автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Модели и алгоритмы поддержки принятия решения в задаче адаптивного управления качеством педагогической системы

На правах рукописи

ФЕДЮНИН Максим Леонидович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ В ЗАДАЧЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.13.10 -Управление в социальных и экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ 2012

Воронеж - 2012

005018981

Работа выполнена в Воронежском институте высоких технологий - автономной некоммерческой образовательной организации Высшего профессионального образования

(ВИВТ-АНОО) и

Федеральном государственном казенном военном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» Министерства обороны Российской Федерации (ВАИУ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сербулов Юрий Стефанович

Официальные оппоненты: директор Центра информационно-образовательных технологий

ГБОУ ВПО МГЛУ, профессор кафедры прикладной информатики в управлении, доктор технических наук, профессор Дикарев Владимир Анатольевич

руководитель Центра маркетинга, мошггорирования кадровых

ресурсов и связи с практическим здравоохранением ВГМА

им. H.H. Бурденко

доктор технических наук, доцент

Князева Татьяна Никитична

Ведущая организация - Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита диссертации состоится «23» мая 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационное совета ДМ 521.019.01 при НОУ ВПО «Российский новый университет» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского нового универси тета.

Автореферат разослан « /1» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 521.019.01, кандидат физико-математических наук, доцент Д В. Растягаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реформирование высшей школы, переориентация образования на личностное, компетентностное развитие, а также снижающийся год от года общеобразовательный уровень абитуриентов требуют разработки таких технологий обучения, которые позволят будущим специалистам не только овладеть специальностью, но и раскрыть, реализовать свой творческий потенциал. В связи с этим для учебных заведений становится актуальной проблема организации адаптивного управления педагогическим процессом, уровня его руководства и планирования, форм и методов обучения, восприятия педагогических воздействий, адаптации преподавателей и обучающихся к процессу обучения. Педагогические системы (ПС) относятся к классу сложных социальных систем.

Проблемам повышения качества подготовки специалистов и совершенствования управления педагогическим процессом в настоящее время посвящены исследования многих ученых (Акоффа Р.Л., Зимней И.А., Колосовой Л.А., Леоновой О.О., Макаровой Л.В., Попова В.Б., Рогозина В.Д., Родионова Б.У., Селезневой H.A., Симонова В.П., Субетто А.И., и др.). Однако при наличии большого количества исследований и рекомендаций по управлению педагогическим процессом, их внедрение в практику учебных заведений на сегодняшний момент еще не носит системного характера. Это обусловлено недостаточной разработанностью теоретических основ и методов организационного обеспечения управления качеством ПС. Не нашли должного отражения в исследованиях и требуют дополнительного изучения вопросы поиска рациональных организационных структур ПС для реализации дуального управления (преподаватель - обучающийся), адаптации управления профессиональной подготовкой лиц с пониженной восприимчивостью к обучению, создания условий для их развития.

Возникают проблемные вопросы системного моделирования по разработке моделей и алгоритмов структуризации отношений и правил принятия решения на множестве информации, полученной в результате мониторинга ПС, а также развитие сценариев педагогического взаимодействия активных элементов ПС, позволяющее повысить эффективность управления, определить стратегию и тактику с точки зрения уменьшения расходов и увеличения уверенности в надежности управляющих воздействий.

Диссертационная работа выполнена в ВИВТ в рамках госбюджетной НИР по теме «Моделирование информационных технологий; разработка и совершенствование методов и моделей управления, планирования и проектирования технических, технологических, экономических и социальных процессов и производств» (№ гос. регистрации 01.2005.2305). Педагогический эксперимент проводился на базе ВАИУ. Результаты технических и экспериментальных исследований выполнены на основании Федеральной программы "Реформирование системы военного образования в Российской Федерации на период до 2010 года", утвержденной Постановлением Правительства РФ от 27 мая 2002 г. № 352 и использованы в НИР «Эврика», «ИКТ - ВУЗ», заданных Направлением военного образования ВВС РФ.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения, позволяющего адаптировать педагогический процесс к возможностям обучающихся и повысить эффективность их профессиональной подготовки.

Для ее реализации необходимо решение следующих задач:

1.Провести анализ современного оосгояния моделирования и адаптивного управления качеством ПС.

2.Провести системное моделирование, декомпозицию и построить структурные модели мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

3.Разработать информационные технологии (ИТ) мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

4.Построить модели и алгоритмы поддержки принятия решений в задаче адаптивного управления качеством ПС.

5.Разработать математическое и программное обеспечение, реализующее построенные модели и алгоритмы в виде пакета прикладных программ (111111) и провести его апробацию и внедрение на конкретных примерах адаптивного управления качеством ПС.

Объект исследования. Педагогическая система учебного заведения.

Предмет исследования. Модели и алгоритмы адаптивного управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения.

Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании методов: системного анализа, теории управления, экспертных систем, корреляционного анализа, теории информации, проектирования информационных и педагогических систем, теории графов, структурных матриц Шатихина, выбора и принятия решения, теории нечетких множеств, математического моделирования и программирования.

Научная новизна: разработаны модели и алгоритмы управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения, позволяющего адаптировать педагогический процесс к возможностям обучающихся, обладающие следующей научной новизной:

1. Структурная модель поведения ПС, основанная на теоретико-множественном описании функционирования систем, в которой используются такие системные категории как время, состояние, функция, процесс, позволяющая, в отличие от известных, определить условия, при которых ПС развивается, стагнирует, что дает возможность прогнозировать конечные результаты в конкретных ситуациях функционирования ПС.

2. Информационная технология причинно-следственного анализа состояния качества связи между активными элементами ПС, позволяющая выявить параметры, наиболее вероятно послужившие причинами возникновения конфликтных ситуаций в ПС.

3. На основе полученных и оптимизированных, в отличие от известных, по оценочным критериям полезности (функция полезности), устойчивости (коэффициент потери информации) и целеустремленности (приоритет целевой связи преподаватель — цель обучения) организационных структур ПС предложены 40 алгоритмических правил, образующих основу для нечетких алгоритмов планирования в каждой конкретной ситуации управляющих воздействий и уровней регулятивное™ преподавателей и проводимости обучаемых.

4. Построенная модель поддержки принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС отличается от известных тем, что в качестве переменных используется нечеткие условные высказывания, моделирующие рассуждения человека.

5. Предложенные нечеткие алгоритмы основаны на разработанной семантике логико-лингвистической модели поддержки принятия решения, включающей систему утверждений отображения исходного представления о функционировании ПС, базовую систему правил вывода и обеспечивающей порождение всех истинных в модели утверждений.

Выносятся на защиту:

- структурные модели мониторинга и адаптивного управления качеством ПС;

- информационные технологии мониторинга и адаптивного управления качеством ПС;

- модели и алгоритмы принятия решений в задаче адаптивного управления качеством ПС;

- результаты педагогических и вычислительных экспериментов, внедрения.

Практическая значимость работы заключается: 1) в разработанных инструментальных

средствах в виде предметно-ориентированных моделей, алгоритмов и программного обеспечения, реализованных в структуре автоматизированной системы адаптивного управления качеством ПС, которая позволяет адаптировать темп подачи и сложность материала к уровню подготовки обучающихся, 2) уменьшении субъективизма и снижении затрат времени на принятие решения по адаптивному управлению качеством ПС, 3) повышении качества личностной, компетентностной подготовки специалистов.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику управления образовательным процессом в ВАИУ, в практику управления профессиональной подготовкой войсковых частей 10866, 06728, 40383 (г. Екатеринбург). Эффект от внедрения выражен в оптимизации управления образовательным процессом с целью повышения качества профессионального обучения и в реализации применения новых информационных технологий в организации учебного процесса.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.13.10 - «Управление в социальных и экономических системах», специальность, занимающаяся проблемами разработки и применения методов теории управления к задачам управления в социальной и экономической сферах, включая области образова-

ния, права, обороны, здравоохранения и т.д в диссертационном исследовании разработаны модели и алгоритмы управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения, позволяющего адаптировать педагогический процесс к возможностям обучающихся и повысить эффективность их профессиональной подготовки.

В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами проведенное исследование соответствует следующим пунктам области исследования: 3. Разработка моделей описания и оценок эффективности решения задач управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 4. Разработка методов и алгоритмов решения задач управления и принятия решений в социальных и экономических системах; 9. Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации экономических и социальных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва. 2005г.); IV международной научно-практической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2006), XIII международной конференции в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2007), Международной научной конференции МАТИ (Москва, 2010), Всероссийской конференции в ВГТУ (Воронеж, 2006), Всероссийской научно-практической конференции в ВВВАИУ (ВИ) (Воронеж, 2007), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи (Воронеж, 2011), на XXVIII Российской школе (Екатеринбург, 2008), на научных семинарах кафедры информационных систем и технологий ВИВТ.

По результатам работы в федеральной службе Роспатент зарегистрированы программы для ЭВМ «Адаптивная автоматизированная обучающая система» и «MAXIMUM».

Работа удостоена золотой медали Минобрнауки РФ за лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ, диплома Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ в области электронного обучения в 2010 году г. Белгород. По результатам конкурса на лучшие научные работы, выполненные представителями органов военного управления, воинских частей и организаций Вооруженных Сил России автору объявлена «Благодарность» от Министра обороны РФ от 16.12.2010 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях из списка ВАК Минобрнауки РФ, общим объемом 261 с. (лично автором выполнено 191 е.). Основное содержание работы изложено в 14 публикациях, список которых приведен в конце автореферата. В работах опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении цели и задач работы, разработке: технологии управления качеством ПС, комплекса моделей адаптивного управления качеством ПС, ИТ мониторинга и управления качеством ПС, программной реализации, методики поддержки принятия решений в задаче адаптивного управления качеством ПС и их внедрения в учебный процесс.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 120 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста (основной текст занимает 140 страниц), содержит 38 рисунков и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, цель и задачи работы, научная новизна полученных результатов и их практическая значимость.

В первой главе проведен анализ факторов, влияющих на управление качеством ПС, а также сущность и структуру управления качеством ПС и ее информационные основы. Специфическими признаками ПС является наличие целей и управления, что позволяет считать их системами с активным поведением. Цель ПС заключается в осуществлении перехода «абитуриент» - «специалист» и динамическом развитии потенциала обучаемых. К числу важнейших свойств ПС следует отнести устойчивость, управляемость, адаптивность, иерархический принцип организационного строения. Это позволяет отнести ПС к подклассу кибернетических систем и исследовать в них процессы как процессы социального управления.

Управление качеством ПС должно быть организованно на следующем уровне: отдельного обучающегося, учебной группы, курса, факультета, вуза. Следовательно, для этого необходима многоуровневая система оценки качества ПС, обеспечивающая интегрированный сбор, обработку и обобщение данных. В настоящее время ощущается недостаток в ИТ, позволяющих с многоцелевых позиций обеспечить релевантность поиска и обработки информации в задаче управления качеством ПС. Современные подходы к разработке ИТ, основанные на использовании теории систем, оптимизации и принятии решений, экспертных систем и др., позволяет организовать взаимодействие активных элементов ПС более эффективно.

Существующие методы синтеза и анализа систем управления качеством ПС основаны на методике, предложенной Рогозиным В.Д., и базируются на понятиях «проводимость объекта» и «регулятивность субъекта», «качество связи», при этом в качестве единицы количества информации принималась условная информационная единица, под которой понимается количество информации, передаваемой без потерь и искажений по «идеальному» каналу в течение одного управленческого цикла, что существенно ограничивает использование данной методики. Недостаточность использования современного математического аппарата, инструментальных средств и программного обеспечения, адекватно описывающих реальное взаимодействие активных элементов ПС, приводит к уменьшению его эффективности.

Вторая глава посвящена математическому моделированию и разработке информационных технологий формирования структуры педагогической системы.

В п.2.1 предложенная схема моделирования структуры ПС, основанная на теоретико-множественном описании функционирования системы, выражает динамический подход, в котором используются такие категории как время, состояние, функция, процесс и пр. Определены условия, при которых ПС развивается, стагнирует.

Основными этапами моделирования являются построение структурной, функциональной и развивающей моделей ПС, которую можно представить как упорядоченную пару

5=<Л/Л>, где М={т,: '1 е I = {1,2.....,1},1 = {1,23,,...}} - есть конечное множество элементов,

а е J = {1,2.....= 1,2,...2}, - конечный (^-элемент) класс отношений опреде-

ленных на множестве М. В основу структурного описания ПС положим принципы: 1) для ПС определена ее системная окружающая среда; 2) ПС разделена на подсистемы (например, по признаку различных реализуемых функций), а класс отношений Я - на множестве элементов системы образуют ее структуру тогда и только тогда, когда существует хотя бы одно отношение, эквивалентное на множестве М. Функциональная модель (описание) выражает динамический подход к определению ПС, в котором используются такие категории как время, состояние, функция, процесс и пр. При этом предполагается, что существует структурное описание ПС и что «существование системы во времени» характеризует пространство системного времени Т, которое является суммой времени собственных подсистем системы.

Состояние ПС описывает вектор, определяющий внутреннее состояние системы, состояния входов и состояния выходов в данный момент системного времени, которому приписано целое число (номер состояния): а : X - У - 2 -Т —» Г2 , где количество определенных состояний системы. На множестве состояний системы выделяем подмножества следующих состояний: целевых (желательных) О , критических (нежелательных) и «нормальных»

О'- таких, чтоГ2* Г2° П'=Г2 и П* ^ ГУ=®. Таким образом, можно ска-

зать, что целью функционирования ПС является реализация определенных процессов (функций), доведение в назначенное время к некоторому желаемому состоянию или принятие таких мер, чтобы ПС не достигла нежелательных с определенной точки зрения состояния.

Структурой ПС называем = (X ,Г,(5(/0),5(/ДД(*0,/4)). Ее описание равносильно определению ее структуры ¿'я, в которую входят элементы: Х-множество входов (факторов функционирования); Т-период функционирования системы 10<1ь'о,Н е Т; (ц)=гЛ¿УС10)); зьк)=(б^о^еоо):^0 о.'0=^^(Ъь); ^ е V, где \-(1п)м>к) - эффекты функционирования в моменты времени /оЛ. Функционирование ПС можно описать такими качественными ха-

рактеристиками: если X cz Y , функционирование проходит под влиянием окружающей среды; если X С Y, то в ПС наблюдается саморазвитие; если X С Y хУ, то функционирование происходит под влиянием окружающей среды и саморазвития.

Анализируем эффекты, полученные ПС в результате функционирования, выделяем следующие случаи: если Л v(toJk)~0, то функционирование ПС не дает эффектов - наступает стагнация; при А v(to,tk)>0 функционирование системы дает положительные эффекты - система прогрессирует; когда Av(t0,tt)<(), функционирование ПС дает общее снижение эффективности, иначе говоря, наступает регресс. Кроме того, ПС возможно функционирование как взрывчатого ^вида, т.е. возможен такой момент времени t, при котором Л v(t0,t j« А v(t ,t)J,to<t <th так и функционирование катастрофического вида, когда А v(to,t)» А v(t*,ti),to<t*<tt- Прогнозом функционирования ПС назовем вероятность события, при котором в момент 4 система эффекты величиной vf/^=vt:6 Vt cz V, т.е. pk(tt). Согласно выше разработанной схемы моделирования, мы получили возможность прогнозирования конечных результатов тех или иных направлений функционирования ПС.

