автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и программное обеспечение стратификационных адаптивных систем управления обучением

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К СОЗДАНИЮ КОМПЬЮТЕРНЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ.

1.1. Анализ стандартов в области создания компьютерных обучающих систем (КОС).

1.1.1. Проблемы стандартизации и интероперабелъности.

1.1.2. Ресурсы, используемые в обучающих системах.

1.1.3. Стандарт IEEE 1484.

1.1.4. Спецификации IMS.

1.1.5. Модель SCORM.

1.2. Методы и модели адаптации к учащимся в КОС.

1.2.1. Уровни и методы адаптации в компьютерном обучении.

1.2.2. Построение последовательности обучения.

1.2.3. Адаптивное представление информации.

1.2.4. Возвратное обучение.

1.2.5. Адаптивная выдача комментариев, пояснений.

1.2.6. Интеллектуальный анализ решений.

1.2.7. Диалоговая поддержка решения задач.

1.2.8. Интеллектуальное посредничество.

1.2.9. Сравнительны анализ методов и моделей адаптации.

1.3. Существующие адаптивные обучающие web-системы.

1.3.1. Особенности адаптивных обучающих web-систем.

1.3.2. Adaptive Hypermedia for All.

1.3.3. ATutor.

1.3.4. iDL's Adaptive Learning system.

1.3.5. Moodle.

1.3.6. Сравнительный анализ адаптивных систем.

1.4. Постановка задачи.

Выводы по главе.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

СТРАТИФИКАЦИОННОЙ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБУЧЕНИЕМ (АСУО).

2.1. Стратификационный подход к управлению обучением.

2.2. Модель преподавателя.

2.2.1. Закон изменения индивидуальной учебной траекторией (ИУТ).

2.2.2. Система управления ИУТ.

2.2.3. Автоматический режим изменения ИУТ.

2.2.4. Полуавтоматический режим изменения ИУТ.

2.2.5. Ручной режим изменения ИУТ.

2.2.6. Ограничения и рекомендации по применению.

2.3. Модель учащегося.

2.3.1. Модель IMS Learner Information Package.

2.3.2. Проекция LIP для нужд АСУО.

2.4. Модель процесса адаптивного обучения.

2.4.1. Соглашения.

2.4.2. Диаграмма состояний.

2.4.3. Состояние «Начало».

2.4.4. Состояние «Обучение».

2.4.5. Состояние «Контроль».

2.4.6. Состояние «Пауза».

2.4.7. Состояние «Результат».

2.4.8. Состояние «Обзор».

2.4.9. Схема переходов между состояниями.

2.4.10. Диаграмма взаимодействий.

2.5. Определение структуры АСУО.

2.5.1. Общие положения.

2.5.2. Функциональная спецификация.

2.5.3. Внешняя спецификация.

2.5.4. Среда функционирования.

2.5.5. Плеер курсов.

2.5.6. Редактор курсов.

2.6. Обобщенная математическая модель АСУО.

Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА АСУО.

3.1. Уровень ощущаемого качества АСУО.

3.2. Архитектура.

3.3. Модель базы данных АСУО.

3.3.1. Описание предметной области.

3.3.2. Динамика системы.

3.3.3. Концептуально-информационная модель предметной области.

3.3.4. Схема отношений БД.

3.4. Организация стратификационного контроля знаний.

3.4.1. Предпосылки.

3.4.2. Проектирование модуля стратификационного тестирования.

3.5. Генерация отчетов по результатам контрольных мероприятий.

3.5.1. Задачи модуля.

3.5.2. Проектирование модуля.

3.5.3. Функциональные требования к модулю.

3.6. Организация доступа к АСУО.

3.6.1. Методы разграничения прав доступа.

3.6.2. Определение наборов прав.

3.6.3. Рекомендации по созданию надежной системы аутентификации.

3.6.4. Реализация ядра безопасности.

3.6.5. Политика назначения прав и реализация наследования. выводы по главе.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСУО

В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.

4.1. Задачи электронных курсов.

4.1.1. Отработка методик использования МИФИСТО.

4.1.2. Динамика роста количества курсов.

4.2. Результаты подготовки и проведения контрольных мероприятий.

4.2.1. Динамика роста количества контрольных материалов и количество обращений к ним.

4.2.2. Корреляция итоговых экзаменационных оценок с баллами, полученными на предварительном тестировании.

4.2.3. Увеличение показателей итоговых результатов контрольных мероприятий за счет предварительного доступа к утвержденным тестовым вопросам.

