Інформаційна технологія створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський національний технічний університет

УДК 519.81

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Інформаційна технологія створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін

05.13.06 - інформаційні технології

Солобуто Лариса Вадимівна

Херсон - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Миколаїв.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Миколаїв, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем.

Офіційні опоненти

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

- доктор технічних наук, доцент Петрухін Володимир Олексійович, Інститут кібернетики НАН України ім. академіка Глушкова, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу методів системного моделювання.

Захист відбудеться « 15 » квітня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: Україна, 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 3, ауд. 320.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: Україна, 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розіслано «12» березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Бражник

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Широкий розвиток інформаційних технологій значно впливає на розвиток освітніх технологій, таких як дистанційне навчання і електронні навчальні посібники, у тому числі й електронні комплекси навчальних дисциплін.

Сучасні електронні комплекси навчальних дисциплін мають містити не лише базовий курс конкретної дисципліни, але і включати спеціальні розділи, що дозволяє використовувати їх для навчання за рядом конкретних спеціальностей, в навчальному плані яких є дана дисципліна. Проте наявність ряду спеціальностей, які мають у навчальних планах загальні базові дисципліни, призводить до створення великої кількості підручників, які не завжди відповідають потребам вищої школи та призводять до зайвих витрат. Для зменшення витрат на створення навчальних посібників і оптимального їх використання необхідно уніфікувати процес розробки, тому завдання проектування електронного комплексу навчальних дисциплін (ЕКНД) має зводитись до розробки інформаційної технології створення базового електронного комплексу для навчання з ряду спеціальностей, навчальні плани яких передбачають вивчення конкретної дисципліни. Існуючі технології розробки ще не повною мірою задовольняють основним вимогам, що висуваються до ЕКНД - наявності уніфікованого базового курсу з можливістю адаптації його під конкретну спеціальність і конкретного користувача. Тому актуальною задачею при вдосконаленні технології створення ЕКНД є розробка нових підходів на основі принципів системного аналізу. Теоретичною базою для дисертаційного дослідження стали роботи вітчизняних і зарубіжних вчених: В.М. Глушкова, А.І. Башмакова, Т. Сааті, Р. Акоффа, Х. Уено, С. Осуга та інших. Подальший розвиток теорії прийняття рішень, експертних оцінок і технологій тестування здійснено в роботах таких вчених, як: В.С. Аванесов, Г.С. Поспелов, М.З. Згуровський, Майоров О.М., В.Є. Ходаков, І.І. Коваленко, Е.Г. Петров та інші. Теоретичною основою для вирішення завдань проектування системи можуть виступити: загальна теорія систем і системний аналіз.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова як складова частина держбюджетної теми, виконаної на замовлення МОН України за договором № ІТ / 499 - 2007 від 22 серпня 2007 р. «Створення та впровадження у навчальний процес вищих навчальних закладів України електронного підручника «Схемотехніка електронних пристроїв та систем» (для вищих навчальних закладів)», де здобувач брала участь як виконавець. Державний реєстраційний номер 0107U009132.

Тема дисертаційної роботи відповідає державним планам та програмам і була виконана в рамках науково-дослідної роботи на замовлення Міністерства освіти і науки України в планах державної програми «Інформаційні та комунікаційні технології в освіті і науці».

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних основ, методів, алгоритмів, програм для створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін (БЕКНД), який можна буде адаптувати під конкретні спеціальності, та вирішення на цій основі ряду науково-практичних задач для підвищення якості навчального процесу.

Поставлена мета вимагає вирішення таких задач:

- аналіз існуючих розробок електронних комплексів, призначених для оволодіння конкретною спеціальністю;

- розробка інформаційної уніфікованої базової моделі, яка описує функціонування комплексу і забезпечить адаптацію електронного підручника до ряду спеціальностей;

- побудова структурної моделі комплексу, для чого необхідно здійснити вибір навчальних тем, що складуть зміст електронного комплексу, адаптованого до ряду спеціальностей, лабораторних робіт, тестових завдань, пояснюючих анімаційних роликів;

- удосконалення методу формування групи експертів для створення БЕКНД;

- формалізація завдання експертних оцінок елементів системи при нечіткій початковій інформації;

- розробка системи оцінювання знань.

Об'єктом дослідження є процес формування базового електронного комплексу навчальних дисциплін.

Предметом дослідження є інформаційна технологія створення уніфікованого базового електронного комплексу навчальних дисциплін, який може бути адаптований для ряду спеціальностей.

Методи дослідження. Методи формування БЕКНД базуются на комплексному використанні методів експертного оцінювання, методів системного аналізу, методів моделювання, теорії нечітких множин, теорії прийняття рішень та статистичного аналізу.

Для реалізації інформаційної технології за обраними методами були використані пакети прикладних програм і програм моделювання складних систем.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше:

- запропоновано метод формування електронного комплексу навчальних дисциплін, який відрізняється від існуючих розробок тим, що складається з двох частин: формування основного курсу, що є загальним для ряду спеціальностей, навчальні плани яких містять конкретну дисципліну, та формування спеціалізованої частини, яка складається із розділів, що необхідні для вивчення тільки окремих спеціальностей. Метод дає змогу створити базовий ЕКНД, який можливо адаптувати до ряду спеціальностей, до навчальних планів яких входить конкретна дисципліна;

- запропоновано метод формування експертної групи для прийняття рішень щодо змісту створюваного БЕКНД, який відрізняється від запропонованих раніше вимогами до експертів, яких залучають та комбінуванням декількох методів відбору експертів, що дозволяє більш якісно вирішити завдання формування БЕКНД з можливістю адаптації до ряду спеціальностей.

