Моделі, методи та інструментальні засоби інформаційного забезпечення навчального процесу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський національний технічний університет

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ ІНФОРМАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Киричек Галина Григорівна

Херсон - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Піза Дмитро Макарович, Запорізький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, проректор з науково-педагогічної роботи та питань перспектив розвитку, директор інституту інформатики та радіоелектроніки, завідувач кафедри радіотехніки та телекомунікацій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Соколова Надія Андріївна, Херсонський національний технічний університет, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри економічної кібернетики;

доктор технічних наук, професор Скобцов Юрій Олександрович, Донецький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри автоматизованих систем управління.

Захист відбудеться 03 червня 2011 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: Україна, 73008, Херсон, Бериславське шосе, 24, корпус №3, ауд. 320.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, Херсон, Бериславське шосе, 24, корпус №1.

Автореферат розісланий 29 .04. 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М.Бражник.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Впровадження інформаційних і комунікаційних технологій у вищих навчальних закладах (ВНЗ) є однією з важливих умов виходу вищої освіти в Україні на рівень міжнародних стандартів. В системі інформаційної підтримки науки і освіти цей напрямок забезпечується сукупністю державних заходів, базується на виконанні окремих положень та «Державній програмі «Інформаційні і комунікаційні технології в освіті і науці», що підтримує розвиток систем інформаційного забезпечення навчального процесу, якими на даний час є електронні бібліотеки ВНЗ. Зокрема, на ІІ міжнародній науково-практичній конференції «Програмне забезпечення у сфері освіти і науки», ця тема була визначена однією з перспективних.

Дослідження цих питань знаходяться на межі різних наукових напрямків кожному з яких присвячена велика кількість робіт. Це роботи зарубіжних вчених: В. Армса, К. Расбриджа, Д.Дж. Кемени, Т. Конноли; науковців з Росії: Я.Л. Шрайберга, Т.А. Гаврилової, В.Ф. Хорошевського, А.Б. Антопольського; вчених з України: Т.О. Ярошенко, Л.Й. Костенко, В.В.Пасічника, П.І. Жежнича.

Але усі напрямки, зокрема інформаційне обслуговування, моделі навчання, розробка інформаційних систем та використання Web-технологій досліджуються окремо і не враховують питань, що засновані на цілісному представленні та структурованому рішенні. Попередні дослідження, що проводились у Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ), дали можливість визначити вимоги до системи інформаційного забезпечення навчального процесу, в основу якої покладені вимоги до функціонування електронної бібліотеки ВНЗ. Виходячи з цього, актуальною є розробка і впровадження науково-обґрунтованих моделей, методів та інструментальних засобів інформаційного забезпечення на всіх рівнях ієрархії навчальних та наукових процесів ВНЗ з подальшою їх реалізацією в системі інформаційного забезпечення навчального процесу, що ефективно функціонує в умовах відкритого інформаційно-освітнього простору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дане дослідження виконано у рамках: Національної програми "Освіта. Україна ХХІ століття"; Концепції Розвитку Дистанційної Освіти України; НДР, яка відібрана за результатами конкурсу, спрямованого на реалізацію заходів Державної програми Міністерства науки і освіти України: "Інформаційні та комунікаційні технології в освіті і науці" на 2006-2010 роки та проведена у 2007-2008 pp. у Запорізькому національному технічному університеті (ДР№0107U007672), де автор була відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження - підвищення ефективності, рівня інформатизації та якості навчального процесу за допомогою моделей, методів та інструментальних засобів інформаційного забезпечення, які реалізовано в сучасній інформаційно-пошуковій системі з науково-обґрунтованими ієрархічними зв'язками рівнів навчання з системою інформаційного забезпечення, Web-інтерфейсом користувача та ресурсами, тематичний склад яких визначено відповідно до наукового та навчального процесів ВНЗ.

Для досягнення поставленої мети треба було вирішити такі задачі:

Виділити ряд невирішених питань і визначити основні напрямки проведення наукових досліджень за темою розробки;

На основі теоретичних досліджень побудувати часову модель одержання інформації учасниками навчального процесу з використанням теорії ланцюгів Маркова. Продемонструвати підтвердження теоретичних припущень експериментальними даними;

Визначити рівні ієрархії навчального процесу у ВНЗ. Побудувати модель інформаційно-освітньої системи, дослідити її ієрархічність і вплив інформації на процес навчання. Запропонувати метод оцінки витрат часу на одержання та засвоєння інформації;

Провести дослідження та на їх основі розробити метод оцінки впливу інформаційних систем на процес навчання. Визначити етапи оцінки ефективності впровадження інформаційної системи ВНЗ;

Розробити модель одержання інформації на всіх рівнях ієрархії навчального процесу. Визначити можливі стани, у яких може перебувати процес одержання інформації і переходи між ними в процесі пошуку;

Провести дослідження та на їх основі спроектувати модель та архітектуру системи, розробити її загальні модулі, навести методику її налагодження при використанні у будь якому ВНЗ України;

Реалізувати інструментальні засоби для підсистем: реєстрації та доступу до ресурсів; видалення і редагування записів в системі; різнопланового контекстного пошуку; перегляду інформаційного ресурсу; збору статистичних даних. Надати технологічні етапи розробки Web-інтерфейсу електронної бібліотеки ВНЗ;

Реалізувати систему інформаційного забезпечення на прикладі електронної бібліотеки ВНЗ, шляхом розробки комп'ютерної програми «Web-інтерфейс електронної бібліотеки ВНЗ» з впровадженням її у навчальний процес.

Об'єктом дослідження є інформаційне забезпечення навчального процесу ВНЗ.