4.2.4. Зависимость уровня успеваемости от подходов к обучению на примере дистанционного курса «Логистика».

4.2.5. Протоколирование контрольных мероприятий.

4.3. Информационная поддержка.

4.3.1. Рост количества пользователей.

4.3.2. Число обращений к системе.

4.3.3. Динамика подписки на курсы.

4.4. Адаптивное стратификационное управление обучением.

Выводы по главе.

Предметом исследований в настоящей работе являются индивидуальные и групповые учебные траектории учащихся в адаптивных системах управления обучением (АСУО) и связанные с ними современные методы обработки информации, позволяющие повысить эффективность управления учебным процессом.

Актуальность работы определяется необходимостью дальнейшего развития применения информационных технологий в образовании в соответствии с приоритетными направлениями развития образовательной системы Российской Федерации, одобренные на заседании Правительства Российской Федерации 9 декабря 2004 г. (протокол №47, раздел I) и Национальными приоритетами, обозначенными Президентом России в своем выступлении на встрече с членами Правительства, руководством Федерального Собрания и членами президиума Государственного совета 5 сентября 2005 г. Особенно актуальным данное диссертационное исследование является в связи с остро стоящими задачами по индивидуализации обучения и повышению эффективности функционирования учебных объектов в системах управления обучением.

Целью работы является изучение различных адаптивных подходов к управлению обучением, их теоретическое исследования путем построения моделей и инструментальных средств, а также анализ их эффективности путем статистических исследований результатов учебного процесса, поддерживаемого специально разработанной для этой цели компьютерной обучающей системой. Особое внимание уделено исследованию процесса стратификационного адаптивного обучения [1, 2], основанного на том, что каждая учебная тема имеет несколько представлений, выдаваемых учащемуся в зависимости от его успехов и неудач, и формированию электронных учебных курсов, содержащих необходимый и достаточный для безотказного функционирования учебного процесса набор учебных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В целях исследования стратификационного адаптивного подхода к управлению обучением на основе теории конечных автоматов построены модели преподавателя, учащегося, процесса адаптивного обучения, применимые как к групповым, так и к индивидуальным учебным траекториям.

2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение стратификационного адаптивного управления учебным процессом, регламентирующие возможные действия учащегося и преподавателя, а также формализующие набор ресурсов, применяемых в процессе обучения, в том числе алгоритмы стратификационного тестирования.

3. Предложены современные принципы построения эффективной и безопасной стратификационной адаптивной системы управления обучением (АСУО).

4. Указанные принципы реализованы в Интернет-системе стратификационного адаптивного обучения МИФИСТО.

Практическая ценность.

В рамках диссертационного исследования разработана Интернет-система управления обучением МИФИСТО для использования в учебных заведениях и учебных центрах России. Разработка МИФИСТО в 20022003 гг. проводилась в рамках программы «Инновационное сотрудничество» Минобразования России и Минатома России.

МИФИСТО с 2001 г. обеспечивает учебный процесс в Экономико-аналитическом институте Московского инженерно-физического института (государственного университета), что подтверждается соответствующим актом о многолетнем использовании. В системе на сегодня разработаны и функционируют 48 курсов, два из которых реализованы в АСУ О и находятся в стадии апробации. Количество пользователей сегодня составляет 1213 человек, 83% из которых воспользовались системой.

Прототип системы отмечен дипломом «Научной сессии МИФИ-2003» и VI Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука».

Система МИФИСТО внедрена на кафедре «Информационные технологии» Финансовой академии при Правительстве РФ, что подтверждается соответствующим актом.

На защиту выносятся:

1. Предложенные модели преподавателя, учащегося, процесса адаптивного обучения, применимые как к групповым, так и к индивидуальным учебным траекториям.

2. Математическое обеспечение адаптивного стратификационного управления групповыми и индивидуальными учебными траекториями. Разработанный набор алгоритмов для формирования управляющих воздействий на учащегося в процессе прохождения учебной траектории.

3. Предложенные и реализованные в системе МИФИСТО принципы построения эффективной и безопасной АСУО.

4. Разработанная и внедренная в учебный процесс высших учебных заведений России адаптивная Интернет-система управления обучением МИФИСТО, о чем имеются соответствующие акты о внедрении и многолетнем использовании.

Достоверность разработанных моделей, методов, алгоритмов и программных средств подтверждается соответствующими актами о внедрении, почетными дипломами «Научной сессии МИФИ-2003» и VI Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука».

