автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Построение экспертно-обучающих информационных систем в корпоративной вузовской сети

На правах рукописи

ргб оа

1 9 НЮН 2000

ЕМЕЛЬЯНОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЕРТНО-ОБУЧАЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В КОРПОРАТИВНОЙ ВУЗОВСКОЙ СЕТИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизированные

системы управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата -> технических наук

На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЕРТНО-ОБУЧАЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В КОРПОРАТИВНОМ ВУЗОВСКОЙ СЕТИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизированные

системы управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата •> технических наук

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций

государственном

Научный руководитель:

доктор технических наук Глущенко В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кутузов О.И. кандидат физико-математичеких наук, доцент Голоскоков Д.Г1

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный технический университет

Защита диссертации состоится "20 " июня 2000 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 116.01.03. при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург. Ул. Двинская д.5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " 19" мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного доктор технических наук, профессор

совета.

Г

Кулибанов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Управленческие решения и их реализация проводятся в сложной активной среде, состоящей из следующих компонент: социально-политической, экономической и информационной. Становление информационного общества требует качественного повышения интеллектуального потенциала и тем самым выдвигает сферу образования на передний план общественного развития.

Характерная особенность управления современной образовательной системой заключается в развитии принципа автономности учебных заведений. Устанавливаются новые взаимоотношения между органами управления образованием различных уровней и образовательными учреждениями. В этих условиях проблема целенаправленного воздействия субъекта управления на объект управления и совершенствования процесса управления и управленческой деятельности приобретает особую остроту.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется, с одной стороны, потребностью решения фундаментальной проблемы управления процессами взаимодействия в сложной активной среде, а, с другой стороны, необходимостью повышения эффективности управления в сфере образования и ее отдельных учреждениях. Оба вопроса не могут быть решены без создания научно-образовательной среды и без средств коммуникационных компьютерных сетей.

Средства телекоммуникации являются центральным звеном научно-образовательной информационной среды. В России работы по развитию телематических систем ведутся по следующим направлениям: телекоммуникации для передачи данных; информационное наполнение; спутниковое учебное телевидение (в особенности для экспорта); технологии и методики дистанционного обучения; электронные учебники; мультимедиа технологии; информационные системы управления.

В совокупности эти направления работ обеспечивают решение с помощью телематики следующих задач: поддержка, совершенствование и развитие новых форм учебного процесса; информационная интеграция

вузов России между собой и в мировую систему; экспорт образования; поддержка науки как средства, способствующего росту образовательного потенциала; информационное обеспечение управления системой высшей школы.

Основные требования к услугам компьютерных сетей со стороны высшего образования: электронная почта; дистанционный доступ к библиотечным каталогам и файлам электронных библиотек; получение электронных периодических изданий по избранной тематике; дистанционный доступ к пользовательским файлам; дистанционное использование вычислительных ресурсов; обмен учебными программами, курсами лекций, обучающими системами; дистанционное получение образовательных услуг и др.

В настоящее время в Службе речного флота Министерства Транспорта России принята Программа создания информационного комплекса телекоммуникационной сети учебных заведений отрасли, в рамках которой проводились настоящие исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является построение обучающих информационных систем, создаваемых по принципу экспертных и включенных в общую корпоративную вузовскую сеть.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: провести анализ развития компьютерных систем управления вузом; предложить структуру экспертно-обучающей системы (ЭОС) из класса автоматических обучающих систем; организовать базу знаний ЭОС на основе семантических сетей, позволяющих осуществить моделирование и воздействовать на объект управления в соответствии с целями обучения; реализовать с системных позиций организацию применения информационных технологий и компьютерных сетей для эффективного управления вузом, как замкнутой саморегулирующейся системой; выделить основные уровни представления знаний и автоматизирование составлять содержание обучения; создать информационно-

графовую модель учебного задания, аналитические оценки объема заданий и алгоритмы формирования квалификационных заданий.

Методы исследования. При выполнении работы использована теория систем, теория управления, теория графов, теория экспертных систем, теория семантических сетей, теория информационно-вычислительных сетей, алгебра логики.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

а) информационная компонента управления вузом представлена как многоуровневая телекоммуникационная сеть, позволяющая реализовать передачу, обработку и хранение информации;

б) структура экспертно-обучающей системы (из класса автоматизированных обучающих систем), содержащей базу знаний, модель обучаемого, организацию диалога и лингвистический процессор, приобретение знаний и анализ их непротиворечивости, управление процессом обучения;

в) для организации баз знаний в ЭОС выделены классы понятий, как учебное средство достижения цели и для последующего моделирования системы понятий. Осуществлено представление ЭОС как системы управления целями обучения и алгоритмами воздействия ка объект управления;

г) предложена процедура формирования семантического пространства знаний с созданием графологической системы учебно-псда-гогических средств;

д) сетевая инфраструктура вуза как технологическая база иерархической структуры развивающейся телекоммуникационной сети вуза;

е) выделено пять основных уровней представления знаний на основе анализа квалификационных характеристик;

ж) предложена информационно-графовая модель. задания в виде семантического графа и аналитические оценки объема задания.

Практическая ценность работы заключается в следующем: разработаны структурные решения обучающих систем, позволяющих управлять процессом обучения в соответствии с целями обучения; предложены алгоритмы формирования квалификационных заданий, типовых учебных планов по специальностям; рассмотренная технология позволила реализовать синтез различных организационных структур для реализации управленческих решений.

Реализация работы. Основные результаты работы получены при подготовке Программы работ в рамках Службы речного флота Министерства- транспорта России по созданию отраслевого Информационного комплекса телекоммуникационной сети учебных заведений.

Разработанные в диссертации методические положения, алгоритмы построения базы знаний, программы функционирования информационных систем были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ-99" (октябрь, Санкт-Петербург, 1999г.); Юбилейной научно-методической конференции, посвященной 190-летию транспортного образования (декабрь, Санкт-Петербург, 1999г.); кафедральные семинары "Контроль и диагностика транспортных систем" (1998-2000 г.г., Санкт-Петербург, СПГУВК).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в • 15 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Содержит 190 стр. текста, 28 рисунков и 7 таблиц.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена анализу свойств корпоративной (вузовской) среды управления, преимущественно на основе системного подхода.

Высшее учебное заведение как среда управления представляет собой большую динамическую систему, состоящую из множества взаимосвязанных и изменяющихся во времени элементов, что предопределяет сложность информационных преобразований в его коммуникационных сетях, состав и содержание информационной системы объекта управления. Для ее усовершенствования устанавливается, какие сведения из формируемых (традиционно и стихийно) действительно нужны персоналу конкретного подразделения, выполняющего определенную функцию управления - вид деятельности, совокупности работ, направленных на достижение частных целей деятельности вуза.

Корпоративная информационная система вуза как среда управления рассматривается в виде иерархической телекоммуникационной сети системы управления, в рамках которой реализуются процессы по поступлению, передаче, обработке, накоплению и выдаче информации. Сложность системы определяется сложностью и многоуровневостью организационной структуры и деятельности вуза, состоящего из множества объектов.

Компьютерная система управления вузом рассматривается с точки зрения ее подсистем (структурных, функциональных, обеспечивающих) с учетом их динамического развития.

Обсуждаются требования к выделению подсистем системы управления вузом: непересечение их границ, тесная информационная взаимосвязь, использование результата решения задач подсистемы для конкретной функции управления объектом.