Предметом дослідження є моделі, методи та інструментальні засоби інформаційного забезпечення навчального процесу.

Методи дослідження. Для розробки математичної моделі інформаційно-освітньої системи та методу оцінки її впливу на процес навчання використано теорію ймовірностей з позиції ланцюгів Маркова. Теоретичні дослідження підтверджено шляхом проведення експерименту в реальних умовах. Проектування архітектури та розробку загальних модулів системи виконано з використанням моделей і методів формування та візуалізації баз даних і знань. Для розробки комп'ютерної програми «Web-інтерфейс електронної бібліотеки вузу» застосовано методи об'єктно-орієнтованого програмування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Вперше розроблено модель електронної бібліотеки ВНЗ, як системи інформаційного забезпечення навчального процесу, з науково-обґрунтованими ієрархічними зв'язками рівнів навчання з системою інформаційного забезпечення, Web-інтерфейсом користувача та ресурсами, тематичний склад яких визначено відповідно до наукового та навчального процесів ВНЗ. Система відрізняється від існуючих використанням нових фільтрів пошуку та систематизацією ресурсів відносно рівнів ієрархії інформаційного забезпечення навчального процесу, що веде до зростання ефективності навчання;

2. Вперше запропонована модель інформаційного забезпечення навчального процесу з визначенням її ієрархічності і впливу інформації на процес навчання. Запропоновано метод оцінки витрат часу на одержання та засвоєння інформації, визначено можливі стани, у яких може перебувати процес одержання інформації і переходи між ними в процесі пошуку з позиції теорії ланцюгів Маркова. Це надало можливість розробити метод оцінки впливу інформаційних систем на процес навчання;

3. Вперше запропоновано структури інформаційного забезпечення навчального процесу та управління інформаційним забезпеченням ВНЗ в процесі проходження контролю знань, що дозволило візуалізувати, структурувати та об'єднати процеси одержання і засвоєння інформації;

4. Удосконалено методи проектування, програмної реалізації та використання загальних модулів систем інформаційного забезпечення з урахуванням особливостей їх використання на всіх рівнях ієрархії навчального процесу у ВНЗ. Це стало передумовою організації єдиної системи пошуку та одержання інформаційних ресурсів в процесі навчання за допомогою Web-інтерфейсу.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Запропоновані моделі, методи та інструментальні засоби інформаційного забезпечення навчального процесу ВНЗ на всіх рівнях ієрархії одержання знань реалізовано в системі інформаційного забезпечення з інтерфейсами введення, редагування, пошуку та перегляду документів. Наведено технологічні етапи розробки Web-інтерфейсу та загальний опис розроблених підсистем.

2. Усі наукові дослідження впровадженні у роботу наукової бібліотеки ЗНТУ, яка на даний час налічує 4 спеціалізованих комп'ютерних зали для користувачів, 70 автоматизованих робочих місць працівників бібліотеки та користувачів, що об'єднані в єдину комп'ютерну мережу наукової бібліотеки з безліччю баз даних та електронних ресурсів, роботу якої підтримують три сервери з виходом у загальну комп'ютерну мережу університету та Інтернет.

3. Зменшено час доступу до книг, які бібліотека має в одному примірнику, електронних підручників, методичних і навчальних посібників, розроблених викладачами ВНЗ, статей та авторефератів дисертацій.

4. На 45-50% зменшено часові витрати на пошук інформації; на 100% збільшено обсяг одержуваної інформації; на 60-90% зменшено типографські витрати; та можливе на 17% скорочення фонду заробітної плати при повному переході на автоматизоване обслуговування користувачів.

5. Результати дисертаційної роботи можуть бути використанні у будь-якому ВНЗ України для підтримки навчального процесу та наукових досліджень професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів.

Результати дисертаційної роботи використані і впроваджені. Використані при виконанні НДР «Електронна бібліотека ЗНТУ» (№ДР0107U007672 Державна програма “Інформаційні та комунікаційні технології в освіті і науці” на 2006-2010 роки), де дисертант була відповідальним виконавцем. Впроваджені у навчальний процес ЗНТУ і реалізовані на Web-сайті Наукової бібліотеки ЗНТУ під назвою «Електронна бібліотека» (http://library.zntu.edu.ua), що підтверджено відповідними актами використання, впровадження та свідоцтвом про реєстрацію авторського права.

Особистий внесок здобувача. Основу роботи складають результати теоретичних та практичних досліджень, виконаних автором самостійно або при його безпосередній участі. Всі основні наукові положення та висновки дисертаційної роботи отримано автором особисто.

У публікаціях, написаних у співавторстві, автору дисертації належать:

? результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів одержання інформації [1];

? визначення ієрархічності і впливу інформації на процес навчання;

? технологічні аспекти розробки універсального Web-інтерфейсу електронної бібліотеки ВНЗ з можливістю реалізації його у будь якому ВНЗ України [8];

? структура інформаційного забезпечення навчального процесу [9];

? метод оцінки впливу системи інформаційного забезпечення на навчальний процес [10];

? моделювання навчання як багаторівневої системи [12];

? модель отримання знань та визначення можливих переходів між станами в процесі пошуку [16];

? наукова концепція формування та представлення інформаційної системи ВНЗ на прикладі електронної бібліотеки; архітектура та загальні модулі системи з підсистемами; впровадження системи інформаційного забезпечення в навчальний процес ВНЗ [19];

