автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация и управление процессами построения вариантов заданий и верификации решений для виртуальных лабораторий

На правах рукописи

£107. Г ь

Ефимчик Евгений Александрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПОСТРОЕНИЯ ВАРИАНТОВ ЗАДАНИЙ И ВЕРИФИКАЦИИ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ

Специальность: 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (образование)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург — 2013

005542809

005542809

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) на кафедре компьютерных образовательных технологий

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Лямин Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Тарлыков Владимир Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, НИУ ИТМО, начальник управления проектирования образовательных программ

Зайцев Юрий Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), доцент кафедры физики

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО

«Петрозаводский государственный университет:»

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 17:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.06 при НИУ ИТМО по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, конференц-зал центра интернет-образования.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан 25.11.2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Лобанов Игорь Сергеевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Основу современного инженерного образования составляют акгивно-деятелыюстиые формы обучения, формирующие базовые навыки экспериментально-исследовательской деятельности. Одним из инструментов реализации подобных форм обучения является виртуальная лаборатория (ВЛ), которая представляет собой электронную среду, позволяющую создавать и исследовать в интерактивном режиме модели систем и процессов. Важной особенностью сетевых ВЛ является то, что они позволяют проводить разработку и эксперименты в любое время из любой точки мира и при этом не требуют установки специального программного обеспечения.

Применение ВЛ в учебном процессе способствует повышению качества и доступности образования, однако создание самих ВЛ остается сложной и трудоемкой задачей. Не меньшую трудоемкость имеет задача оценивания результатов обучения, приобретаемых посредством ВЛ. В отличие от тестов, где проверяются знания, задания ВЛ, как правило, предполагают бесконечное нерегулярное множество правильных ответов, описываемых набором неформальных спецификаций. Для повышения точности педагогических измерений кроме результатов исследовательской деятельности необходимо также фиксировать и оценивать последовательность выполнения задания в ВЛ.

В связи с этим тема настоящего исследования, посвященного разработке методов и средств автоматизации процессов построения вариантов заданий для ВЛ и верификации решений, является актуальной.

Областью исследования являются методологические и теоретические основы построения систем управления обучением.

Объектом исследования являются процессы построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.

Предметом исследования являются модели и методы управления процессами построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.

Целью диссертации является разработка методов и средств автоматизации процессов построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- обзор и анализ подходов к управлению процессами построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ;

- создание математической модели ВЛ, позволяющей строить варианты заданий и верифицировать их решения;

- создание структуры ВЛ, позволяющей осуществлять управление процессами построения вариантов заданий и верификации решений;

- реализация модели виртуальной лаборатории в системе управления обучением Асас1егшс1<)Т;

- разработка инструментов создания ВЛ на основе протокола управления удаленной (виртуальной) лабораторией RLCP (Remote Laboratoiy Control Protocol);

- разработка и использование в учебном процессе BJ1 для различных предметных областей обучения;

- апробация результатов исследования.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

- математическая модель BJI на основе автоматизированного объекта управления, описывающая процессы построения вариантов заданий и верификации их решений;

- методика построения вариантов заданий для ВЛ равной сложности;

- методика верификации полного хода решений заданий ВЛ.

Методы исследования. В работе использованы методы теории

алгоритмов, теории автоматов, теории графов, теории множеств, дифференциальной диагностики, проектирования информационных систем, теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием методов исследования, обоснованием постановок задач и используемых критериев, положительными результатами применения полученных результатов, а также обсуждением па многочисленных конференциях и публикацией статей в рецензируемых изданиях.

Практическая ценность работы. Выполнена реализация модели виртуальной лаборатории с автоматизированными процессами построения вариантов заданий и верификации решений в системе управления обучением AcademicNT на основе расширенного протокола управления RLCP. Для обеспечения разработки виртуальных лабораторий были предложены средства и методики, объединенные в пакет для разработки RLCP-совместимых ВЛ, принятый в качестве основиого инструмента разработки ВЛ для системы AcademicNT. Разработанные для различных предметных областей ВЛ использованы на практике в учебном процессе и обеспечили повышение качества образования.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ, выполненных в рамках программы развития НИУ ИТМО: НИУ(2011)/3.1.20.12 «Разработка виртуальных лабораторий и тренажеров информационно-образовательной среды», НИУ(2012)/3.1.22.3 «Методика использования среды тестирования RLCP-совместимых виртуальных лабораторий».