Исследована проблема создания информационной среды вуза как

части национальной информационной среды образования, включающей телекоммуникации, информационные фонды, научно-методическое обеспечение по предметам, предметным областям и специальностям, средства удаленного доступа к российским и мировым информационным ресурсам, базы данных и базы знаний, обучающие системы и комплексы, электронные библиотеки, а также описание компьютерных систем образования и технологий их реализации. Компьютерные системы высшей школы определяются как средства информационных технологий, применяемые в учебном процессе вузов, научных исследованиях и административно-управленческом процессе. В качестве технологии образовательной системы они определяют всю сферу образования и ее отдельные составляющие - цели, содержание, методы, формы обучения, воспитания и развития учащихся в учебных заведения любого уровня и профиля. Приводится условная классификация компьютерных систем образования.

Подробно . описаны компьютерные системы поддержки образовательного процесса, в том числе, мультимедийные, телекоммуникационные, геоинформационные - как наиболее перспективные, а также компьютерные системы, использующие вышеперечисленные системы в качестве технологической базы (системы дистанционного обучения, электронные библиотечные системы, экологические системы).

Подробно исследованы технологии представления информации в различных компьютерных системах образования.

Прослежены взаимозависимость и взаимопроникновение компьютерных систем образования, их корпоративный характер, эволюция компьютерных систем образования - к мультимедийным и сетевым вариантам, наиболее полно отражающим новые подходы к осуществлению процесса обучения с учетом идеи непрерывности образования.

Определены требования, направленные на дальнейшее развитие

информационной среды вуза.

Во второй главе изложены построение интегрированной экспертно-обучающей системы (ИЭОС) и методы формального описания предметной области обучения.

Применение компьютеров для целей обучения послужило толчком к появлению такого класса систем, как автоматизированные обучающие системы (АОС). Отличие подобных систем от обычных вычислительных комплексов заключается в том, что информационная АОС содержит базу данных и базу знаний, созданных с помощью педагогов-экспертов, и имеет своей целью именно процесс обучения.

Технология разработки интегрированных АОС, которые включают экспертные системы и средства мультимедиа, в настоящее время находится в стадии становления: используют композицию технологий создания педагогических систем и разработки экспертных систем, причем структура последней приспосабливается к применению в новой области -области педагогики.

Создаваемый при этом новый класс АОС, основанный на взаимодействии баз знаний, называют "экспертно-обучающие системы" (Рис.2). Под экспертно-обучающей системой понимают программную систему, реализующую функцию обучения, то есть управление обучением на основе знаний экспертов. Такие системы требуют не только применения методов представления и обработки знаний, но и организации эффективного взаимодействия различных источников знаний. Интегрированной экспертно-обучающей системой будем называть такую АОС, которая в своей структуре содержит одну или несколько экспертных систем и средства работы с мультимедиа.

На рис.1 представлено взаимодействие обучаемого и базы знаний.

Эксперт по дидактике

Эксперт по учебной дисциплине

Эксперт по педагогической психологии

* Рис.1 Взаимодействие обучаемого с системой баз знаний

При разработке структуры ИЭОС, ориентированной на обучение специалистов по информационным системам, использованы принципы системного подхода и сформулированы требования к ней. На основе этих требований определялись состав компонент и связи между ними.

На рис.2 изображена структурная схема ИЭОС, которая отвечает предъявляемым к ней требованиям.

Рис.2. Структурная схема интегрированной экспертно-обучающей

системы

С учетом выделенных свойств системы понятий и схемой классификаций проведен анализ предметной области и выделены классы понятий, базовые понятия, базовые отношения, производные отношения для последующего математического моделирования системы понятий. Основные классы понятий и входящие в них базовые понятия приведены в таблице.

Между выделенными базовыми понятиями существуют определенные функциональные отношения. Фиксация этих отношений между понятиями позволяет описывать семантику предметной области.

Наименование класса Перечень базовых понятий ' Смысл понятия

Объекты Технические устройства, машины, узлы, детали Элементы системы

Процессы Излучение, измерение, калибровка, ремонт, эксплуатация Действия объектов

Отношения Временные, пространственные, динамические, классификационные, идентифицирующие, прагматические, каузативные и др. Реляционные свойства объектов

Значения Числовое, оценочно-количественное, оценочно-бинарное, качественное Измеряемые свойст ва объектов

Свойства Форма, характеристика, свойство Виды характеристик

Преобразования Формы объектов, в пространстве, во времени, движения, материала, пугем исключения, добавления, замены и т.д. Функциональные зависимости характеристик

Таким образом, вводится определенная иерархия используемых объектов и понятий, допускающая, что любой объект может быть подтипом другого, более универсального и абстрактного объекта, то есть аппроксимирует его.

Рассмотренная в работе модель системы понятий предметной области представляется иерархической семантической сетью. Вершинами иерархической семантической сети служат языковые единицы, которые обозначают соответствующие конкретные или абстрактные понятия, отражающие внутреннее содержание предметной области.

На рис.4 обозначены: ob - объект; racily ..„ - основные характеристики; ach|_2,...„ - дополнительные характеристики; R) - отношения "объект-атрибут"; Rz- отношения "атрибут-атрибут"; text - словарная статья.

Образованная из базовых понятий семантическая сеть позволяет сформировать абстрактные и производные понятия. Однозначность отношений следования превращает сеть в ориентированный граф. С помощью производных понятий достигается более полное представление отношений между понятиями предметной области, выявляется ее глубинная структура.

Рис. 4. Семантическая сеть, моделирующая базовое понятие Далее в главе описывается графологическая система учебно-педагогических средств технической дисциплины и базисная когнитивная матрица технической дисциплины. Излагаются элементы языка представления знаний (ЯПЗ) в предметной области и базовые конструкции языка. Формальным способом описан синтаксис ЯПЗ.

Что касается иного аспекта функционирования ИЭОС, то для решения основных задач автоматизированного обучения, управления процессом обучения ИЭОС может быть определена как система с целью. Исследования показали, что системы, функционирование которых направлено на достижение цели, являются семантическими системами SS и формально определяются кортежем вида

SS =< Goal, Str, Met, Fac, Sem SI, Cond, t, >,

где Goal - множество основных, промежуточных и вспомогательных целей, ориентированных на достижение заданного уровня знаний в выделенной предметной области; Str -структура обучающей системы, организованная таким образом, чтобы способствовать достижению целей; Met - комплекс методов теоретического и практического характера для достижения основной цели через вспомогательные и промежуточные; Fac -

- применение различных средств для достижения целей: технических, программных, информационных, математических, лингвистических, учебно-методических, психолого-педагогических, организационных; Sem SI -обработка семантической информации, связанная с достижением целей; Cond - условия, способствующие достижению основной цели;

tj i == 1,1- время для достижения основной цели - определяется как сумма интервалов времени для достижения цели.

. В такой постановке система управления целями обучения будет иметь вид, показанный на рис.5. Объектом управления является база учебных знаний, в которой, при подаче управляющего воздействия ■ согласно выработанной стратегии обучения и заданных целей обучения, ; генерируются учебные задания с требуемыми дидактическими параметрами - значимостью, специфичностью, сложностью. В зависимости ; от ответов-, обучаемого производится перестройка иерархической модели обучаемого и корректировка управляющих воздействий .

Таким, образом, назначение системы управления процессом авто-• матизированного обучения заключается в выработке управляющего воздействия на основе информации, получаемой от обучаемого, с привлечением множества целей обучения, модели обучаемого и педагогических знаний.

