автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Научные основы проектирования и построения информационно-образовательной среды технического вуза

Аннотация.

Содержание.

Введение.

1. Анализ современных исследований в области создания и использования информационных технологий в образовании.

1.1 Основные мировые и российские тенденции развития образовательных систем и высшей школы.

1.2. Исследование современного состояния высшего образования в России (на примере негосударственных вузов).

1.3 Анализ методов и средств построения информационно-образовательных сред.

1.4 Выводы.

2. Проектирование информационно-образовательных сред.

2.1 Классификация и принципы построения информационно-образовательной среды

2.2 Информационно-образовательная среда как объект информационного производства.

2.3 Разработка требований к информационно-образовательной среде.

2.4 Разработка методологии проектирования информационно-образовательной среды.

2.5 Выводы.

3. Построение компонентов информационно-образовательных сред.

3.1 Классификация компонентов информационно-образовательной среды.

3.2 Разработка модели информационно-образовательной среды и ее компонентов.

3.3 Проектирование компонентов информационно-образовательной среды.

3.4 Выводы.

4. Разработка дидактических основ применения информационно-образовательных сред.

4.1 Роль ИОС как дидактического средства.

4.2 Построение ИОС с использованием технологического подхода к обучению.

4.3 Роль государственных образовательных стандартов и учебного плана при построении ИОС.

4.4. Дидактические особенности построения ИОС для подготовки по специальности «Информационные системы в науке, образовании и бизнесе».

4.5. Выводы.

5. Архитектура системы автоматизированного проектирования ИОС.

5.1. Структура САПР ИОС.

5.2. Технология проектирования ИОС.

5.3. Подсистемы САПР ИОС.

5.4. Организация работы в САПР ИОС.

5.5. Выводы.

6. Реализация и внедрение информационно-образовательной среды на основе образовательного Интернет сервера.

6.1. Организационное обеспечение проектирования и сопровождения информационно-образовательной среды.

6.2. Технологические основы реализации ИОС.

6.3. Внедрение ИОС на примере специальностей 071900 и 200800.

6.4. Выводы.

Информация и ее высшая форма - знания, являются решающим фактором, определяющим развитие общества. Для того чтобы гигантские объемы информации и знаний, накопленных и создаваемых в ходе развития общества, эффективно использовались для решения реальных проблем, России необходимо в короткий срок осуществить интенсивную, согласованную во всех аспектах, информатизацию общества. Неотъемлемой составной частью общественного процесса является образование. Государство обязано уделять вопросам образования особенно большое внимание. Разработка и внедрение новых информационных технологий в образование должно осуществляться, в основном, в соответствии с государственными научно-техническими программами, в выполнении которых должны принимать участие учебные заведения, региональные центры информатизации и научно-исследовательские организации [1,2,3,4,5].

Актуальность проблемы. Стратегическим направлением развития образовательных систем в современном обществе является обеспечение интеллектуального и нравственного развития человека на основе вовлечения его в разнообразную, самостоятельную, целесообразную деятельность в различных областях знания. Быстрое обновление знаний, включая базовые, в области технических наук ставит перед высшей школой задачу подготовки специалистов, способных:

• самостоятельно приобретать необходимые для успешной работы знания и навыки, применять их для решения практических задач, адаптироваться к изменяющимся условиям современного общества;

• критически мыслить, уметь видеть возникающие в реальной действительности проблемы и самостоятельно искать рациональные пути их решения, используя современные технологии;

• эффективно использовать российские и мировые информационные ресурсы, извлекать и грамотно обрабатывать информацию, необходимую для решения поставленных задач;

• работать не только самостоятельно, но и в коллективах, объединяющих специалистов различных областей знания.

Решение проблемы опережающего развития образования на этапе перехода общества от индустриального к информационному признано главным в ходе реформ образовательных систем в ведущих странах мира - США, Великобритании, Канаде, Германии, Франции, России и др. [6,7,8,9,10,11]. При этом основными задачами процесса реформирования образования являются: обеспечение его доступности и адекватности, повышение качества, воспитание и развитие личности.

Анализ процесса реформирования образования показывает, что в сегодняшних условиях его развитие неотделимо от:

• прогнозирования потребностей общества в специалистах разного профиля;

• определения спектра специальностей и требуемой квалификации специалистов;

• определения необходимых условий для подготовки специалистов;

• активного внедрения новых информационных технологий (НИТ) в образовательный процесс.