2. Удосконалено метод формування інформаційної моделі БЕКНД за рахунок використання блочної ієрархічної структури БЕКНД, в якій зазначені не тільки якісні, але й кількісні зв'язки між блоками.

3. Отримали подальший розвиток методи комп'ютерного контролю знань за рахунок формування тестових завдань з урахуванням визначених кількісних взаємозв'язків між блоками, що дає змогу точніше визначити обсяг отриманих знань.

Достовірність результатів досліджень забезпечується коректною постановкою завдання, використанням адекватних математичних моделей процесу формування електронного комплексу, практичним впровадженням електронного комплексу в навчальний процес.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі запропонованих методів і моделей колективом науковців Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (НТУУ «КПІ»), Донецького політехнічного університету, Дніпродзержинського технічного університету і Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова (НУК) було розроблено комплекс електронних підручників за напрямком «Електроніка». У НУК розроблявся електронний комплекс з дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв і систем».

При цьому розроблено: 1) електронний базовий комплекс навчальних дисциплін; 2) комплексний метод формування експертної комісії, яка визначає зміст базового уніфікованого ЕКНД; 3) адаптивну методику створення електронного комплексу навчальних дисциплін, яка використовує методи експертного оцінювання.

Створено примірник БЕКНД для дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв і систем».

Розроблені методи, моделі й алгоритми реалізовано у вигляді базового електронного комплексу навчальних дисциплін і включено у навчальний процес Національного університету кораблебудування, для використання студентами різних спеціальностей при вивченні дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв і систем». БЕКНД також включений в навчальний процес НТУУ «КПІ», Донецького політехнічного університету, Дніпродзержинського технічного університету. Акти впровадження додаються.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

З робіт, які виконані у співавторстві, використані тільки ті положення, які є результатом особистих досліджень здобувача. У роботі [3, 5, 7] запропоновані підходи до формування експертної комісії й обґрунтовані методи відбору членів експертної групи. У роботі [1] запропоновані методи проектування електронного комплексу як інформаційної системи. У роботах [4, 8] була розроблена орієнтована на знання система підтримки рішень при формуванні блоку перевірки знань. У роботах [1, 6] автором розроблено алгоритм побудови інформаційної системи, з використанням принципів системного аналізу. У роботах [9-13] розроблена практична частина електронного комплексу. У роботі [2] запропоновано використання CASE-технологій для побудови структурної ієрархічної моделі електронного комплексу для розробки базового ЕКНД з можливістю адаптації до ряду спеціальностей.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати роботи доповідалися та обговорювалися на: науково-технічних семінарах при кафедрі ТЕЕС НУК «Інформаційні технології в науці, освіті та інженерній діяльності» (2007-2010 рр.); щорічних наукових конференціях, що проводились у Національному університеті кораблебудування (2007-2010 рр.); IX науково-практичній конференції «Інформаційні технології в освіті» (НКПІ, м. Нова Каховка, 2007 р.); 8-й та 9-й міжнародних наукових конференціях «Силовая электроника и энергоэффективность», секція «Освіта», м. Алушта, (2006-2007 рр.); науковій конференції «Могилянські читання», Чорноморський державний університет, м. Миколаїв (2010 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових статей, у тому числі 6 - у фахових наукових виданнях, 1 теза доповіді на міжнародній і 2 тези доповідей на всеукраїнських конференціях, 4 навчальних посібники з грифом МОН України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 169 сторінок, у тому числі 135 основного тексту, включаючи 38 рисунків і 17 таблиць; список використаних джерел із 147 найменувань, 3 додатки на 35 сторінках.

Організація та проведення експертного оцінювання навчального матеріалу професорами кафедр електроніки вищих навчальних закладів України було здійснено за значною допомогою професора НТУУ «КПІ» проф. Співака В.М., за що автор виражає вдячність.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовано мету й задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, зазначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію результатів дисертаційної роботи та публікації.

У першому розділі зроблено аналіз існуючих моделей та інформаційних технологій, що покладені в основу систем, які є зараз поширеними. Виявлено, що недоліком усіх розглянутих розробок є те, що вони вузькоспеціалізовані, а тому витратні. Визначено, що незважаючи на широкий вибір різних систем, вони не є спроектованими повністю з урахуванням останніх розробок у галузі інформаційних технологій. Вибір матеріалу, добір питань тесту, кількості тестових завдань, кількості та якості лабораторних робіт і анімацій тощо у багатьох випадках проводився без теоретичних розрахунків і обґрунтувань, що значно знижує якість навчання.

Виявлено, що навчальні системи не є адаптивними, вони спроектовані або як універсальна навчальна система з конкретної дисципліни, або як спеціалізована навчальна система для певної спеціальності. Тому поставлене завдання, проектування базового ЕКНД (БЕКНД) з можливістю адаптації під ряд спеціальностей, навчальні плани яких містять конкретну дисципліну, є актуальним.