Учебные задания: алгоритмические;

Рис.5. Схема системы управления целями обучения

База" учебных знаний представляется как объект управления, содержащий п учебных заданий зк,к = \,п. Состояние каждого из них в любой момент времени описывается векгором значений характеристик zJ■(sk), ] = \,тк , где Шк - количество характеристик состояния к-го

задания, к = 1,и .

Полагается, что объект управления находится в нормальном состоянии, если текущие значения всех характеристик задания одновременно соответствуют целям обучения и принадлежат заранее установленным допустимым диапазонам

<Л-) * г, (-Ч ) 5 ь] <А-X У = IЩ, к = 1, п..

Выход хотя бы одной из них за допустимые пределы означает, что объект управления перешел в аномальное состояние. Для его возврата в нормальное состояние необходимо выработать и реализовать некоторое управляющее решение.

Предполагается, что в результате опроса экспертов для каждой характеристики -у(Л-) определено множество (.чк) способов воздействия на объект управления, приводящих к изменению ее значения, у -1 ,тк, к = 1, п. Каждому такому способу сопоставляется импликативное выражение

К ^г> >"еЯу<А-), /=1%-, к = (1)

где Уг - составной предикат, конкретизирующий г-й способ воздействия на объект управления и условия его практической реализации; Рг. - сложный предикат, описывающий возможные последствия реализации данного способа воздействия на объект управления.

Полагается, что каждый такой способ в общем случае может предусматривать осуществление некоторого набора "элементарных" управляющих операций, применяемых не только в отношении рассматриваемого задания б*, но и в отношении определенного

подмножества связанных с б* других заданий. Тогда предикат У, можно представить следующими выражениями:

¥г=У?лУг\ ¥г° = & [{/,-(**)],

Уг= &Л<Л-,)л & \и,(*к1)лХ,(.%)] ./ = 1 ,тк, к =

где X, (50 - предикат, описывающий управляющую операцию Хь применяемую по отношению к заданию Бк ; и, (б^) - предикат, отражающий условия применимости управляющей операции X к заданию (практическую целесообразность, допустимость, обеспеченность и др.); I, (бО - множество номеров управляющих операций, реализуемых в отношении задания согласно г-му способу воздействия на объект управления;

К). - множество номеров, взаимосвязанных с заданий, по отношению к которым предусматривается применение управляющих операций согласно г-му способу воздействия на объект управления;

V, (яО - предикат, описывающий характер и параметры, связи между заданиями и , необходимыми для реализации г-ого способа

воздействия на объект управления.

Полагается также, что для реализации любого способа воздействия на объект- управления в целях изменения значения характеристики состояния задания в общем случае могут повлечь за собой побочное изменение значений других характеристик состояния данного задания, а также характеристик состояния прочих заданий, взаимодействующих с рассматриваемым. Следовательно, предикат Рг можно представить формулами

К = А /'•; А /.;2, /V0 = )Л7 (*к )1

А е'г(ч)

?г = & , &

геЛДл'Д 7 = 1, тк, к = \,п,

где В {2,($к),11Г|(5к)] - предикат, описывающий изменение значения характеристики в результате реализации г-го способа воздействия на объект управления;

Ц(5к) * целочисленная константа, указывающая направление этого изменения и являющаяся его качественной оценкой: если 1^(.чк)<0, то в результате реализации г-го способа воздействия на объект управления значение я,^) снижается; если Ц(зк)>0 - возрастает; если ЬГ1(Зк)^0 -остается на прежнем уровне; .1г(Бк) - множество номеров характеристик состояния задания (б^), которые наряду с г,^) могут изменять свои значения в результате реализации г-го способа воздействия на объект управления; - предикат, описывающий условия существования и параметры зависимости между >й и |рй ((^1) характеристиками состояния задания обусловливающей побочное изменение значения г^)

вследствие реализации г-го способа воздействия на объект управления; (Зп2(зы) - предикат, описывающий условия существования и параметры зависимости между характеристиками ^(Эк) и г^вы), (к^к]), обусловливающий побочное изменение последней из них вследствие реализации г-го способа воздействия на объект управления.

Совокупность выражений (1), сформированных в соответствии с введенными предположениями, образует базу знаний экспертной системы управления процессом обучения.

Глава третья посвящена проблеме создания и совершенствования корпоративной информационной системы вуза, обусловленной необходимостью решения таких задач, как:

• повышение эффективности управления учебного заведения;

• сокращение количества бумажных документов;

• повышение надежности выполнения решений.

Исследована необходимость создания единой информационной

системы вуза, объединяющей управление финансами, персоналом, материально-техническим обеспечением учебного и научно-исследовательского процесса и управление учебным процессом; способной гибко и оперативно перестраивать принципы своего функционирования. Подобная широкопрофильная система должна в равной, максимально допустимой степени удовлетворять все подразделения вуза, а также методы и структуру управления.

Подробно представлен комплекс задач управления вузом и соответствующих им компьютерных подсистем, включающий управление учебным процессом, денежными потоками, персоналом, документооборотом (с подключением задачи автоматизации деловых процедур), материальными ресурсами, финансами, деятельностью подразделений.

Каждая из подсистем системы управления вузом включаег решение ряда задач, позволяющих полностью автоматизировать процесс управления вузом, повысить оперативность, надежность принятия решений, исключить избыточность документопотока и оптимизировать движение и хранение документов.

Рассмотрены стратегия и этапы автоматизации финансово-хозяйственной деятельности вуза.

Тенденция, связанная с развитием, расширением и укрупнением учебных заведений, возникновение территориально удаленных филиалов и отделений как никогда остро ставит проблему быстрого и надежного доступа к корпоративной информации, а также проблему связи и координации действии филиалов между собой.

Подробно представлены возможные технологии реализации компьютерных систем управления вузом (Internet/Intranet, Lotus Notes, Web-технологии системы управления документами) и их сочетания при создании различных подсистем управления, обеспечивающие полноценное функционирование, надежность и безопасность корпоративной системы управления вузом.

Важнейшими параметрами информационной системы являются надежность, масштабируемость, безопасность, поэтому при создании таких систем используется архитектура клиент-сервер. Эта архитектура позволяет распределить работу между клиентской и серверной частями системы, предусматривает развитие и совершенствование в соответствии с особенностями решаемых задач. Переход к системам клиент-сервер в области учета и управления обусловлен ограниченными возможностями систем файл-сервер при обработке больших объемов данных, невозможностью создания распределенных систем, а также недостаточной интеграцией с другими системами Соединение сложной технологии систем документооборота с простотой Web-сервера существенно упрощает обмен информацией. Возможности таких систем многократно возрастают, если их функции соединяются с открытостью и простотой сетей Intranet. Комбинация этих технологий обеспечивает пользователям простой и быстрый доступ к большим объемам информации.

На качественно новом уровне решать задачи автоматизации делопроизводства и документооборота позволяет использование технологии Lotus Notes, которую, безусловно, можно рассматривать как технологию для создания общекорпоративной информационной системы: она является идеальной технологией для автоматизации делопроизводства - от рабочего места одного пользователя до всего коллектива в целом. Lotus Notes обеспечивает средства совместной работы с общими данными в виде территориально распределенных баз данных коллективного доступа, средства координирования работы, позволяющие маршрутизировать документы и отслеживать статус деловых процессов. Особенно эффективно использование Lotus Notes в сочетании с Web-технологией.

Обосновано, что сетевая инфраструктура вуза является технологической базой для создания и функционирования корпоративной информационной системы вуза. Вузовская корпоративная сеть обеспечивает возможность предоставления услуг по взаимодействию с

глобальными сетями передачи данных с любого включенного в нее рабочего места. В набор сервисов корпоративной сети входят почтовая служба, средства коллективной работы, поддержка удаленных пользователей, факс-сервис, организации видеоконференций. Возможно расширение сервисов внедрением обработки голосовых сообщений.

Изложены требования к транспортной системе корпоративной сети, используемым протоколам передачи данных, аппаратному и программному обеспечению, коммуникационному оборудованию. Анализируются способы защиты информации в корпоративной сети.

Определены требования к информационно-телекоммуникационному узлу (ИТКУ) как системообразующему элементу вузовской сети, который позволяет организовать взаимодействие локальных сетей отдельных корпусов вуза (возможно, через телекоммуникационные узлы корпусов, если таковые создаются но техническим соображениям), межвузовские взаимодействия и интеграцию в российские и зарубежные информационные сети. ИТКУ вуза объединяет вычислительные и информационные ресурсы, внутривузовские локальные сети и отдельные рабочие места в единую сеть. ИТКУ вуза служит базой для развертывания общевузовских информационных систем, почтовой и файловой служб. Представлены функциональные подсистемы, обеспечивающие функционирование ИТКУ. Исследованы методы интеграции корпоративной сети вуза в региональный сегмент федеральной научно-образовательной сети (территориальная сеть), федеральные и глобальные компьютерные сети.

В четвертой главе рассматривается вопрос создания комплекса инвариантных компьютерных технологий для реализации систем дуального управления качеством высшего образования, обеспечивающих существенное повышение уровня подготовки специалистов в высших учебных заведениях. Такие системы содержат тесно взаимосвязанные, высокоэффективные, адаптивные механизмы управления не только текущим функционированием процесса подготовки специалистов, но и

опережающим по сравнению с общественной практикой развитием системы высшег о образования.

Работа направлена на развитое и экспериментальную реализацию на базе новых информационных технологий концептуальной модели функционирования и развития системы подготовки специалистов, охватывающей все стадии проектирования учебного процесса и управления качеством образования: от формирования требований к качеству подготовки специалистов на различных этапах обучения до определения структуры и содержания образования.

Вид деятельности специалиста поддерживается набором системы знаний и умений по дисциплинам учебного плана подготовки, который, в свою очередь, может быть представлен системой контрольных вопросов по дисциплинам и соответствующих им эталонных ответов.

Строится концептуальная модель специалиста взаимосвязи и взаимодействия элементов знаний различных уровней для автоматизации процесса синтеза системы квалификационных требований в виде контрольных заданий, эталонных ответов и системы оценок. Эта модель является основой для внутреннего проектирования содержания обучения и представлена в виде семантической сети, вершинами которой являются атрибуты элементов знаний и соответствующих им разделов учебных дисциплин и источников учебной литературы, включающих в себя материал но этим разделам в качестве эталонных ответов

М = (Т, Р, А, Б, в), где Т - множество типовых элементов, соответствующих виду деятельности специалиста, Р - множество типовых знаний, соответствующих задачам деятельности специалиста; А - множество алгоритмов решения задач деятельности специалиста; Р - множество разделов учебных дисциплин учебного плана, знание которых необходимо для реализации той или иной задачи деятельности в соответствии с выбранным алгоритмом из множества А; О - множество разделов учебной литературы, где содержатся сведения по соответствующим разделам

- учебной дисциплины из множества Р.

Вершины данной модели являются некоторыми понятиями базы знаний, которая, в свою очередь, имеет соответствующую структуру.

Построенная таким образом концептуальная модель базы знаний образует информационную структуру с описанием семантики основных типовых элементов знаний и является исходной информацией для автоматизации процесса синтеза квалификационных заданий идя оценки качества подготовки специалистов. Элементы и связи классифицированы по степени их стабильности и динамичности в соответствии с характером научно-технического прогресса по величине энтропии разнообразия Н

Созданная база данных позволяет: хранить информацию по основным базовым дисциплинам; осуществлять просмотр квалификационных характеристик и квалификационных заданий; формировать квалификационные задания для оценки знаний специалистов; осуществлять просмотр основных классов объектов деятельности специалиста для формирования квалификационного задания; производить расчет информационного объема эталонного ответа и определять балльные оценки; формировать учебные программы и типовые учебные планы.

Организация информационной среды является многоуровневой. На верхнем уровне располагаются укрупненные алгоритмы и виды деятельности специалиста. Нижние уровни составляют базовые элементы знаний по дисциплинам полготовки, контрольные вопросы для проверки качества знаний и эталонные ответы к ним.

Формирующая система представляет собой пакет программ, который обеспечивает формирование необходимой информации для заполнения базы данных, реализующих следующие функции:

• формирование модели квалификационной.характеристики,

• включение полученной модели в банк моделей квалификационных характеристик;

• построение информационно-графовой модели контрольного задания;

• расчет количественных характеристик задания по построенным информационно-графовым моделям.

Рабочая подсистема осуществляет: непосредственное построение вариантов контрольных заданий в соответствии с условиями, заданными пользователями с основными функциями; представление моделей квалификационных характеристик пользователю; построение в диалоговом режиме образа контрольного задания; формирование вариантов контрольных заданий; определение балльных оценок заданий, формирование рабочих программ и учебных планов.

Контрольное задание представляет собой сформированное пользователем по конкретной квалификационной характеристике множество Ь заданий, выполнение которых обучаемым позволяет сделать вывод о наличии у него необходимых знаний, умений и навыков в конкретной предметной области. Каждое задание имеет две характеристики: информационный объем задания и ожидаемое время выполнения задания. Информационно-графовая модель задания представляет собой его семантический граф, являющийся основой для определения информационного объема задания. Объем информации, представленной в виде дерева, рассчитывается в элементарных

семантических единицах

у . у у.

Л'+1гр(<+1)(./-|)+1

где /-номер уровня иерархии (/ = 1,я),начиная с верхнего;. - номер элемента, расположенного на ¡' -м уровне иерархии,

к(1 , - число элементов (/ + 1)-го уровня, находящегося в

непосредственном подчинении с _/-м элементом /- го уровня, -объему,у,-го узла дерева представления информации, -объем информации ] -го элемента () +1)-го уровня

иерархии;

Ра число элементов ; -го уровня, непосредственно подчиненных

элементам (1 - 1)-го уровня с номерами от; до]. п /1М- 11 /1М

По формуле К/, рассчитываются объемы информации для всех узлов, кроме: нулевого уровня, для которого

т

-г "'I

К0=ет'+1- ТУ и

1, =1

где - тI число элементов 1-го уровня, связанных отношением непосредственного подчинения с узлом нулевого уровня.

Применяя последовательно рекуррентное соотношение К/, через

объемы информация конечных элементов графа, расположенных на п-м уровне, вычисляются последовательно объемы элементов п -1, п - 2, . , 1 уровней, а затем по формуле для у0 определяется объем графа в целом в элементарных семантических единицах, если объем конечных (базовых) элементов выражен в ЭСЕДах.

Объем информации графа, состоящего из N деревьев, и нуль - графа с Б вершинами, определяется по формуле

N

У = | /=|

где V, - объем информации, описываемый /-м деревом(/' = 1,Л');

V, - объем информации_/-вершины нуль-графа ( / = 1,5^)

В качестве оптимизационной характеристики конструируемого контрольного задания берется время его выполнения Ткр. При этом контрольное задание представляет такое множество заданий, правильное выполнение которых говорит о наличии у обучаемых знаний, необходимых для выполнения всех заданий из образа контрольного задания Ь.