В п.2.2 разработаны и предложены модель, алгоритм выбора оптимальной структуры ПС на множестве условных объединений ее элементов. Будем считать, что ЛПР может оценить все свойства каждой структуры ПС с помощью вектора критериев эффективности: К = {К], ... , К,,, ... , KJ. Имеющееся у ЛПР описание /-той структуры ПС можно представить в виде вектора информационных гранул: Ej= {glb ... , gjT, ..., gi v}. Критерии эффективности могут иметь различную значимость и влияние на решение задачи. Возможны следующие способы определения множества условных объединений структур ПС: 1) равнозначности заданных критериев; 2) упорядоченности критериев по важности. Сущность модернизации первого метода заключается в использовании для формирования объединения интервальных оценок Q. Пусть каждому из критериев Kq, q = 1, z можно на основании экспертной информации поставить в соответствие множество оценок Hq i для всех элементов структуры из N. Тогда, можно утверждать, что каждому варианту Nj элементов структуры ПС соответствует оценка Нч; для каждого из введенных критериев Kq. Алгоритм решения задачи состоит из этапов: 1) Для каждого критерия вычислить максимальную оценку: Hqmax = max Hq ¡, q = l, z, i по каждому критерию эффективности. 2)Вычислить нормализованные оценки элементов структуры ПС по критериям: Hq ¡* = Hq j / Hq max. 3) Вычислить минимальную критериальную оценку для каждого элемента структуры ПС Н; min, определяемую как: Н, mi„ = min Hqi*. 4) Формирование условных объединений на основе величины степени сходства С, элементов структуры ПС: 4.1. Задается левая и правая граница степени сходства Сь Сг е [0, 1]. Величины выбираются случайным образом с учетом Ci < Сц~, 4.2. Объединение Sy формируется из элементов структуры, для которых при заданной степени сходства выполняется условие: ¿^ < Н; тш < С,2'■> 4.3. Изменяя значения левой С,х и правой границ, можно получить множество условных объединений.

Сущность модернизации второго метода заключается в использовании уровня а для формирования объединений. Тогда алгоритм решения задачи состоит из этапов: 1) Критерии К,, q = 1, z, упорядочиваются по важности: Кь К2, ... 2) ЛПР назначает случайным образом уровень а е [0,1], для которого определяется множество лучших элементов структуры ПС: 2.1. Определить нижнюю («н») и верхнюю («в») границу а-уровневых подмножеств для оценки элементов структуры ПС по рассматриваемому критерию. 2.2. Случайным образом выбираются два элемента структуры ПС. Для каждой пары элементов структуры ПС Nj, Nj+i е N вычислить показатели взаимного превышения критериальных оценок С, Hqi Hqi+i( Hqi > Hqi+i) и С нф+i Hqi( Hqi< Hqi+i). 2.3. Вычислить показатель функции принадлежности n*qii-того элемента структуры ПС к множеству лучших по q-критерию. 3) Если множество содержит не одну альтернативу с ц„ q j > а, то выбирается следующий критерий по важности и шаги п.2 повторяются. 4) Изменяя значение а, получаем множество объединений S.

Таким образом, множество элементов структуры ПС N может быть представлено как множество объединений: N = { Sy}, у = Т^й. Возникает задача определения оптимального объединения элементов структуры ПС.

Вектор критериев эффективности содержит две группы показателей: 1) знаниевые - характеризуют структуру ПС с точки зрения ее эффективности для усвоения знаний, умений и навыков (ЗУН); 2) надежностные - оценивают структуру ПС на предмет гарантированного усвоения ЗУН. Надежность выступает, как показатель качества структуры. Это объясняется тем, что если ПС не будет обладать требуемой структурной надежностью ее элементов, то все остальные показатели их качества теряют свое практическое значение.

Таким образом, каждая структура ПС характеризуется усвоением условной единицы ЗУН К3 и надежностью К№іі, которые можно рассматривать с точки зрения общего понятия полезности. Возникает задача построения функции полезности. Пусть V: { Н } -» [0, 1 ] - функция полезности. Необходимо определить аналитический вид функции полезности с точностью до произвольного монотонного преобразования. Критерии К3 и К№<1 назовем взаимно независимыми по полезности, если К3 не зависит по полезности от К№і1 и наоборот, что полностью согласуется с определением независимости по полезности критериев. Обозначим: У(НКз, Нкмаа) - функция полезности, где Н - множества оценок по критериям К3 и КМа<1.

Метод декомпозиции предполагает для построения функции полезности задание двух значений оценок НКз°, Нкз1 и Нкш/ , Нкка(/ по критериям К3 и К№<1. В работе, используя метод Борисова А.Н., построена функция полезности ¡'-той структуры ПС при независимости по полезности критериев К3 и К . Графическая интерпретация подхода показана на рис. 1.

Все перечисленные величин ЛПР определяет на основании ис ходной информации описания данных, представляемых экспе{ том. Таким образом, можно найт значение функции полезности дл каждой структуры множества эле ментов N (таблица 1).

В качестве одного из критериеі характеризующего свойства і-о структуры, может использоватьс значение полезности У,(К\ К№<1).

Возникает задача определения тої объединения из множества N. сгру тур элементов ПС которое будет о< ладать максимальным показателе полезности с точки зрения ЛПР.

УВД.)

УОЪ-)

\

0/ од \

0,55 \ 0,95 1,0 V

Рис. 1. Построение функции полезности структуры ПС

N. N.

Значение функции полезности У,(К\Кта) уп(к3,к№а)

^ V /'у. (К3,К№<! )

Каждое объединение представляет собой множество, состоящее из элементов М„ объединенных по определенному признаку:

(1) (2) (3)

Функция полезности объединения имеет вид:

= у V .( К К

, N1 є Эу.

Тогда У5уесть среднее для всех ее элементов:

4 у

где |8у| - МОЩНОСТЬ объединения Эу.

Г V ; ( к \ к

е5У _

)

, Бу є N.

у|

В качестве критерия оптимизации предлагается принять максимум функции полезности объединения:

шах VSy для Sy £ N, где: ie Sy, (4)

который позволяет сузить множество элементов структур N и получить множество оптимальных структур SonT : SonT = N / шах VSy. (5).

Для решения поставленной задачи определения оптимального объединения элементов структур ПС предлагается следующий алгоритм: 1) Определение критериев, характеризующих свойства структур, например, усвоение условной единицы ЗУН К3 и надежность KNad. 2) Построение функции полезности. 3) Определение значения функции полезности для всех сформированных объединений Sy множества N (3); 4) Определение оптимального объединения структур (5) на основании критерия оптимизации (4).

Возможен вариант, когда отдельные структуры, входящие в состав оптимального объединения, могут иметь «низкую» полезность, но, как ее элемент окажется вполне подходящими для их использования ЛПР для обеспечения управления качеством ПС.

В п.2.3 разработана ИТ мониторинга качества ПС, а также предложен метод проведения причинно-следственного анализа состояния качества связи (КС) между активными элементами ПС. Построены алгоритмы, реализующие диагностику причин конфликтных ситуаций и прогнозирования состояния ПС при изменении параметров КС между активными элементами или управляющих воздействий.

Сущность предлагаемой ИТ мониторинга качества ПС заключается в выделении к- категорий организационных структур ПС, каждая из которых характеризуется набором, порядком и значением связей хг Используя метод структурных матриц Л.Г. Шатихина, и, вводя матрицы различной степени детализации, мы получаем возможность, исследовать КС оргструктур ПС на ее различных иерархических уровнях. Предлагается использовать подход, заключающийся в отыскании взаимосвязей между показателями оценки КС при помощи методов корреляционного анализа.

Предлагаемый метод построения структурно-параметрической матрицы исходных данных, характеризующий состояние КС оргструктур ПС, основан на составлении клеточной структурной матрицы и систематизирующей по отдельным блокам совокупность всех принципиально возможных матриц операторов взаимосвязей между параметрическими группами. Квадраты главной диагонали этой матрицы объединяют операторы функциональных связей \\<р^\\" внутри выделенных групп параметров, например х, -xg и, в случае их независимости, выражаются единичными диагональными матрицами. В случае взаимосвязности элементов внутри группы в соответствующую клетку крупноблочной структурной матрицы помещается матрица оператора взаимодействия, соответствующая

системе уравнений: д*у = ^<pJkAxt;j = hn;k* j,где <p]t - коэффициент связи между j-м и к-м

показателями. В общем случае каждая строка матрицы <р, = {<pl,...,(pi^,\,(pM,...,<p„} описывает вектор всех входных параметров (причинных связей), влияющих на ¿-й показатель состояния КС в соответствующем узле системы. В свою очередь, каждый у-й столбец матрицы описывает вектор следственных связей у-го фактора с другими параметрами состояния. Предлагается в качестве элементов блоков структурно-параметрической матрицы использовать значения парных коэффициентов корреляции, вычисленных на основании исходных данных, полученных в результате вычисления коэффициента потери информации связи. Таким образом, клеточная матрица представляет полное описание структуры показателей оценки КС и значимости связей между параметрами и факторами, определяющими функционирование процесса мониторинга КС оргструктур ПС.