Апробация.

Основные результаты диссертационного исследования обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах, в т.ч.:

Международная конференция «Применение новых технологий в образовании», г. Троицк, 2002, 2004.

Международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании», г. Москва, 2001-2004.

Международная научно-практическая конференция «Технология высшего образования в XXI веке: проблемы и перспективы развития» г. Актобе, 2002.

Международная студенческая научная конференция «Полярное сияние», г. Санкт-Петербург, 2001.

Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2002, 2004.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 21 работа, в т.ч. статья в реферируемом журнале «Информатика и образование». Публикации отражают все основные результаты диссертационной работы.

Объем и структура работы.

Работа содержит 169 страниц, в том числе 153 страницы основного текста, иллюстрированного 51 рисунком и состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня литературы и приложений.

Выводы по главе

1. Общий срок функционирования разработанной системы МИФИСТО составил 2 года, из которых первые полгода отрабатывалась методика применения дистанционного обучения в традиционном учебном процессе. За это время количество обращений к системе превысило 335 ООО.

2. На текущий момент для всех учащихся ЭАИ МИФИ созданы персональные учетные записи и 83% студентов посчитали необходимым воспользоваться услугами МИФИСТО. При этом 14% курсов ЭАИ МИФИ полностью функционируют через Интернет.

3. Оправдал себя подход, заключающийся в предоставлении студентам возможности готовиться к экзаменам, сдавая заранее предстоящий тест без ограничения попыток. Данный подход позволил увеличить эффективность управления обучением в 1,5 раза.

4. По итогам применения МИФИСТО в учебном процессе у студентов, обучавшихся дистанционно, отмечен рост успеваемости по сравнению со студентами, обучавшимися традиционно в среднем на 8-12%.

5. В экспериментальном режиме проверена работа АСУО в рамках МИФИСТО, результаты работы которого также говорят о росте успеваемости в среднем на 7-10% уже по сравнению со студентами, обучавшимися дистанционно без применения адаптивных технологий. Это в среднем дало повышение эффективности управления обучением еще втрое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследование системных связей и закономерностей функционирования и развития учебного процесса, а также анализ текущих потребностей образовательного рынка дали возможность ввести понятие эффективности управления учебным процессом для адаптивных методов обучения.

2. Для управления индивидуальной учебной траекторией на основе успехов и неудач студента в рамках стратификационного подхода к обучению предложена модель преподавателя, позволяющая полностью или частично автоматизировать деятельность преподавателя по управлению учебным процессом.

3. Для взаимодействия с любыми компьютерными обучающими системами, поддерживающими спецификацию IMS Learning Information Package, предложена модель учащегося, консолидирующая данные для принятия решения по созданию и изменению индивидуальной учебной траектории в рамках процесса адаптивного обучения.

4. Разработана модель процесса стратификационного адаптивного обучения, регламентирующая полный цикл событий для индивидуальной учебной траектории. Реализация предложенной модели позволила значительно повысить эффективность управления учебным процессом: при подготовке к государственному экзамену — в 1, 5 раза; при смешанном обучении с возможностью доступа к учебным материалам и проверке знаний — в 2 раза; с применением стратификационного адаптивного принципа управления обучением — в 3 раза.

5. Спроектирована архитектура АСУО, позволяющая реализовать предложенные математические и информационные модели и методы; модель базы данных АСУО; принципы реализации модуля стратификационного тестирования. Разработанный модуль генерации отчетов для системы МИФИСТО дает возможность настраиваться на разные виды ведомостей и бланков отчетности, а также обрабатывать статистические данные.

6. Реализована система безопасности, учитывающая особенности АСУО, в т.ч. среды функционирования Интернет/Интранет, обеспечивающая безопасность получаемых с её помощью информации, служб и метаданных.

7. Опыт эксплуатации второй очереди МИФИСТО в течение 2,5 лет показал, что количество обращений к разработанной системе превысило 335 ООО. 14% курсов ЭАИ МИФИ полностью функционируют через Интернет, все учащиеся ЭАИ МИФИ получили персональные учетные записи и 83% студентов посчитали необходимым воспользоваться услугами МИФИСТО.

1. Гусева А.И. Адаптивные методики тестирования. М.:Препринт/МИФИ, 007-2002, 2002.

2. Гусева А.И. Методики адаптивного контроля знаний // Информатика и образование №7, 2003.