В отличие от существующего подхода предлагаемый подход позволяет на системном уровне решить проблемы интеграции средств обучения и контроля со средствами формирования содержания обучения по специальности или направлению подготовки.

Лингвистическое обеспечение разработано в виде сценариев диалога пользователя и автоматизированной подсистемы. Особенностью системы

является совмещение тексто-псевдографического редактора с базой данных. Используется подход системы синтеза квалификационных заданий и аппарата дискретной стохастической оптимизации по совокупности следующих критериев: информационный объем базовой дисциплины; количество базовых элементов и укрупненных алгоритмов деятельности специалиста, включенных в программу базовой дисциплины.

Целесообразно совмещение подсистем поиска и редактирования вложенной информации. Создана специальная структура хранения данных с возможностью одновременного использования средств редактирования, автоматического или автоматизированного хранения и поиска.

Особенности системы поиска, хранения и редактирования типовых элементов знаний: универсальность при работе с современными операционными системами; универсальность по отношению к конфигурации аппаратных средств; разнесенность управляющего ядра системы и хранимой информации, что позволяет хранить и накапливать виды квалификационных характеристик как по отдельным специальностям, так и по всем вместе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненных исследований в диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Информационная система вуза (среда управления) представлена как иерархическая телекоммуникационная сеть системы управления, в рамках которой реализуются процессы по поступлению, передаче, обработке, накоплению и выдаче информации. Сложность системы определяется сложностью, многоуровневостью организационной структуры и деятельности вуза, состоящего из множества объектов.

2. Предложена структура экспертио-обучающей системы, как класса автоматизированных обучающих систем, содержащая следующие компоненты: базу знаний, модель обучаемого, организацию диалога и лингвистический процессор, приобретение знаний и анализ их непротиворечивости, управление процессом обучения, а также сформулированы требования к ЭОС с точки зрения обучения.

3. Для организации баз знаний в.ЭОС выделены классы понятий, как учебное средство достижения цели, для последующего математического моделирования системы понятий. Для чего введены графы классификации понятий и семантическая сеть как средство моделирования. Осуществлено представление ЭОС как системы управления целями обучения с рассмотрением ее структуры и алгоритмов воздействия на объект управления в соответствии с целями обучения.

4. Предложены процедуры формирования семантического пространства знаний созданием графологической системы учебно-педагогических средств и базисной конгнитивной матрицы технических дисциплин, а также выделены лексические группы и символы для представления знаний.

Разработана схема построения функциональной семантической сети с графическим представлением структуры понятийной обстановки при

решении задач учебного курса и механизма изучения понятий учебного курса.

5. Рекомендовано при применении новых информационных технологий и компьютерных систем реализовать принцип системности в эффективном управлении вузом и рассматривать задачи: управление материальными ресурсами, управление финансами и управление деятельностью подразделений.

6. Сетевая инфраструктура вуза рассмотрена как технологическая база для создания и функционирования корпоративной информационной системы вуза. При этом существенной особенностью корпоративной информационной системы ставится расширение рамок автоматизации для получения замкнутой саморегулирующейся системы, способной гибко и оперативно реагировать на изменения и перестраивать структуру и принципы своего функционирования.

7. На основе анализа квалификационных характеристик специалиста выделено пять основных уровней представления знаний. Описана система автоматизированного составления содержания обучения, база данных которой имеет иерархическую структуру. При этом создается такая структура информационной среды, которая позволяет автоматизировать формирование содержания учебного курса.

8. Предложена информационно-графовая модель задания, представляющая собой семантический грае}), являющийся основой для определения информационного объема задания. Рассмотрены аналитические оценки объема задания.

Разработаны модели и алгоритмы формирования квалификационных заданий, типовых учебных планов по специальности, типовых учебных программ по дисциплинам специальное™, позволяющие на системном уровне решить проблемы интеграции средств обучения, а также контроля со средствами формирования содержания обучения.

Основные положения диссертации отражены в следующих научных

публикациях:

1. Емельянова Т.В., Поваров Г.В., Попов И.М. Структура государственного управления речного транспорта в условиях рынка. В сб. н. тр. «Современные проблемы экономики и управления на водном транспорте». СПБ.: СПГУВК, 1996. с. 3 - 9.

2. Емельянова Т.В. , Поваров Г.В., Попов И.М. Управление транспортным комплексом в нашей стране и за рубежом. В сб. н. тр. «Экономика и управление предприятиями речного транспорта». СПб.: СПГУВК, 1998 с. 5 - 9

3. Емельянова Т.В., Кислова Т.А. Повышение качества подготовки специалистов на речном транспорте. В. сб. н. тр. «Эксплуатация портов, водных путей и гидросооружений». JL: ЛИВТ, 1990. с. 40 -47.

4. Емельянова Т.В., Удалой В.А. Построение автоматизированных обучающих информационных систем и сетей. В сб. тезисов докладов Международной научно-технической конференции «Транском - 99». СПб.: СПГУВК, 1999. с. 222 - 224.

5. Емельянова Т В., Ткачев В.А. Методические основы формирования обучающих систем. В сб. тезисов докладов «Международной научно-технической конференции «Транском - 99». СПб.: СПГУВК, 1999. с. 224 -226

6. Андреев В.И., Емельянова Т.В. . Некоторые подходы к реализации Информационных технологий в учебном процессе вуза. В сб. н. тр. «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб.: СПГУВК, 2000. Вып. 3. с. 7 - 11.

7. Емельянова Т.В., Ефремов В.П., Жукова А.Г. Об описании документальных информационных ресурсов. В. сб. и. тр. Российской Академии транспорта «Проблемы управления транспортными системами». СПб.: СПГУВК, 2000. с. 118 - 131

8. Андреев В.И., Емельянова Т.В. О некоторых перспективах и проблемах информационного обеспечения дистанционного обучения в вузе. В сб. н. тр. Российской Академии транспорта «Проблемы управления транспортными системами». СПб.: СПГУВК, 2000. с. 245 - 249.

9. Андреев В.И. Емельянова Т.В. Электронный учебник, принципы построения и возможности использования. В. сб. н. тр. Российской Академии транспорта «Проблемы управления транспортными системами». СПб.: СПГУВК, 2000. с. 271 -283.

10. Андреев В.И., Емельянова Т.В. Об организации электронной библиотеки в вузе . В. сб. н. тр. «Методы прикладной математики в транспортных системах». Вып. 4. СПб, СПГУВК, 2000. - с. 6 - 8.