Результаты исследования использованы в учебном процессе кафедры компьютерных образовательных технологий НИУ ИТМО, а именно. Они составили основу для лабораторного практикума и проведения курсового

проектирования в дисциплине «Технология разработки виртуальных лабораторий» для подготовки магистров направления 230400 «Информационные системы и технологии». Средства и методы построения виртуальных лабораторий используются и курсовом проектировании дисциплины «Дистанционные технологии в образовании», а также для подготовки выпускных квалификационных работ специалистов направления 230200 «Информационные системы».

Был создан и использован в учебном процессе комплект виртуальных лабораторий по теории множеств и теории графов для обеспечения лабораторного практикума дисциплины «Дискретная математика» для подготовки бакалавров направления 230400 «Информационные системы и технологии».

Была создана и внедрена в учебный процесс междисциплинарная виртуальная лаборатория по дифференциальному диагнозу, используемая при изучении коматозных состояний в практике скорой помощи и акцентуаций характера в психиатрической практике в Саикт-Петербургском государственном медицинском университете имени академика И.П. Павлова.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научной конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011), 1-11 Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012-2013), XVIII - XX Всероссийских научно-методических конференциях Телематика (Санкт-Петербург, 2011-2013), Международной научно-практической конференции «Математические методы и модели анализа и прогнозирования развития социально-экономических процессов черноморского побережья Болгарии» (Болгария, г. Поморие, 2012), Международных научно-практических конференциях «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург. 2012-2013), XXIII Международной конференции «Применение новых технологий в образовании» (г. Троицк, Московской области, 2012), Международной конференции «The International Conference on E-Learning and E-Technologies in Education 2012 (ICEEE 2012)» (г. Лодзь, Польша, 2012), VI Международной научно-практической конференции «Информационная среда ВУЗа XXI века". (Куопио, Финляндия, 2012).

Публикации. Список научных трудов по теме диссертационного исследования содержит 16 публикаций, из них две публикации в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ.

Личный вклад автора. Результаты научной работы, изложенные в диссертации, получены соискателем лично или при его непосредственном участии. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад соискателя составляет не меньшую долю, чем у других авторов.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах и состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы содержит 111 наименований. Работа иллюстрирована 58 рисунками и 8 таблицами.

Содержание работы

В первом разделе диссертации произведен обзор особенностей контроля результатов обучения в образовательных программах, реализующих ФГОС ВПО, рассмотрены виды и типы их контроля. Произведен обзор подходов к автоматизации контроля результатов обучения, приведен обзор используемых инструментов и средств. Подробно описаны особенности разработки ВЛ как средств автоматического контроля результатов обучения. Дана постановка задачи управления процессами построения вариантов заданий и верификации их решений в ВЛ.

В настоящее время широко применяются следующие программные средства для автоматизации разработки BJT,

- BARSIC - средство разработки приложений управления научными компьютеризированными установками, математического моделирования, программной анимации, а также обработки и визуализации физических данных, фактически представляющее собой язык программирования высокого уровня с собственной средой разработки,

- LabVIEW - среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования G, ориентирована на создании моделей оборудования - «виртуальных приборов»,

- Easy Java Simulations - инструмент для упрощенного, визуального создания интерактивных моделей с помощью языка Java.

Анализ BJI, созданных с помощью перечисленных средств, позволил установить основные проблемы и сформулировать пути их решения.

1. Электронные тесты, представляющие собой основной инструмент автоматизированного контроля результатов обучения, направлены на проверку знаний испытуемого. Тест не сможет ответить на вопрос, способен ли испытуемый решать практические задания, с помощью которых обычно и проверяется способность к применению практических умений.