? схема формування й використання електронної інформації в навчальному процесі та структура управління інформаційними потоками ВНЗ [20].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: міжнародній школі-семінарі “Сучасні інформаційні технології для бібліотек та менеджмент науково-освітніх мереж” / Проект Tempus-Tacis CP-20552-99, НТУУ “КПІ”, RWTH Aachen, TU Delft, TU Ilmenau (м. Київ, 2002 р.); науково-практичній конференції «Електронні ресурси в бібліотеках - 2004» (м. Миколаїв, 2004 р.); другій міжнародній науково-практичній конференції «Informatio-2005 : Інформаційні ресурси: створення, використання, доступ» (м. Алушта, 2005 р.); четвертій міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» (м. Запоріжжя, 2008 р.); міжнародному форумі «Проблеми розвитку інформаційного суспільства», м. Львів, 7-9 жовтня 2009 р. / VI міжнародній науково-практичній конференції «INFORMATIO-2009: Електронні інформаційні ресурси: створення, використання, доступ»; XIII міжнародній науково-практичній конференції УкрІНТЕІ «Побудова інформаційного суспільства: ресурси і технології» (м. Львів, 2009 р.); шести науково-технічних конференціях ВНЗ (м. Запоріжжя, 2005-2010 рр.) та II міжнародній науково-практичній конференції «Програмне забезпечення у сфері освіти і науки» (12-13 травня 2010 р., м. Київ).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 наукових праць: 4 статті у фахових виданнях згідно з переліком ВАК України (з них 2 без співавторів), 4 доповіді в трудах конференцій та 9 тез доповідей на конференціях, одне авторське свідоцтво, 1 звіт з НДР, 1 стаття у міжнародному збірнику.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів оригінальних досліджень, висновків, списку використаних джерел та додатків. Вона містить 164 сторінки, із них 134 сторінки основного тексту, 20 рисунків та 16 таблиць, список використаних джерел з 116 найменувань на 13 сторінках, 4 додатки на 17 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, їх використання і впровадження, підтверджено зв'язок задач, що вирішуються, з загальними міжнародними та державними програмами і проектами, визначено основні напрямки проведення наукових досліджень за темою розробки.

У першому розділі розглянуто інноваційні моделі організації освіти, структуру й класифікацію інформаційних систем, переваги і недоліки досліджень в області електронних бібліотек та використання Web-технологій в системі освіти. Визначено основні напрямки проведення досліджень, більшість з яких стосується задач розробки і впровадження науково обґрунтованих моделей, методів та інструментальних засобів інформаційного забезпечення навчального процесу ВНЗ. Основою цих досліджень стала модель електронної бібліотеки ВНЗ, як системи інформаційного забезпечення навчального процесу. Розглядаючи електронну бібліотеку ВНЗ як інформаційну систему, відзначаємо певні помітні властивості, які їй притаманні в якості традиційної бібліотеки та пов'язані з тривалим зберіганням і використанням інформації, зокрема її поширенням. Мета дослідження, впровадження та використання подібної системи - ефективне забезпечення інформаційних потреб ВНЗ, шляхом застосування сучасних методів і засобів формування та використання інформаційних ресурсів у навчальному процесі. Запропонована модель інформаційного забезпечення, якою є електронна бібліотека ВНЗ, як елемент створення єдиного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ.

Електронна бібліотека стала основою інформаційного забезпечення навчального процесу, науково-дослідної роботи студентів, аспірантів, викладачів і співробітників ВНЗ.

Другий розділ присвячено побудові математичної моделі інформаційно-освітньої системи та оцінки її впливу на навчальний процес. В процесі пошуку і одержання інформації під інформацією розуміємо деяку послідовність символьних значень, яка несе смислове навантаження та представлена у комп'ютерному вигляді.

Гіпотеза, що покладена в основу моделі одержання інформації, заснована на припущенні, що ймовірність одержання необхідного обсягу інформації в нескінченно малому проміжку часу буде пропорційна величині цього проміжку.

Тоді, для довільного часу, отримали

, (1)

де - ймовірність того, що за час одержано певний обсяг інформації;

- ймовірність того, що на момент часу інформацію не одержано;

- коефіцієнт пропорційності, що відображає інтенсивність одержання інформації та обумовлює рівень ефективності систем інформаційного забезпечення.

З (1) маємо

. (2)

Інтегрування в межах від 0 до , при початковій умові , при веде до

. (3)

Щільність розподілу часу одержання елемента інформації (інформація, яка потрібна для відповіді на одне контрольне питання) визначається виразом

, (4)

тобто підкоряється експоненціальному закону.

Якщо одержання елемента інформації описується експоненціальним законом, то одержання великих обсягів інформації, що представляють собою сукупність обсягів, кожний з яких описується експоненціальним законом, приводить до гамма-розподілу, тобто

, (5)

де - гамма-функція Ейлера.

Для довільного часу T, витраченого на одержання потрібної інформації, ймовірність одержання інформації визначається виразом

. (6)

Очікуваний час на одержання інформації дорівнює

. (7)

У цьому випадку маємо

. (8)

Після внесення під знак інтеграла, заміни змінної та зміни меж інтегрування одержимо

. (9)

Звідки витікає, що ймовірність одержання інформації у випадку коли час виділяється пропорційно очікуваному не залежить від значення .

Якщо за заданий час потрібний обсяг інформації не одержано, то необхідний додатковий час . Цей час треба також виділяти пропорційно очікуваному часу на одержання інформації. Якщо вважати, що обсяг додаткової інформації однаковою мірою стосується кожної порції, то кількість елементів залишиться незмінною, а значення зміниться. Відповідно до отриманого виразу (10), ймовірність одержання інформації за додатковий час залишиться постійною.