11. Андреев В.И., Емельянова Т.В Электронные гипертекстовые системы. В. сб. н. тр. «Методы прикладной математики в транспортных системах». Вып. 4. СПб, СПГУВК, 2000. - с. 9 - 21

ВВЕДЕНИЕ

1 .РАЗВИТИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ВУЗОМ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1 Структура управления вузом на базе компьютерных систем

1.2.Компьютерные системы: виды и типы. Классификация компьютерных систем в социальной сфере

1.3. Компьютерные системы образования и технологии их реализации

Основные результаты

2. ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЭКСПЕРТНО-ОБУЧАЩЕЙ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ФОРМАЛЬНОГО ОПИСАНИЯ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ОБУЧЕНИЯ

2.1. Структура интегрированной экспертно-обучающей системы

2.2. Формирование системы базовых и производных понятий предметной области '

2.3. Методы формирования семантического пространства знаний и их формализация

2.4. Методы автоматизированного формирования семантического графа как фрагмента предметной области

2.5. Модели оптимального принятия решений при управлении процессом автоматизированного обучения

2.6. Построение функциональной семантической сети усвоения понятий предметной области

Основные результаты '

3 ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ

ОБУЧАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

3.1. Корпоративная информационная система

3.2. Автоматизация управления финансово-хозяйственной деятельностью вуза

3.3. Технологии реализации компьютерных систем управления вузом

3.4. Иерархическая структура развивающейся телекоммуникационной сети вуза

Основные результаты

4.СИНТЕЗ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

ОБУЧЕНИЯ

4.1. Разработка библиотеки типовых элементов знаний в соответствии с содержанием обучения

4.2. Разработка алгоритма ввода и проведение информационного анализа

4.3. Разработка диалоговых процедур системы автоматизированного проектирования 168 4.4 Формирование примера на основе разработанных диалоговых процедур системы проектирования содержания обучения

Основные результаты

Управленческие решения и их реализация проводятся в сложной активной среде, состоящей из следующих компонент: социально-политической, экономической и информационной. Становление информационного общества требует качественного повышения интеллектуального потенциала и тем самым выдвигает сферу образования на передний план общественного развития.

Характерная особенность управления современной образовательной системой заключается в развитии принципа автономности учебных заведений. Устанавливаются новые взаимоотношения между органами управления образованием различных уровней и образовательными учреждениями. В этих условиях проблема целенаправленного воздействия субъекта управления на объект управления и совершенствования процесса управления и управленческой деятельности приобретает особую остроту.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется, с одной стороны, потребностью решения фундаментальной проблемы управления процессами взаимодействия в сложной активной среде, а, с другой стороны, необходимостью повышения эффективности управления в сфере образования и ее отдельных учреждениях. Оба вопроса не могут быть решены без создания научно-образовательной среды и без средств коммуникационных компьютерных сетей.

Средства телекоммуникации являются центральным звеном научно-образовательной информационной среды. В России работы по развитию . телематических систем ведутся по следующим направлениям: телекоммуникации для передачи данных; информационное наполнение; спутниковое учебное телевидение (в особенности для экспорта); технологии и методики дистанционного обучения; электронные учебники; мультимедиа технологии; информационные системы управления.

В совокупности эти направления работ обеспечивают решение с помощью телематики следующих задач: поддержка, совершенствование и развитие новых форм учебного процесса; информационная интеграция вузов России между собой и в мировую систему; экспорт образования; поддержка науки как средства, способствующего росту образовательного потенциала; информационное обеспечение управления системой высшей школы.

Основные требования к услугам компьютерных сетей со стороны высшего образования: электронная почта; дистанционный доступ к библиотечным каталогам и файлам электронных библиотек; получение электронных периодических изданий по избранной тематике; дистанционный доступ к пользовательским файлам; дистанционное использование вычислительных ресурсов; обмен учебными программами, курсами лекций, обучающими системами; дистанционное получение образовательных услуг и др.

В настоящее время в Службе речного флота Министерства Транспорта России принята Программа создания информационного комплекса телекоммуникационной сети учебных заведений отрасли, в рамках которой проводились настоящие исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является построение обучающих информационных систем, создаваемых по принципу экспертных и включенных в общую корпоративную вузовскую сеть.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: провести анализ развития компьютерных систем управления вузом; предложить структуру экспертно-обучающей системы (ЭОС) из класса автоматических обучающих систем; организовать базу знаний ЭОС на основе семантических сетей, позволяющих осуществить моделирование и воздействовать на объект управления в соответствии с целями обучения; реализовать с системных позиций организацию применения информационных технологий и компьютерных сетей для эффективного управления вузом, как замкнутой саморегулирующейся системой; выделить основные уровни представления знаний и автома-тизированно составлять содержание обучения; создать информационнографовую модель учебного задания, аналитические оценки объема заданий и алгоритмы формирования квалификационных заданий.

Методы исследования. При выполнении работы использована теория систем, теория управления, теория графов, теория экспертных систем, теория семантических сетей, теория информационно-вычислительных сетей, алгебра логики.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной: а) информационная компонента управления вузом представлена как многоуровневая телекоммуникационная сеть, позволяющая реализовать передачу, обработку и хранение информации; б) структура экспертно-обучающей системы (из класса автоматизированных обучающих систем), содержащей базу знаний, модель обучаемого, организацию диалога и лингвистический процессор, приобретение знаний и анализ их непротиворечивости, управление процессом обучения; в) для организации баз знаний в ЭОС выделены классы понятий, как учебное средство достижения цели и для последующего моделирования системы понятий. Осуществлено представление ЭОС как системы управления целями обучения и алгоритмами воздействия на объект управления; г) предложена процедура формирования семантического пространства знаний с созданием графологической системы учебно-педагогических средств; д) сетевая инфраструктура вуза как технологическая база иерархической структуры развивающейся телекоммуникационной сети вуза; е) выделено пять основных уровней представления знаний на основе анализа квалификационных характеристик; ж) предложена информационно-графовая модель задания в виде семантического графа и аналитические оценки объема задания. и

Практическая ценность работы заключается в следующем: разработаны структурные решения обучающих систем, позволяющих управлять процессом обучения в соответствии с целями обучения; предложены алгоритмы формирования квалификационных заданий, типовых учебных планов по специальностям; рассмотренная технология позволила реализовать синтез различных организационных структур для реализации управленческих решений.

Реализация работы. Основные результаты работы получены при подготовке Программы работ в рамках Службы речного флота Министерства транспорта России по созданию отраслевого Информационного комплекса телекоммуникационной сети учебных заведений.

Разработанные в диссертации методические положения, алгоритмы построения базы знаний, программы функционирования информационных систем были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ-99" (октябрь, Санкт-Петербург, 1999г.); Юбилейной научно-методической конференции, посвященной 190-летию транспортного образования (декабрь, Санкт-Петербург, 1999г.); кафедральные семинары "Контроль и диагностика транспортных систем" (1998-2000 г.г., Санкт-Петербург, СГГГУВК).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 15 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Содержит 190 стр. текста, 28 рисунков и 7 таблиц.

Основные результаты

1. Предложено при применении новых информационных технологий и компьютерных систем реализовать принцип системности в эффективном управлении вузом и рассматривать задачи управления материальными ресурсами, финансами, подразделениями.

2. Обосновано создание интегрированной системы управления финансово-хозяйственной деятельностью вуза, дан перечень решаемых при этом проблем и задач. Определены четыре основных этапа создания системы.

3. Сетевая инфраструктура вуза рассмотрена как технологическая база для создания и функционирования корпоративной информационной системы вуза- В этом варианте существенной особенностью корпоративной информационной системы становится расширение рамок автоматизации для получения замкнутой саморегулирующейся системы, способной гибко и оперативно реагировать на изменения, перестраивать структуру и принципы своего функционирования.

4. Использование технологий Internet / Intranet, Lotus Notes, Web-технологий и их интеграция позволяют осуществить полноценное функционирование корпоративной информационной системы с обеспечением ее надежности и безопасности.