Выделение из всей совокупности факторов, характеризующих состояние КС, групп параметров, связанных, согласно методу Сысоева В.В., отношениями конфликта, сотрудничества или безразличия, предлагается проводить с использованием метода корреляционных плеяд. Зная группы параметров КС, можно провести причинно-следственный анализ конфликтной

ситуации. Для описания ситуации взаимодействия внутри какой-либо функциональной группы структурно-параметрической матрицы, оператор взаимодействия \\<р^\\"

умножается на диагональную матрицу вектора изменения параметров состояния КС. Получаемая матрица описывает разложение ||Дг,|,/ = 1,п, по всем координатам множества {х}, сочетая, таким образом, априорные данные о структуре связей с текущей информацией Ах. При этом элементы главной диагонали матрицы отображают текущие отклонения Дх, факторов от заданных значений, недиагональные - вклады ||Лгу|,_/ = 1,и, в отклонение ||Дх,||,( = 1,« с упорядочиванием по строкам всех априорно известных причин отклонения Дх,, а по столбцам - возможных следственных влияний отклонения Дх, на другие параметры.

Представляя матрицу в виде распределения точек, площадь которых пропорциональна значению соответствующих элементов матрицы, можно определить формальную процедуру диагностирования конфликтной ситуации, сложившейся в ПС. Для этого выделяются и ранжируются по величине конечные в рамках п -факторного описания следствия Дх,, в столбцах которых все недиагональные элементы равны нулю. Далее следует выбор максимального диагонального элемента из массива следствий и перемещение по его строке с выявлением причин, вызвавших отклонение данного параметра. После чего следует переход по столбцу к элементу главной диагонали, и далее вновь оценивается состояние соответствующей строки найденного элемента. Поиск продолжается до нахождения элемента, в строке которого все недиагональные элементы будут равны нулю. Это означает, что данное отклонение является одной из основных причин возникновения рассматриваемой ситуации конфликта.

Предложенный алгоритм диагностирования причин возникновения конфликтной ситуации в процессе мониторинга и оценки КС представлен в виде блок-схемы (рис. 2).

Помимо диагностирования вероятных причин возникновения конфликтных ситуаций с использованием матрицы представляется возможным также прогнозирование состояния КС оргструктуры ПС до указанного состояния при отклонении от нормы значений параметров КС. Предлагаемый алгоритм прогнозирования (рис. 3), связан с имитацией отклонения какого-либо параметра оценки КС Дх, от нормативного значения, вычислением элементов к -го столбца матрицы как: ^ =рйДх,;1 = 1,и и нахождением в нем максимального недиагонального элемента , соответствующего максимальному следственному воздействию <рчк&хк на q -й параметр. Если при этом найденный максимум оказывается равным нулю, то данное к -е отклонение не имеет последствий в рассматриваемом и-факторном пространстве получаемых показателей КС и процедура заканчивается. Если же найденный максимум не равен нулю, следует запись индекса следственного отклонения д в очередной элемент индексного массива /, и вычисление отклонения Дх? после проверки процедуры на зацикливание, как &хч=<рч1кху с дальнейшим повторением процедуры нахождения максимального недиагонального элемента в к -м столбце при к = ц и Дх^ = Дх,.

Реализацию ИТ оценки КС, обеспечивающей решение поставленных задач, предлагается проводить в соответствии блок-схемой (рис. 4).

Таким образом, при помощи предложенных алгоритмов для заданного уровня описания КС могут быть выявлены различные эффекты взаимодействия его параметров оценки, ее чувствительность к различным возмущениям и возможность управления КС на разных этапах путем построения прогноза конечного состояния КС оргструктуры ПС при изменении значений входных параметров или управляющих воздействий.

Третья глава посвящена разработке модели и алгоритма принятия решения в задаче адаптивного управления качеством педагогической системы.

В п. 3.1 разработана методика анализа модели организационной структуры ПС в виде положений и определений, ориентированная на проведение имитационного моделирования поведения ПС при изменении качественных характеристик ее элементов на основе оценочных критериев полезности, устойчивости и целеустремленности.

10

Рис. 3 - Блок - схема алгоритма прогно- Рис. 2 - Блок - схема алгоритма диагно-зирования конфликтного состояния КС стирования причин конфликтного состоя-оргструктуры ПС ния параметров оценки КС

Введенные и дополненные системологические понятия обеспечивают необходимую формализацию процесса управления качеством ПС. Их совокупность представляет собой адаптивную модель организационной структуры управления качеством ПС (рис. 5). Первоначально построим структурную схему ПС в виде ориентированного графа с множеством вершин по количеству ее элементов, отображая функции управления, направления деятельности и информационные потоки, определенные на элементах графа. Каждой вершине графа, отображающей элемент системы, присвоим порядковый номер: номер "1" должен принадлежать вершине, соответствующей субъекту высшего уровня управления, порядковый номер "2" — вершине, отображающей цель деятельности этого субъекта. Дугами графа изобразим наличие связей между элементами ПС. Истоком и тупиком в системе управления могут быть только активные элементы, имеющие деятельностный характер.

Предложен алгоритм расчета качества каждой связи для активных элементов ПС с заданными характеристиками. Оценку результатов проведем, используя следующие положения. 1. Ранжированные в порядке убывания значения коэффициентов потери информации являются характеристикой организационной структуры, показывают относительную важ-

11

ность связей и соответствующих им функций управления (направлений деятельности активных элементов). 2. Цель деятельности субъекта управления вырабатывается им в соответствии с целями системы. Коэффициент потери информации целевой связи 1—>2 имеет максимальное значение. 3. Многоуровневые системы управления функционируют эффективно и достигают своих целей, если их организационная структура построена на принципах иерархичности и гармонизации целей элементов всех уровней. Значение коэффициента потери информации целевой связи элемента и-го уровня многоуровневой иерархической системы управления больше значения коэффициента потери информации целевой связи элемента к-то

Рис. 4 - Блок - схема информационной технологии мониторинга КС

В зависимости от конкретных значений проводимости и регулятивности состояние ПС может определяться как: относительной стабильности; обеспечивающее высокие знамени; качества связей; корректировки управляющих воздействий; критическое; деструктивных из менений, распада системы. Состояние системы отображается характеристикой организаци онной структуры как совокупности отношений между элементами. В работе даны определе ния каждого состояния ПС, их признаки и свойства, что является методологической осново! для разработки правил и модели принятия управленческих решений.

Таким образом, положения методики анализа организационной структуры ПС при управ лении качеством ПС, предполагают ликвидацию несущественных связей между активным! элементами.

СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

КАЧЕСТВЕННЫЕ

ХА=>А<Т£г=**СТ.'>СА "Р'Е АТН ГЯ

Регупр тменсстъ субъекте ¡К}

С€Оё1Ш-4-АЯ Х^А-СТе» ИСТОКА ОЕУ^4АЕМОГО Проводимость

'Л 1

>В ^

^ г а 1. 5 3

1

5 Ё

а а

6 £ ^ к;

Щ :

<АРАКТЕ РИ ста ки

структура! к ■ к

ед^сстЕО

< I-"тС-Г.