У результаті проведеного аналізу сформульовано предмет, мету, задачі та межі дослідження. Розв'язання поставлених задач дозволяє підвищити якість навчання.

У другому розділі побудовано технологію створення уніфікованого БЕКНД. При розгляді БЕКНД як системи виділено основні системні ознаки, які дозволять класифікувати його як систему. Це:

1. Принцип кінцевої мети: БЕКНД функціонує для виконання головної мети, що задекларовано при проектуванні, а саме: виділено основні системні ознаки, які дозволять класифікувати його як систему.

2. Принцип єдності: розгляд БЕКНД як єдиного цілого і проектування його як цілісної структури.

3. Принцип модульності: БЕКНД побудовано на базі модулів, що є автономними.

4. Принцип зв'язності: всі модулі БЕКНД взаємопов'язані.

5. Принцип зворотного зв'язку: наявність зворотних зв'язків дозволяє простежити за роботою БЕКНД та зробити висновок про його працездатність.

6. Принцип ієрархії: БЕКНД є цілісною і жорсткою структурою, де функції розподілені згори донизу.

7. Принцип функціональності: пріоритет функції над структурою, в даному випадку пріоритет функції урахування методичного та дидактичного обґрунтування - це інформаційне забезпечення процесу підготовки фахівців із визначеного напрямку.

8. Принцип невизначеності: урахування чинників, які неможливо передбачити, наприклад, розкид параметрів, що мають імовірнісний характер.

Враховуючи вищенаведені принципи, розглянуто БЕКНД як систему і обґрунтовано використання системних методів, за якими виконуватиметься проектування електронного комплексу.

На першому етапі роботи сформовано експертну групу. Для її формування використано декілька способів: документаційний, метод тестування, анкетний. Анкетним способом визначено кількість питань, відповіді на які необхідно знати для засвоєння курсу. Обрано декілька способів, оскільки, крім експертів-викладачів, використовуються експерти-практики, в тому числі колишні студенти, що дає змогу створити БЕКНД, який дає не тільки теоретичні та практичні знання, але й формує уміння.

На підставі оцінок, що були виставлені експертами, зроблено обробку результатів. Використано спосіб - знаходження вибіркового середнього значення оцінок експертів, який підраховується за відомими формулами з використанням оцінок, що виставлені кожним експертом з кожного розділу.

Цей спосіб простий, наочний, але не враховує розкиду оцінок, коли оцінки коливаються в певному діапазоні. Щоб звести коливання до мінімуму, обрано використання методів робастої статистики.

Заздалегідь перетворюючи початкову вибірку даних вигляду:

Х₁, Х₂, Х₃, …, Х_i, … Х_n

на варіаційний (ранжований) ряд, вигляду:

Х₁ Х₂ …, Х_i, …, Х_n,

вирахуємо усічене середнє:

(1)

де m - рівень усічення;

n - об'єм вибірки даних;

б - константа усічення.

У результаті було отримано більш однорідні результати, при обрахунку яких у варіаційному ряді було вилучено по одному (з кожної сторони) крайньому значенню.

Одержано, що значення вибіркового середнього, усіченого середнього і вибіркової медіани приблизно рівні, доведено, що розподіл є нормальним. Для більш чіткої оцінки обрано перевірку, що використовує гіпотезу Колмогорова, яка дозволяє отримати найбільш точний результат.

Проведено чотири тури коригування за методом «Делфі». Доцільність використання цього методу полягає в тому, що на кожному з турів проводилося обговорення отриманих результатів.

Для того, щоб отримати якомога точніші результати, обрано використання бутстреп-процедури типу «розмноження» вибірок. Бутстреп-процедура застосовується, коли за умовою експерименту неможливо отримати велику кількість вибірок (що маємо в даному випадку). Доцільність використання цього методу полягає у можливості вивчити розкид оцінки вибіркового середнього, який і характеризує вибірку даних.

Для вибірки:

X₀ = х_1, х₂, х_3, х_i,…, х_n

знаходимо оцінку вибіркового середнього, вилучаємо з початкової вибірки X ₀ елемент х₁, і отримуємо першу модифіковану вибірку

X₁ = х₂, х₃, …, х_i, х_n.

Потім вилучаємо з X₀ елемент х₂, а елемент х₁ повертаємо до її складу. Отримуємо

X₂ = х₁, х₃,…, х_i, …, х_n.

Таким чином, перебираючи всі елементи, отримуємо кількість вибірок, що дорівнює числу її елементів, n модифікованих вибірок з обсягом (n-1) та n оцінок вибіркового середнього. Визначаємо вибіркове середнє для кожної вибірки.

Для визначення розкиду отриманих оцінок використовуємо метод найменших квадратів і визначаємо залишкові різниці та розкид.

(2)

Перевіряємо відносну ефективність оцінок:

 (3)

За критеріями

F_i >min,

G_i >max

отримано оцінку вибіркового середнього з мінімальною величиною розкиду, а отже, найбільш ефективну. Побудовано алгоритм підбору експертів, під час реалізації якого:

1. Застосовано метод попереднього опитування.

2. Застосовано метод взаємних рекомендацій.