2. Проверка решения типовых заданий, являющихся распространенным способом оценки умений, основана на экспертных оценках результатов обучения. Из-за этого классифицирующие понятия определяются субъективно с помощью суждений преподавателя и содержат в себе, как правило, значительный ошибочный компонент. Кроме того, такая проверка обычно занимает длительное время.

3. Одним из недостатков средств контроля результатов обучения является уязвимость банка заданий, многократно используемых при аттестации. Его наличие приводит к появлению соответствующего

банка ответов, формируемого студентами для обмана системы контроля.

4. Использование электронных средств контроля обучения помогает автоматизировать процесс аттестации, но этого недостаточно для обеспечения прозрачности учебного процесса. Требуется решение, позволяющее фиксировать протоколы и результаты контроля для формирования отчетных документов.

5. При выполнении лабораторных работ с помощью В Л студенту зачастую требуются пояснения к результату проверки, чтобы понять, где именно произошла ошибка. Такая возможность позволит студенту самостоятельно подготовиться к аттестации в режиме обучения и поможет повысить доверие к системе оценивания.

Для решения описанных проблем был предложен следующий подход.

Использование виртуальных лабораторий вместо тестов позволит решить первую проблему в том случае, когда проверке подлежит не только итоговый ответ пользователя, но и все промежуточные результаты.

Проверка решения пользователя в автоматическом режиме с помощью специального алгоритма позволит испытуемому сразу же после выполнения работы получить результат аттестации. Это позволяет студентам работать с виртуальной: лабораторией самостоятельно, а преподавателей освобождает от необходимости проверки большого количества работ.

Третью проблему решит соблюдение следующего правила: вариант задания создается автоматически с помощью специального алгоритма. Это позволит избежать создания и поддержки базы вариантов заданий, что, в свою очередь, снизит объем методической работы по обслуживанию виртуатьной лаборатории, а также исключит риск утечки базы вариантов или накопления студентами вариантов решений.

Решение четвертой и пятой проблемы относится к организации взаимодействия виртуальной лаборатории с электронной системой управления обучением, используемой для мониторинга контроля результатов обучения. Это взаимодействие должно быть обеспечено таким образом, чтобы построение вариантов заданий, проверка решений и занесение результатов контроля в журнал системы управления обучением осуществлялось автоматически, без участия человека. Решения, отправляемые на проверку, должны быть воспроизводимы, иначе говоря, протокол решения задания, сохраняемый в системе управления обучением, должен содержать решение задания в том же виде, в котором его сформировал испытуемый, а также результаты проверки в понятной человеку форме. Тогда можно обеспечить доступ к протоколам аттестации для преподавателя, чтобы тот мог осуществлять консультации студентов при работе над ошибками. Доступ к протоколам выполнения заданий в режиме обучения

позволит студентам применять виртуальные лаборатории для формирования умений и навыков.

Сформулированы требования к процедурам построения вариантов заданий и верификации решений для ВЛ, соблюдение которых позволяет управлять этими процессами в автоматическом режиме.

Были определены следующие требования к процедуре генерирования вариантов заданий:

- обеспечение заданной сложности (трудоемкости) вариантов заданий;

- обеспечение полного, невырожденного решения для вариантов заданий;

- обеспечение достаточного количества генерируемых вариантов заданий;

- обеспечение равномерности распределения в выборках генерируемых вариантов.

Были определены следующие требования к процедуре верификации пользовательских решений:

- проверка не только итогового ответа пользователя, но и хода представленного им решения;

- сохранение всей информации по результатам верификации;

- обеспечение защищенности виртуальной лаборатории от обмана путем выделения процедур генерирования варианта задания и верификации решения в отдельный модуль, недоступный для пользователей.

Во втором разделе описана математическая модель и процедуры для виртуальной лаборатории, разработанные для реализации предложенного подхода.

Пусть существует некоторое типовое задание и Пусть для задания I существует множество вариантов V:

Каждый элемент V, представляет собой конкретное задание с определенными данными. Пусть существует множество алгоритмов А, с помощью которых может бьггь найдено решение задания /:

Тогда существует отношение т|, определяющее набор вариантов задания из множества V, для которых применим алгоритм а,-:

т]с УхА.

Пусть для каждого алгоритма а,- существует набор автоматных моделей М, с помощью которых тот может быть представлен:

М -■ [(Ир/Я^ОТз,..,»! ] .

Под автоматной моделью здесь пониматется совокупность детерминированного конечного автомата с выходом и хранилища данных, с которым он взаимодействует. Данная модель является дальнейшим развитием модели автоматизированного объекта управления (АО У), предложенной профессором НИУ ИТМО A.A. Шапыто. Формально, автоматизированным объектом управления называют пару{/<,0), где А - управляющий автомат, а О -объект управления.

Управляющий автомат представляет собой шестерку {X,i',Z,.v(),(p,5} , где А" = Xf: х х0 - конечное множество входных воздействий, причем каждое воздействие x = (xi,j!,)sl состоит из компоненты хЕ е X Е , порождаемой внешней средой, и компоненты х0еХ0 , порождаемой объектом управления; Y-конечное множество управляющих состояний; Z- конечное множество выходных воздействий; уп - начальное состояние автомата; 9 = <р' * 9" - функция выходных воздействий, состоящая их двух компонент: функции выходных воздействий в состояниях »Z и функции выходных воздействий на переходах к?" \Х

xY—f 2; S : X хУ—► Y- функция переходов.

Объект управления представляет собой тройку (s, fq где S - множество

вычислительных состояний, являющееся потенциально бесконечным,^ : S —>Ха -функция, сопоставляющая вычислительному состоянию входное воздействие, : Z х S —> S - функция, изменяющая вычислительное состояние в зависимости от выходного воздействия.

Пусть необходимо создать виртуальную лабораторию для решения типового задания t с помощью алгоритма о,. Предлагается разработать АОУ, позволяющий решить задание t с помощью алгоритма а,. При этом следует рассматривать объект управления как запись решения задания. Это означает, что после решения задания объект управления должен содержать всю необходимую информацию о совершенных управляющим автоматом переходах и последовательности посещенных управляющих состояний. Тогда с помощью разработанного АОУ можно получить эталонное решение для каждого варианта задания v. Иначе говоря, существует отображение множества вариантов заданий на множество решений, представляющих собой вычислительное состояние объекта управления, задаваемое с помощью разработанного АОУ р,„ : V S

Предполагая, что пользователь виртуальной лаборатории при выполнении задания должен придерживаться алгоритма ah реализованного в АОУ, и предоставив ему объект управления и интерфейс для взаимодействия с ним, можно утверждать, что в случае, когда пользователь верно воспроизвел действия алгоритма, его решение в виде итогового вычислительного состояния предоставленного ему объекта управления должно совпадать с эталонным.

Особенность рассматриваемых автоматных моделей из множества М состоит в следующем. Известно, что воздействия среды на АОУ определяются, прежде всего, данными варианта задания. Кроме того, известно, что некоторые алгоритмы во время выполнения позволяют сделать выбор из нескольких равнозначных альтернатив (коллизия). Если необходимо предоставить возможность верификации в таком случае, то получить эталонное решение заранее невозможно. В лучшем случае, предварительно можно найти набор всех возможных решений. Однако вычисление всех возможных решений может быть невозможно или нецелесообразно. Тогда можно строить эталонное решение в процессе анализа пользовательского решения. Эталонное решение строится с помощью автомата до тех пор, пока не возникает ситуация коллизии. Тогда из пользовательского решения выбирается информация о совершенном выборе, которая добавляется во входное воздействие на автомат на следующем такте работы. После этого эталонное решение строится обычным образом, до возникновения следующей ситуации коллизии.

Таким образом, можно утверждать, что каждая компонента входного воздействия порождаемая средой, на управляющий автомат АОУ из множества Мна самом деле состоит из компоненты хЕУ, порождаемой вариантом задания, и компоненты хЕи, порождаемой выбором пользователя, зафиксированном в предложенном им решении: ХЕ с Хех х Хеи (рисунок 1). Из этого следует, что в общем случае отображение множества вариантов заданий на множество решений, задаваемое АОУ, определяется как функция р,„: Ух С/—* 5, где и - множество принятых в процессе выполнения задания пользователем решений.

Рисунок 1 - Взаимодействие компонентов модели автоматизированного объекта управления для построения эталонного решения Представим простое типовое задание в виде описанного автоматизированного объекта управления. Пусть существует задание вида «Воспроизведите алгоритм добавления единицы к двоичному числу, записанному

на ленте машины Тьюринга. Каретка находится справа от числа». Вариант задания будет представлен в виде состояния бесконечной ленты автомата Тьюринга, при этом каждая ячейка может содержать один символ из набора {е, '0', '.!'}, где е -признак отсутствия значащего символа. Решение задания будет представлять собой последовательность состояний ленты машины Тьюринга.

Алгоритм описывается программой для машины Тьюринга:

щ М]

Е Г, < 110 1 \1Ь

0 1 \иг 1 ! и2

1 0 < щ 0 < и,

При этом 1гц- начальное состояние, и2 - конечное.

Тогда, применяя математическую модель дня описания задания, получаем представленное ниже описание.

X - алфавит входных воздействий, представляет собой множество (я, 'О',

V - множество управляющих состояний автомата, представляет собой множество состояний автомата Тьюринга {иа. «¡, 112}■

2 - алфавит выходных значений представляет собой декартово произведение команд на изменение значения в ячейке и команд на перевод каретки или останов: {'е>\ '0>', '!>', '£<', '0<', ']<\'е!', 'О!', '!!'} или {'е<\ '0<','1!'}, если учесть только те выходные символы, которые может воспроизводить данный автомат.

.Уо - начальное состояние управляющего автомата, представляет собой начальное состояние автомата Тьюринга щ.

Ф - функция выхода X х У -+ 2, в зависимости от текущего управляющего состояния и входного символа вычисляется выходной символ согласно указанной выше программе.

5 - функция выхода X х У V, в зависимости от текущего управляющего состояния и входного символа вычисляется следующее управляющее состояние также на основе указанной выше программы (программа описывает одновременно и функция выхода <р, и функцию перехода 5).

5 - множество вычислительных состояний объекта управления.

Объект управления в нашем случае отличается от обычной ленты Тьюринга из-за того, что требуется в каждом новом вычислительным состоянии хранить информацию обо всех предыдущих. Объект управления представляет собой набор бесконечных лепт автомата Тьюринга. При совершении команды происходит копирование активной ленты, и преобразования выполняются уже на новой ленте, которая после этого становится активной. Лента же, которая потеряла статус активной, не подлежит преобразованию и хранится в неизменном виде. В начальном состоянии в объекте управления содержится единственная лента, на которой представлены данные варианта задания. При завершении работы автомата совокупность лент и данных на них составляют решение варианта задания.

/у : 5 Х- фуцкция запросов. В зависимости от текущего вычислительного состояния ленты вычисляется значение, которое будет передано на управляющий автомат в виде входного воздействия (значение, записанное в ячейке, на которой находится каретка).

: Б х 2 —> 5 - функция команд. В зависимости от выхода управляющего автомата и текущего вычислительного состояния вычисляется следующее вычислительное состояние (копируется текущая лента машины Тьюринга, в текущую ячейку на новой ленте записывается символ из множества X, переданный автоматом на запись, после чего осуществляется перевод каретки или останов в соответствии с переданной командой).

Очевидно, что описанный автоматизированный объект для автоматического формирования эталонного решения является лишь небольшим расширением модели машины Тьюринга, выполняющей заданную программу. Главное отличие - в особенностях объекта управления, который представляет не классическую ленту машины Тьюринга, а набор таких лент. Как уже было сказано выше, это необходимо для сохранения информации о промежуточных состояниях объекта управления. В соответствии со структурой объекта управления видоизменена и его функция команд.

