется тем, к чему относилась учебная доза: к операции, к функции или к задаче. Тогда структура отношений между состояниями будут иметь вид рис. 5. При этом состояния 1, 2, 3 относятся к каждой функции в задаче, к каждой операции в функции и к каждому действию в операции.

Выявление состояний производится, как было сказано выше, в момент контроля ti. Для выявления состояний должны существовать диагностические тесты.

Рис. 3. Уровни обученности

Рис. 4. Пример структуры умений для конкретной производственной функции «Работа с электронной почтой» (фрагмент)

Рис. 5. Иерархия состояний процесса обучения

3.5. Управление. Понятие управления является третьим ключевым понятием УПМП. Управление - это комплекс команд, вырабатываемых «компьютером» на основании результатов проверки рi и определяющих содержание учебной дозы на период (ti, ti+1). Предположим, что в электронном учебнике заложена возможность осуществлять управление по результатам проверок при конечном числе управлений z= 1, 2, …, Z, допустимых в каждом состоянии УПД. Выбор конкретного управления зависит от состояния, выявленного в момент ti . Для простоты изложения рассмотрим самый простой случай:

управление z1 - подать новую дозу учебного материала;

управление z2 - подать некоторую часть дозы прежнего учебного материала;

управление z3 - вернуть обучаемого к изучению прежней учебной дозы.

Тогда возможны три диаграммы А, Б, С переходов состояний (рис. 6).

В зависимости от глубины проверки знаний и умений диаграмма переходов может иметь сложную структуру. На рис. 7 показан случай проверки для 4 моментов времени. Предполагается, что в момент времени ti обучаемый находится в состоянии 1. Факт усвоения материала в последующие моменты ti+1, ti+2 отражен или петлей, или дугой в состояние 1; состояния 2 на разных шагах отличаются объектом не усвоенных знаний (разное число штрихов на рисунке).

Заключение

Для того, чтобы компьютерное обучение было эффективным, необходимо не только создать дидактически обоснованные электронные средства обучения, но и реализовать управление процессом учебно-познавательной деятельности. В настоящее время эта задача решается на инженерно-интуитивном уровне. Однако при необременительных допущениях управление учебно-познавательной деятельностью при компьютерном обучении может быть описано как управляемый полумарковский процесс, все элементы которого имеют содержательную педагогическую интерпретацию.

Перспективы дальнейших исследований. Естественным продолжением исследований является разработка модели выбора управлений для обеспечения качества УПД при компьютерном обучении.

Литература

ДСТУ 2482_94. Системи оброблення інформації. Комп'ютерні технології навчання. Терміни та визначення. - К.: УкрНДІССІ, 1994. - 36с.

Инновации в высшей технической школе России: Вып. 2. Современные технологии в инженерном образовании: Сб. ст. / МАДИ (ГТУ). - М., 2002. - 503 с.

Информационные технологии в деятельности инженерного вуза / МАДИ (ГТУ), МАТИ - РГУ. -М., 2004, 332 с.- (Сер. Современное высшее образование).

IEEE P1484. 1/ D8, 2001-04-06. Draft Standart for Learning Technology - Learning Technology Systems Architecture (LTSA).

Джевелл В.С. Управляемые полумарковские процессы // Кибернетический сборник. Выпуск 4. - М.: Мир. - 1964 - с. 97_137.

Бочарова С.П. Память в процессах обучения и профессиональной деятельности. - Тернополь: Актон, 1997. - 351 с.

Зинченко П.И., Ляудие В.Я., Невельский П.Б. Структура процесса запоминания и переработки информации человека // Бионика. - М.: Наука, 1965. - С. 325_347.

Сазонова З.С., Чечеткина Н.В., Ткачева Т.М. Инженерно-педагогический подход к проблеме повышения эффективности учебно-познавательной деятельности студентов // Инженерная педагогика: Сборник статей (выпуск 4) / Центр инженерной педагогики МАДИ (ГТУ). - М., 2003. -С.208-221.

Попов Э.В. Экспертные системы: Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. - М.: Наука, 1987. - 284 с.

Сажко Г.І. Методика формування ергономічних знань та умінь майбутніх інженерів педагогів в галузі комп'ютерних технологій: Дис…канд. пед.наук: 13.00.02. - Харків, 2006. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru