автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модель обучающего курса и реализация программной оболочки дистанционного обучения: системный и объектный подходы

На правах рукописи

□03067419

Л и!

Дорофеев Андрей Сергеевич

МОДЕЛЬ ОБУЧАЮЩЕГО КУРСА И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОЙ ОБОЛОЧКИ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ: СИСТЕМНЫЙ И ОБЪЕКТНЫЙ ПОДХОДЫ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2006

003067419

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Сосинская Софья Соломоновна

доктор технических наук, профессор Краковский Юрий Мечеславович

доктор технических наук, профессор Массель Людмила Васильевна

Ведущая организация:

Восточно-Сибирский институт МВД России

Защита состоится 20 февраля 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.070.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Байкальском государственном университете экономики и права по адресу: 664015, г. Иркутск, ул. Ленина, 11, корпус 3, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Байкальского государственного университета экономики и права.

Автореферат разослан 18 января 2007 г. Объявление о защите и автореферат размещены на официальном сайте БГУЭП по адресу: www.isea.ru

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Ведерникова Татьяна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью постоянного повышения эффективности процесса обучения и контроля знаний, а также необходимостью разработки и апробации методов и средств, которые позволят существенным образом улучшить подготовку специалистов, в том числе и удаленно от места обучения.

В связи с развитием в нашей стране информационных технологий и Интернет возрастает роль дистанционного обучения в общей системе вузовского образования. Это вызывает необходимость привлечения новых методов и технологий для организации обучения в условиях, когда обучаемый удален от места получения знаний. Поэтому требуется разрабатывать математические модели и информационные технологии для развития общего подхода к построению обучающего курса, который позволит, настраивая его на конкретные задачи, получать наиболее удобные и полезные для обучаемого формы представления знаний без значительных затрат на разработку каждого отдельного курса. Объектно-ориентированный подход, как наиболее современный, находит свое отражение и в разработке приложений, и в организации баз данных, необходимых для хранения информации наиболее эффективно и наименее избыточно.

Перечисленные факторы определили тему настоящего исследования, его актуальность и основные направления работ.

Цели и задачи исследования. Целью настоящего исследования является построение модели обучающего курса для повышения эффективности дистанционного (интерактивного) обучения за счет применения системного и объектного подходов на всех этапах проектирования, реализации и сопровождения обучающей системы и обучающего курса с возможностью накопления статистики обучения.

В процессе работы в соответствии с намеченной целью автором были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:

- рассмотрение обучения и обучающего курса с позиций системного анализа и подхода;

- усовершенствование математической модели обучающего курса;

- разработка объектной модели обучающего курса и обучающей системы;

- создание информационной модели обучающего курса и ее реализация на основе объектно-ориентированной системы управления базами данных (СУБД) Caché;

- описание методики моделирования процесса обучения с использованием сетей Петри и цепей Маркова, сбора и обработки статистических данных, полученных в ходе обучения;

- применение полученных моделей для реализации программного комплекса системы;

- апробация программного комплекса на примере обучающего курса «Информатика и программирование».

Объект исследования: учебный процесс в условиях современных информационных технологий, дистанционного (интерактивного) обучения.

Предмет исследования: объектно-ориентированная модель обучающего

3

курса и обучающая система с ее использованием.

Основные методы и средства исследования поставленной задачи: системный анализ, современные CASE-средства, математический аппарат теории сетей Петри, цепей Маркова, теории вероятностей и математической статистики, объектно-ориентированный подход к проектированию и программированию.

Научная новизна работы заключается в разработке математической и информационной моделей обучающего курса, основанных на объектно-ориентированном и системном подходах; методики эффективного создания многоуровневого обучающего курса. Рассмотренные в работе положения являются развитием одного из направлений в теории обучения - моделирования процесса обучения. Предложенный объектно-ориентированный подход к моделированию обучающего курса и процесса обучения, а также реализация таких моделей расширяют возможности при разработке методологической основы применения информационных технологий в процессе обучения.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1) сквозной подход к проектированию и разработке обучающей системы на основе общесистемных принципов;

2) моделирование процесса обучения курсу «Информатика и программирование» с использованием сетей Петри и цепей Маркова для расчета вероятностных характеристик процесса обучения;

3) объектно-ориентированный подход к построению модели обучающего курса, позволяющий эффективно хранить и использовать такие объекты, как: курс, частично представляемый сетью Петри; трек обучения (траектория обучаемого по сети Петри); тезаурус обучаемого и модель текущих знаний; профиль курса, строящийся на основе данных, хранящихся в треках, и позволяющий анализировать спроектированный курс с применением теории цепей Маркова и корректировать его с целью повышения эффективности процесса обучения;

4) программная реализация оболочки для построения обучающего курса и проведения процесса обучения на базе СУБД Caché, поддерживающая объектно-ориентированный подход, с использованием CSP-технологии, позволяющей создавать быстродействующие, хорошо масштабируемые и легко сопровождаемые Web-приложения;

5) программный комплекс для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая разработка данной темы позволила, используя известный математический аппарат сетей Петри и цепей Маркова, применить их для моделирования и анализа процесса обучения курсу: модель курса представляется сетью Петри, процесс обучения отдельных обучаемых хранится в треках обучения, на основе которых строится профиль курса, показывающий, как курс воспринимается обучаемыми, и позволяющий получать с использованием теории цепей Маркова вероятностные характеристики процесса обучения и среднюю трудоемкость, необходимые для эффективной модификации курсов; а практическая реализация на базе современ-

ной СУБД Caché дала инструмент для построения обучающих курсов и эффективной организации дистанционного (интерактивного) обучения с возможностью его индивидуализации. Разработанный программный комплекс внедрен в учебный процесс в Институте экономики ИрГТУ и может быть применен для создания обучающих курсов и проведения обучения с их использованием.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и кафедре технологии машиностроения ИрГТУ. Основные положения проведенных исследований докладывались на Всероссийской конференции «Роль информационных технологий при обучении на программе MB А» (2003, Москва, МЭСИ), на международной конференции «Информационные технологии в образовании» (2003, Москва, МИФИ); молодежной научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке и образовании» (2004 г., Иркутск, БГУЭП); на международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2004, Санкт-Петербург, СПбГПУ); обсуждались на объединенном семинаре кафедр вычислительной техники, автоматизированных систем, информатики, технологии машиностроения (2006, Иркутск, ИрГТУ), на семинаре кафедр информационных технологий и системотехники (2006, Красноярск, СибГТУ).

Публикации. Основные результаты проведенных исследований по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах в виде статей и докладов; общий объём публикаций по исследуемой проблематике составляет 2,55 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований и 3 приложений. Общий объем работы составляет 170 страниц, включая 8 таблиц, 50 рисунков, приложения на 10 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены объект и предмет, цель и задачи исследования, раскрываются основные элементы новизны, теоретическая и практическая значимость работы.

В первой главе представлен сравнительный анализ моделей дистанционного образования, рассмотрены с позиций системного анализа обучение и обучающий курс, а также приведены общие принципы построения обучающего курса. Результаты проведенных исследований и сравнительный анализ современных сетевых курсов позволили сформулировать основные требования к составу компонентов сетевого курса.

Выстраивать любую систему без ранее сформированной модели практически невозможно, поэтому важнейшим элементом образования становится моделирование. Различные модели обучения отличаются не только используемыми ими технологиями, но и степенью управления и ответственности преподавателя и обучаемых. В некоторых моделях преподаватели и учебное заведение сохраняют свои функции полного управления процессом обучения, как в случае традиционной системы аудиторного обучения. В других случаях управление обучением переходит к обучаемым. В работе рассмотрены три модели дистанционного образования, которые представляют два крайних случая и один промежуточный

от управления обучением преподавателем к управлению самим обучаемым: модель распределенного класса, модель самостоятельного обучения, модель открытого обучения + класс.

Согласно системному подходу при описании модели необходимо опираться на методологические принципы раскрытия объекта как системы, на основе которых в реальном учебном процессе делаются выводы и суждения о дидактической правильности или ошибочности его состояния, построения и функционирования.

Компьютерное обучение строится в соответствии с теми же целями и с тем же содержанием, что и обычное обучение, но форма представления материала, форма взаимодействия обучаемого и обучающегося иные. Целостные обучающие курсы являются по своей сути кибернетическими системами, поэтому при их проектировании и использовании целесообразно придерживаться основных общесистемных принципов, конкретизированных применительно к процессу дистанционного обучения (ДО): целеустремленность, организованность, динамичность, целостность, эволюционность, открытость, приспособляемость, полифункциональность, технологичность. Все принципы взаимосвязаны и представляют собой единую систему, в которой каждый из них необходим. Взятые вместе они являются достаточными, чтобы их реализация способствовала конструированию педагогически полезной компьютерной поддержки по любой области знаний. Системообразующим здесь является принцип целостности, которому подчиняются все остальные принципы. Принципиальным качеством систем является обусловленность их поведения свойствами структуры, т.е. действующими в системе связями и отношениями. К ДО как к целостной дидактической системе предъявляется ряд требований: 1) оптимизация содержания учебных курсов, исходя из государственного образовательного стандарта и индивидуальных познавательных особенностей личности обучающегося; 2) активизация познавательной деятельности и интенсификация процесса обучения; 3) генерирование системы контроля усвоения знаний, обеспечивающей непрерывное и эффективное управление процессом обучения.

Обобщенный сетевой курс в его минимальной конфигурации должен включать ряд программных подсистем, каждая из которых, в общем случае, может содержать многочисленные программные средства: «Средства преподавателя», «Средства студентов», «Средства коммуникаций», «Управление курсом», «Администрирование курса», «Общие сведения о курсе». Сделан вывод о необходимости рассматривать обучение как комплекс взаимосвязанных компонентов, объединенных общей целью функционирования и единством управления; система обучения должна являться частью интегрированной информационной системы вуза.

Проблеме обучения и контроля знаний уделялось и уделяется большое внимание. Работы следующих авторов посвящены вопросам построения курса и управления процессом обучения: В.В. Соловов, Е.С. Полат, В.П. Беспалько, А.И. Башмаков и И.А. Башмаков И.А., А.Ю. Потюпкин, Г.С. Курганская, А.П. Свиридов, И.М. Горбаченко, Н.Ф. Талызина и др. Вместе с тем, сформировалась целая серия теоретических и прикладных проблем, которые обусловливают не-

обходимость проведения дальнейших исследований. Сегодня применение системного подхода к решению теоретических и практических проблем возрастает, особенно, когда сами проблемы приобретают комплексный характер.

Процесс разработки средств для поддержки профессионального образования осложняется необходимостью знания содержания предметной области и учета присущей ей специфики обучения. Именно отставание в разработке методологических проблем, «нетехнологичность» имеющихся методик являются одними из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями информационных технологий обучения.

Проведенный анализ литературы показал, что в настоящее время уделяется недостаточное внимание вопросам общего подхода к эффективному построению/сопровождению обучающего курса и организации процесса дистанционного (интерактивного) обучения с его использованием на основе общесистемных принципов, с применением современных объектно-ориентированных CASE-средств и объектных систем управления базами данных.

Во второй главе рассматривается методика построения модели обучающего курса; приведено описание предметной области обучения курсу «Информатика и программирование» в CASE-средстве BPWin, построена объектная модель обучающей системы и курса с использованием объектно-ориентированного CASE-средства Rational Rose; представлена методика моделирования работы обучающей системы с использованием аппарата сетей Петри на примере фрагмента курса (анализ построенной сети предлагается провести с помощью программно-инструментального средства автоматизации разработки классических сетей Петри Visual Petri); а также расчет вероятностных оценок характеристик процесса изучения курса при помощи аппарата теории цепей Маркова, для вычисления которых автором было разработано соответствующее приложение.

Модель описания структуры учебного курса и учебных материалов в значительной степени зависит от используемого алгоритма обучения. Обычно алгоритм обучения с помощью обучающей системы включает следующие этапы: 1) подготовка курса преподавателем; 2) изучение обучающих страниц и ответы на контрольные вопросы обучаемым, сохранение результатов обучающей системой; 3) оценивание знаний обучаемого по результатам обучения.

Данный алгоритм обладает серьезными недостатками: 1) преподавателю трудно четко сформулировать содержание нового курса; 2) преподаватель не видит сам процесс обучения, т.е. не может дать рекомендаций по методике использования учебного средства; 3) преподавателю трудно модифицировать разработанный курс, так как нет информации о восприятии курса обучаемыми.

Предложено следующее решение указанных проблем. Для четкого формирования содержания нового курса необходимо ввести понятие «целей обучения». Для мониторинга обучения вводится трек обучения, в котором хранится информация о том, как обучается обучаемый. На основе трека можно давать рекомендации по эффективной методике использования обучающего средства. Преподавателю и обучаемому необходимо видеть текущие знания. Также следует хранить усвоенные термины курса в модели тезауруса обучаемого. Для эффективной модификации курса необходимо видеть, как он воспринимается обу-

чаемыми. Профиль курса строится на основе треков обучения и содержит некоторые усредненные характеристики процесса обучения. Также необходимо обеспечить возможность использования ссылок внутри курса (курсов) и ссылок в Internet.

Отсюда вытекает необходимость разработки следующих моделей: 1) модель обучающего курса (на основе материалов работы Ю.Е. Гапанюк), которая включает в себя модели описания учебных целей, содержания, учебных материалов; 2) модель трека обучения; 3) модель текущих знаний обучаемого; 4) модель тезауруса обучаемого; 5) модель профиля курса.

Обучающий курс LearningCourse можно представить тройкой: Learning _ Course - (LGT, ССТ, SE), где LGT - дерево учебных целей, ССТ - дерево содержания курса, SE - совокупность учебных элементов.

Дерево учебных целей содержит множество вершин VG - целей и множество ребер RG - связей между учебными целями:

LGT = (1VG,RG)\LGT = {lg ,,i =1,2,..., и},

где lg, — i-я учебная цель.

Дерево содержания курса имеет множество вершин VC - элементов оглавления и множество ребер RC - связей между элементами оглавления:

ССТ = (VC, RC); VC = RCE U РСЕ U ICE U QCE,

где RCE - множество элементов оглавления, соответствующих разделам и подразделам курса; РСЕ - множество элементов оглавления, соответствующих обучающим страницам; LCE - множество элементов оглавления, соответствующих внешним источникам (ссылкам); QCE - множество элементов оглавления, соответствующих блокам контрольных вопросов.

RCE - {rcet,i = 1,2,..., п}, где гее, - раздел или подраздел.

PCE = {pce„i = \,2,...,n}, где рее, - элемент оглавления, соответствующий обучающей странице.

pcel=({lg¡J,i = \,2,...,m},pJ),j = l,2,...,n,

где {lgy, i = 1, 2,..., n} - множество учебных целей, для выполнения которых предназначен данный элемент оглавления (lgy С LGT); р, - обучающая страница, содержащая учебные элементы (pj € Р, где Р - множество обучающих страниц).

LCE = {lcet,i = 1,2,...,«},

где lee, - элемент оглавления, соответствующий внешнему источнику.

Ice, = ({lgy, i = 1,2,..., m}, elj), j = 1,2,..., n,

где {lgy, i = 1, 2,..., m} - множество учебных целей, для выполнения которых предназначен данный элемент оглавления (lgy С LGT); elj - внешняя ссылка в Internet (elj С EL, где EL - множество внешних ссылок).

QCE = {lcel,i = l,2,-,n},

где цсе, — элемент оглавления, соответствующий блоку контрольных вопросов.

где К51,1 = 1, 2,..., ш} - множество учебных целей С ЬвТ), для достижения каждой из которых необходимо ответить на блок контрольных вопросов (Ьс^, С где ВО - множество блоков контрольных вопросов) на уровне К51. Связь между разделом оглавления и учебной целью в данной модели не предусматривается. Учебные материалы (БЕ) можно определить, как:

где Р - множество обучающих страниц; Е - множество учебных элементов; В(} -множество блоков контрольных вопросов; <3 - множество контрольных вопросов; ЕЕ — множество внешних ссылок; 1Ь - множество внутренних связей; БС -

Дфмо /Чгт\ цшмАООТ) (сотЛ ( - ) 6-от"У /сет\ Д<рао емцом« «УРС1 (ССГ) - Л?сеЛ ( „ ) (ясеЛ (РСБУ"^ /К

1(1 \ — (СОТ») /____П.СБ] \ / \ у _1,хь) \

---4А—(осе) / (ось)

Учеб«« / ■нгармж (5Е) у* иимиГ) «(ииС) \ /еь) _(еь) в<а _(во)

Е ГЕ'Л Е'> \ Л~ ) { Е") 1ъс(йс\ )( - )

Модель текущих знаний обучаемого может быть представлена как совокупность изученных разделов курса гее или совокупность достигнутых целей обучения Трек обучения — траектория конкретного обучаемого по сети Петри. На основе трека рассчитываются вероятности переходов обучаемого из одного состояния в другое. Тезаурус курса обучаемого содержит усвоенные термины с!с.

Одной из основных проблем, возникающих при разработке электронных учебных курсов, является проблема описания структуры учебного курса и учебных материалов. Подход к обучению с системных позиций предполагает выде-Рис. 1. Модель обучающего курса ление из общего курса отдельных элементов - модулей, находящихся в отношениях и связях между собой. Для создания качественного учебного материала и ведения учебного процесса с его использованием необходим переход от больших и негибких курсов к многократно используемым, отдельным объектам, которые могут быть созданы различными авторами, и впоследствии быть доступными через репозитарий объектов. Архитектура курса оказывает серьезное влияние на модель хранения данных и организацию удобного конструктора курсов. В самом общем виде обучающий курс можно представить следующим образом (рис. 2).

Курс может иметь один или несколько сценариев (заранее описанную последовательность действий над объектами курса; она может изменяться в зависимости от состояния данных в определенных точках сценария).

Рис.2. Архитектура обучающего курса

Объектами курса могут быть как визуальные элементы, так и невизуальные, предназначенные для совершения операций над данными, анализа данных и управления траекторией выполнения сценария. Аппарат невизуальных элементов должен позволить изменять последовательность изложения материала, например, в зависимости от степени усвоения курса обучающимся.

Одна из моделей формализации процесса постановки целей и задач проекта была предложена фирмой Rational и вошла в стандарт UML. Для этого применяются диаграммы вариантов использования (UseCase), представляющие собой взаимодействие пользователей и проектируемой системы (рис. 3). Выделены следующие пользователи: 1) администратор, регистрирующий все остальные категории; 2) работник отдела кадров, который формирует факультеты, кафедры и распределяет преподавателей по кафедрам; 3) работник учебного отдела, формирующий специальности факультетов, учебный план для специальностей; 4) работник деканата, формирующий группы студентов специальностей; 5) преподаватель (разработчик, дизайнер курса), который создает или корректирует курс для определенной специальности и следит за его выполнением; 6) обучаемый, который изучает курс согласно предложенной структуре.

О .о .о .о

I «онтроль за работой

^ 4 _ . _ ФЬвиироииие »чвСного л/

глециаль костей

лани я преподавателей

О

О

Попргение (татнсти.и изучения Фоомивоаанмв модели те«ущи( знаний -------Использоаани« »дативного

"'"^Р*»06*"-0'0 «ирмио!)1»ниегри01 ов^ения б"0"

Рис. 3. Диаграмма вариантов использования Также разработаны диаграммы классов, являющиеся центральным звеном методологии объектно-ориентированного анализа и проектирования.

Несмотря на то, что к настоящему времени разработано большое количество подходов к моделированию, существует необходимость адаптации известных математических моделей и методов к процессу обучения. Представляется интересным изобразить курс и процесс обучения с использованием математического аппарата теории сетей Петри и цепей Маркова для его анализа.

Анализ сетей Петри помогает получить важную информацию о структуре и динамическом поведении моделируемой системы, которая полезна для ее оценки и выработки предложений по ее усовершенствованию и изменению. Сеть Петри - математическая модель дискретных динамических систем, формально представляющая собой четверку, С = (Р, Т, /, О). Р = {р1,р2,рз,...,р„} - конечное множество позиций. Т = {О.'аО.—~ конечное множество переходов. /- входная функция, О - выходная функция. Входная функция определяет возможные переходы-предусловия, выходная - переходы-постусловия позиций.

Каждая позиция р, е Р может содержать некоторый целочисленный ресурс ц(р)>0, отображаемый соответствующим числом фишек внутри позиции.

Количество и положение фишек при выполнении сети Петри могут изменяться. Вектор М = {///, Цъ—, Мп} называют разметкой (маркировкой) сети Петри, который определяет для каждой позиции р, количество фишек в этой позиции. Функционирование сетей Петри состоит в изменении разметок, которое происходит в результате срабатывания переходов, моделирующих события в системе. Переход запускается удалением разрешающих фишек из его входных позиций и образованием новых фишек, помещаемых в его выходные позиции.

Для моделирования и анализа систем с объектной структурой применяются вложенные сети Петри, которые представляют собой расширение стандартного формализма сетей Петри, и в котором фишки в позициях сети сами могут быть сложными объектами с сетевой структурой. Таким образом, с помощью них можно представить обобщенную структуру курса, состоящего из отдельных разделов - элементарных сетей Петри.

На рис. 4 приведен фрагмент сети Петри для моделирования процесса обучения разделу курса, состоящего из двух тем. Перед изучением предлагается проверить базовые знания, необходимые для успешного изучения тем. После прохождения предварительного теста и изучения материала первой темы Т1 предлагается тестирование по ней. Успешно пройдя тестирование по теме Ть обучаемый переходит к изучению следующей темы (Т2), после чего обучение заканчивается.

Условия р1 - проверка базовых знаний; р2 - изучение темы Т|; р3.1 - прохождение набора тестов 1 по теме Т|; рЗ 2 — прохождение набора тестов 2 по теме Тг, рЗ п - прохождение набора тестов п по теме Т1 ;р4- изучение темы Т2; р5 - конец обучения. События: ¡0 - начало обучения; ¡1 - повторная проверка базовых знаний; 12 - проверка базовых знаний завершена, 13 1 - выдача набора тестов 1 по теме Т1 \t32- выдача набора тестов 2 по теме Ть 13 п- выдача набора тестов п по теме Т1; 14А - тесты 1 не пройдены; 14 2 - тесты 2 не пройдены; 14 п- тесты п не пройдены; 15 - повторное прохождение набора тестов 1 по теме Т1; 16 - повторное прохождение набора тестов 2 по теме Т1; 17 - повторное прохождение набора тестов п по теме Т|; 18 - тесты 2 пройдены, изучение Т[ завершено; 19 - тесты 1 пройдены, изучение Т) завершено; 110 - тесты п пройдены, изучение Т1 завершено; ¡11 - изучение темы Тг завершено; //2 - повторное изучение темы Тг, 113 - окончание обучения.

Рис. 4. Моделирование процесса обучения При моделировании учебного курса целесообразно использовать сети Петри, в которых переходы срабатывают случайно. Первоначально вероятности переходов могут быть оценены экспертно, а в дальнейшем могут уточняться на основе собранной статистики прохождения курса обучаемыми. Если принять в качестве состояния сети разметку М, и допустить, что вероятности не зависят от работы сети на предыдущих шагах, получится цепь Маркова, описывающая вероятностное поведение системы.

В соответствии с принятым формализмом цепей Маркова, процесс обучения может рассматриваться как динамическая система, находящаяся в каждый из моментов времени в одном из состояний. Это изменение определяется матрицей

переходных вероятностей, удалив из которой строки и столбцы с поглощающими состояниями (обозначим ее 0, можно вычислить фундаментальную матрицу цепи Маркова (/- единичная матрица):

N = (I-Q)-\ (1)

Каждый элемент матрицы N есть среднее число пребываний процесса в состоянии sr В данной модели достаточно рассматривать только первую строку матрицы N (так как изучение определенного курса (раздела) начинается из состояния Si). При известных среднем времени, необходимом для прохождения j-ro шага процесса обучения , и первой строке матрицы N можно вычислить

среднюю трудоемкость изучения всего курса (раздела) 02 :

i

(2)

j=1

где / - размерность матрицы Q.

Для оценки дисперсии трудоемкости курса вычисляется матрица дисперсий числа пребываний процесса во множестве невозвратных состояний:

D = N(2Ndg-I)-Nsq, (3)

где Ndg - матрица, полученная выделением из матрицы N диагональных элементов, Nsq - матрица, в которой каждый элемент N возведен в квадрат.

Среднеквадратичное отклонение (СКО) числа пребываний процесса во множестве невозвратных состояний от среднего вычисляется как:

О-,, W

В качестве примера использования цепей Маркова приведено описание процесса изучения фрагмента обучающего курса (рис. 5).

Si - проверка базовых знаний; s2 - изучение темы Ть

s3 - прохождение набора тестов 1 по теме Ть s4 - прохождение набора тестов 2 по теме Ть s5 - изучение темы Т2; s6 - завершение изучения раздела.

Рис. 5. Цепь Маркова, моделирующая фрагмент курса Зная начальное распределение вероятностей, можно вычислить вероятности нахождения системы в соответствующих состояниях на k-ом шаге. На рис. 6 представлена диаграмма вероятностей достижения состояний. Используя аппарат теории конечных цепей Маркова, можно найти основные характеристики процесса изучения курса (распределение вероятностей, математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратичное отклонение). Зная трудоемкости изучения каждого раздела, можно подсчитать априорную трудоемкость завершения процесса изучения курса, в соответствии с которой и можно разбивать курс на разделы.

Для вычисления основных характеристик марковской цепи автором было

12

разработано приложение для статистической обработки данных и их анализа, в котором, в частности, можно получить вероятности достижения различных этапов изучения курса (рис. 6). Входной информацией для расчетов являются состояния, трудоемкости и таблица вероятностей переходов. Первоначальная трудоемкость и вероятности переходов оцениваются экспертпо преподавателем-разработчиком курса, далее - в соответствии с накопленными статистическими данными в процессе обучения.

i 1а каждом шаге (занятие, час и т.д.) для каждого обучаемого в системе накапливается число переходов из одного состояния в другое и количество нахождений системы в каждом из состояний. Условная вероятность перехода равна отношению:

Щ\j

^АО = "О^до ^ ^/(i-l}) - ™ '

j

где m¡j - количество нахождений обучаемого в состоянии Sj при условии его нахождения в состоянии Sj на предыдущем шаге; a¡ - общее число нахождений обучаемого в состоянии S¡.

Переходы обучаемых в определенные состояния являются независимыми. Зная вероятности переходов каждого к-го обучаемого, можно найти средние статистические значения вероятностей переходов, которые сохраняются в профиле курса:

KOL

- ш

PU = » KOL ' Ш

ъък

J=I ¿=1

где п — размерность матрицы переходов, KOL — общее количество обучаемых.

В третьей главе дана краткая характеристика объектно-ориентированной СУБД Caché как инструмента реализации предложенной модели, классификация обучающих систем, рассмотрены представленные на рынке программные продукты для создания обучающих курсов, приведен их сравнительный анализ, выявлены особенности реализации предложенного подхода.

К наиболее известным зарубежным системам дистанционного обучения (СДО) относятся WebCT, Learn ingSpace, Web Tutor, WITS, Illuminatos, Cyber Prof-Asymetrix Enginizer и др. Среди отечественных систем можно назвать такие, как: Орокс, Прометей, Гиперметод, ДОЦЕНТ, ГЕКАДЕМ и др. Сравнивая существующие системы, можно сделать вывод о том, что каждое средство разработки имеет свои достоинства и недостатки. Как правило, чем более сложен инстру-

мент в использовании, тем он более гибок. Весь вопрос в том, какая степень гибкости окажется достаточной для достижения требуемого уровня сложности курса. В любом случае выбор среды разработки необходимо производить с учетом круга задач, сложности проекта и возможности приобретения готовых сред.

В настоящей работе предлагается сквозной подход к проектированию, разработке и сопровождению обучающей системы с использованием различных моделей и CASE-средств структурного и объектно-ориентированного анализа на основных этапах ее жизненного цикла.

Любой программный комплекс можно представить четверкой PC=(R, F, D, С), где PC - программный комплекс; R - формализация процесса постановки целей и задач, решаемых с помощью разрабатываемой системы, взаимодействие пользователей и системы; F - функциональные компоненты, осуществляющие обработку данных; D - база данных; С - управляющий программный комплекс. Каждая составляющая данной тетрады (рис. 7) представляет собой один из последовательных этапов проектирования системы.

На начальном этапе описывается взаимодействие системы и пользователей, затем разрабатывается функциональная модель, строится схема базы данных и подбирается управляющий программный комплекс.

Для проведения анализа прикладных областей и разработки функциональных моделей используется международный стандарт IDEF0, который поддерживается CASE-средством BPwin. Нотация стандарта IDEF1X для построения концептуальных моделей данных использована для представления схемы данных системы в ERwin. Для формализации целей и задач, решаемых с помощью разрабатываемой системы, применяется унифицированный язык моделирования — UML, который используется в объектно-ориентированном CASE-средстве Rational Rose. Одним из лучших формализмов моделирования управляющих комплексов являются сети Петри. В этой связи в качестве средства для моделирования управляющего программного комплекса (С) целесообразно использовать сети Петри, которые удачно представляют структуру управления программ. Такой сквозной подход позволил снизить сложность создания системы, повысил удельный вес и качество ее анализа и проектирования.

В четвёртой главе приведено описание архитектуры системы на основе приведенной модели; представлена инфологическая модель системы, которая обеспечивает поэтапное конструирование курса, а также описаны результаты опытной эксплуатации системы и обучающего курса «Информатика и программирование».

Успех реализации поставленной задачи во многом зависел от правильного выбора модели данных и применяемой СУБД. В качестве СУБД разработанной оболочки была выбрана система Caché, в основе концепции которой лежит

принцип многомерного представления данных. Используемая технология CSP-страниц предлагает изящные средства создания быстродействующих, хорошо масштабируемых Web-приложений.

Созданная система разбита на ряд подсистем для работы определенных пользователей, вызываемых через соответствующие CSP-страницы (рис. 8).

Для апробации системы разработан курс по дисциплине «Информатика и

программирование», который был применен при обучении студентов первого курса специальности «Информационные системы в экономике» очной формы обучения Института экономики ИрГТУ.

Сравнение расчетов с наблюдениями за реальным учебным процессом показывает качественно верное описание учебного курса и процесса обучения с помощью предложенных моделей.

В заключении приведены основные результаты работы.

Приложения: Приложение 1 включает декомпозицию процесса изучения курса с использованием CASE-средства BPwin; в Приложении 2 представлены основные CSP-страницы разработанной системы (интерфейс); Приложение 3 содержит акт внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1) Рассмотрены обучение и обучающий курс с позиций системного анализа и предложен набор подсистем, необходимых для функционирования обучающей системы.

2) Спроектирована объектная модель курса с использованием современного объектно-ориентированного CASE-средства Rational Rose.

3) Предложена модель обучающего курса, включающая такие объекты, как трек обучения, тезаурус обучаемого, модель текущих знаний, профиль курса.

4) Применена теория сетей Петри к моделированию процесса обучения и использован аппарат цепей Маркова для получения вероятностных оценок характеристик процесса обучения курсу «Информатика и программирование».

5) Разработана оболочка дистанционного (интерактивного) обучения на основе СУБД Caché с использованием сквозного подхода к проектированию для создания обучающих курсов и проведения обучения.

6) Разработано приложение для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

7) Система обучения внедрена в учебный процесс в Институте экономики ИрГТУ для изучения курса «Информатика и программирование».

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА СИСТЕМЫ

S 2

Администрат ор

Сотрудник отдела кадров

Сотрудник учебного отдела

Сотрудник деканата

Преподаватель

Регистрация пользователей

Формирование факультетов,

кафедр, распределение преподавателей по кафедрам

Формирование специальностей, учебных планов

Формирование групп студентов

Формирование курса, просмотр статистики и .

ОСучаюцие страницы, просмотр результатов и др

Рис. 8. Созданные CSP-страницы

ПУБЛИКАЦИИ

1) Дорофеев A.C., Сосинская С.С., Усов Д.Н. Решение проблемы хранения данных и быстродействия приложений при online обучении с использованием постреляционной СУБД Caché // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. - М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. - С. 78-88. - (0,7 пл., в том числе авторских 0,55 пл.).

2) Дорофеев A.C. Применение объектной технологии при построении обучающих курсов // Информационные технологии в образовании: Сб. трудов XII Междунар. конф. Часть IV. - М.: Просвещение, 2003. - С. 275-276. - (0,2 пл.).

3) Дорофеев A.C. Выбор объектно-ориентированной СУБД для программной оболочки дистанционного образования // Открытое образование. - 2004. -№3. - С. 55-62.-(0,5 пл.).

4) Дорофеев A.C. Структура обучающего курса и моделирование процесса обучения с использованием сетей Петри // Вестник ИрГТУ. - 2004. - №3. - С. 16-21.-(0,4 пл.).

5) Дорофеев A.C. Системный подход к описанию модели обучающего курса // Системный анализ в проектировании и управлении: Труды VIII-й Междунар. науч.-практ. конф. Часть 2. - СПб.: Нестор, 2004. С. 276-278. - (0,2 пл.).

6) Дорофеев A.C. Структура обучающего курса и моделирование процесса обучения с использованием сетей Петри // Современные информационные технологии в науке и образовании: Сб. докл. и тез. молодежной науч.-практ. конф. / Под общ. ред. A.M. Горленко. - Иркутск: ИрГТУ, 2004. - С. 87-88. - (0,1 пл.).

7) Дорофеев A.C. Моделирование процесса обучения с использованием сетей Петри // Компьютерное моделирование 2004: Труды V Междунар. науч.-техн. конф. Часть 2. - СПб.: Нестор, 2004. - С. 206-210. - (0,3 пл.).

8) Дорофеев A.C. Учет индивидуальных способностей обучающегося в системах дистанционного обучения // Применение новых технологий в образовании: Материалы XV Междунар. конф. - Троицк: Тровант, 2004. - С. 306-307. -(0,1 пл.).

9) Дорофеев A.C. Обучение и обучающий курс как системы // Системный анализ в проектировании и управлении: Труды IX Междунар. науч.-практ. конф. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. - С. 490-493. - (0,2 пл.).

Подписано в печать 16.01.2007. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. 63. Поз. 26н.

ИД №06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Введение.

Глава 1. Теоретические и методологические основы систем дистанционного образования.

1.1. Модели обучения при дистанционном образовании.

1.2. Обучение и обучающий курс как системы.

1.2.1. Обучение.

1.2.2. Обучающий курс.

1.3. Общие принципы построения обучающего курса.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методика моделирования обучающего курса.

2.1. Построение модели обучающего курса.

2.2. Описание предметной области курса.

2.3. Моделирование работы обучающей системы.

2.3.1. Использование сетей Петри.

2.3.2. Использование цепей Маркова.

2.4. Моделирование системы функционирования обучающего курса.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Программные средства для создания обучающих курсов.

3.1. Обзор и классификация программных средств для создания обучающих курсов.

3.2. Сравнение основных программных средств для создания обучающих курсов.

3.3. Особенности реализации предложенного подхода.

3.4. Объектно-ориентированная СУБД Caché.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Программная реализация обучающего курса.

4.1. База данных обучающего курса.

4.2. Реализация обучающей системы с использованием СУБД Caché.

4.3. Результаты опытной эксплуатации системы и обучающего курса.

Выводы по главе 4.

Современное образование - это не только результат обучения, воспитания и развития личности, но и результат самообучения и саморазвития личности [69].

В условиях реформирования системы образования особую актуальность приобретает проблема компьютеризации. Роль компьютера как средства обучения в образовательном процессе неуклонно растет, во-первых, из-за информационных, наглядных и других возможностей вычислительной техники и, во-вторых, из-за специфического воздействия на обучаемых. Построение процесса обучения с использованием программного обеспечения позволяет повысить внимание, степень усвояемости, индивидуализировать обучение, развить самостоятельность в овладении учебным материалом.

Лекционно-сессионная система обучения, господствующая на протяжении столетий в вузах, уже не вписывается в современную информационную цивилизацию [37]. Канал связи между лектором с мелом у доски и сотней студентов с рукописными конспектами слишком медленный, зашумленный, не обеспечивает передачу необходимого количества информации. Обучение с одинаковой для всех скоростью порождает привычку «жить весело от сессии до сессии», а преподаватели, ориентируясь на итоговый экзамен, вынуждены тщательно сокращать конспект лекций, с трудом покрывающий основные фрагменты программы. Лекционно-сессионная система обучения применяется и на заочном отделении в утрированной форме: те же еще более сокращенные лекции в период сессии и итоговый экзамен. Информатизация системы образования ведет к радикальному изменению сущности и организации процессов обучения и развития человека.

Характерной чертой открытого образования является свободный доступ к информационным ресурсам мира. Открытое обучение снимает пространственно-временные ограничения в работе с различными источниками информации, в реализации учебного плана, предоставляет обучающимся широкие возможности самоуправления и самоорганизации. В центре процесса обучения находится студент и его индивидуальная работа, то есть роль студента становится активной. Преподаватель, являющийся в системе директивного образования основным источником информации и единственным экспертом в системе открытого образования, становится советником и помощником студента в его самообразовании [30].

Применение в учебном процессе системы обучения позволяет систематически и оперативно оказывать обучаемому необходимую дидактическую помощь, выполнять непрерывный контроль за действиями обучаемого в процессе обучения, развивать познавательную активность и инициативу обучаемого, снизить долю непроизводительного труда преподавателя [63].

Основными целями разработки и внедрения новых методов обучения является увеличение эффективности труда преподавателей и повышение качества подготовки специалистов.

Особая актуальность создания в России системы дистанционного образования сегодня обусловлена целым рядом факторов. Среди них огромные территории и сосредоточие научно-технических центров в крупных городах, формирование новых потребностей населения по отношению к содержанию и технологиям образования, развитие рыночной экономики, усиление миграции населения и др.

Дистанционное образование - это универсальная форма обучения, базирующаяся на использовании широкого спектра как традиционных, так и новых информационных и телекоммуникационных технологий и технических средств [94]. При этом его необходимо рассматривать не как альтернативу очной форме получения образования, а как ее дополнение, позволяющее оптимизировать учебный процесс за счет предоставления разным категориям граждан различных образовательных услуг, наиболее полно удовлетворяющих их потребностям [90]. Развитие дистанционного образования в России позволит обеспечить населению нашей страны доступ к качественному образованию, а также даст возможность завоевать свое место на мировом рынке образовательных услуг.

В системе дистанционного образования в России нуждаются следующие группы населения: учащиеся средних школ в сельской местности, в поселках, маленьких городах; менеджеры различного уровня; руководители региональных органов управления; офицерский состав сокращающейся армии; уволенные и сокращенные лица, зарегистрированные в Федеральной службе занятости; лица, желающие повысить квалификацию в какой-либо области знаний; лица, желающие получить второе высшее образование или пройти переквалификацию; русскоязычное население в странах СНГ и дальнего зарубежья; лица с ограниченной свободой перемещения и инвалиды.

Развитие информационных телекоммуникационных сетей дает новый импульс системам дистанционного обучения (СДО), обеспечивает доступ к информации, хранящейся в различных уголках нашей планеты [95].

Новые аппаратные и программные средства, постоянно наращивающие возможности компьютера, переход в разряд анахронизма понимания его роли как вычислителя постепенно привели к вытеснению термина «компьютерные технологии» термином «информационные технологии». Под этим термином понимают процессы накопления, обработки, представления и использования информации с помощью электронных средств. Так, суть информатизации образования определяют как создание условий учащимся для свободного доступа к большим объемам активной информации в базах данных, базах знаний, электронных архивах, справочниках, энциклопедиях [100].

Следуя этой терминологии, можно определить информационные технологии обучения (НТО) как совокупность электронных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности. В состав электронных средств входят аппаратные, программные и информационные компоненты.

Несмотря на очевидную эффективность использования дистанционного обучения (ДО), не наблюдается массового применения курсов ДО. Этому способствуют несколько основных причин. Курсы ДО часто недоступны из-за своей дороговизны. Нет централизованной базы данных всех курсов дистанционного обучения и виртуальных библиотек, их приобретение требует определенной денежной суммы, не имеющейся в учреждениях образования.

В качестве основных факторов, мешающих использовать компьютеры в образовании, выделяются следующие: во-первых, дефицит компьютеров, удовлетворяющих современным требованиям, и обучающего программного обеспечения, отсутствие подготовленных преподавателей; во-вторых, то, что современные компьютерные и коммуникационные технологии внедряются в образовательные системы часто без необходимого педагогического осмысления и теоретической поддержки; в-третьих, нерешенность проблемы создания хороших приложений учебного и образовательного назначения, так как это очень трудоемкий процесс, требующий участия многих специалистов из разных отраслей (программистов, преподавателей, методистов, инженеров и др.), а установка их в сетях влечет за собой дополнительные проблемы, связанные с условиями их распространения.

Многие проблемы в компьютерном и дистанционном обучении не решены. И отечественные, и зарубежные специалисты по сей день утверждают, что применение компьютеров в образовательной сфере породило больше проблем, чем решило (Е.С. Полат, О.П. Околелов, В.В. Семенов, В. Адольф, J.R. Fredriksen, A. Collins, G.A. Hutchings, W. Hall и др.). Например, основными проблемами, возникающими при создании обучающих курсов и организации компьютерного и дистанционного процесса обучения с их использованием [13, 28, 36, 92], являются:

1) проведение системного анализа процесса компьютерного и дистанционного обучения, включая его моделирование и предложения по усовершенствованию;

2) построение учебного процесса с применением средств ВТ;

3) переработка курса с целью его использования при компьютерном обучении;

4) выбор информационных технологий для реализации поставленных педагогических и дидактических задач;

5) проектирование и реализация обучающего курса на основе современных информационных технологий;

6) осуществление контроля знаний, оценивание уровня закрепления умений и навыков при дистанционном (интерактивном) обучении и др.

Разработка мультимедийных обучающих курсов - довольно трудоемкая задача. В своем большинстве имеющиеся курсы представляют собой модель энциклопедии и не содержат обязательные разделы обучающего курса, такие как: общие сведения, предварительное тестирование, блок заданий и контроль усвоения разных уровней, словарь, справка. Курсы методически немо-дифицируемы, поэтому их использование затруднено для аналогичных дисциплин с разным объемом изучения.

Одним из способов решения данной проблемы является разработка программной оболочки для создания курсов ДО, которая должна содержать следующие компоненты: мультимедиа, средства контроля знаний (создание тестов, анализ результатов тестирования), справочно-поисковую систему, конструктор курсов.

На основании анализа специальной литературы выявлены нерешенные проблемы и определена тема работы: «Модель обучающего курса и реализация программной оболочки дистанционного обучения: системный и объектный подходы».

Актуальность работы обусловлена необходимостью постоянного повышения эффективности процесса обучения и контроля знаний, а также необходимостью разработки и апробации методов и средств, которые позволят существенным образом улучшить подготовку специалистов, в том числе и удаленно от места обучения.

В связи с развитием в нашей стране информационных технологий и Интернет возрастает роль дистанционного образования в общей системе вузовского образования. Это вызывает необходимость привлечения новых методов и технологий для организации обучения в условиях, когда обучаемый удален от места получения знаний. Последнее вызвано удорожанием проезда для лиц, получающих заочное образование, и невозможностью надолго покидать рабочие места.

В связи с этим необходимо разрабатывать математические модели и информационные технологии для развития общего подхода к построению обучающего курса. Такой общий подход позволит, настраивая его на конкретные задачи, получать наиболее удобные и полезные для обучаемого формы представления знаний без значительных затрат на разработку каждого отдельного курса.

Объектно-ориентированный подход, как наиболее современный, находит свое отражение и в разработке приложений, и в организации баз данных, необходимых для хранения информации наиболее эффективно и наименее избыточно.

Целью настоящего исследования является построение модели обучающего курса для повышения эффективности дистанционного (интерактивного) обучения за счет применения системного и объектного подходов на всех этапах проектирования, реализации и сопровождения обучающей системы и обучающего курса с возможностью накопления статистики обучения.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- Рассмотрение обучения и обучающего курса с позиций системного анализа и подхода.

- Усовершенствование математической модели обучающего курса.

- Разработка объектной модели обучающего курса и обучающей системы.

- Создание информационной модели обучающего курса и ее реализация на основе объектно-ориентированной СУБД Caché.

- Описание методики моделирования процесса обучения с использованием сетей Петри и цепей Маркова, сбора и обработки статистических данных, полученных в ходе обучения.

- Применение полученных моделей для реализации программного комплекса системы.

- Апробация программного комплекса на примере обучающего курса «Информатика и программирование».

Степень разработанности проблемы. Общие вопросы дистанционного обучения рассматриваются в работах многих отечественных авторов: О.П. Околелов, В.В. Семенов, В. Адольф, A.A. Андреев, В.И. Солдаткин, А.Г. Молибог, В.П. Тихомиров, В.Г. Леонов, А.И. Башмаков, В.Н. Барсуков, Т.П. Воронина, В.П. Кашицин, О.П. Молчанова и др.

Специализированным вопросам построения курса и управления процессом обучения уделено внимание в работах следующих авторов: В.В. Соловов (проектирование компьютерных систем), Е.С. Полат (модели дистанционного обучения), В.П. Беспалько (дидактические основы программированного обучения), А.И. Башмаков и И.А. Башмаков И.А. (разработка компьютерных учебников и обучающих систем), А.Ю. Потюпкин (моделирование процесса обучения на основе теории нечетких множеств), Г.С. Курганская (структура учебного курса, модели оценивания сложных структур знаний), А.П. Свиридов (математическое описание процесса обучения и контроля знаний), И.М. Горбаченко (моделирование процесса обучения), Н.Ф. Талызина (теоретические проблемы программированного обучения, управление процессом усвоения знаний) и др.

Зарубежный опыт по проблемам процесса обучения представлен в исследованиях таких авторов, как Holtmerg В, Kiyama М., Brusilovsky P., Miller Р., Lumsdaine A.A., Glaser R., Moore M.G., Kearsley G., Steven Ritter, Fredriksen J., Skinnerv B.F., Crowder N.A., Green E.J., Atkinson R.C., Bower G.H., Crothers E.J.h др.

Впечатляющий прогресс в развитии аппаратных и инструментальных программных средств ИТО предоставляет технические возможности для реализации различных дидактических идей. Однако, как показывает анализ литературы, отечественных и зарубежных компьютерных систем учебного назначения, ряд из них по своим дидактическим характеристикам нельзя назвать даже удовлетворительными [17, 46, 54], так как уровень качества продукта учебного назначения закладывается на этапе его проектирования при подготовке учебного материала для наполнения баз данных электронных учебников, при создании сценариев учебной работы с компьютерными системами моделирующего типа, при разработке задач и упражнений и т.п.

Разработка средств ИТО для поддержки профессионального образования осложняется еще и необходимостью хорошо знать содержание предметной области и учитывать присущую ей специфику обучения. Именно отставание в разработке методологических проблем, «нетехнологичность» имеющихся методик являются одними из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями ИТО [86].

Объектом исследования является учебный процесс в условиях современных информационных технологий, дистанционного (интерактивного) обучения.

Предметом исследования является объектно-ориентированная модель обучающего курса и обучающая система с ее использованием.

Научная новизна работы заключается в разработке математической и информационной моделей обучающего курса, основанных на объектно-ориентированном и системном подходах; методики эффективного создания многоуровневого обучающего курса. Рассмотренные в работе положения являются развитием одного из направлений в теории обучения - моделирования процесса обучения. Предложенный объектно-ориентированный подход к моделированию обучающего курса и процесса обучения, а также реализация таких моделей расширяют возможности при разработке методологической основы применения информационных технологий в процессе обучения. Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1) сквозной подход к проектированию и разработке обучающей системы на основе общесистемных принципов;

2) моделирование процесса обучения курсу «Информатика и программирование» с использованием сетей Петри и цепей Маркова для расчета вероятностных характеристик процесса обучения;

3) объектно-ориентированный подход к построению модели обучающего курса, позволяющий эффективно хранить и использовать такие объекты, как: курс, частично представляемый сетью Петри; трек обучения (траектория обучаемого по сети Петри); тезаурус обучаемого и модель текущих знаний; профиль курса, строящийся на основе данных, хранящихся в треках, и позволяющий анализировать спроектированный курс с применением теории цепей Маркова и корректировать его с целью повышения эффективности процесса обучения;

4) программная реализация оболочки для построения обучающего курса и проведения процесса обучения на базе СУБД Caché, поддерживающая объектно-ориентированный подход, с использованием CSP-технологии, позволяющей создавать быстродействующие, хорошо масштабируемые и легко сопровождаемые Web-приложения;

5) программный комплекс для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая разработка данной темы позволила, используя известный математический аппарат сетей Петри и цепей Маркова, применить их для моделирования и анализа процесса обучения курсу: модель курса представляется сетью Петри, процесс обучения отдельных обучаемых хранится в треках обучения, на основе которых строится профиль курса, показывающий, как курс воспринимается обучаемыми, и позволяющий получать с использованием теории цепей Маркова вероятностные характеристики процесса обучения и среднюю трудоемкость, необходимые для эффективной модификации курсов; а практическая реализация на базе современной СУБД Caché дала инструмент для построения обучающих курсов и эффективной организации дистанционного (интерактивного) обучения с возможностью его индивидуализации. Разработанный программный комплекс прошел опытную эксплуатацию и внедрен в Институте экономики ИрГТУ и может быть использован для создания обучающих курсов и проведения обучения с их использованием (акт - в Приложении 3).

Основные методы и средства исследования поставленной задачи: системный анализ, современные CASE-средства, математический аппарат теории сетей Петри, цепей Маркова, теории вероятностей и математической статистики, объектно-ориентированный подход к проектированию и программированию.

Апробация работы. Работа выполнялась на кафедре вычислительной техники и кафедре технологии машиностроения. Основные положения проведенных исследований докладывались на Всероссийской конференции «Роль информационных технологий при обучении на программе МВА» (2003, Москва, МЭСИ), на международной конференции «Информационные технологии в образовании» (2003, Москва, МИФИ); молодежной научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке и образовании» (2004 г., Иркутск, БГУЭП); на международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2004, Санкт-Петербург, СПбГПУ); обсуждались на объединенном семинаре кафедр вычислительной техники, автоматизированных систем, информатики, технологии машиностроения (2006, Иркутск, ИрГТУ), на семинаре кафедр информационных технологий и системотехники (2006, Красноярск, СибГТУ).

Личный вклад автора. Автором с позиций системного анализа рассмотрен обучающий курс как компонент системы дистанционного образования; спроектирована объектная модель курса с использованием современного объектно-ориентированного CASE-средства Rational Rose; на основе материалов работы [27] доработана и предложена модель обучающего курса, которая должна облегчить создание и сопровождение разрабатываемых курсов с применением теории сетей Петри; приведено вероятностное описание процесса обучения курсу (разделу курса) с использованием математического аппарата цепей Маркова, дающее априорные оценки некоторых характеристик процесса обучения, которые можно в дальнейшем уточнять в процессе реального обучения; разработан программный комплекс, позволяющий создавать обучающие курсы и проводить дистанционное (интерактивное) обучение с его использованием на базе постреляционной СУБД Caché с применением CSP-технологии; создано приложение для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшего усовершенствования.

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ в виде статей и докладов. Общий объём публикаций по исследуемой проблематике составляет 2,55 п.л.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих работах:

1) Дорофеев A.C., Сосинская С.С., Усов Д.Н. Решение проблемы хранения данных и быстродействия приложений при online обучении с использованием постреляционной СУБД Caché // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. -М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. - С. 78-88.

1) Дорофеев A.C., Сосинская С.С., Усов Д.Н. Решение проблемы хранения данных и быстродействия приложений при online обучении с использованием постреляционной СУБД Caché // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. -М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. - С. 78-88. - (0,7 п.л., в том числе авторских 0,55 п.л.).

2) Дорофеев A.C. Применение объектной технологии при построении обучающих курсов // Информационные, технологии в образовании: Сб. трудов XII Междунар. конф. Часть IV. - М.: Просвещение, 2003. - С. 275-276. -(0,2 п.л.).

Выводы по главе 4

В четвертой главе приведено описание архитектуры системы на основе приведенной модели; представлена инфологическая модель системы, которая обеспечивает поэтапное конструирование курса, а также описаны результаты опытной эксплуатации системы и обучающего курса «Информатика и программирование».

Сравнение расчетов с наблюдениями за реальным учебным процессом показывает качественно верное описание учебного курса и процесса обучения с помощью предложенных моделей.

Использование СДО в процессе обучения сократит время на проверку знаний студентов и позволит сократить время изучения теоретического материала. Для студентов дневной формы обучения желательно совмещать обычные занятия с занятиями в обучающей системе с целью развития познавательной активности и инициативы обучаемого, снижения доли непроизводительного труда преподавателя.

Заключение

Дистанционное обучение как одна из форм получения образования, по убеждению автора, сегодня может помочь решить задачи, стоящие перед системой образования, по предоставлению широким слоям населения доступного и качественного образования в современных социально-экономических условиях России. Объектно-ориентированный подход к проектированию обучающего курса и обучающей системы в целом, а также практическая реализация инструмента для построения курсов на базе современной СУБД Caché и проведения обучения с возможностью его корректировки по результатам обучения позволят эффективно организовать ДО.

Основными результатами данной работы являются следующие:

1) Рассмотрены обучение и обучающий курс с позиций системного анализа и предложен набор подсистем, необходимых для функционирования обучающей системы.

2) Спроектирована объектная модель курса с использованием современного объектно-ориентированного CASE-средства Rational Rose.

3) Предложена модель обучающего курса, включающая такие объекты, как трек и тезаурус обучаемого, профиль курса, модель текущих знаний.

4) Применена теория сетей Петри к моделированию процесса обучения и использован аппарат цепей Маркова для получения вероятностных оценок характеристик процесса обучения курсу «Информатика и программирование».

5) Разработана оболочка дистанционного (интерактивного) обучения на основе СУБД Caché с использованием сквозного подхода к проектированию для создания обучающих курсов и проведения обучения.

6) Разработано приложение для расчета и наглядного представления вероятностей достижения различных этапов процесса обучения с целью оценки эффективности обучающего курса и его дальнейшей модификации.

7) Система обучения внедрена в учебный процесс в Институте экономики ИрГТУ для изучения курса «Информатика и программирование».

1. Аксенов М.В. Технология разработки экспертно-обучающих систем, ориентированных на обучение точным дисциплинам. Дис. . канд. тех. наук. СПб, 2004.- 110 с.

2. Алексеев А.Н., Волков Н.И., Майорова Т.А. К вопросу о повышении достоверности оценки при тестовом контроле знаний // Открытое образование. 2004. -№3. - С. 27-32.

3. Анастази А. Психологическое тестирование // М.: Педагогика, 1982. кн.1. -320с., кн.2,-336 с.

4. Андреев A.A. Дидактические основы дистанционного обучения // http://www.eit.mesi.ru/br/ogl-b.htm

5. Андреев A.A., Березкин Д.В., Кантонистов Ю.А. Объектные СУБД: состояние и перспективы // Электронное издательство, http://www.inteltec.ru/publish.

6. Андреев A.M., Березкин Д.В., Кантонистов Ю.А. Выбор СУБД для построения информационных систем корпоративного уровня на основе объектной парадигмы // СУБД. 1998. - № 4-5. - С. 26-50.

7. Андреев A.M., Березкин Д.В., Кантонистов Ю.А. Среда и хранилище: ООБД // Мир ПК. 1998. - №4. - С. 74-81.

8. Андреев A.M., Березкин Д.В., Самарев P.C. Внутренняя организация ОСУБД на примере Versant, Poet, ODB-Jupiter // http://www.citforum.ru/seminars/cbd2001/day22versant.shtml

9. Архангельский С.И. Учебный процесс в высшей школе, его закономерные основы и методы. М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

10. Ю.Аткинсон Р., Бауэр Г., Кротерс Э. Введение в математическую теорию обучения. М.: Мир, 1969. - 486 с.

11. П.Афанасьев В.Г. Системность и общество. М.: Политиздат, 1980. - 368 с.

12. Баляева С.А., Углова А.Н. Проектирование модели обучения на основе системно-деятельного подхода // Системный анализ в проектировании иуправлении: Труды VII Междунар. науч.-практ. конф. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003.-С. 614-615.

13. Башмаков А.И, Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 2003.-616 с.

14. Башмаков А.И, Башмаков И.А. Технология и инструментальные средства проектирования компьютерных тренажерно-обучающих комплексов для профессиональной подготовки и повышения квалификации. Ч. 1 // Информационные технологии. 1999. - №6. - С. 40-45.

15. Беспалько В.П. Основы теории педагогических систем. Воронеж: Изд-во Воронеж, ун-та, 1977. 303 с.

16. Беспалько В.П. Программированное обучение (дидактические основы). -М.: Высш. шк., 1970.-300 с.

17. Борк А. Компьютеры в обучении: чему учит история // Информатика и образование. 1990. - №5. - С. 110-118.

18. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.

19. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложения на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. М.: Бином, СПб: Невский диалект, 1998. - 560 с.

20. Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1998. -176 с.

21. Вендров A.M. Практикум по проектированию программного обеспечения экономических информационных систем: Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2002. - 192 с.

22. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. - 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2000. - 383 с.

23. Виноградов В.А., Карпов В.И. Проблемы автоматизации процесса управления обучением // Системный анализ в проектировании и управлении:

24. Труды VIII Междунар. научн.-практ. конф. СПб.: Нестор, 2004. - С. 250253.

25. Вовк С.П. Описание объекта «педагог-студент» как системы // Системный анализ в проектировании и управлении: Труды VII Междунар. научн.-практ. конф. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. С. 606-608.

26. Воронина Е.Д. и др. Управление гибкими производственными системами. Модели и алгоритмы. -М.: Машиностроение, 1987. 368 с.

27. Воронов C.B. Разработка программно-инструментальных средств анализа структурных и поведенческих свойств сетей Петри // http://www.festu.ru/rn

28. Гапанюк Ю.Е. Модель описания обучающего пространства автоматизированного учебного курса. Материалы сайта http://iu5.bmstu.ru

29. Горбаченко И.М. Методы моделирования процесса обучения и разработка интерактивных обучающих курсов. Автореф. дис. . канд. тех. наук. Красноярск, 2001. 22 с.

30. Горбунов-Посадов М.М. Расширяемые программы. М.: Полиптих, 1999. -336 с.

31. Гузик В.Ф., Гармаш А.Н., А.И. Костюк. Компьютерное тестирование для системы открытого образования // Компьютерное моделирование 2004: Труды 5-ой Междунар. научн.-практ. конф. Ч. 2. СПб.: Изд-во Нестор, 2004.-С. 184-193.

32. Джен Л. Харрингтон. Проектирование реляционных баз данных. Просто и доступно. М.: Лори, 2000. - 230 с.

33. Евгенев Г.Б. Интеграция прикладных систем на основе баз знаний // Программные продукты и системы. Приложение к Международному журналу «Проблемы теории и практики управления». 2005. - №3. - С. 42-46.

34. Игнатова И.Г., Соколова НЛО. Электронный учебный план как основа интеграции компьютерных средств обучения в системе ОРОКС // Открытое образование. 2004. - №3. - С. 51-54.

35. Каган В.И., Сычеников И.А. Основы оптимизации процесса обучения в высшей школе (Единая методическая система института: теория и практика). -М.: Высш. шк., 1987. 143 с.

36. Калмыков A.A. Система открытого образования // Системный анализ в проектировании и управлении: Труды VII Междунар. научн.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - С. 597-598.

37. Калянов Г.Н. CASE структурный и системный анализ (автоматизация и применение). -М.: Изд-во «ЛОРИ», 1996.-242 с.

38. Кватрани Т. Rational Rose 2000 и UML. Визуальное моделирование. М.: ДМК Пресс, 2001.- 176 с.

39. Кемени Дж. И Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1970. - 272 с.

40. Кинжалин A. BPwin инструмент системного анализа // http://www.ci.ru

41. Кириллов В.В. Основы проектирования реляционных баз данных. Учебное пособие // http://www.citforum.ru.

42. Кирстен В., Ирингер И., Рёриг Б., Шульте П. СУБД Caché: объектно-ориентированная разработка приложений. СПб, «Питер», 2001. - 384 с.

43. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 160 с.

44. Кревский И.Г. Виртуальные практикумы для открытого образования // Телематика 2002: Труды Всероссийской науч.-метод, конф. СПб: СПбГИТМО, М.: ГосНИИ ИТТ «Информатика», 2002.

45. Кривошеев А.О. Проблемы развития компьютерных обучающих программ // Высшее образование в России. 1994. - №3. - С. 12-20.

46. Лебеденко Е.А. Разработка и исследование компьютеризированной системы процесса обучения и контроля знаний персонала Запорожской атомной электростанции. Автореферат магистерской выпускной работы, Донецк, 2002.

47. Леднев B.C. Содержание образования: Уч. пособ. М.: Высш. шк., 1989. -360 с.

48. Лескин A.A., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. Л.: Наука, 1989. - 133 с.

49. Липаев В.В., Костогрызов А.И. Качество программного обеспечения. -М.: Финансы и статистика, 1983. 123 с.

50. Ломазова И.А. Вложенные сети Петри: моделирование распределенных систем с объектной структурой. М.: Научный мир, 2004. - 208 с.

51. Маклаков C.B. BPwin и ERwin. CASE-средства разработки информационных систем. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. - 256 с.

52. Машбиц E.H. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. -М.: Педагогика, 1988. 191 с.

53. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. М.: Мир, 1987. - 608 с.

54. Модели обучения в дистанционном образовании. Материалы сайта http://kampi.bancorp.ru

55. Материалы http://onutc.ru/help/articles/distl .htm бО.ОРОКС // www.mocnit.miee.ru/mocnit/contentdnasoroks.htm 61.Основные объектные коммерческие СУБД //http://www.osp.ru/dbms/1998/04-5/02tab4.htm

56. Павлова И.Н., Тюрина О.И., Федорова C.B. Модульный подход к обучению как основа дистанционного математического образования // Информационные технологии в образовании: Сб. трудов XII Междунар. конф. Часть V. -М.: Просвещение, 2003. С. 104-105.

57. Пасхин E.H., Митин А.И. Автоматизированная система обучения Экстерн. М.: Изд-во Моск. ун-та., 1985. - 144 с.

58. Петрик Е.А., Тельнова Т.Ю. Методика проектирования современных учебных материалов // Роль информационных технологий при обучении на программе МБА: Тез. докл. М.: Издательский центр МЭСИ, 2003. - С. 168-172.

59. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984.-264 с.

60. Позин Борис, Кумсков Михаил. Решения Rational Software. Проектирование, создание и сопровождение информационных систем // Компьютер-пресс.-2001. №4.-С. 149-152.

61. Полат Е.С. Модели дистанционного обучения // http://www.ioso.ru

62. Поляков А.О., Семёнов И.А. Представление знаний и объектно-ориентированная СУБД Caché // http://www.inftech.webservis.ru.

63. Попов В.В. Дистанционное образование в свете креативной педагогики // Дистанционное образование. 1997. -№2 - С. 13-18.

64. Рамодин Дмитрий. Купи себе немножечко CASE // Мир ПК. 1999. - №4. -С. 68-72.

65. Ревунков Г.И. и др. Базы и банки данных и знаний / Г.И. Ревунков, Э.Н. Самохвалов, В.В. Чистов; под ред. В.Н. Четверикова. М.: Высшая школа, 1992.-367 с.

66. Розенберг Н.М. Проблема измерений в дидактике. М.: Высшая школа, 1979.- 175 с.

67. Российский рынок систем дистанционного обучения: конкуренты только начинают узнавать друг друга // http://www.websoft.ru/db/wb/ C8897F65BAE4FDC3C3256C240025863B/doc.html

68. Рузайкин Г.И. Постреляционная СУБД Caché // http://www.osp.ru

69. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993.-320 с.

70. Свиридов А.П. Основы статистической теории обучения и контроля знаний: Метод, пособие. М.: Высшая школа, 1981. - 262 с.

71. С ДО «ДОЦЕНТ» // http://www.uniar.ru/dt-docent.shtml

72. Семенов В.В. и др. Компьютерные технологии в дистанционном обучении.-М., 1997.-257 с.

73. Сергеенко И.В. Эффективность разработки и применения пакетов программ // Кибернетика. Становление информатики. М.: Наука, 1986.

74. Сиротюк Олег. Отличительные особенности СУБД Caché // http://www.citforum.ru81 .Система Прометей // http://www.prometeus.ru

75. Системы ДО в России и за рубежом // http://www.eduhmao.ru

76. Скибицкий Э.Г. Дидактическое обеспечение процесса дистанционного обучения // Дистанционное образование. 2000. - №1. - С. 21-25.

77. Скибицкий Э.Г. Принципы построения компьютерной поддержки для дистанционного обучения // Дистанционное образование. 2004. - №3. -С. 8-11.

78. Советов Б. Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для вузов по спец. «Автоматизированные системы управления». М.: Высш. шк., 1985. -271 с.

79. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. Самара: СГАУ, 1995. - 138 с.

80. Соловьев В.А. Дидактический анализ проблематики электронного обучения. IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies. -Казань: КГТУ, 2002. С. 212-216.

81. Сосинская С.С. Проектирование объектов визуализации для обучения и решения задач // Интеграция фундаментальной науки и высшей школы в устойчивом развитии Сибири: Тез. докл. Иркутск, 2001. - С. 56-57.

82. Спицнадель В.Н. Основы системного анализа: Учеб. пособ. СПб.: Бизнес-пресса, 2000. - 326 с.

83. Стрюков М.Б., Григорьева Ю.Ю. Опыт использования дистанционных образовательных технологий в учебном процессе РКСИ // Высшее образование в России. 2004. - №3. - С. 76-80.

84. Сысоева JI.A. Построение логико-семантической модели структуры содержания дисциплины при формировании теста // Применение новых технологий в образовании: Материалы XV Междунар. конф. Троицк, 2004. -С. 332-335.

85. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний. М.: Изд-во Моск. ун-та., 1975. - 343 с.

86. Терещенко Л.Я., Панов В.П., Майоркин С.Г. Управление обучением с помощью ЭВМ. JI.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. - 168 с.

87. Тихомиров В.П. Основные принципы построения системы дистанционного образования России // Дистанционное образование, 1998. №1.

88. Тихонов А.Н., Иванников А.Д. Технологии дистанционного обучения в России // Высшее образование в России. 1994. - №3. - С. 3-10.

89. Ульянов Д.А. Марковская модель адаптивного тестирования и ее программная реализация в условиях дистанционного обучения. Автореф. дис. . канд. тех. наук. Иркутск: ИрГТУ, 2005. - 16 с.

90. Федоров В.А. Постреляционная эра: реляционная или объектная? // www.intersystems.ru.

91. Федотова Д.Э., Семенов Ю.Д., Чижик К.Н. CASE-технологии: Практикум. М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 160 с.

92. Хоменко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учеб. для вузов / под ред. Проф. А.Д. Хоменко СПб.: КОРОНА-принт, 2000. - 416 с.

93. Христочевский С.А. Информатизация образования // Информатика и образование. 1994. - №1. - С. 13-19.

94. Цепи Маркова // http://www.statsoft.ru

95. Чанин Петр. СУБД Caché выходит на рынок // http://www.prbank.ru

96. Штрик A. CASE: автоматизированное проектирование программного обеспечения // Монитор. 1992. - №4. - С. 4-6.

97. Brusilovsky P. Adaptive and Intelligent Technologies for Web-based Education // Special Issue on Intelligent Systems and Teleteaching, Rollinger and C. Peylo (eds.), Konstliche Intelligenz, p. 19-25.

98. Codd E.F. A Relational Model for Large Shared Data Banks. Commun. ACM, Vol. 13, No.6, June 1970, p. 377-387.

99. Kabassi, K., & Virvou M. Using Web Services for Personalised Web-based Learning. Educational Tech-nology & Society, 6(3), 2003, 61-71.