Задача динамического генерирования вариантов задания для виртуальной лаборатории требует определения понятия сложности варианта задания.

Численно оценить сложность варианта задания с„„ можно как мощность упорядоченного множества У, управляющих состояний, посещенных управляющим автоматом АОУ т в процессе решения варианта задания V, в случае, если сложность совершения переходов можно считать одинаковой:

где 3,„ : X хК ->• У - функция переходов управляющего автомата т, хи- - входное воздействие на управляющий автомат, сформированное под влиянием варианта у на 1-ом такте.

Начальное состояние у0 в множество У„ включать не требуется, поскольку оно не характеризует решение - с него бы начиналось У„ для любого варианта V. Поскольку управляющий автомат является детерминированным, то мощность множества >\ совпадает с количеством совершенных управляющим автоматом переходов.

В случае, если сложность совершения переходов нельзя считать одинаковой, нужно определить функцию/сложности совершения перехода стт в состояние уу1. Тогда итоговая сложность варианта задания будет равна сумме сложностей переходов, совершенных управляющим автоматом:

^■Ч^Лз.....

Сш-ГШ*

м

Для выполнения требований о защите от взлома и интеграции с системой управления обучением была разработана структурная модель виртуальной лаборатории, представленная на рисунке 1.

Рисунок 2 - Структурная модель виртуальной лаборатории

Третий раздел диссертации посвящен описанию реализации описанных моделей с помощью технологии ЮХР-совместимых ВЛ и системы Асас1егаюМТ.

Были описаны спецификация протокола ЯЬСР, общая архитектура ЯЬСР-совместимых ВЛ, представлены и подробно описаны разработанные средства для создания и тестирования ВЛ.

В состав любой ЛЬСР-совместимой ВЛ кроме лабораторной установки и проверяющего сервера должен входить ЛЬСР клиент, обеспечивающий

взаимодействие составных частей лаборатории и пользователя. Таким клиентом, например, является АсаёешюЫТ. Структурная схема ВЛ приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Структурная схема ШХР-совместимой ВЛ

Диаграмма последовательности, отражающая процесс взаимодействия модулей виртуальной лаборатории, ШХР-клиеита и пользователя, представлена на рисунке 4.

В процессе реализации спецификация протокола ШХР была расширена, а его реализация была оформлена в виде программных библиотек. Кроме того, были созданы средства разработки и тестирования ВЛ, которые были оснащены документацией, руководствами и объединены в пакет для разработки кЬСР-совмсстимых ВЛ, к которому предоставлен свободный доступ.

Четвертый раздел посвящен описанию результатов, подтверждающих эффективность предложенного подхода на практике в учебном процессе вузов.

Для поддержки лабораторного практикума по дисциплине бакалаврской подготовки "Дискретная математика" был разработан комплект из 14-ти ТИХР-совместимых ВЛ. Разработанные ВЛ обеспечивают формирование и контроль навыков решения ряда типовых практических задач курса с помощью одного или нескольких эффективных методов их решения . В диссертации приведен список и описание созданных виртуальных лабораторий. Для исследования эффективности предложенного решения были проведены следующие экспериментальные работы:

— сравнение оценок, полученных студентами за результаты обучения с использованием ВЛ в 2012/2013 учебном году и без их использования в предыдущие годы;

— проверка остаточных знаний у студентов предыдущих лет с помощью ВЛ, их анкетирование;

— анкетирование преподавателей и методистов, участвующих в учебном процессе на протяжении последних пяти лет.

Пользователь I I

JL.

loop J

RLCP-клиент I I

Д,

Запрос кадра

Кадр задания

Запрос промежуточной проверки

Модифицированный кадр задания

Решение

Сервер ВЛ i I

Д,

Запрос варианта

Вариант задания

Запрос на вычисление промежуточных _результатов ,

Результат вычислений

Запрос на проверку

Результат проверки

Рисунок 4 — Диаграмма последовательности действий при выполнении лабораторной работы

Результаты исследований подтвердили эффективность применения виртуальных лабораторий (средний рейтинг студентов первой группы, использовавших ВЛ - 76%, а студентов второй группы, не использовавших ВЛ -70%). При этом выборка студентов для сравнения проводилась на основе совпадающих результатов успеваемости в обеих группах.