гот; РМА

СЕ-5^;№> |

»^и :о> I

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ |=ЕШЕН11Я ¡СППРЧ>

Рис. 5 - Модель организационной структуры управления качеством педагогической системы Связь называется несущественной, если ее разрыв не приводит к нарушению положений, приведенных выше, изоляции любого элемента системы или переводу ее в критическое состояние. При ликвидации несущественных связей предлагаются следующие правила: I) приоритетом при ликвидации пользуются несущественные связи, имеющие наименьшие значения коэффициента потери информации; 2) при наличии нескольких несущественных связей с одинаковыми минимальными значениями коэффициентов, ликвидируется та, после разрыва которой коэффициент потери информации связи 1—>2 (здесь и далее дается нумерация вершин ориентированного орграфа структуры двухуровневой ПС (по Рогозину В.Д.): 1 - субъект управления (преподаватель); 2 - цель деятельности субъекта (системы); 3 - средства субъекта; 4 - объект управления (обучаемый); 5 - цель деятельности объекта) имеет минимальное значение; 3) коэффициент потери информации целевых связей 1—>2, 4—>5 должен иметь максимальные значения; 4) значение коэффициента потери информации целевой связи субъекта управления 1—>2 должно быть больше коэффициента целевой связи субъекта 4—>5; 5) если коэффициенты потери информации несущественных связей равны и их разрывы приводят к одинаковым последствиям, то ликвидируется связь, принадлежащая узлам низшего уровня в иерархии ПС; 6) цель деятельности субъекта управления вырабатывается им в соответствии с глобальными целями ПС; 7) ранжированные в порядке убывания значения коэффициентов потери информации являются характеристикой организационной структуры, показывают относительную важность связей и соответствующих им функций управления (направлений деятельности активных элементов).

В п. 3.2 согласно разработанной методике анализа организационной структуры ПС предложен алгоритм вычислительного эксперимента, позволяющего оценить полезность и устойчивость организационных структур ПС, т.е. рассчитать значение функции полезности структуры и относительное изменение количества передаваемой в ПС информации, характеризующее важность конкретной связи для циркуляции информации в системе, или иначе — коэффициент потери информации связи в ПС.

Вычислительный эксперимент проводился по алгоритму (рис. 6). На первом этапе (п. 1-2 алгоритма) задаем элементный состав организационной структуры. В ходе тестирования и анкетирования определяются характеристики активных элементов ПС.

На втором этапе (п. 3-5 алгоритма) вычисляем значение функции полезности для каждой структуры ПС. Вектор критериев К эффективности содержит две группы показателей: знаниевые К3 -усвоение условной единицы ЗУН; надежностные К>ы - коэффициент сохранения надежности.

В соответствии с разработанной методикой исследования структуры ПС отсеиваются не удовлетворяющие критериям полезности, устойчивости и целеустремленности ПС.

На третьем этапе (п. 6 - 7 алгоритма) значение качества связи представим в виде отношения № Н выX , где Неь1Х , - количество инфор-

Рис.6 Блок-схема вычислительного эксперимента

, = -

" ах

мации на выходе и входе связи соответственно. Выходная характеристика подсистемы Уесть количество информации на выходе связи величина управляющего воздействия С/ равна количеству информации на входе Ню. Зависимость между входом и выходом выражается основной формулой теории регулирования, адаптированной для социальных систем, где Кц - коэффициент регулирования, определяемый характеристиками объекта и субъекта управления как отношение к = М1+ я).

* 1+ Ах Я

В качестве характеристики ; активного элемента принимаем значение либо проводимость обучаемого (А) , либо регулятивность преподавателя (Я). Используя представленные зависимости для расчета качества связи между элементами / и у получим 1,(1 + 1,). 1+ /, х I,

Выбор характеристики производится установлением положения элемента в структуре ПС относительно исследуемой связи. Для неактивных элементов значение г принимаем значение функции полезности У,(К3, Кы ), к объединению элементов структуры которого они принадлежат. Сымитируем разрыв связи коэффициент потери информации, которой требуется, найти, и определим общее количество информации НР0, которое может передаваться в ПС за конкретный цикл управления: н г0 = £ Я п > где Нп ~ количестве

*-/

информации, передаваемой между всеми парами элементов посредством связей образующих пути длиной к при разрыве связи

Четвертый этап (п. 8-10 алгоритма). Определим относительное изменение количествг передаваемой информации: п и „ - и гв . в результате получим численное значение

= и,

характеризующее важность связи 1—Ц для циркуляции информации в ПС, или иначе -коэффициент потери информации связи ¡4).

Ранжирование осуществляется по возрастанию значения коэффициента потерь информации связей, т.е. по важности связи для циркуляции информации и осуществлена управления качеством в ПС. В результате проведенного вычислительного эксперимента дш реальных ПС, состоящей из 5 элементов, получены варианты упорядоченных знамени? коэффициента потери информации для каждой связи системы и 20 матриц организационньо структур, отображающих особенности ПС при изменении качественных характеристик ее элементов.

Совокупности одинаковых порядков связей образовали зоны (рис. 7), в пределах которых организационная структура имеет ряд характерных признаков одного из ее возможных состояний. Проведенный анализ каждой из 20 организационных структур ПС позволил оценить их достоинства и недостатки, в каждой ситуации предложить стратегии поведения активных элементов ПС (преподавателя и обучаемого) и соответствующие управленческие воздействия, что составило основу для разработки модели принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС.

В п. 3.3 на основе полученных и оптимизированных, в отличие от известных, по оценочньм критериям полезности (функция полезности), устойчивости (коэффициент потери информации) и целеустремленности (приоритет целевой связи 1-*2) организационных структур ПС предложены 40 алгоритмических правил, образующих основу для нечетких алгоритмов планирования в каждой конкретной ситуации управляющих воздействий и уровней ре-гулятивности преподавателей и проводимости обучаемых.

Построенная модель принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС отличается от известных тем, что в качестве переменных используется нечеткие условные высказывания, моделирующие рассуждения человека.

Предложенные нечеткие алгоритмы основаны на разработанной семантике логико-лингвистической модели принятия решения, включающей систему утверждений отображения исходного представления о функционировании ПС, базовую систему правил вывода и обеспечивающей порождение всех истинных в модели утверждений. Вопросы предсказания уровня проводимости обучаемых в предшествующем периоде и уровень учебных и других ресурсов их обучения — это важные аспекты для определения уровня управляющих воздействий и уровня затрат при управлении качеством ПС на период 1,(1 = 1,...,ДО).

Определим: — прогноз значения качества связи на период обучения учитывающее количество информации на входе и на выходе связи; — уровень проводимости обучаемых в предыдущем периоде обучения /-1; /,., — уровень регулятивное™ преподавателя на конец ({— 1) -го периода обучения; — изменение уровня проводимости обучаемых в начале периода / по сравнению с периодом обучения (-1; Р1— уровень управляющих воздействий (планируемый объем средств для воздействия на обучаемого) на период обучения /. Функциональные зависимости приведенных выше переменных можно представить в виде:

р, = _„/,_,), т, = „/,_,).

Для количественной модели отношения между переменными должны представляться в форме уравнений. Связи между нечеткими переменными в условиях неполноты информации выражаются в виде нечетких условных утверждений. Предполагается, что справедливы первые три аксиомы теории управления организационными системами: ЛПР имеет представление о важных переменных, чутко воспринимает стоимостную структуру этих переменных и умеет оперировать решающими правилами, связывающими важные переменные с решениями.

1 - Зона относительной стабильности. 2 - Зона, обеспечивающая высокие значения качества связей. 3 - Зона корректировки управляющих воздействий. 4 - Зона критического состояния. 5 - Зона разрушения организационной структуры.

Рис.7 Зависимость организационной структуры педагогической системы от качественных характеристик

В варианте решающего правила определения уровня проводимости обучаемых для эмпирической проверки реальных решений преподавателя в качестве решающей переменной используется изменение в уровне проводимости обучаемых AlV,: W, = IV, + ДW,.

В качестве объяснения для дальнейшего развития моделей можно привести логическое обоснование типичного алгоритмического правила планирования уровня проводимости обучаемых: ЕСЛИ FS, - высокий И /,_, - высокий И W,_, - высокий, ТО Р, - низкий.