3. Застосовано документаційний відбір.

4. За результатами попередніх трьох етапів сформовано експертну групу.

5. Проведено процедури виконання тестових завдань експертами.

6. Оброблено результати аналізу за методом «Делфі».

7. Впорядковано результати.

8. Оброблено результат з використанням бутстреп-процедури.

9. Сформовано остаточний результат.

При створенні БЕКНД використано експертні оцінки та логічні аксіоми, які застосовуються в експертних методах при формалізації інформації за допомогою певного методу шкалювання.

Маємо випадок, коли досліджувані об'єкти в результаті порівняння розташовані в певній послідовності з урахуванням певного істотного чинника (чинників) в обраній порядковій шкалі, що дозволяє встановлювати рівноцінність або домінування експертних оцінок.

Подамо впорядкування, що визначене на множині у вигляді матриці А(a_ij), де i, j = 1, 2,…, n. А визначає певне відношення критеріїв. Величини a_ij встановлюють співвідношення між об'єктами і можуть бути визначені таким чином:

Використаємо основні аксіоми, необхідні для дотримання умов упорядкування. Відношення А має бути асиметричним та зв'язним, тобто для будь-яких i та j або або або

Використання порядкових шкал дозволило розрізнювати об'єкти у випадках, коли чинник (критерій) не задано в явному вигляді, тобто коли ознаки порівняння є невідомі, але можна частково або повністю упорядкувати об'єкти на основі системи переваг, яку має експерт.

Використовувалася обробка думок експертів у порядковій шкалі.

Нехай Y₁, Y₂,...,Y_n - кортежі оцінок експертів, «що були виставлені» одному об'єкту експертизи, Z₁, Z₂,..., Z_n - другому об'єкту.

Для узагальнення певного ряду оцінок X₁, X₂,..., X_n застосовуємо середнє за Колмогоровим, яке обраховується за формулою:

G{(F(X₁)+F(X₂)+...F(X_n))/n} (4)

де F - суто монотонна функція,

G - функція, обернена до F.

Враховуючи, що середнє за Колмогоровим є окремим випадком середнього за Коши, підрахуємо медіану і моду, які хоч і не є середніми за Колмогоровим, але теж - середні за Коши. Сформулюємо відповідне математичне завдання пошуку виду середніх величин, результат порівняння яких стійкий відносно припустимих перетворень шкали.

Припустимо, що f(X₁, X₂,..., X_n) - середнє за Коши, а середнє за першою сукупністю менше середнього за другою сукупністю:

f(Y₁, Y₂,..., Y_n) < f(Z₁, Z₂,..., Z_n). (5)

Для стійкості результату порівняння середніх необхідно, щоб для будь-якого припустимого перетворення g з групи припустимих перетворень у відповідній шкалі виконувалась також нерівність

f(g(Y₁), g(Y₂),..., g(Y_n)) < f (g(Z₁), g(Z₂),..., g(Z_n)), (6)

тобто середнє з перетворених значень із першої сукупності також було меншим за середнє перетворених значень для другої сукупності. Причому сформульована умова має бути правильною для будь-яких двох сукупностей типу Y₁, Y₂,.., Y_n та Z₁, Z₂,.., Z_n і для будь-якого припустимого перетворення g. Згідно з РТВ, тільки такими середніми можна користуватися.

При ранжуванні об'єктів експерти зазвичай розходяться в думках з вирішуваної проблеми. У зв'язку з цим виникає необхідність кількісної оцінки ступеню згоди експертів. Отримано кількісні міри узгодженості думок експертів, що дозволяє більш ґрунтовно інтерпретувати причини в розбіжності думок.

Використовуючи дисперсійний коефіцієнт конкордації, розглянемо матрицю результатів ранжування n об'єктів групою з m експертів де - ранг, визначений j-м експертом i-у об'єкту, (j =1,., m; i = 1,., n). У результаті додавання суми рангів за кожним стовпцем одержимо вектор із компонентами:

електронний навчальний оцінювання знання

 (i =1, 2, …, n).

Величини розглянуті як реалізації випадкової величини, і знайдено оцінку дисперсії за формулою:

(7)

де - оцінка математичного очікування, яка одержана як середнє

Дисперсійний коефіцієнт конкордації визначається як відношення оцінки дисперсії до максимального значення цієї оцінки:

(8)

де D - оцінка дисперсії.

Коефіцієнт конкордації змінюється від нуля до одиниці, оскільки .

Обрахуємо максимальне значення оцінки дисперсії для випадку відсутності зв'язаних рангів (всі об'єкти різні). Попередньо покажемо, що оцінка математичного очікування залежить лише від числа об'єктів і кількості експертів. Підставляючи значення , отримаємо:

Враховуючи

Таким чином, середнє значення залежить тільки від числа експертів m і числа об'єктів n.

Для обчислення максимального значення оцінки дисперсії підставимо у значення , і в результаті отримуємо:

З чого виходить, що

У результаті:

Максимальне значення дисперсії досягається при найбільшому значенні зменшуваного в квадратних дужках. Тому величина його істотно залежить від розташування рангів - натуральних чисел у кожному ряді i. Якщо усі m експертів дали однакове ранжування для всіх n об'єктів, то в кожному ряді матриці будуть розташовані однакові числа. Отже, додавання рангів у кожному i-у рядку дає m-кратне повторення і-гo числа:

Розрахуємо квадрат зменшуваного та підсумуємо за i:

Тепер припустимо, що експерти надали неспівпадаючі ранжування, наприклад, для випадку n = m усі експерти привласнюють різні ранги одному об'єкту. Тоді:

Порівнюючи цей вираз з при m = n, переконуємося, що перший вираз у квадратних дужках формули дорівнює другому виразові і, отже, оцінка дисперсії дорівнює нулю.

Таким чином, випадок повного збігу ранжувань експертів відповідає максимальному значенню оцінки дисперсії. Виконуючи перетворення, отримаємо:

Введемо позначення:

Запишемо оцінку дисперсії у вигляді:

Підставляючи формули і скорочуючи на множник (n-1), запишемо остаточний вираз для коефіцієнта конкордации :

(9)

Дана формула визначає коефіцієнт конкордації для випадку відсутності зв'язаних рангів.

Якщо в ранжуваннях є зв'язані ранги, то максимальне значення дисперсії в знаменнику стає меншим, ніж за відсутності зв'язаних рангів. За наявності зв'язаних рангів коефіцієнт конкордації обчислюється за формулою:

Де



показник зв'язаних рангів у j-у ранжуванні, H_j - число груп рівних рангів у j-у ранжуванні, h_k - число рівних рангів у k-ій групі зв'язаних рангів при ранжуванні j-м експертом. Якщо рангів, що співпадають, немає, то H_j = 0, h_k = 0 і, отже, T_j = 0.

У результаті використання запропонованого методу експертного оцінювання встановлено, що на кожному етапі формування електронного комплексу БЕКНД містить як базову частину, так і варіативну. Варіативні розділи дозволяють використовувати базовий БЕКНД для навчання з ряду спеціальностей. Було встановлено, що загальний метод формування експертної групи, який отримав подальший розвиток у цій роботі, а саме:

а) використання декількох методів відбору експертної групи, в тому числі метод тестування;

б) метод відбору, що дозволяє залучати в експертну групу не тільки експертів-викладачів, але й експертів-практиків;

в) розробка методу тестування, що полягає у формуванні мінімально необхідного обсягу практичних знань;

дозволив не лише відібрати найбільш компетентних у цій галузі фахівців, але й провести початкові етапи наповнення базового електронного комплексу навчальних дисциплін.

Вирішено завдання формування оптимального варіанту БЕКНД, який містить всі види навчання, а саме:

а) попередня перевірка знань;

б) теоретичний курс;

в) практичний курс;

г) лабораторні роботи;

д) пояснювальний матеріал;

е) проміжна і підсумкова перевірка знань.

У третьому розділі розроблено інформаційну технологію створення БЕКНД та обрано модель проектування.

Структурну модель БЕКНД було розроблено за методологією IDEF. Для створення моделі БЕКНД використано стандарт IDEF0, що дало змогу представити структуру електронного комплексу як сукупність взаємозв'язаних функцій і визначити логічні відношення між блоками (темами дисципліни, що розглядається). Характерною особливістю IDEF є створення моделі системи, що складається з ієрархічно впорядкованого набору діаграм, тобто спочатку створюється діаграма, яка дає уявлення про процес у загальному вигляді, а далі створюються все більш і більш деталізовані діаграми. Методологія дає можливість описувати процеси будь-якої складності, а кожна діаграма, у свою чергу, дозволяє проаналізувати взаємозв'язки між темами.

Використано метод декомпозиції для оцінювання необхідності включення кожної конкретної теми в БЕКНД. Рівень деталізації процесу регулюється. Декомпозиція дає можливість поступово і структуровано представляти модель системи у вигляді ієрархічної структури окремих діаграм. На рис. 1 розглянуто структурну модель дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв» з потоками даних між елементами діаграми.

Побудова діаграм для кожного блоку дисциплін і для кожної дисципліни окремо дала цінний матеріал, що дозволило мати детальну картину поступового накопичення знань. При цьому є можливість виключити дублювання та предмети і теми, що залишилися без логічного завершення. Діаграми дають можливість коригувати, при необхідності, зміст електронного комплексу: вводити нові теми, вилучати старі, оновлювати робочу програму, не порушуючи загальну структуру навчального процесу.

Для відповідності БЕКНД вимогам ринку до фахівців, що випускаються, було закладено можливість швидкого коригування змісту відповідно до змінених умов. Оскільки підручник є, передусім, інформаційною системою, у якій виникає проблема узгодженості дій різних частин цієї системи, то при його формуванні добрі результати дає використання спеціалізованих програмно-технологічних засобів для розробки проектів, заснованих на інформатизації. У даному конкретному випадку є проблема узгодження змісту всіх тем підручника між собою і з загальною концепцією підготовки фахівця в конкретній галузі.

Рис. 1. Структурна модель БЕКНД «Схемотехніка електронних пристроїв»

Процес формування складається з декількох етапів: 1) БЕКНД має забезпечити отримання студентом базових знань з предмету. Для цього всі теми повинні вивчатись у жорсткій логічній послідовності, і кожна попередня тема має містити всю необхідну інформацію для вивчення наступних тем. 2) Всі теми мають бути узгоджені з навчальним планом, як з вибору питань, необхідних для вивчення, так і за кількістю годин, що відводяться на кожну конкретну тему.

Для наочності процесу побудована діаграма UML з наявністю точок вибору, в яких перевіряється, чи виконана умова проектування (рис. 2).

Важливою особливістю обраного засобу проектування є можливість визначити зв'язки між темами предмету, що вивчається. На етапі планування потрібна інформація про структуру дисципліни, взаємозв'язки між логічними блоками, в тому числі й кількісні. Визначаються також і зворотні зв'язки. Наявність зворотних зв'язків між блоками і темами дає змогу повторювати матеріал, використовуючи його на більш високому рівні. Таким чином, надбані знання повторюються і закріплюються. Використання асоціативних зв'язків дає можливість простежити й оцінити кількісно цей процес.

Рис. 2. Діаграма UML з точками вибору

У четвертому розділі наведено результати апробації результатів дослідження.

Наведені опитувальні форми, що були використані у формуванні експертної групи: зведені таблиці з анкетними даними кандидатів до експертної комісії, таблиці опитування експертів у формуванні змістовної частини електронного комплексу, структурні схеми кожного блоку навчальної дисципліни й опис інформаційних зв'язків між ними.

Наведено таблиці з результатами розрахунку оптимальних співвідношень з використанням експертних оцінок.

Детально описана спроектована модель БЕКНД, що складається з трьох вкладених блоків: дисципліна, що розглядається; теми, що складають дисципліну; питання, що розглядаються в кожній темі. Описано процес формування тестових завдань, наведено інтерфейс програми тестування.

Наведено практичні завдання, що містять задачі та вправи, використання яких у навчальному процесі поглиблює теоретичні знання, задачі та вправи, що формують уміння використовувати знання; лабораторні роботи, що формують практичні навички; флеш-роліки, що детально і наочно пояснюють складні для розуміння теми і дозволяють глибше зрозуміти процеси в електронних пристроях.

Висновки

У дисертаційній роботі на основі принципів системного аналізу розв'язана важлива науково-практична задача розробки інформаційної технології створення БЕКНД, який можна адаптувати під конкретні спеціальності, що сприятиме підвищенню якості навчального процесу.

Основні результати роботи:

1. Виконано аналіз і структуризацію проблеми формування змістовної частини електронних комплексів навчальних дисциплін.

2. Виконано огляд і аналіз існуючих моделей електронних комплексів, на основі якого доведено, що наявні моделі електронних комплексів ще не в повній мірі задовольняють сучасним вимогам, тому що є або вузькоспеціалізованими, або містять тільки загальний для всіх спеціальностей курс.

3. На основі проведеного аналізу визначено і сформульовано методи формування БЕКНД, що задовольняє потреби всіх спеціальностей, навчальний план яких містить конкретну дисципліну.

4. Розроблено метод формування експертної групи для прийняття рішень з формування змістовної частини БЕКНД, який пропонує використовувати, крім експертів-викладачів, спеціалістів-практиків, що дозволяє формувати знання, уміння та практичні навички в обсязі, необхідному для оволодіння спеціальністю.

5. Розроблено, за рахунок використання методів прикладного системного аналізу, інформаційну модель БЕКНД, яка забезпечує адаптацію електронного комплексу під ряд спеціальностей, де в навчальних планах є конкретна дисципліна.

6. Розроблено структурну модель БЕКНД, яка має ієрархічну побудову і дає змогу визначити не тільки якісні зв'язки між блоками, але й кількісні, що важливо для формування тестів і визначення якості оволодіння предметом студентами.

7. Розроблено інформаційну технологію створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін і, на її основі, базовий електронний комплекс, що використовується для вивчення дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв і систем» студентами ряду спеціальностей, в навчальні плани яких включена дана дисципліна.

Результати дисертаційної роботи використані при створенні електронних комплексів навчальних дисциплін і впроваджені в навчальний процес НТУУ «КПІ», Донецького політехнічного університету, Дніпродзержинського технічного університету і Національного університету кораблебудування як комплекс електронних підручників за напрямком «Електроніка». Акти впровадження додаються.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Публікації в наукових фахових виданнях

1. Солобуто Л.В. Создание информационной модели учебного процесса / Л.В. Солобуто // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2006. - № 1(24). - С. 438-443.

2. Рябенький В.М. Практика применения и использования CASE-технологий / В.М. Рябенький, Л.В. Солобуто // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2007. - № 27. - С. 223-230.

3. Коваленко И.И. Методика формирования экспертной группы для создания электронного учебника / И.И. Коваленко, Л.В. Солобуто // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2008. - № 30. - С. 422-426.

4. Солобуто Л.В. Использование метода нечеткого моделирования при проверке знаний / Л.В. Солобуто // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2009. - № 1(34). - С. 565-560.

5. Рябенький В.М. Использование методов экспертного оценивания и нечеткого моделирования при проверке знаний / В.М. Рябенький, Л.В. Солобуто // Київ, Науково-прикладний журнал НАН України «Технічна електродинаміка». Тематичний випуск, ч.2. - Київ. - 2006. - С. 126-130.

6. Рябенький В.М. Системные принципы построения электронного учебника / В.М. Рябенький, Л.В. Солобуто // Науково-прикладний журнал НАН України „Технічна електродинаміка”. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. - Київ. - 2008. - С. 123-456.

Матеріали та тези доповідей конференцій

7. Солобуто Л.В. Використання методів експертного оцінювання при проектуванні електронних підручників / Л.В. Солобуто // Щорічна науково-методична конференція «Могилянські читання», 18-24 жовтня 2010 р.: Матеріали. - Миколаїв, 2010. - С. 54.

8. Рябенький В.М. Програмні засоби тестування і самотестування студентів з технічних дисциплін. / В.М. Рябенький, В.С. Буряк, Л.В. Солобуто // Всеукраїнська науково-практична конференція «Модернізація вищої освіти України: історія, досвід, перспективи»: Матеріали. - Київ-Миколаїв, 2005. - С. 24.

9. Рябенький В.М. Універсальний стенд для лабораторної підтримки напряму «Електронні системи». / В.М. Рябенький, Л.В. Солобуто, А.М. Голобородько, Л.М. Мирошниченко // Международная научно-техническая конференция «Силовая электроника и энергоэффективность - 2004», 6-10 сентября 2004 г.: Материалы. - Алушта, 2004. - С. 14.

Інші видання

10. Комп'ютерна схемотехніка. Аналогова схемотехніка. Лабораторний практикум. / В.М. Рябенький, В.С. Смирнов, Т.В. Булгач, Л.В. Солобуто та ін. - Київ: Аспект-Поліграф, 2007. - 163 с.

11. Лабораторний практикум з електротехніки. / В.Г. Кривуца, В.М. Рябенький, В.С. Смирнов, Л.В. Солобуто. - Київ: ДУІКТ, 2004. - 80 с.

12. Електротехніка та електроніка. Теорія, розрахунки та дослідження за підтримкою комп'ютерних технологій / А.А. Щерба, В.М. Рябенький, М.Є. Кучеренко, Побєдаш К.К., Л.В. Солобуто та ін. - Київ: Корнейчук, 2007. - 490 с.

13. Рябенький В.М. Основи моделювання систем і процесів в електротехніці. Використання пакету прикладних програм MATLAB/Simulink. / В.М. Рябенький, С.В. Драган, Л.В. Солобуто. - Львів: Новий Світ-2000, 2008. - 384 с.

14. Рябенький В.М. Програмні засоби тестування і самотестування студентів з технічних дисциплін. / В.М. Рябенький, В.С. Буряк, Л.В. Солобуто // Всеукраїнська науково-практична конференція «Модернізація вищої освіти України: історія, досвід, перспективи»: Матеріали. - Київ-Миколаїв, 2005. - С. 81-84.

Анотація

Солобуто Л.В. Інформаційна технологія створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін. - Рукопис.

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

Дисертація присвячена розробці інформаційної технології створення базового електронного комплексу навчальних дисциплін на базі використання методів експертного оцінювання, нечіткого моделювання, статистики і системного аналізу. Аналіз існуючих розробок електронних комплексів показав, що недолік усіх електронних комплексів полягає в тому, що навчальні системи не є адаптивними, вони спроектовані або як універсальна навчальна система з конкретної дисципліні, або як спеціалізована навчальна система для певної спеціальності.

У роботі запропоновано адаптивну методику формування уніфікованого базового електронного комплексу навчальних дисциплін, отримали подальший розвиток методики створення електронних комплексів навчальних дисциплін з використанням методів прикладного системного аналізу, запропонований комплексний метод формування експертної комісії для завдань проектування змістовної частини, запропоновано модель системи «Базовий електронний комплекс навчальних дисциплін» з урахуванням інформаційних потоків між елементами системи.

На основі розробки інформаційної моделі та використання методів експертної оцінки й системного аналізу розроблено метод формування електронного комплексу навчальних дисциплін для забезпечення ВНЗ сучасними засобами навчання. Розроблено метод формування експертної комісії для визначення змісту базового уніфікованого ЕКНД. Розроблені методи, моделі й алгоритми, реалізовані у вигляді посібника, який включений у навчальний процес Національного університету кораблебудування та інших ВНЗ для навчання студентів різних спеціальностей при вивченні дисципліни «Схемотехніка електронних пристроїв та систем».

Ключові слова: електронний комплекс, експертне оцінювання, системний аналіз, нечітке моделювання.

Аннотация

Солобуто Л.В. Информационная технология создания базового электронного комплекса учебных дисциплин. - Рукопись.

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

Работа посвящена разработке информационной технологии создания базового электронного комплекса учебных дисциплин на базе использования методов экспертного оценивания, нечеткого моделирования, статистики и системного анализа.

Качество подготовки специалиста во многом определяется программой его обучения и методом подачи информации. Подготовка специалистов, которые соответствовали бы все возрастающим требованиям к выпускникам вузов, влечет за собой непрерывное совершенствование рабочих программ, учебников, а непрерывное совершенствование подразумевает возможность быстрого редактирования.

Выпускник высшего учебного заведения должен не только получить определенный объем знаний, но и научиться самостоятельно получать знания и быть готовым к непрерывному самообразованию. Это требование к специалисту приобрело решающее значение на современном этапе, который характеризуется бурным развитием информационных технологий и новых направлений в технике.