Результаты анкетирования студентов, прошедших проверку остаточных знаний по дисциплине с использованием ВЛ, показали, что студенты воспринимают применение виртуальных лабораторий положительно, особенно отметив удобство самостоятельной аттестации, которая позволяет сдавать работы в индивидуальном режиме без необходимости ожидать ответа преподавателя. Студенты отметили, что обучение с помощью ВЛ увлекательнее традиционных методов обучения. Большинство опрошенных высказали пожелание использовать ВЛ при освоении других дисциплин. Наблюдение за процессом аттестации показало, что решение заданий с помощью ВЛ воспринимается студентами как процесс игры, а успешное прохождение аттестации - как победа в этой игре. Студенты набирают баллы в балльно-рейтинговой системе оценивания автоматически по результатам успешно завершенных лабораторных работ, что воспринимается как награда за победу. Эта особенность привела к высокой посещаемости лабораторных занятий и высоким результатам текущей аттестации по лабораторному практикуму.

Обработка результатов анкетирования выявила следующие преимущества использования ВЛ в учебном процессе:

- преподавателю:

- сократить время на подготовку к занятию; сократить время на аттестацию студентов;

- избежать ошибок при аттестации, связанных с человеческим фактором;

- обеспечить мгновенную фиксацию результатов контроля в электронном журнале;

- студенту:

- получать результаты аттестации незамедлительно;

- получать поддержку преподавателя в эффективном режиме консультаций по результатам верификации;

- получать результаты аттестации, не зависящие от субъективных суждения преподавателя;

- методисту:

- отказаться от регулярного обновления банка заданий;

- получить возможность управлять сценарием лабораторного практикума, используя один фасетный кадр вместо нескольких десятков обычных кадров.

Для исследования возможностей разработанной технологии создания ВЛ по междисциплинарной тематике была разработана ВЛ по дисциплине медицинского профиля «Дифференциальный диагноз». Для учебных целей были созданы комплекты заданий по дифференциальной диагностике коматозных состояний в практике скорой помощи и акцентуаций характера в психиатрической практике на основе разработанной виртуальной лаборатории.

Заключение

В рамках проведенного диссертационного исследования были получены следующие результаты, обладающие научной и практической значимостью.

1. Разработана математическая модель виртуальной лаборатории на основе автоматизированного объекта управления, позволяющая строить варианты заданий и верифицировать их решения при пошаговом контроле процесса формирования и оценивания запланированных результатов обучения у обучаемых.

2. Разработана методика для автоматизации генерирования в среде виртуальной лаборатории вариантов заданий, обеспечивающих нетривиальные решения равной сложности.

3. Разработана методика для автоматизации верификации полного хода решений заданий в среде виртуальных лабораторий.

4. На основе предложенных модели и методик разработана технология создания ЩХР совместимых виртуальных лабораторий в среде системы управления обучением АсаскгшсМТ, которая позволила существенно сократить время преподавателя на подготовку оценочных средств дисциплины и индивидуализировать массовое обучение и аттестацию обучаемых.

5. Разработанная технология использована в курсовом проектировании и подготовке выпускных квалификационных работ студентов НИУ ИТМО.

6. Разработан комплект из 14 виртуальных лабораторий, который используется для поддержки практических занятий по дискретной математике на кафедре компьютерных образовательных технологий НИУ ИТМО и обеспечил повышение результативности учебного процесса по сравнению с традиционным.

7. Разработана междисциплинарная виртуальная лаборатория по дифференциальному диагнозу, используемая для обучения студентов медицинских специальностей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Efimcnik Е.А., Lyarain A.V. RLCP-Compatible Vitual Laboratories // The International Conference on E-Leaming and E-Technologies in Education (ICEEE 2012) Technical University of Lodz, Poland Sept. 24-26, 2012 Proceedings. - Lodz, Poland, 2012. - P. 59-64.