Это правило описывает ситуацию, в которой, предсказывается высокое качество связи; высокую регулятивность преподавателя, имеющийся запас обучающих ресурсов высокий и уровень проводимости обучаемых высокий. Здравый смысл ЛПР диктует предписанное решение: контроль деятельности и состояния обучаемого, и степени достижения целей. При этом уровень управляющих воздействий приводится в соответствие с предсказанным качеством связей, что позволяет избежать потери времени и достигнуть наибольшего приращения проводимости обучаемых. Поскольку уровень проводимости обучаемых высокий, не высокий уровень управляющих воздействий не должен существенно влиять на продолжительность самостоятельной подготовки, ни на число неполных учебных дней. Логика этого правила очевидна, не вызывает сомнения даже без анализа структуры сложившейся учебной ситуации. На основе полученных и оптимизированных организационных структур ПС выработаны правила, образующие основу для нечетких алгоритмов планирования управляющих воздействий и уровней регулятивности преподавателя и проводимости обучаемых. Комбинировались различные условия требований с состояниями: уровень проводимости обучаемых W,_t высокий, вроде бы высокий, средний, вроде бы низкий и низкий.

Таким образом, 40 комбинаций и FS, служат в качестве определяющей структуры

для всех возможных значений, которые три базовые переменные принимают в утверждениях относительных назначений, составляющих (Д¡V,,P,) - модель. Для каждой из этих 40 комбинаций fV,_„/,., и FS, нужно выработать решение относительно АIV, и Р, (в форме лингвистической переменной). Решая данную задачу, ЛПР использует всю информацию о проводимо ста, качества связи, которая ему известна. Однако при этом не требуется никаких предполо жений относительно особой структуры данной информации. Обычно большая часть этой информации по своей природе бывает неявной, т. е. она обусловлена суждением и опыток принимающего решение человека. Решения относительно ДW, и Р, принимались исходя и: результатов исследования организационных структур ПС, полученных в ход< вычислительного эксперимента.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки разработанные моделей поддержки принятия решения в задаче управления качеством ПС на реальных при мерах управления качеством ПС и внедрением в учебный процесс ВАИУ.

На основании построенных инструментальных средств были разработаны следующи« ППП: ППП «Berkut» (предназначен для оценки качества организационных структур ПС п( критериям полезности и устойчивости на основе использования расчетного значения функ ции полезности структуры и коэффициента потери информации связи), ППП «Maximum) (предназначен для оптимизации организационных структур по критерию целеустремленно сти путем ликвидации несущественных связей, не влияющих на качество функционировани) систем управления), ППП «Автоматизированная обучающая система» (предназначен дл) информационно-методического сопровождения лекций, разработки, подготовки, проведеню и разбора компьютерных практических занятий, групповых упражнений, военно специальных игр, тактико-специальных учений по подготовке (переподготовке) специали стов в интересах формирования их ЗУН. Приведены их структуры, архитектура экранньс форм, инструкции пользователя. Дана схема взаимодействия ППП, которые разработаны i использованием среды разработки приложений Visual Basic for Windows 2003 с использова нием приложения Microsoft Excel 2003, а также Borland Delphi 7.0 и С++ BUILDER.

Достоверность и полнота результатов исследования подтверждается их практической реа лизацией на конкретных реальных примерах управления качеством ПС и внедрением в учеб

ный процесс ВАИУ (г. Воронеж). Эффект от внедрения выражен в оптимизации управления образовательным процессом с целью повышения качества профессионального обучения и в реализации применения новых информационных технологий в организации учебного процесса

В заключении приводятся основные результаты работы.

В приложениях - информационные таблицы, матрицы организационных структур, структурно-функциональная модель информационно-коммуникационной среды взаимодействия ПП при управлении качеством ПС, акты внедрения результатов исследований в учебные процессы ВАИУ и подготовку воинских подразделений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты.

¡.Разработана модель и предложен алгоритм выбора оптимальной струюуры ПС на множестве условных объединений ее элементов. Модель предусматривает два варианта формирования: по равнозначности и упорядоченности критериев, позволяющих найти наиболее рациональные сочетания элементов ПС. Разработана модель и предложен алгоритм построения многомерной функции полезности подсистем при независимости по полезности двух критериев.

2.С использованием метода структурных матриц Шатихина Л.Г. разработана ИТ мониторинга качества ПС, а также предложен метод проведения причинно-следственного анализа состояния КС между активными элементами ПС, позволяющий выявить параметры, наиболее вероятно послужившие причинами возникновения конфликтных ситуаций в ПС. Построены алгоритмы, реализующие диагностику причин конфликтных ситуаций и прогнозирования состояния ПС при изменении параметров КС между активными элементами или управляющих воздействий.

3.Разработанная методика анализа модели организационной структуры ПС в виде положений и определений ориентирована на проведение имитационного моделирования поведения ПС при изменении качественных характеристик ее элементов на основе оценочных критериев полезности, устойчивости и целеустремленности.

4.Проведенный анализ каждой из 20 организационных структур ПС позволил оценить их достоинства и недостатки, в каждой ситуации предложить стратегии поведения активных элементов ПС (преподавателя и обучаемого) и соответствующие управленческие воздействия, что составило основу для разработки модели принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС.

5.На основе полученных и оптимизированных, в отличие от известных, по оценочным критериям полезности (функция полезности), устойчивости (коэффициент потери информации) и целеустремленности (приоритет целевой связи преподаватель — цель обучения) организационных структур ПС предложены 40 алгоритмических правил, образующих основу для нечетких алгоритмов планирования в каждой конкретной ситуации управляющих воздействий и уровней регу-лятивности преподавателей и проводимости обучаемых.

6.Построенная модель поддержки принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС отличается от известных тем, что в качестве переменных используется нечеткие условные высказывания, моделирующие рассуждения человека

7.Предложенные нечеткие алгоритмы основаны на разработанной семантике логико-лингвистической модели поддержки принятия решения, включающей систему утверждений отображения исходного представления о функционировании ПС, базовую систему правил вывода и обеспечивающей порождение всех истинных в модели утверждений.

8.Предложенные модели и алгоритмы мониторинга и принятия решения по адаптивному управлению процессом подготовки специалистов определили состав и структуру построения инструментальных средств в виде математического, алгоритмического, информационного и программного обеспечения автоматизированных систем мониторинга и поддержки принятия решения в задаче управления качеством ПС.

9.Достоверность и полнота результатов исследования подтверждается их практической реализацией на конкретных реальных примерах управления качеством ПС и внедрением в учебный процесс ВАИУ (г. Воронеж). Эффект от внедрения выражен в оптимизации управления образовательным процессом с целью повышения качества профессионального обучения и в реализации применения информационных технологий в организации учебного процесса

Основные публикации по теме диссертации:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Федюнин, М. Л. К вопросу повышения качества образования на основе исследования педагогической системы в условиях информатизации образовательного процесса / М JI. Федюнин, И.М. Ясинский // Вестник Военного авиационного инженерного университета. - №1. - 2009. - С. 318327.

2Лсинский, И.М. Анализ подходов к учету индивидуальных особенностей обучающихся при создании адаптивной компьютерной обучающей системы на основе принципов объектно-ориентированного анализа предметной области / И.М. Ясинский, МЛ. Федюнин // Вестник Военного авиационного инженерного университета. - №1. - 2009. - С. 327-332.

3.Ясинский, И.М. Организационные основы управления качеством военно-профессиональной подготовки офицерских кадров в военно-учебном заведении / И.М. Ясинский, M.JI. Федюнин / Весгник Военного авиационного инженерного университета. - №2. - 2010. - С. 158-162.

4.Курипта, О.В. Метод оценки потенциала трудовых ресурсов организации / О.В Курипта Ю.С. Сербулов, МЛ. Федюнин // Вестник ВГТУ 2010. - Том 6 - Воронеж: ВГТУ 2010. - С. 85-91.