Провівши розрахунки одержимо вираз

. (10)

Якщо вважати, що додатковий час виділяється пропорційно очікуваному часу, то відношення додаткового часу на одержання матеріалу до часу, виділеному на початковий обсяг інформації.

З отриманого виразу витікає, що відношення додаткового часу на одержання матеріалу до часу, який надано спочатку, буде постійною величиною, якщо вважати, що та . У цих умовах процес одержання інформації може описуватися ланцюгами Маркова.

Марківська модель одержання інформації представлена наступними станами даного процесу: стан 1 - начальний стан; стан 2 - одержання інформації; стан 3 - відсутність необхідної інформації; стан 4 - інформація дозволяє дати позитивну відповідь; стан 5 - інформація не дозволяє дати позитивну відповідь.

Якщо ймовірності переходів між станами є постійними величинами, то такий процес можна описувати поглинаючим ланцюгом Маркова, бо маємо стани 4 і 5, якими завершується процес одержання інформації.

Структура матриці переходів для поглинаючого ланцюга Маркова має вигляд:

. (11)

- підматриця, що описує поведінку процесу до влучення у поглинаючий стан;

- підматриця переходів у поглинаючі стани;

- нульова та одинична підматриці, відповідно.

Для процесу одержання інформації 4 і 5 стани є поглинаючими.

Матриці і відповідно дорівнюють:

; , (12)

де - ймовірність одержання інформації;

і - ймовірності якісної перевірки відповідає або не відповідає одержана інформація правильній відповіді на контрольне питання.

Використання фундаментальної матриці надає можливість отримати найважливіші характеристики цього процесу:

. (13)

Елемент матриці надає очікувану кількість моментів часу, що проводить процес у станідо влучення у поглинаючий стан при умові, що він почався в стані .

Матриця дозволяє оцінити ймовірність влучення у відповідний поглинаючий стан:

. (14)

Елементи і матриць і відповідно:

, . (15)

Значення елементу відповідає ймовірності одержання інформації або її якості при відповіді на контрольні питання:

. (16)

Величина визначає очікувану кількість ітерацій, що необхідні для одержання інформації, яка відповідає умовам пошуку.

Розглянемо процеси одержання інформації учасниками навчального процесу із двох можливих місць її зберігання. Результати експерименту зафіксовані. За їх даними складені підсумкові таблиці 1 та 3, які містять частоти влучення у відповідні часові інтервали.

Таблиця 1

Частота влучення в часові інтервали одержання інформації з Інтернет

< ?	0 < ? 1.5	1.5< ? 3.0	3.0< ? 4.5	4.5< ? 6.0	6.0< ? 7.5
	4	16	24	11	5

Для значень

і , (17)

передбачувана щільність розподілу дорівнює

електронний бібліотека навчальний інформаційний



. (18)

Для порівняння теоретичного та експериментального розподілів скористаємося критерієм Пірсона. Визначимо ймовірності влучення значень часу в межі виділених інтервалів:

. (19)

Знаходимо очікувану кількість подій , що припадають на кожний інтервал

, (20)

де - кількість проведених спостережень.

Визначимо значення , що знаходиться за формулою

. (21)

Результати розрахунків зведемо в таблицю 2.



Таблиця 2. Оцінка спостережуваного

0 < ? 1.5	4	0. 046	2.74	0. 575
1.5< ? 3.0	16	0. 294	17.65	0. 155
3.0< ? 4.5	24	0. 342	20.50	0. 599
4.5< ? 6.0	11	0. 199	11.94	0. 074
6.0< ? 7.5	5	0. 082	4.90	0. 002

З таблиці критичних точок розподілу за рівнем значимості 0.05 і числу ступенів свободи, що дорівнює двом, знаходимо критичну точку правобічної критичної області:

. (22)

Так як , то немає підстав відкидати гіпотезу про гамма-розподіл. Результати спостережень узгоджуються із цією гіпотезою.

Таблиця 3

Частота влучення в часові інтервали одержання інформації з бібліотеки

< ?	0 < ? 0.6	0.6< ? 1.2	1.2< ? 1.8	1.8< ? 2.4	2.4< ? 3.0
	4	18	24	11	3

Для значень



і, (23)

передбачувана щільність розподілу дорівнює

. (24)

Дані для порівняння теоретичного та експериментального розподілів за критерієм Пірсона зведемо в таблицю 4.

Таблиця 4. Оцінка спостережуваного

0 < ? 0.6	4	0. 097	5.80	0. 557
0.6< ? 1.2	18	0. 303	18.19	0. 078
1.2< ? 1.8	24	0. 282	16.92	3. 854
1.8< ? 2.4	11	0. 172	10.32	0. 045
2.4< ? 3.0	3	0. 085	5.11	0. 870

Число ступенів свободи дорівнює

. (25)

У відповідності зі значенням критичної точки правобічної критичної області (24) також маємо , тобто й у цьому випадку немає підстав відкидати гіпотезу гамма-розподілу. Результати експериментів підтверджують теоретичні дослідження.

Будемо вважати, що ймовірність одержання знань у нескінченно малому інтервалі часу також пропорційна цьому інтервалу. Виходячи з того, що процес одержання інформації є невід'ємною частиною процесу навчання, останній можна розглядати як добуток двох подій: «одержання потрібної інформації» і «засвоєння інформації». Ймовірність навчання дорівнює добутку ймовірності одержання інформації на ймовірність її засвоєння :

. (26)

Даний вираз можна використати у випадку, коли час, який виділяється на пошук інформації, і час на її засвоєння, задаються незалежно один від одного. Причому, якщо надання часу на пошук інформації здійснюється пропорційно очікуваному, всі складові виразу (28) приймають постійні значення. У випадку, якщо виділяється спільний час на пошук і засвоєння інформації, щільність розподілу часу на навчання являє собою композицію щільності розподілу часу на пошук інформації і щільності розподілу часу на її засвоєння

, (27)

де - символ композиції.

Щільність розподілу часу на засвоєння матеріалу має вигляд

, (28)

де - коефіцієнт пропорційності, що відображає інтенсивність засвоєння знань.

Щільність розподілу величини визначається виразом

(29)

Підстановка щільності розподілу (4) і (30) в (31) з урахуванням того, що при маємо та при приводить до узагальненого закону Ерланга 1-го порядку:

. (30)

При , після розкриття невизначеності, маємо

(31)

Вплив інформаційних систем тісно пов'язаний з впливом інформаційного забезпечення на процес навчання. Для одержання методу оцінки впливу інформаційних систем на процес навчання об'єднаємо його з інформаційним забезпеченням. За аналогією побудови моделі одержання інформації припускаємо, що ймовірність засвоєння елементу знань у малому інтервалі часу пропорційна величині цього інтервалу. Вплив інформаційного забезпечення змінює цю ймовірність. Цю зміну будемо враховувати коефіцієнтом , тобто

, (32)

де - ймовірність того, що елемент знань за час засвоєний;

- ймовірність того, що елемент знань на момент часу не засвоєно;

- коефіцієнт, що враховує вплив інформаційного забезпечення на величину .

Зробимо перетворення аналогічно виразам (2) - (12) та отримаємо наступне.

Ймовірність засвоєння знань:

(33)

Очікуваний час на засвоєння знань:

. (34)

Час, який виділяємо на навчання:

, (35)

де - коефіцієнт пропорційності.

У цьому випадку, при незмінності й маємо постійність імовірності засвоєння знань

. (36)

Це дозволяє описувати навчання як процес Маркова. Таким чином, вплив інформаційного забезпечення, пов'язаний з виразом (36), впливає на очікуваний час засвоєння знань. З іншого боку, робота із системами інформаційного забезпечення вимагає певних витрат часу, що повинно відображатися в загальних витратах на навчання. У свою чергу, процес навчання має ітераційний характер, що приводить до багаторазового звертання до інформаційних систем. Подання процесу навчання у вигляді поглинаючого ланцюга Маркова дає можливість оцінити очікувану кількість ітерацій:

. (37)

Використання фундаментальної матриці надає можливість отримати найважливіші характеристики цього процесу:

, (38)

, - ймовірність засвоєння знань;

і - імовірності якісної перевірки засвоєних і незасвоєних знань, відповідно.

Загальні витрати на роботу з інформаційною системою визначаються виразом:

. (39)

У той же час витрати на навчання будуть визначатися виразом:

. (40)

Це приводить до наступного виразу для витрат на навчання з урахуванням використання інформаційної системи:

. (41)

Таким чином, вплив інформаційних систем на процес навчання буде визначено на кожному етапі навчання двома величинами і . Для випадку, коли інформаційна система не використовується, витрати на навчання визначаються наступним чином:

. (42)

Доцільність використання інформаційної системи визначається співвідношенням:

. (43)

Звідси маємо

. (44)

Постійність імовірності засвоєння знань дозволяє описувати навчання як процес Маркова, де вплив системи інформаційного забезпечення відображено при виділенні часу на навчання та на спільні затрати часу на організацію навчального процесу. Ефективність впровадження розроблювальної інформаційної системи залежить, насамперед, від відповідності функціональних характеристик системи конкретним цілям і завданням впровадження. Складність - у правильному виборі факторів ефективності. Ефективність запропонованої інформаційної системи визначалась шляхом порівняння витрат після її впровадження до існуючого. Отримані при впровадженні результати ефективності складають: на 45-50% зменшення часових витрат на пошук інформації; на 100% збільшення обсягу одержуваної інформації; на 60-90% зменшення типографських витрат; на 17% скорочення фонду заробітної плати.

У третьому розділі розроблена модель розподіленої інформаційної системи одержання інформації на всіх рівнях ієрархії навчального процесу. Проведено дослідження пошукової моделі та побудована узагальнена модель інформаційного забезпечення. Визначені наступні стани, у яких може перебувати процес одержання інформації.

Процес одержання інформації описується першими трьома станами. Для нього матриця переходів має вигляд:

. (45)

Останній стан є поглинаючим. Матриці переходів до входу в поглинаючий стан і переходів у поглинаючий стан мають відповідно вид:

, . (46)

Опираючись на дослідження оцінимо кількість моментів часу, проведених процесом у тому або іншому стані:

. (47)

В даному випадку, кількість моментів часу, проведених у станах і , однакове й дорівнює . Оцінимо ймовірність влучення у відповідний поглинаючий стан:



, (48)

тобто результат пошуку буде завжди.

Ймовірність якісної обробки результатів пошуку залежить від обсягу одержаної інформації. Якщо вважати, що ймовірність якісної обробки нескінченно малого обсягу інформації пропорційна величині цього обсягу, то це приведе до експоненціального закону, відповідно якому ймовірність якісної обробки інформації буде дорівнювати:

, (49)

де - коефіцієнт пропорційності; і - обсяг роботи на підготовку запиту та обсяг роботи при обробці інформації, що одержана у результаті запиту.

Загальні витрати на підготовку запиту з урахуванням усунення помилок будуть дорівнювати:

. (50)

Обсяг витрат на підготовку та обробку запиту за одним критерієм дорівнює:

. (51)

Аналогічно можна одержати обсяги витрат на підготовку та обробку запиту за розширеним і складним критеріями пошуку. Вони, відповідно, дорівнюють:



, (52)

, (53)

де і - ймовірності якісної обробки результатів пошуку за розширеним і складним критеріями. Загальний обсяг витрат, що очікується при цьому, дорівнює:

. (54)

Ймовірність одержання позитивного результату пошуку визначається ймовірністю того, що пошук успішно завершений за одним критерієм, або у випадку відсутності позитивного результату, пошук успішно завершений за розширеним критерієм, або при відсутності позитивного результату пошуку за першими двома випадками він буде успішно завершений за складним критерієм:

, (55)

де і - ймовірності одержання позитивного результату пошуку за розширеним і складним критеріями.

Отримано узагальнену модель інформаційного забезпечення навчального процесу (рис.1) у вигляді моделі інформаційної системи.



Рис.1. Узагальнена модель інформаційного забезпечення навчального процесу

Четвертий розділ присвячено технології проектування та представлення інформаційної системи. Для розробки системи, вирішення задач її реалізації та питань впровадження у навчальний процес проведено теоретичні дослідження, на основі яких спроектовано архітектуру системи інформаційного забезпечення. Наведено методику її налагодження при використанні у будь якому ВНЗ України. Удосконалено технології проектування та представлення модулів інформаційних систем для використання у навчальному процесі, як сукупності багатозначних зв'язків між елементами системи інформаційного забезпечення навчального процесу. Спроектовано її загальні модулі: авторизації; редагування записів; пошуковий; відображення інформаційного ресурсу та статистичний. Архітектуру системи інформаційного забезпечення наведено на рис.2.

Рис.2. Архітектура системи інформаційного забезпечення

У п'ятому розділі реалізовано інструментальні засоби для підсистем: реєстрації та доступу до ресурсів; видалення та редагування записів в системі; різнопланового контекстного пошуку; перегляду інформаційного ресурсу; збору статистичних даних.

Представлено систему інформаційного забезпечення навчального процесу, яка реалізована на прикладі електронної бібліотеки ВНЗ. Практичну реалізацію та впровадження даної системи у навчальний процес проведено у Запорізькому національному технічному університеті.

Наведено технологічні етапи розробки Web-інтерфейсу електронної бібліотеки ВНЗ, універсальність та можливість реалізації якого підтверджено свідоцтвом про авторське право на твір (№ 30329). Систему створено у форматі Web-сайту, що забезпечує її мобільність та можливість використання з будь-якої системи, що має сумісний Web-браузер. Результати наукових досліджень використані при виконанні НДР «Електронна бібліотека ЗНТУ» (№ДР0107U007672 Державна програма “Інформаційні та комунікаційні технології в освіті і науці” на 2006-2010 роки), де дисертант була відповідальним виконавцем.



Висновки

Результатом виконання наукової роботи стало підвищення рівня інформатизації навчального процесу ВНЗ за допомогою розроблених і впроваджених моделей, методів та інструментальних засобів, що реалізовані в сучасній інформаційно-пошуковій системі з науково-обґрунтованими ієрархічними зв'язками рівнів навчання із системою інформаційного забезпечення, Web-інтерфейсом користувача та ресурсами, тематичний склад яких визначено відповідно до наукового та навчального процесів ВНЗ. Застосування програмних продуктів СКБД MySQL, мови програмування PHP і Web-серверу Apache обумовлено основними критеріями: універсальністю використання базової платформи та безкоштовним доступом до програмних ресурсів.

В результаті виконання дисертаційної роботи:

1. Підтверджено зв'язок задач, що вирішуються, з загальними міжнародними та державними програмами і проектами, визначено основні напрямки проведення наукових досліджень за темою розробки;

2. Побудовано модель інформаційного забезпечення навчального процесу та визначено умови, при яких пошук і одержання інформації можна описувати як процес Маркова, досліджено вплив інформації на процес навчання. Запропоновано метод оцінки витрат часу на одержання та засвоєння інформації;

3. Визначено рівні ієрархії навчального процесу. Складну систему навчання представлено у вигляді багаторівневої конструкції взаємодіючих між собою та із зовнішнім середовищем елементів;

4. Розроблено метод оцінки впливу інформаційних систем на процес навчання. Визначено загальні етапи оцінки ефективності впровадження інформаційної системи ВНЗ;

5. Розроблено модель одержання інформації на всіх рівнях ієрархії навчального процесу, визначені можливі стани, у яких може перебувати процес одержання інформації і можливі переходи між станами в процесі пошуку;

6. Проведено дослідження та на їх основі спроектована модель та архітектура системи інформаційного забезпечення, розроблені її загальні модулі, наведено методику її налагодження при використанні у будь якому ВНЗ України;

7. Реалізовано інструментальні засоби для підсистем: реєстрації та доступу до ресурсів; видалення і редагування записів в системі; різнопланового контекстного пошуку; перегляду інформаційного ресурсу; збору статистичних даних. Представлено технологічні етапи розробки Web-інтерфейсу електронної бібліотеки ВНЗ, універсальність і можливість реалізації якого підтверджено свідоцтвом про авторське право на твір (№ 30329). Результати наукових досліджень використано при виконанні НДР «Електронна бібліотека ЗНТУ» (№ДР0107U007672);

8. Розроблено систему інформаційного забезпечення на прикладі електронної бібліотеки ВНЗ, із впровадженням її у навчальний процес ЗНТУ та реалізацією на Web-сайті Наукової бібліотеки ЗНТУ під назвою «Електронна бібліотека» (http://library.zntu.edu.ua).



список опублікованих праць за темою дисертації

1. Вершина А.И. Модель информационного обеспечения учебного процесса университета / А.И. Вершина, Г.Г. Киричек, Д.М.Пиза // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2004. - №2. - С.64-68.

2. Вершина А.И. Иерархическая система представления информационных ресурсов / А.И. Вершина, Г.Г. Киричек, Д.М. Пиза // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2006. - №1. - С.107-113.

3. Киричек Г.Г. Електронна бібліотека як об'єкт освітніх технологій / Г.Г. Киричек // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2007. - №2. - C.122-127.

4. Киричек Г.Г. Керування інформаційними потоками на всіх рівнях ієрархії отримання знань / Г.Г. Киричек // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2010. - №1. - С.70-78.

5. Киричек Г.Г. Электронные ресурсы НБ ЗНТУ: Матеріали I-V міжнар. шкіл-семінарів [“Сучасні інформаційні технології для бібліотек та менеджмент науково-освітніх мереж”] / Г.Г. Киричек // Проект Tempus-Tacis CP-20552-99, НТУУ “КПІ”, RWTH Aachen, TU Delft, TU Ilmenau, НТБ НТУУ “КПІ”. - К., 2002. - С.48-53.

6. Киричек Г.Г. Использование электронных ресурсов библиотеки университета в учебном процессе / Г.Г. Киричек // Електронні ресурси в бібліотеках - 2004: матеріали наук.-практ. конф., 17-21 трав. 2004 р., м. Миколаїв. - К. : ТОВ”ІММ “Фраксім”, 2004. - С.4-9.

7. Киричек Г.Г. Організація інформаційного забезпечення навчального процесу / Г.Г. Киричек // Інформаційні ресурси: створення, використання, доступ: матеріали ІІ міжнар. наук.-практ. конф. - К.: НПБ України, 2005. - С.26-33. - ISBN 966-7547-36-1.

8. Киричек Г.Г. Електронна бібліотека ВНЗ як середовище швидкого доступу до наукових та навчальних матеріалів / Г.Г. Киричек, О.В. Коваленко // Проблеми розвитку інформаційного суспільства: матеріали міжнар. форуму VI міжнар. наук.-практ. конф; XIII міжнар. наук.-практ. конф., 7-9 жовт. 2009 р., м. Львів. - К.: УкрІНТЕІ, 2009. - С.105-112.

9. Вершина А.И. Моделирование информационного обеспечения учебного процесса университета / А.И. Вершина, Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 25-28 квіт. 2005 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. - С.188.

10. Вершина А.И. Модель влияния системы информационного обеспе-чения на учебный процесс / А.И. Вершина, Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 10-14 квіт. 2006 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - С.34-35.

11. Киричек Г.Г. Модель використання інформаційних ресурсів / Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 21-25 квіт. 2008 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. - Т. 2. - С.62.

12. Киричек Г.Г. Система моделирования влияния информационного обеспечения на учебный процесс / Г.Г. Киричек, О.И. Клименко, Т.Н. Семерюк // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 21-25 квіт. 2008 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. - Т. 2. - С.66.

13. Киричек Г. Г. Конфігурування бази даних “Електронна бібліотека” / Г.Г. Киричек // Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій: IV міжнар. наук.- практ. конф., 24-26 вер. 2008 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. - С.147-148.

14. Киричек Г.Г. Авторизированный доступ к информации в процессе обучения / Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 13-17 квіт. 2009 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. - С.87.

15. Киричек Г.Г. Керування інформаційними потоками на всіх рівнях ієрархії навчання / Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 19-23 квітня 2010 р. : тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2010. - Т. 2. - С.113-115.

16. Вершина А.И. Модель отримання знань / А.И. Вершина, Г.Г. Киричек // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 19-23 квіт. 2010 р.: тези доп. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2010. - Т. 2. - С.115-116.

17. Киричек Г.Г. Бібліотечна інформаційна система ВНЗ. Формування та використання в навчальному процесі / Г.Г. Киричек // Програмне забезпечення у сфері освіти і науки: II міжнар. наук.-практ. конф., 12-13 трав. 2010 р.: тези доп. - К., 2010. - С.53-54.

18. А.с. Комп'ютерна програма «Web - інтерфейс електронної бібліотеки вузу» / Г.Г. Киричек. - № 30329.

19. Електронна бібліотека ЗНТУ: звіт про НДР (заключний) / Запорізький національний технічний університет (ЗНТУ) ; кер. С.Т.Яримбаш; відп. викон. Г.Г. Киричек; Л.І. Козиряцька [та ін.]. - Запоріжжя, 2008. - 107 с. - ДР № 0107U007672.

20. Киричек Г.Г. Управление информационными потоками вуза - как подсистема инновационного образования / Г.Г. Киричек, Д.М. Пиза // Инженерное образование. - М., 2007. - № 4. - С.182-189.



Анотація

Киричек Г.Г. Моделі, методи та інструментальні засоби інформаційного забезпечення навчального процесу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2011.