3. Хохлов Ю.Е., Арнаутов С.А. Обзор форматов метаданных // http://www.elbib.ru/index.phtml?page=elbib/rus/methodology/mdrev

4. The Dublin Core Metadata Initiative // http://dublincore.org/

5. Формат метаописаний для обмена Интернет-ресурсами между горизонтальным и вертикальными порталами // http://ep.informika.ru/catalog-xml.html

6. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ Система критериев качества учебного процесса для дистанционного образования //http://www.engineer.bmstu.ru/resources/science/0201002.htm

7. Гусева А.И., Филиппов С.А. Корпоративный университет: компоненты информационного портала // XI Междунар. науч.-техн. семин. «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» — М:МГАПИ, 2002.

8. Спецификация АЕСМА 1000D // http://www.cals.ru/standards/classification/AECMA/

9. Standard Generalized Markup Language (ISO 8879) // http://www.sgmlsource.com/

10. Тихомиров В.П., Титарев Л.Г., Шевченко К.К. Технологические системы в открытом образовании //http://www.dlab.kiev.ua/TLLL2001/abstract/shevchenkotihomirovtitar ev.doc

11. IMS Global Learning Consortium // http://www.imsglobal.org

12. IEEE 1484.12.1-2002 Draft Standard for Learnjng Object Metadata / http://ltsc.ieee.org/15.SCORM Overview//http://www.adlnet.org/index.cfm?fuseaction=scormabt

13. Компьютерные обучающие системы и среды// http://www2.bmstu.ru/develop/f091 .htm

14. Филиппов С.А. Инструментальные среды разработки обучающих модулей многократного применения // Науч. сессия МИФИ-2005: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2005. Т.2.

15. Филиппов C.A. Вопросы создания систем стратификационного дистанционного обучения // XV Международная конференция «Применение новых технологий в образовании», Троицк, 2004.

16. Zaitseva L., Boule С. Student models in Computer-based Education // Proceedings of the 3rd IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies. ICALT 2003. Athens, Greece, 2003, p. 451.

17. Андреев А.А., Солдаткин В.И. Прикладная философия открытого образования: педагогический аспект. М.: РИЦ «Альфа» МГОПУ им. М.А.Шолохова, 2002. 168 с.

18. Brusilovsky P. Adaptive Educational Systems on the World-Wide-Web: A Review of Available Technologies // Proceedings of Workshop «WWW-Based Tutoring» at the 4th International Conference on Intelligent Tutoring Sysytems (ITS'98). San Antonio.

19. Еремеев А.П., Малиновский В.П. Реализация онтологического подхода в обучающей экспертной системе для подготовки менеджеров проектов // 9-я Национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2004

20. Redeker G.H.J. An Educational Taxonomy for Learning Objects // Proceedings of the 3rd IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies. ICALT 2003. Athens, Greece, 2003. - pp. 250 -251.

21. Нетушил A.B., Никитин A.B. О методе синтеза учебных программ // Проблемы нейрокибернетики. Ростов-на Дону: Изд-во Рост, ун-та, 1969.-С. 236-243.

22. Курганская Г.С. Модели, методы и технологии дифференцированного обучения на базе Интернет. Автореферат. М:ИПМ РАН, 2001.

23. Голенков B.B., Емельянов B.B., Тарасов В.Б. Виртуальные кафедры и интеллектуальные обучающие системы //Новости искусственного интеллекта №4, 2001

24. Демкин В.П., Можаева Г.В., Яковлева А.Г. Адаптивное обучение на основе информационных технологий // X Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика-2003».

25. Гусева А.И., Шпурик А.П. Дистанционная система тренинга и тестирования // IX Междунар. науч.-техн. семин. «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». — Алушта, 2000. С 303-306.

26. Филиппов С.А. Принципы создания стратификационных систем дистанционного обучения // Информатика и образование. 2006. Вып.5.37.0рлов С.А. Технологии разработки программного обеспечения: Учебник для вузов. 3-е изд. — СПб.:Питер, 2004. — 527 е.: ил.

27. Морозов В.П., Дымарский Я.С. Элементы теории управления ГАП: Математическое обеспечение. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. — 333 е., ил.

28. Гвардейцев М.И., Морозов В.П., Розенберг В.Я. Специальное математическое обеспечение управления. 2-е изд. М.: Сов. радио, 1979. —534 с.