Книги. Статьи и материалы конференций

5.Федюнин, М. JI. Педагогические технологии в автоматизированной системе управления об разовательным процессом кафедры военно-учебного учреждения: теория развития и методологи проектирования / М JL Федюнин // Монография. ВАИУ, 2008г. 159с.

6.Федюнин, МЛ. Модель адаптивной системы управления процессом подготовки современно го специалиста / M.JI. Федюнин, И.М. Ясинский // Сборник трудов международного форума п< проблемам науки, техники и образования, - Москва. - Т.2. - 2005 - С.28-29.

7.Федюнин, МЛ. Совершенствование модели организационной структуры управления двух уровневой педагогической системы / МЛ. Федюнин, И.Н. Сериков // Межвузовский сборник на учных трудов АНОО ВИВТ. - Воронеж. - Вып.З, №7 - 2006. - С. 145-151.

8.Федюнин, M.J1. Модели обучения автоматизированных обучающих систем / M.JI. Федюнин И.М. Ясинский // Матер. 4-ой межд. научно-практ. конф. ВГТУ. - Воронеж, 2006 - С. 176-177.

9.Федюнин, МЛ. Некоторые аспекты создания электронного учебника / МЛ. Федюнин, И.М Ясинский//Матер. ХШ межд. конф. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С.-Петербург, 2007. -Т.1.-С. 176-179

Ю.Федюнин, M.JI. Некоторые аспекты проектирования автоматизированной обучающей сис темы / МЛ. Федюнин, И.М. Ясинский // Научные тр. межд. молодежной научной конф. МАТИ. -Москва, - Т.4 - 2010. - С.269-270.

П.Федюнин, МЛ. Интерактивные электронные учебные курсы профессиональной подготовка военного специалиста по тактико-специальным дисциплинам: проблемы, методология разработ ки, технологии применения / M.JI. Федюнин // Межвузовский сборник «Актуальные проблем! вузов ВВС».-Ярославль. - Вып.29. - 2010.-С.354-361.

12.Федюнин, M.JI. Исследование организационной структуры современной педагогическо: системы на основе построения ее информационно-графовой модели / M.JI. Федюнин, Ю.С. Сер булов // Весгник ВИВТ. - Воронеж, - Вып.6. - 2010. - С. 169-173.

1 З.Федюнин, МЛ. Математические методы моделирования конфликта между показателям: потенциала курсантских подразделений военно-учебного заведения / M.JI. Федюнин, О.В. Курии та// Весгник ВИВТ. - Воронеж, - Вып.6. - 2010. - С.101-106.

14.Федюнин, МЛ. Разработка модели выбора оптимальной структуры педагогической сисге мы и распределение ресурсов по ее элементам / M.JI. Федюнин, Ю.С. Сербулов // Сборник мак риалов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Математичс ское моделирование в технике и технологии».- Воронеж. — №7.— 2011.-С. 154-157.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять п адресу 105005, г. Москва, ул. Радио, 22, РосНОУ, ученому секретарю. Тел. (495)727-35-34.

Федюнин Максим Леонидович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ В ЗАДАЧЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Подписано в печать 16.04.2012 г.

Формат 60x90/16. Заказ 1547. Тираж 100 экз. Усл.-печ. л. 1,0. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. 774-26-96

61 12-5/2388

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ -АВТОНОМНАЯ НЕКОМЕРЧЕСКАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ ВОЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ В ЗАДАЧЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: ОЗЛЗЛО «Управление в социальных и экономических

системах»

ФЕДЮНИН МАКСИМ ЛЕОНИДОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сербулов Ю.С.

Воронеж- 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ И УПРАВЛЕНИЮ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Педагогические системы, их характеристики и модели......... 12

1.2 Анализ факторов, влияющих на управление качеством педагогической системы.....................................................................

1.3 Проблемные вопросы управления качеством образовательного процесса как целостной педагогической системой......................... 20

1.3.1 Сущность управления качеством педагогической системы .... 20

1.3.2 Организационная структура управления качеством педагогической системы и ее информационные основы............................. 25

1.4 Принятие решений в задаче управления качеством педагогической системы.......................................................................... 39

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования............................... 41

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Общая схема моделирования структуры педагогической систе-

44

мы............................................................................................................

2.2 Модель выбора оптимальной структуры педагогической систе-

49

мы.....................................................................................

2.3 Информационная технология мониторинга качества связи активных элементов педагогической системы...................................... 59

2.4 Выводы.......................................................................... 71

3. МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ В ЗАДАЧЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1-

ЗЛ Методика анализа модели организащюнной структуры адаптивного управления качеством педагогической системы...................... 72

3.2 Исследование и анализ зависимости организационной структуры педагогической системы от качественных характеристик установленных связей......................................................................... 78

3.3 Модели поддержки принятия решения в задаче адаптивного управления качеством педагогической системы............................... 95

3.3.1 Принципы и алгоритмы построения модели поддержки принятия решений в задаче адаптивного управления качеством педагогической системы..................................................................... 95

3.3.2 Задание лингвистических переменных модели поддержки принятия решений................................................................... 99

3.3.3 Модели поддержки принятия решения............................ 100

3.4 Выводы.......................................................................... 105

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ В ЗАДАЧЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

4.1 Педагогический эксперимент и его результаты....................... 108

4.1.1 Организация педагогического эксперимента........................ 108

4.1.2 Анализ и оценка достоверности результатов эксперимента .... 110

4.2 Пакеты прикладных программ формирования оптимальной структуры и адаптивного управления качеством педагогической систе-

1И

мы....................................................................................... 11J

4.2.1 Пакеты прикладных программ «Maximum» и «Berkut - М» .... 113

4.2.2 Пакет прикладных программ «Автоматизированная обучающая система»........................................................................

4.3 Адаптивное управление качеством педагогической системы на конкретном примере обучения------------------------------ ................-..... 132

4.4 Выводы........................................................................ I36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................. 138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................... 141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Показатели, характеризующие связи в организационных структурах педагогических систем.............................. 154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2» Варианты упорядоченных значений коэффициента потери информации для каждой связи педагогической системы

и матрицы организационных структур........................................ 163

ПРИЛОЖЕНИЕ 3» Структурно-функщюнальная модель информационно-коммуникационной среды взаимодействия программных

продуктов при управлении качеством педагогической системы........... 169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения, дипломы конкурсов научных работ, свидетельства о регистрации программных продуктов.............. 171

Введение

Актуальность темы. Глубокие социально-экономические преобразования в Российской Федерации затронули все сферы общества, в том числе -систему образования. Реформирование высшей школы, переориентация образования на личностное, компетентностное развитие, а также снижающийся год от года общеобразовательный уровень абитуриентов требуют разработки таких технологий обучения, которые позволят будущим специалистам не только овладеть специальностью, но и раскрыть, реализовать свой творческий потенциал. В связи с этим для учебных заведений становится актуальной проблема организации адаптивного управления педагогическим процессом, уровня его руководства и планирования, форм и методов обучения, восприятия педагогических воздействий, адаптации преподавателей и обучающихся к процессу обучения.

Для повышения качества подготовки специалистов необходима адаптация педагогической системы (ПС) учебного заведения к изменившимся условиям, В общем случае под ПС понимается «множество взаимосвязанных структурных и функциональных компонентов, объединенных единой образовательной целью развития личности и функционирующих в целом педагогическом процессе» [82]. Такая адаптация предполагает коррекцию организационной структуры управления педагогическим процессом, совершенствование форм и методов его регулирования, организацию управления процессом с максимальным учетом личностных качеств его участников. Действующие нормативные и организационно-методические документы, регламентирующие деятельность вузов, не дают исчерпывающих ответов на вопросы о методах организации адаптивного управления педагогическим процессом. В связи с этим их всестороннее изучение и выявление особенностей педагогического взаимодействия преподавательского состава и обучающихся, приобретают особую значимость для повышения качества подготовки специалистов.