Последний фактор играет все большую роль в реформировании образования [12,13,14]. В пропаганду, организацию научных исследований и внедрение в образовательную практику идей информатизации образования в России внесли особый вклад А.Н. Тихонов, А.Д. Иванников, Ю.Л. Ижванов, A.A. Андреев, Г.П. Артамонов, М.В. Булгаков, Я.А. Ваграменко, В В. Вержбицкий, A.C. Голубков, И.И. Дзегеленок, A.M. Довгяло, В.Г. Домрачев, Ж.Н., Зайцева В.П. Кашицин, К.К. Колин, В.Г. Кинелев, А.О. Кривошеев, Д.В. Куракин, В.Н. Лазарев, С.Л. Лобачев, B.C. Меськов, И.П. Норенков, В.Н. Нуждин, A.B. Осин, Е.С. Полат, A.A. Поляков, И.В. Роберт, Ю.Б. Рубин, В.А. Садовничий, H.A. Селезнева, В.И. Солдаткин, A.B. Суворинов, В.П. Тихомиров, С.С. Фомин и многие др. Бурное развитие новых информационных и коммуникационных технологий изменило, и будет далее изменять характер развития, приобретения и распространения знаний. Важно также отметить, что новые технологии открывают возможности для обновления содержания обучения и методов преподавания, а также для расширения доступа к высшему образованию. Новые информационные технологии не уменьшают потребности в преподавателях, хотя и видоизменяют их роль в отношении учебного процесса. Основополагающее значение приобретает постоянный диалог между преподавателем и студентом, способствующий преобразованию информации в знания и понимание. Отличительными особенностями применения новых информационных технологий являются:

• повышение эффективности и доступности образования вне зависимости от социальных и географических условий проживания обучающихся;

• развитие самостоятельности и активности, повышение осознанности процесса познания;

• возможность оперативно реагировать на запросы общества;

• решение проблемы хранения, поиска и доставки информации учащимся.

Традиционный подход к образованию, ориентированный на классно-урочную систему занятий, на слушание, а не на активную самостоятельную деятельность, не предполагает возможность вовлечения каждого учащегося в активный познавательный процесс, возможность работать коллективно при решении разнообразных проблем в сотрудничестве не только с преподавателями, но и со сверстниками, возможность свободного доступа к информации с целью формирования собственного независимого и аргументированного мнения по той или иной проблеме.

Реализация этих возможностей требует переработки учебных программ с использованием соответствующих новых методов, с тем, чтобы не ограничиваться когнитивным освоением дисциплин.

В настоящее время в вузах в электронном виде накоплены обширные информационные ресурсы, однако существующие примеры использования НИТ носят фрагментарный характер. В первую очередь это происходит из-за отсутствия научной и методологической базы, четкого представления о технических и методических проблемах, возникающих на этапах проектирования и построения электронных учебно-методических комплексов, и путей их решения. Несмотря на отдельные успехи применения НИТ, достигнутые результаты в основном представляют собой частные решения, которые трудно повторно использовать в других образовательных учреждениях.

Развитие информационных и телекоммуникационных технологий и их внедрение в сферу образования, привело к возникновению понятия информационно-образовательной среды, определяемой обычно как совокупность компьютерных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности. В состав компьютерных средств входят аппаратные, программные и информационные компоненты, способы, использования которых регламентируются в методическом обеспечении [15].

Поэтому, на первый план, основываясь на накопленном опыте и достигнутых результатах использования НИТ в образовательном процессе выходят задачи создания единой концепции построения информационно-образовательной среды (ИОС) вуза, разработки методов проектирования ИОС и внедрения ИОС в учебный процесс, с целью дальнейшего повышения эффективности обучения, расширения сферы экспорта образовательных услуг и адекватной реакции образовательной общественности на возрастающую динамику изменения знаний, особенно в области технических наук.