Дисертацію присвячено підвищенню ефективності, рівня інформатизації та якості навчального процесу за допомогою моделей, методів та інструментальних засобів інформаційного забезпечення, які реалізовано в сучасній інформаційно-пошуковій системі з науково-обґрунтованими ієрархічними зв'язками рівнів навчання із системою інформаційного забезпечення, Web-інтерфейсом користувача та ресурсами, тематичний склад яких визначено відповідно до наукового та навчального процесів ВНЗ, в основу якої покладено вимоги до функціонування електронної бібліотеки ВНЗ, як системи інформаційного забезпечення навчального процесу. В роботі розроблено модель інформаційної системи, досліджено її ієрархічність і вплив на процес навчання. Запропоновано аналітичні вирази для оцінки імовірності засвоєння знань та загальних витрат на навчання. Реалізовано інструментальні засоби для підсистем: реєстрації та доступу до ресурсів; видалення і редагування записів в системі; різнопланового контекстного пошуку; перегляду інформаційного ресурсу; збору статистичних даних. Представлено технологічні етапи розробки Web-інтерфейсу електронної бібліотеки ВНЗ, універсальність та можливість реалізації якого підтверджено свідоцтвом про авторське право на твір (№ 30329).

Ключові слова: електронна бібліотека, навчання, інформаційна система, інформаційний ресурс, інформаційне забезпечення, навчальний процес, база даних, пошук інформації, Web-інтерфейс користувача.



АННОТАЦИЯ

Киричек Г.Г. Модели, методы и инструментальные средства информационного обеспечения учебного процесса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2011.

Диссертация посвящена повышению эффективности, уровня информатизации и качества учебного процесса с помощью моделей, методов и инструментальных средств информационного обеспечения учебного процесса, которые реализованы в информационной системе с научно-обоснованными иерархическими связями уровней обучения с системой информационного обеспечения, Web-интерфейсом пользователя и ресурсами, тематический состав которых соответствует научному и учебному процессам вуза. В основу проведенных исследований положены требования к функционированию электронной библиотеки вуза, как системы информационного обеспечения учебного процесса. Разработана математическая модель информационно-образовательной системы, исследована ее иерархичность и влияние на процесс обучения. Определены уровни иерархии учебного процесса. Сложную систему обучения представлено в виде многоуровневой конструкции взаимодействующих между собой и с внешней средой элементов. Предложены аналитические выражения для оценки вероятности усвоения знаний и общих затрат на обучение. Разработан метод оценки влияния информационных систем на процесс обучения. Определены основные этапы оценки эффективности использования информационной системы в вузе. Получили дальнейшее развитие методы проектирования и представления общих модулей информационных систем, учитывая специфические иерархические структуры и связи процессов обучения. Для разработки математической модели информационно-образовательной системы, исследования влияния информации на процесс обучения и поисковой модели, использована теория вероятностей с применением цепей Маркова. Временная модель процесса получения информации получена путем проведения эксперимента в реальных условиях. Разработана модель получения информации на всех уровнях иерархии учебного процесса, определены возможные состояния, в которых может находиться процесс получения информации и возможные переходы между ними в процессе информационного поиска. Реализованы инструментальные средства для подсистем: регистрации и доступа к ресурсам; редактирования записей в системе; разнопланового контекстного поиска; просмотра информационного ресурса; сбора статистических данных. Разработанная и внедренная в учебный процесс информационная система обеспечивает повышение качества высшего образования за счет эффективного сотрудничества между участниками образовательного процесса (преподавателями, научными сотрудниками, студентами, работниками библиотеки и т.д.) в решении вопросов его информационного обеспечения. Проектирование архитектуры и разработка общих модулей системы выполнены с использованием моделей и методов формирования баз данных и знаний. Для разработки компьютерной программы «Web-интерфейс Электронной библиотеки вуза» применены методы объектно-ориентированного программирования и использованы программные продукты СУБД MySQL, язык программирования PHP и Web-сервер Apache с основными критериями: универсальностью использования базовой платформы, бесплатным доступом к программным ресурсам. В результате усовершенствования технологии создания, использования и организации доступа к электронным информационным ресурсам, с учетом уровней иерархии учебного процесса, получили дальнейшее развитие информационные технологии поиска и получения информации в процессе получения знаний, что ведет к повышению информатизации высшего образования. Разработанные методы и модели использованы при выполнении НИР «Электронная библиотека ЗНТУ» (№ДР0107U007672 Государственная программа “Информационные и коммуникационные технологии в образовании и науке” на 2006-2010 гг.), где диссертант была ответственным исполнителем. Система внедрена в учебный процесс ЗНТУ и реализована на Web-сайте Научной библиотеки ЗНТУ под названием «Электронная библиотека» (http://library.zntu.edu.ua).

Ключевые слова: электронная библиотека, обучение, информационная система, информационный ресурс, информационное обеспечение, учебный процесс, поиск информации, Web-интерфейс пользователя.



ABSTRACT

Kirichek G.G. Models, methods and tool means of a supply with information of the educational process. - Manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of technical science by speciality 05.13.06 - information technologies.-Kherson national technical university, Kherson, 2011.

The dissertation is devoted to efficiency, level of information and quality of the learning process using the models, methods and tools of information support of educational process, are implemented in an information system with evidence-based hierarchical relationship between the level of training with the system of information management, Web-interface of the user and resources, case composition of which corresponds to the scientific and educational process of the university. A mathematical model of informational and educational system, to investigate its hierarchy and its influence on the learning process. Defined hierarchical levels of the educational process. Complex system of learning presented in the form of a multilevel structure interacting with the external environment elements. The analytical expression for the probability of learning and general training costs. Obtained by the method of assessing the impact of information systems in the learning process. The main stages of evaluating the effectiveness of the use of information systems at the university. To develop a mathematical model of informational and educational systems, study of the effect of information on learning and retrieval models use the theory of probability using Markov chains. Implemented tools for subsystems: registration and access to resources; editing entries in the System; multifaceted contextual search, view an information resource, the collection of statistical data.

Keywords: the electronic library, learning, information system, information resource, a supply with information, educational process, information search, the Web-interface of the user.

Размещено на Allbest.ur

...