В связи с необходимостью быстро реагировать на потребность рынка труда в тех или иных специалистах, отвечающих современным требованиям, ВУЗы обеспечивают себя электронными обучающими комплексами, учебниками, тестами, которые дают возможность осуществлять поставленные задачи. Наиболее перспективным является использование в учебном процессе электронных комплексов учебных дисциплин.

Анализ существующих разработок электронных комплексов показал - недостатком является то, что в каждой разработке основное внимание уделено только одному направлению. Если это обучающая система, то блок проверки знаний выполнен недостаточно функционально; в системах, предназначенных, в основном, для контроля знаний, недостаточно проработан теоретический материал; недостаточно внимания уделено формированию практических знаний, умений и т. д.

Современные электронные комплексы учебных дисциплин должны содержать не только базовый курс конкретной дисциплины, но и включать специальные разделы, что позволит использовать их для обучения конкретным специальностям, в учебных планах которых есть данная дисциплина. Однако, наличие ряда специальностей, которые имеют в учебных планах общие базовые дисциплины, приводит к необходимости создания большого числа учебников, которые не всегда соответствуют потребностям высшей школы и приводят к лишним затратам.

Для уменьшения затрат при создании электронных комплексов и оптимального их использования, необходимо унифицировать процесс разработки, поэтому задача проектирования электронного комплекса должна сводиться к разработке информационной технологии создания базового электронного комплекса учебных дисциплин (БЭКУД). В результате, БЭКУД будет включать как общие, для ряда специальностей, разделы конкретной дисциплины, так и разделы, предназначенные для изучения только отдельными специальностями. Это позволит получить унифицированный электронный комплекс, адаптируемый под конкретную специальность и конкретного пользователя.

На основе созданной усовершенствованной модели базового электронного комплекса учебных дисциплин определены оптимальные методы его разработки.

Предложен адаптивный метод формирования унифицированного базового электронного комплекса учебных дисциплин. Получили дальнейшее развитие методы создания электронных комплексов учебных дисциплин с использованием принципов прикладного системного анализа, получили дальнейшее развитие методы контроля процесса обучения, предложен комплексный метод формирования экспертной комиссии для задач проектирования содержательной части БЭКУД, предложена модель системы «Базовый электронный комплекс учебных дисциплин » с учетом информационных потоков между элементами системы.

На основе информационной модели и использования методов экспертной оценки сформирован комплексный метод формирования электронного обучающего комплекса учебных дисциплин для обеспечения ВУЗов современными средствами обучения. Разработано: 1) электронный комплекс учебных дисциплин; 2) метод формирования экспертной комиссии, которая определит содержание базового унифицированного БЭКУД; 3) метод создания электронного комплекса, все элементы которого взаимосвязаны. Разработанные методы, модели и алгоритмы реализованы в виде Электронного комплекса учебных дисциплин, который включен в учебный процесс Национального университета кораблестроения для обучения студентов различных специальностей при изучении дисциплины «Схемотехніка електронних пристроїв та систем».

Теоретической базой для диссертационного исследования стали работы отечественных и зарубежных ученых: В.М. Глушкова, А.И. Башмакова, Т. Саати, Р. Акоффа, Х. Уэно, С. Осуга и других. Дальнейшее развитие теория принятия решений, экспертных оценок и технологий тестирования получили в работах таких ученых: В.С. Аванесов, Г.С. Поспелов, М.З. Згуровский, А.М. Майоров, В.Е. Ходаков, И.И. Коваленко, Э.Г. Петров и других.

На основании предложенных методов и моделей был разработан базовый электронный комплекс «Схемотехніка електронних пристроїв і систем», который используется для обучения студентов ряда специальностей Национального университета кораблестроения им. адмирала Макарова, в учебные планы которых входит данная дисциплина.

Ключевые слова: электронный комплекс, экспертная оценка, системный подход, тестирование.

Synopsis

Solobuto L.V. Information technology of formation basic electronic complex of educational disciplines. - Manuscript.

Dissertation for a candidate's degree of engineering science in specialization 05.13.06, information technologies.

Kherson National Technical University, Kherson, 2011.

The dissertation is devoted to using of methods of expert estimations and system analysis for formation of information technology of electronic complex of educational disciplines.

The analysis of existing electronic systems has shown that the reason of deficiency of all the elaborations is paying attention to the only direction. If it's training (teaching) system, the examination unit (part) is done not enough functionally, theoretical material is worked out not fully (inadequately), etc.

On the basis of the improved model of doing the electronic complex of educational disciplines, the optimal methods of their forming are determined.

Adaptive methodology of forming the unified basic electronic complex of educational disciplines is offered. The methods of creating such complex have got further development with the use of methods of applied system analysis. The complex method of forming the expert commission is offered for the tasks of planning of substantial part of BECED, the model of system "The main (basic) Electronic complex of educational disciplines" taking informative streams between the elements of system into consideration is also offered.

On the basis of the worked out methods, models and algorithms are realized the Electronic complex of educational disciplines for supplying the educational process of National University of Shipbuilding and other universities for teaching students of different specializations.

Keywords: electronic complex, expert estimation, system analysis, testing system

Размещено на Allbest.ru

...