Таким образом научно-техническая проблема разработки научных основ проектирования и построения информационно-образовательных сред является актуальной.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является решение важной научно-технической проблемы -разработки научных основ проектирования и построения ИОС технического вуза, направленной на повышение эффективности и доступности образования, развитие самостоятельности и активности обучающихся, за счет интеграции средств новых информационных технологий в образовательный процесс.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• проведен анализ применения НИТ в образовательном процессе, в результате чего выявлены основные направления в повышении эффективности использования НИТ;

• проведена классификация возможных путей построения ИОС, сформулированы концептуальные положения ее построения, ориентированные на потребности технического вуза, разработаны исходные требования и обоснованы основные параметры ИОС как совокупности дисциплинарного ядра, информационно-справочной базы и системы администрирования, которые ориентированы на сетевую архитектуру;

• обосновано применение совокупности технических и инструментальных средств, принятых для построения ИОС;

• разработаны основные положения, структура и состав системы автоматизированного проектирования ИОС, обоснованы требования к компонентам системы и процедурам их взаимодействия;

• разработана параллельная технология создания ИОС и в ней реализованы прототипы ИОС для специальностей технического вуза 200800, 071900, отвечающим требованиям ГОС;

• определен порядок внедрения, поддержки и модернизации ИОС, который апробирован в рамках технического вуза;

• разработаны и внедрены в практику учебного процесса методические рекомендации и указания для разработчиков ИОС, направленные на стандартизацию и унификацию компонентов ИОС;

• определены перспективы развития ИОС, интегрированной в инфраструктуру вуза и системы образования в целом.

Предметом защиты являются основные научные положения, модели, методы и методики, позволяющие решить перечисленные задачи проектирования и построения информационно-образовательных сред в САПР ИОС и направленные на совершенствование общей методологической базы образовательных систем.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались современные методы анализа и построения моделей (принцип системного подхода, аппарат теории графов, методы моделирования физических процессов, методы решения систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, теория принятия решений, статистические методы обработки информации и прогнозирования), теория построения информационных систем и систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы заключается в создании основ построения информационно-образовательных среды и автоматизации ее проектирования, использование которых позволяет сформировать базу для разработки и внедрения прогрессивных образовательных систем.

В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:

• предложено определение ИОС, как системы, объединяющей дисциплинарное ядро и информационно-справочную базу соответствующего направления подготовки, организационное и методического обеспечение учебного процесса, реализованной с использованием современных ИТ и направленной на повышение эффективности и доступности образовательного процесса;

• с позиции системного подхода определены требования к информационно -образовательной среде, такие как полнота, достоверность, неизбыточность информации, инвариантность программного и информационного обеспечения, многопользовательский характер эксплуатации и малое время доступа, и устойчивость при возможной коррекции, как в процессе проектирования, так и в процессе эксплуатации;

• сформулированы принципы интегральности, распределенности, многокомпонентности и адаптивности ИОС и разработана модель ИОС, основанная на них;

• разработана универсальная модель обобщенного компонента ИОС, в виде семантического дерева, вершинами которого являются элементы учебных или справочных материалов, а ребрами - взаимосвязи между ними;

• предложена методика проектирования ИОС, включающая этапы декомпозиции, разработки описания в графической форме, построения логической и физической структур ИОС с учетом их параллельного выполнения;

• предложены методики разработки компонентов ИОС, включающих в себя учебно-методические материалы, наукоемкое программное обеспечение, тренинговые системы, системы контроля знаний, базы данных и информационно-справочные системы, хранилища информации любого вида, включая графику, звук и видео, и способы организации их взаимодействия;

• разработана архитектура САПР ИОС.

• разработаны дидактические основы применения ИОС;

Достоверность результатов, приведенных в диссертационной работе, обусловлена согласованностью результатов с известными подходами, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе; корректностью математических моделей; обоснованным выбором методов исследований, адекватных поставленным задачам; результатами экспериментальной проверки предлагаемых моделей, методов и методик в течение трех лет использования ИОС в образовательном процессе, в котором приняли участие студенты и преподаватели МИЭМ, а также объективным анализом полученных результатов.

Полученные результаты показали работоспособность созданного программного обеспечения и всей системы в целом, а также подтвердили правильность подходов, заложенных в их основу при проектировании и разработке информационно-образовательной среды. Достоверность полученных результатов также подтверждается внедрением результатов диссертационной работы в ряде ВУЗов и других образовательных организациях.

Практическая ценность работы состоит:

• в создании методического, программного, информационного обеспечения проектирования информационно-образовательных сред;

• в разработке совокупности формальных методов и методик построения компонентов ИОС;

• в разработке инструментальных программных средств компонентов ИОС;

• в реализации вычислительных серверов на основе модели и архитектуры распределенных вычислений;

• в технической реализации ИОС в виде образовательных серверов по специальностям 200800 «Проектирование и технология РЭС» и 071900 «Информационные системы в науке образовании и бизнесе»;

• в предложенном порядке внедрения и эксплуатации ИОС;

• в создании технологии проектирования ИОС и рекомендации для разработчиков компонентов и технология ИОС