29. G.Schneider, J.Winters, I.Jacobson. Applying Use Cases: A Practical Guide. USA, 2000.

30. Marshal Chris. Enterprise Modeling with UML. Designing Successful Software through Business Analysis. 1999.

31. Kruchten P. The Rational Unified Process: an introduction, Second Edition. USA, 2000.

32. UML 2.0 OCL Specification // OMG Adopted Specification, ptc/03-10-14.

33. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. — М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. 616 с.

34. Гусева А.И. Оценка качества методического, математического и программного обеспечения распределенных обучающих систем: Автореферат. — М.:МИФИ, 2003. — 48 с.

35. Филиппов С.А. Архитектура подсистемы адаптивного обучения МИФИСТО // Науч. сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2006. Т.2.

36. Брукс Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы. // Пер. с англ. — СПб: Символ-Плюс, 2001.

37. Department of Defense Trusted Computer System Evaliation Criteria. — DoD 5200.28-STD, 1993.

38. Филиппов С.А. Наследование прав в неоднородных образовательных портальных системах // XII Междунар. конф.-выст. «Информационные технологии в образовании»: Сб. тр. М: МИФИ, 2002. Ч. IV.

39. Гусева А.И., Филиппов С.А. Концепция информационно-образовательного портала корпоративного университета (на базе ЭАИ МИФИ) // Науч. сессия МИФИ-2002: Сб. науч. тр. М.: МИФИ,2002. Т.2.

40. Гусева А.И., Филиппов С.А. Этапы создания корпоративного университета: архитектура информационного портала // Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Технология высшего образования в XXI веке: проблемы и перспективы развития» Актобе: АГУ, 2002.

41. Гусева А.И., Филиппов С.А. Прототип корпоративного ядерного университета // Науч. сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. М.: МИФИ,2003. Т.6.

42. Филиппов С.А. Корпоративный университет: архитектура информационного портала // Материалы XIII Междунар. конф. «Применение новых технологий в образовании». Троицк, 2002. Ч. II.

43. Филиппов С.А. Построение прототипа интернет-порталов для доступа к распределенным образовательным ресурсам. Дипломный проект. М:МИФИ, 2003.

44. ISO 7498-2. Basic Reference Model Part 2: Security Architecture. -February 1989.

45. Тарасов С. Реализация ядра безопасности в информационной системе на основе объектно-ориентированного подхода // http://www.arbinada.com

46. Тихомирова А.Н. Дистанционное обучение: основные технологии // Науч. сессия МИФИ-2005: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2005. Т.2.,с.128.

47. Гусева А.И., Филиппов С.А. Информационно-образовательный портал «Электронный деканат» // Науч. сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2003. Т.2.

48. Филиппов С.А. Построение Единого образовательного информационного пространства с использованием готовых систем управления информацией // XI Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика-2004». Сб. науч. тр. СПб.: ЛИТМО, 2004. Т.2.

49. Филиппов С.А., Вепрев И.Н., Ворожцов П.И., Толокольников М.С., Копцев С.В., Горохов Р.И., Голов Н.Ю. Информационно-образовательный портал: подсистема поддержки учебного процесса // Науч. сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2003. Т.2.

50. Филиппов С.А., Бабайкин А.В. Информационно-образовательный портал: хранилище персонифицированной информации // Науч. сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2003. Т.2.

51. Филиппов С.А., Калачев А.В. Информационно-образовательный портал: хранилище электронных обучающих ресурсов // Науч. сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2003. Т.2.

52. Урнов В.А., Филиппов С.А., Шуйкова И.А. Единое информационное пространство школы как один из компонентов единого образовательного информационного пространства // XI Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика-2004». Сб. науч. тр. СПб.: ЛИТМО, 2004. Т.2.

53. Филиппов С.А. Взаимосвязь учебных материалов в системах стратификационного дистанционного обучения // IV Науч.-практич. конф.-выст. «Информационные технологии в образовании»: Сб.тр., Ростов-на-Дону, 2004. 4.2.

54. Филиппов С.А. Вопросы подготовки учебных материалов для адаптивных гипермедиа-курсов // XIV Междунар. конф.-выст. «Информационные технологии в образовании»: Сб. тр. М: МИФИ, 2004. Ч. III.

55. Филиппов С.А. Современные концепции создания web-серверов // Междунар. студ. науч. конф. «Полярное сияние-2001»: Сб. тез. докл. М: МИФИ, 2001.

56. Филиппов С.А. Современные концепции создания образовательных web-серверов // XI Междунар. конф.-выст. «Информационные технологии в образовании»: Сб. тр. М: МИФИ, 2001. Ч. IV.