4.СИНТЕЗ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

ОБУЧЕНИЯ

Главный критерий оценки состояния образования - его востребованность обществом. В этой связи следует отметить возросший интерес молодежи к получению образования. Отсутствие государственной системы распределения выпускников вузов, развитие рыночной экономики, формирующийся рынок труда - все это требует от системы образования перехода к многоуровневой структуре подготовки специалистов. Такая структура предусматривает различные по содержанию образовательные и профессиональные программы, освоение которых будет удовлетворять потребностям рынка и обеспечивать необходимые условия для опережающего качественного образования специалистов.

Реформирование системы образования в России предполагает осуществление глубоких изменений в структуре и содержании высшего образования, методах управления качеством подготовки - адекватных происходящим в обществе экономическим и социальным изменениям. Создание комплекса инвариантных компьютерных технологий для реализации систем управления качеством образования обеспечивает существенное повышение уровня подготовки специалистов в высших учебных заведениях. Данные системы содержат тесно взаимосвязанные высокоэффективные адаптивные механизмы управления не только текущим процессом подготовки специалистов, но и опережающим по сравнению с общественной практикой развитием системы высшего образования.

Речь идет о дальнейшем развитии и экспериментальной реализации на базе новых компьютерных технологий концептуальной модели функционирования и развития системы подготовки специалистов, охватывающей все стадии проектирования учебного процесса и управления качеством образования - от формирования требований к качеству подготовки студентов на различных этапах обучения и выпусков, до определения структуры и содержания образования, построения моделей диагностики качества образования, конструирования соответствующих диагностических средств и определения эффективности образовательных систем.

Комплексная оценка уровня квалификации специалиста является ключевым условием процесса управления подготовкой высокопрофессиональных, конкурентоспособных специалистов, пользующихся спросом на рынке труда. Современные условия управления подготовкой специалистов, кроме элементов оценки уровня их квалификации, включают в себя:

• планирование дисциплин,

• этапы подготовки специалистов,

• оперативную разработку как отдельного квалификационного задания общеобразовательного или специального характера, так и комплексного проектного задания, имеющего, в том числе, прикладную направленность.

Функционирование системы управления качества высшим образованием, использование компьютерных и информационных технологий осуществляется в рамках распределенной сети индивидуальных АРМ преподавателей и АРМ студентов, базирующихся на интегрированной базе данных элементов знаний по направлениям подготовки. В рамках АРМ преподавателя решаются вопросы подготовки содержания дисциплин и доступа' к этим средствам АРМ студентов. На АРМ студентов формируются контрольные задания и обучающие программы, которые базируются на содержательном описании дисциплины в АРМ преподавателя. Связь этих АРМ осуществляется через программно-аппаратный интерфейс телекоммуникационной сети в рамках выпускающей кафедры. АРМ преподавателей замыкаются на АРМ заведующего кафедрой, которые, в свою очередь, замыкаются на АРМ декана в общей сети управления вузом. Разработан комплекс инструментальных программных средств, базирующихся на универсальной информационной среде, которая включает в себя единую базу данных элементов знаний по направлениям, совмещенную систему управления, текстовый и графический редакторы для манипулирования и формирования требуемых нормативных документов, характеризующих содержание обучения и средств контроля качества подготовки специалистов. Система автоматизированного проектирования содержания обучения строится по блочно-иерархическому принципу на базе распределенной системы коллективных узлов для обеспечения передачи, хранения и общего доступа к базам данных и знаний, системы отдельных АРМ управления (студент, преподаватель, зав. кафедрой, декан, учебное управление), формирования учебных планов и программ подготовки специалистов.

Создание информационной базы объектов обучения, формирование прогноза качественных характеристик процесса подготовки специалистов и рекомендаций по корректировке учебного плана и рабочих программ позволяет одновременно получать информацию для обратной связи -повышения эффективности и качества приобретения знаний в процессе обучения.

Специалисты в области качества выделяют три составляющие качества образования:

• качество содержания образования (качество знаний, способов решения задач);

• качество методов обучения (качество организации познавательной деятельности, мотивации познавательной деятельности, контроля за учебной деятельностью, контроля за результатом учебной деятельности);

• качество образованности личности (качество усвоения знаний, умений и навыков, усвоения нравственных норм).

Реализация компьютерной поддержки процесса обучения является процедурой органически взаимосвязанной с разработкой системы обучения в целом для каждого учебного курса. Содержание требований к обязательному уровню подготовки является основой для определения качества и важнейшим критерием оценки достижения ее результатов.

4.1. Разработка библиотеки типовых элементов знаний в соответствии с содержанием обучения

Переход к многоуровневой, многоступенчатой системе образования, индивидуализация учебного процесса требуют оперативной и быстрой модификации 'содержания обучения по специальностям и направлениям, т.е. оперативной корректировки учебных планов, рабочих программ, конспектов лекций, содержания лабораторных и практических занятий, курсовых проектов.

Большая номенклатура специальностей, объем учебнЫх планов и специальных дисциплин выдвигают требование к автоматизации процесса подготовки фондов контрольных заданий по каждой специальности. При этом основой процесса формализации разработки квалификационных заданий (КЗ) является квалификационная характеристика (КХ) специалиста, в которой указываются все виды деятельности специалиста, уровни сформированности знаний: репродуктивный, творческий и эвристический.

Основные виды и задачи деятельности специалистов широкого профиля в области новых информационных технологий (НИТ) являются достаточно инвариантными. Квалификационная характеристика устанавливает требования в форме специально-профессиональных задач с указанием уровней сформированности деятельности по их решению. Анализ инвариантных видов деятельности специалистов и содержания обучения на основе КХ для каждой специальности в области НИТ позволяет выделить основные виды деятельности специалистов и соответствующие им задачи. При этом для решения каждой из задач необходимо иметь набор типовых элементов знаний на уровне содержательного описания укрупненного алгоритма решения задачи.

На основании анализа КХ выделены пять основных уровней представления знаний (рис. 4.1),

Определенный вид деятельности специалиста поддерживается набором знаний и навыков по дисциплинам учебного плана подготовки специалистов, соответствующих этому виду деятельности, которые, в свою очередь, могут быть представлены контрольными вопросами по дисциплинам и-соответствующими им эталонными ответами.

При такой организации элементов знаний можно сформулировать концепцию формализации системы знаний и информационного анализа на основе иерархического библиотечного представления типовых элементов знаний, что позволяет перейти к разработке алгоритмов и процедур синтеза системы квалификационных требований к специальности на этой основе. Способ файлово-библиотечного хранения информации эффективен при организации расположения. данных на машинных носителях; при модификации данных, предполагающих большой относительный процент изменений; при формировании выходных форм, состоящих из большого числа отдельных, хоть и коррегирующих элементов.

Строится концептуальная модель (КМ) специалиста на основе взаимосвязи и взаимодействия элементов знаний различных уровней для автоматизации процесса синтеза системы квалификационных требований в виде контрольных заданий, эталонных ответов и системы оценок. КМ

I уровень - вид деятельности специалиста

II уровень - постановка и содержание задач деятельности

III уровень - разделы учебных дисциплин, необходимые для решения задач деятельности

IV уровень - разделы учебных дисциплин, необходимые для решения задач деятельности

V уровень - разделы учебной литературы (эталонные ответы)

Рис. 4.1. Квалификационная характеристика представляет собой совокупность элементов деятельности специалиста, связей между ними и целей объединения элементов в организационное целое - как на этапе подготовки специалиста, так и в ходе его практической деятельности. Эта модель является основой для внутреннего проектирования содержания обучения и позволяет определить его рациональную структуру по следующим уровням межпредметных связей: внешнему - характеризующему связи дисциплин через инвариантные виды деятельности специалиста; внутреннему - отражающему связи между разделами отдельных дисциплин, временному - определяющему последовательность изучения разделов и их распределение по учебным циклам. Модель позволяет также выделить уровни и содержательное описание этих уровней знаний; оценить информационный объем типовых элементов знаний; выбрать базовое общественное программное обеспечение "для построения подсистем, а также способы и соответствующие средства ведения библиотеки типовых элементов знаний, языков формирования библиотеки, системы интерфейсов инструментальной системы и файдов описаний типовых элементов знаний.