2. Ефимчик E.A., Лямин A.B. Технология RLCP-совместимых виртуальных лабораторий // Труды XIX Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2012. - Санкт-Петербург, 2012. - Т. 1. - С. 153-154.

Другие публикации

3. Ефимчик Е.А. Генерирование заданий для виртуальных лабораторий по теории графов // Сборник тезисов VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - Санкт-Петербург, 2011. - Вып. 1. - Информационные технологии. - С. 57-58. - 2 с,

4. Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Генерирование заданий для виртуальных лабораторий по дискретной математике // Труды XVIII Всероссийской научно-методической конференции "Телематика'2011". - Санкт-Петербург, 2011.-Т. 1.-С. 169-170.

5. Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Виртуальное лаборатории в дистанционном образовании и особенности их разработки // Материалы Международной научно-практической конференции «Математические методы и модели анализа и прогнозирования развития социально-экономических процессов черноморского побережья Болгарии». - Поморие, 2012. - С. 135-139.

6. Ефимчик Е.А., Казунка М.Н. Генерирование наборов графов для заданий виртуальных лабораторий // Сборник тезисов докладов I конгресса молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. Санкт-Петербург, 2012. - Вып. 1. - С. 60-62.

7. Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Схема реализации виртуальных лабораторий с возможностью автоматического построения заданий и оценивания результатов их выполнения И Материалы международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в образовании - 2012". - Екатеринбург, 2012. - С. 143-145. - 530 с.

8. Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Особенности разработки алгоритмов автоматизации процесса построения заданий для виртуальных лабораторий // Материалы XXIII Международной конференции "Применение новых технологий в образовании". - Троицк, 2012. - С. 231-232. - 2 с.

9. Ефимчик Е.А., Лямии A.B. Виртуальная лаборатория для проверки навыков восстановления логической функции // Информационная среда вуза XXI века : материалы VI Международной научно-практической конференции (4-10 декабря 2012 года). - Петрозаводск: ПетрГУ, 2012. - С. 78-81.

Ю.Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Средства разработки и тестирования RLCP-совместимых виртуальных лабораторий // Дистанционное и виртуальное обучение. - Москва: СГУ,2012. -№ 10.-С. 37-47.

11. Ефимчик Е.А. Виртуальная лаборатория для проверки навыков проведения операций над множествами // Сборник материалов XVIII Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития образования в России". - Новосибирск, 2013. - С. 102-108. - 7 с.

12.Белозубов A.B., Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Опыт применения виртуальных лабораторий в преподавании дискретной математики // Материалы международной научно-практической конференции "Университет 11IOC -новые горизонты дистанционного образования: опыт, практика, перспективы развития". - Караганда, 2013. - С. 25-26.

13. Ефимчик Е.А. Применение RLCP-совместимых виртуальных лабораторий в преподавании дискретной математики // Материалы международной научно-практической конференции "Мировая наука и современное общество: актуальные вопросы экономики, социологии и права". - Саратов, 2013.-С. 80-82.

М.Войтов М.А., Голиков П.А., Ефимчик Е.А., Ивангошин Д.А. Разработка виртуальных лабораторий с применением компетентностного подхода // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. 3. - С. 27-28.

15.Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Автоматическое построение зданий для проверки навыков выполнения операций над множествами // Новые информационные технологии в образовании: материалы междунар. науч.-практ. конф. -Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2013. - С. 278-281.

16.Ефимчик Е.А., Лямин A.B. Автоматизация учебного процесса с помощью RLCP-совместимых виртуальных лабораторий // Труды XX Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2013. - Санкт-Петербург, 2013.-Т. 1.-С. 162-163.-2 с.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские коммуникации». 197101, Санкт-Петербург, Сабликская ул., д. 14. Тел. (812) 233 46 69. Объем 1 пл.

Тираж 100 экз.