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции «Новые информационные технологии» (Москва, 1998 г.), 6-ой международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, 1998 г.), научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационные технологии» (Сочи, 1998 г.), выставке - круглом столе «Информационные технологии в образовании» (Москва, 1999 г.), пленуме Российского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 1999 г.), научно-техническом семинаре «Развитие непрерывного образования в Москве и Московской области с использованием новых информационных технологий» (Москва, 2000 г.), Всероссийской школе-семинаре «Информационные технологии в управлении качеством образования и развитии образовательного пространства» (Москва, 2000 г.), президиуме Московского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 2000 г.), конференции «Школа - 2000» (Москва, 2000 г.)

Реализация результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое применение в ряде организаций, занимающихся образовательной деятельностью, и научно-исследовательских институтах, что подтверждается соответствующими актами внедрения, а также применяются в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики. Научные результаты диссертации использованы при разработке стандарта и учебных программ по специальности 071900 «Информационные системы в науке образовании и бизнесе», реализации информационно-образовательной среды МИЭМ.

Разработанные в диссертационной работе научные положения, методы и методики могут быть полезны для специалистов, занимающихся проектированием и построением информационно-образовательных сред в ВУЗах и других образовательных организаций.

Связь темы с планами основных научных работ. Тема диссертационной работы связана с Государственной программой «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования».

Исследования и практическая реализация диссертационной работы проводились в Московском государственном институте электроники и математики, в центре «Современные информационные технологии и математическое образование» в рамках научно-исследовательских тем: «Разработка современных технологий и программных модулей обработки и представления статистической информации с использованием системы 8ТЛТ18Т1КА» № гос. Регистрации 01980000189, «Разработка методики применения современного программного обеспечения в математическом моделировании и преподавании ряда дисциплин для специальностей Прикладная математика и Математические методы исследования операций в экономике» № гос. Регистрации 01980006661, «Разработка и внедрение методического обеспечения процесса переподготовки специалистов радиотехнического профиля по направлению информационной безопасности» № гос. Регистрации 01980006669, «Исследование и разработка теории и методов построения информационно-образовательных сред как составной части информатизации общества» № гос. Регистрации 01990004833, «Проведение теоретических и экспериментальных исследований современного состояния в области информационных технологий. Создание экспериментального '\У'\\г\\^-сервера МВД России», в которых автор диссертации являлся научным руководителем или ответственным исполнителем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и приложений с документами, подтверждающими результаты внедрения.

Общие выводы по диссертации

Развитие информационных и телекоммуникационных технологий и их внедрение в сферу образования, привело к возникновению понятия информационно-образовательной среды, определяемой обычно как совокупность компьютерных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности.

В диссертации, на базе обобщений и развития достигнутых результатов использования НИТ в образовательном процессе решены задачи создания единой концепции построения информационно-образовательной среды (ИОС) вуза, разработки методов проектирования ИОС и внедрения ИОС в учебный процесс, с целью дальнейшего повышения эффективности обучения, расширения сферы экспорта образовательных услуг и адекватной реакции на возрастающую динамику изменения знаний, особенно в области технических наук.

В процессе исследования и разработки научных основ проектирования и построения ИОС технического вуза получены следующие основные научные и практические результаты.

9. Проведен анализ современного состояния информационных технологий, применяемых при проектировании и построении образовательных сред с учетом требований, предъявляемых к ИОС в процессе обучения, который показал, что актуальной является решение проблемы создания распределенных информационно-образовательных сред и комплексной автоматизации этапов ее проектирования.

10. Проведена классификация ИОС и сформулированы принципы интегральности, распределенности и многокомпонентности, что позволило создать методологическую основу для проектирования эффективных ИОС, ориентированных на сетевую архитектуру.

11. Разработана модель информационно-образовательной среды, основанная на интегральности, распределенности и многокомпонентности учебных материалов, справочных и методических материалов, моделирующих программ, отражающая основные информационные связи и технологию обучения в рамках образовательной системы

12. Разработаны универсальная модель компонента ИОС, метод и методика проектирования учебных курсов различного профиля, виртуальных лабораторных практикумов, основанных на моделировании и визуализации физических процессов, для их последующей реализации в информационно-образовательной среде

13. Предложена единая методологическая база проектирования и построения интегральных, распределенных, многокомпонентных информационно-образовательных сред, обоснована совокупность применяемых при этом технических и инструментальных средств.