Проблемам повышения качества подготовки специалистов и совершенствования управления педагогическим процессом в настоящее время

посвящены исследования многих ученых, в числе которых работы Акоффа Р.Д., Атутова ПР., Балобанова А.Е., Зимней И.А., Колосовой Л.А., Леоновой О.О., Макаровой Л.В., Попова В.Б., Рогозина В.Д., Родионова Б.У., Селезневой Н.А.; Симонова В.П; Субетто А.И.. Татьянкина Б.А, и других.

Педагогические системы относятся к числу сложных социальных систем [82]. Специфическими признаками ПС является наличие целей и управления, что позволяет считать их системами с активным поведение ее структурных элементов (преподаватели, обучающиеся), т.е. целенаправленными. К числу важнейших свойств ПС следует отнести устойчивость, управляемость, адаптивность, иерархический принцип организационного строения [38].

Вместе с тем, при наличии большого количества исследований и множества рекомендаций по управлению педагогическим процессом, их внедрение в практику учебных заведений еще не носит системного характера. Это обусловлено недостаточной разработанностью теоретических основ и методов организационного обеспечения управления [88] качеством ПС. Не нашли должного отражения в исследованиях и требуют дополнительного изучения вопросы поиска рациональных организационных структур ПС для реализации дуального управления (преподаватель - обучающийся) [91], адаптации управления профессиональной подготовкой лиц с пониженной восприимчивостью к обучению, создания условий для их развития.

Существующие методы синтеза и анализа управления качеством ПС основаны на методике* предложенной Рогозиным В. Д. [691, и базируются на понятиях «проводимости объекта» и «регулятивности субъекта», «качество связи», при этом в качестве единицы количества информации принималась условная информационная единица, под которой понимается количество информации, передаваемой без потерь и искажений по «идеальному» каналу в течение одного управленческого цикла, что существенно ограничивает использование данной методики.

Недостаточность использования современного математического аппарата, инструментальных средств и программного обеспечения, адекватно

описывающих реальное взаимодействие активных элементов ПС, приводит к уменьшению его эффективности. При этом возникают вопросы системного моделирования по разработке моделей и алгоритмов структуризации отношений и правил принятия решения на множестве информации, полученной в результате мониторинга ПС. В этих условиях развитие вопросов сценариев педагогического взаимодействия активных элементов ПС, позволяющее повысить эффективность управления, определить стратегию и тактику с точки зрения уменьшения расходов и увеличения уверенности в надежности управляющих воздействий, имеют особые значения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре информационных систем и технологий Воронежского института высоких технологий в рамках госбюджетной НИР по теме «Моделирование информационных технологий; разработка и совершенствование методов и моделей управления, планирования и проектирования технических, технологических, экономических и социальных процессов и производств» (№ г.р. 01.2005.2305).

Результаты технических и экспериментальных исследований диссертации выполнены на базе кафедры авиационного тыла ВАИУ на основании Федеральной программы "Реформирование системы военного образования в Российской Федерации на период до 2010 года", утвержденной Постановлением Правительства РФ от 27 мая 2002 г. № 352 и использованы в НИР «Эврика», «ИКТ - ВУЗ», заданных Направлением военного образования ВВС РФ.

Педь диссертационной работы: разработка моделей и алгоритмов управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения, позволяющего адаптировать педагогический процесс к возможностям обучающихся и повысить эффективность их профессиональной подготовки.

Задачи исследования: 1. Провести анализ современного состояния моделирования и адаптивного управления качеством ПС.

2. Провести системное моделирование, декомпозицию и построить структурные модели мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

3. Разработать информационные технологии (ИТ) мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

4. Построить модели и алгоритмы поддержки принятия решений в задаче

адаптивного управления качеством ПС.

5. Разработать математическое и программное обеспечение^ реализующее построенные модели и алгоритмы в виде пакета прикладных программ (ППП) и провести его апробацию и внедрение на конкретных примерах адаптивного управления качеством ПС.

Объектом исследования. Педагогическая система учебного заведения.

Предмет исследования. Модели и алгоритмы адаптивного управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовались методы: системного анализа, теории управления, экспертных систем, корреляционного анализа, теории информации, проектирования информационных и педагогических систем, теории графов, структурных матриц Шатихина, выбора и принятия решения, теории нечетких множеств, математического моделирования и программирования.

Научная новизна: разработаны модели и алгоритмы управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения, позволяющего адаптировать педагогический процесс к возможностям обучающихся, обладающие следующей научной новизной:

1. Структурная модель поведения ПС, основанная на теоретико-множественном описании функционирования систем, в которой используются такие системные категории как время, состояние, функция, процесс, позволяющая, в отличие от известных, определить условия, при которых ПС развивается, стагнирует, что дает возможность прогнозировать конечные результаты в конкретных ситуациях функционирования ПС.

2. Информационная технология причинно-следственного анализа состояния качества связи между активными элементами ПС, позволяющая выявить параметры, наиболее вероятно послужившие причинами возникновения конфликтных ситуаций в ПС.

3. На основе полученных и оптимизированных, в отличие от известных, по оценочным критериям полезности (функция полезности), устойчивости (коэффициент потери информации) и целеустремленности (приоритет целевой связи преподаватель - цель обучения) организационных структур ПС предложены 40 алгоритмических правил, образующих основу для нечетких алгоритмов планирования в каждой конкретной ситуации управляющих воздействий и уровней регулятивноети преподавателей и проводимости обучаемых.

4. Построенная модель поддержки принятия решения в задаче адаптивного управления качеством ПС отличается от известных тем, что в качестве переменных используется нечеткие условные высказывания, моделирующие

рассуждения человека.

5. Предложенные нечеткие алгоритмы основаны на разработанной семантике логико-лингвистической модели поддержки принятия решения, включающей систему утверждений отображения исходного представления о функционировании ПС, базовую систему правил вывода и обеспечивающей порождение всех истинных в модели утверждений.

Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, степень их адекватности подтверждаются непротиворечивыми результатами расчетов, моделированием на ЭВМ, совпадением теоретических результатов работы с результатами, полученными другими авторами, их апробацией на международных, Всероссийских и региональных научных конференциях, соответствующими актами и справками, а также апробацией и внедрением результатов в учебном процессе ВАИУ (г. Воронеж) путем создания контрольных и экспериментальных

групп и последующего статистического анализа результатов, достигнутых

обучающимися данных групп.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Структурные модели мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

2. Информационные технологии мониторинга и адаптивного управления качеством ПС.

3. Модели и алгоритмы принятия решений в задаче адаптивного управления качеством ПС.

4. Результаты педагогических и вычислительных экспериментов, внедрения.

Практическая значимость работы заключается: 1) в разработанных инструментальных средствах в виде предметно-ориентированных моделей, алгоритмов и программного обеспечения, реализованных в структуре автоматизированной системы адаптивного управления качеством ПС, которая позволяет адаптировать темп подачи и сложность материала к уровню подготовки обучающихся, 2) уменьшении субъективизма и снижении затрат времени на принятие решения по адаптивному управлению качеством ПС, 3) повышении качества личностной, компетентностной подготовки специалистов.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке математического, алгоритмического, информационного и программного обеспечения автоматизированных систем адаптивного управления качеством ПС на основе интеллектуализации процесса принятия решения.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику управления образовательным процессом в Военном авиационном инженерном университете (г. Воронеж), в практику управления профессиональной подготовкой войсковой части 10866, войсковой части 06728, войсковой части 40383 (г. Екатеринбург). Эффект от внедрения выражен в оптимизации управления образовательным процессом с

целью повышения качества профессионального обучения и в реализации применения новых информационных технологий в организации учебного процесса.

Апробация работы» Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва: Академия наук о Земле. 2005г.); IV международной научно-практической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (ВГТУ г.Воронеж 2006г.), XIII международной конференции в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» г. С.-Петербург 2007г., Международной научной конференции МАТИ, 2010г.; на Всероссийских конференциях: в ВГТУ г.Воронеж 2006г, Всероссийской научно-практической конференции в ВВВАИУ (ВИ) 2007г., Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи (ВИВТ 2011г.); на XXVIII Российской школе -Екатеринбург, 2008г., на научных семинарах кафедры информацион