14. Разработана архитектура, структура и состав видов обеспечения САПР ИОС, обеспечивающих разработку, обновление и документирование информационного продукта.

15. Развита и доведена до практического применения параллельная технология создания ИОС.

16. На базе разработанных подходов к построению ИОС и технологии ее создания разработаны и внедрены в практический процесс обучения технического вуза прототипы ИОС, отвечающие требованиям ГОС по специальностям 071900, 200800.

17. Разработана и реализована организационная поддержка процедуры создания и внедрения ИОС в практическую деятельность вуза, включающие создание Центра по разработке, внедрению и поддержки ИОС, а также систему обучения и консультирования разработчиков ИОС.

18. Определены и обоснованы перспективы развития ИОС, основными из которых являются: интегрирование в мировые информационные ресурсы, повышение уровня визуализации и интерактивности учебных материалов, более глубокое взаимодействие с действующей системой образования

19. Достигнуто повышение эффективности образовательного процесса за счет улучшения качества учебных материалов, сокращения затрат на обучение при внедрении разработанных в диссертационной работе положений.

1. Федеральная программа развития образования (проект). М., 1997, 63 с.

2. Информатизация образования в России: сети, информационные ресурсы, технологии (аналитический доклад). М., Институт ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании (ИИТО), 1997, 52 с.

3. Современное состояние и тенденции развития информационных технологий в России. М., Научный Совет по Государственной научно-технической программе "Информатизация России", 1995, 330 с.

4. Концепция информатизации высшего образования Российской Федерации (утверждена 28 сентября 1993 года). М., 1994, 100 с

5. Доклад "Образование: скрытое сокровище", представлен ЮНЕСКО в 1997 году

6. Образование и XXI век: Информационные и коммуникационные технологии М.: Наука, 1999. -191 с. / в серии «Кибернетика: неограниченные возможности и возможные ограничения».

7. Высшее образование в Европе. ЮНЕСКО, Европейский центр по высшему образованию. М., "Люкс", 1996, 230 с.

8. Кинелев В.Г. Образование и цивилизация. М., "Проблемы информатизации высшей школы", № 2 (6), 1996, с. 7-14.

9. Матюхин В.А. Преодоление кризисных явлений в системе образования США (1980-1990 гг.): методология и результаты. М., Проблемы зарубежной высшей школы: Обзор, информ. /НИИВО; вып. 1, 1995, 40 с.

10. Татур Ю.Г. Система образования Франции (Аналитический обзор материалов французско-российского семинара). М., Издательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1994, 64 с.

11. Управление современным образованием: социальные и экономические аспекты/ А.Н. Тихонов, А.Е. Абрамешин, Т.П. Воронина, А.Д. Иванников, О.П. Молчанова; Под ред. А.Н. Тихонова. М.: Вита-Пресс, 1998. - 256 с.

12. Воронина Т.П., Кашицин В.П., Молчанова О.П. Образование в эпоху новых информационных технологий (методологические аспекты)/ М.: «Информатик», 1995.-220 с.

13. Советов Б.Я. Информатизация новый этап развития высшего образования России. Санкт-Петербург, Институт моделирования и интеллектуализации сложных систем, 1997, 7 с.

14. Тихомиров В.П., Солдаткин В.И., Лобачев C.J1. Виртуальная образовательная среда: предпосылки, принципы, организация / Международная Академия Открытого Образования/.- М., Издательство МЭСИ, 1999. -164 с.

15. Бархатов В.Ю., Протасов A.M., Путилов Г.П. Некоторые особенности развития высшего образования в России (на примере негосударственных вузов) / М.: Институт развития коммуникаций, 2000. 42 с.

16. Путилов Г.П. Интернет как средство информационного обеспечения образовательного процесса / М.: ЦРСДОД, 1999. 48 с.

17. Путилов Т.П. Концепция построения информационно-образовательной среды технического вуза / М.: МГИЭМ, 1999. 28 е.

18. Путилов Г.П., Кечиев JI.H., Тумковский С.Р. Информационный подход к построению образовательной среды / М.: МГИЭМ, 1999. 28 с.

19. Путилов Г.П., Протасов A.M. Особенности проектирования информационно-образовательной среды для подготовки по специальности «Информационные системы»/ М.: Русский журнал, 1999. 52 с.

20. Обзор национальной образовательной политики Российской Федерации. Доклад экспертов Образовательного комитета Центра сотрудничества со странами, экономика которых находится в стадии переходного периода, М., 1997, 195 с.24