Для функционирования подсистем формирования знаний целесообразно использовать вычислительную технику с объемом оперативной памяти, достаточным, при большой информационной емкости библиотеки типовых элементов знаний для каждой специальности (порядок 10-15 дисциплин по' 20-30 основных элементов знаний, представляемых в виде 5-10 контрольных вопросов и эталонных ответов). Применяются система растровой цветной машинной графики, инструментальная система программирования, мониторная система обмена файлами и система иерархического меню.

Типовые квалификационные задания формируются по каждому виду деятельности в виде контрольных вопросов и эталонных ответов. Структура взаимодействия уровней предъявления знаний определена в виде концептуальной иерархической модели, позволяющей формализовать процесс ввода, хранения и ' поиска типовых элементов знаний. Ретроспективная информация, имеющая для данной специальности стабильный характер, представляется в виде базы данных и базы знаний. Перспективная информация, поступающая в виде текущих оценок и правил формирования, предлагаемых экспертом, используется через специальные средства диалога при принятии решений в процессе прикладных средств управления.

В соответствии с КХ и учебным планом для данной специальности концептуальная модель элементов знаний представляет собой множество атрибутов и связей между ними - в виде семантической сети, вершинами которой являются атрибуты элементов знаний, соответствующих им разделов учебных дисциплин и учебной литературы, включающей в себя материал по этим разделам в качестве эталонных ответов

М=(Т, Р, A, F, G), (4.1.) где Т - множество типовых элементов, ■ соответствующих виду деятельности специалиста (1 уровень);

Р - множество типовых элементов знаний, соответствующих задачам деятельности специалиста (2 уровень);

А - множество алгоритмов решения задач деятельности специалиста (3 уровень);

F - множество разделов учебных дисциплин учебного плана, знание которых необходимо для реализации той или иной задачи деятельности в соответствии с выбранным алгоритмом из множества А (4 уровень);

G - множество разделов учебной литературы, содержащей сведения по соответствующим разделам учебной дисциплины из множества F (5 уровень).

Вершины такой модели являются некоторыми понятиями базы знаний, имеющей соответствующую структуру.

Концептуальная модель- для специальности 071900 "Информационные системы"- включает в себя следующие основные м атрибуты типовых элементов знаний, записанных в виде формул Наура-Бэкуса (НБФ). Вид деятельности специалиста > : : = < системный анализ объекта и процесса проектирования> <создание методического и организационного обеспечения информационных систем (ИС) > < выбор и комплексирование средств технического обеспечения ИС > <разработка и эксплуатация информационного обеспечения ИС > <выбор и адаптация средств лингвистического обеспечения> <разработка и эксплуатация математического и программного обеспечения >.

V»

Системный анализ объекта и процесса информатизации> : = Исследование класса объектов проектирования на этапах их разработки, изготовления и эксплуатации> <анализ типовых ИС для использования при автоматизации процесса информатизации > <разработка технического задания на ИС и ее подсистемы>; и т.д.

Исследование класса объектов информатизации на этапах их разработки, изготовления и эксплуатации > : = содержательное описаний процесса разработки, технологии изготовления и функционирования транспортного объекта> ^построение аналитических и экспериментальных моделей объекта информатизации >; и т.д.

Содержательное описание процесса разработки; технологии изготовления и функционирования объекта> : : = <системный анализ и принятие проектно-конструкторских решений> <алгоритмические и программные основы ИС, конструирования и надежности> проектирования информатизационной технологии и микропроцессорного оборудования> <основы информатики и схемотехники>; и т.д. - основные темы учебных дисциплин, необходимые для решения данной задачи деятельности специалиста.

Системный анализ и принятие проектно-конструкторских решений> : : = <Л1, стр. 235-246> <Л2, стр. 176-182> <ЛЗ, стр. 57-63>; проектирование информатизационной технологии и микропроцессорного оборудования> : : = <Л4, стр. 154-158> <Л5, стр. 51-53> <Л6, стр. 194196>; и т. д. - эталонные ответы на эти разделы учебных дисциплин.

Такая концептуальная модель базы знаний образует информационную структуру с описанием семантики основных Типовых элементов знаний, являясь исходной информацией для автоматизации процесса синтеза квалификационных заданий, а также для оценки качества подготовки специалистов. Для последующего использования КМ при проектировании элементы и связи классифицированы по степени их стабильности и динамичности в соответствии с характером научно-технического прогресса по величине энтропии разнообразия.

Система формирования контрольных заданий по квалификационным характеристикам специалиста представляет собой человеко-машинную систему, реализующую в диалоговом режиме построение вариантов контрольных работ с целью проведения текущего и итогового контроля знаний обучаемых и входит в систему автоматизированного проектирования содержания обучения (САПСО). САПСО позволяет генерировать варианты контрольных работ по специальностям для проверки степени усвоения материала отдельных дисциплин или всего комплекса знаний и умений по конкретной дисциплине. Создаваемая база данных позволяет:

• хранить информацию по основным базовым дисциплинам;

• осуществлять просмотр квалификационных характеристик и квалификационных заданий;

• формировать квалификационные задания для оценки знаний специалистов;

• осуществлять просмотр основных классов объектов деятельности специалиста для составления квалификационного задания;

• формировать содержание обучения;

• производить расчет информационного объема эталонного ответа и определять оценку;

• формировать учебные программы и типовые учебные планы.

База данных имеет иерархическую структуру. На верхнем уровне содержится информация (меню) о,режимах работы пользователя с базой данных. Каждому элементу верхнего уровня соответствует несколько элементов более низкого уровня. На рис. 4.2 представлена иерархическая структура базы данных. Доступ к самым низким иерархическим уровням санкционирован ограниченной группе пользователей.

С системой могут работать две категории пользователей. Первая категория - -это специалисты, которые формируют банк заданий и решений, банк квалификационных характеристик, а также осуществляют привязку заданий из КЗ к конкретным квалификационным характеристикам и построение информационно-графовой модели (ИГМ) заданий для определения их количественных характеристик. ИГМ базовой дисциплины представляет собой совокупность моделей, контрольных вопросов и заданий.

Ко второй категории относятся специалисты, непосредственно разрабатывающие различные контрольные задания, основываясь на информации, сформированной пользователями первой группы.

САПСО состоит из трех подсистем: формирующей, рабочей и информационной (рис. 4.3).

Информационная подсистема формирует и отслеживает информационный фонд САПСО, включающий:

БД

1

1 -1

1

1 -1

1 1

1

I

1

1

1

Режим работы

Квалификационные характеристики

Контрольные задания

Контрольные вопросы

Эталонные ответы,

1. Информационно-графовая модель задания представляет собой его1. V 1 О исемантическии граф, являющийся основой для определения информационного объема задания (рис.4.4).

2. У. объем информацииу'-го элемента (/+1)~го уровня иерархии;

3. Р. число элементов /'-го уровня, непосредственно подчиненныхэлементам (7-1)-го уровня с номерами от г до у;-Ч, +*0н ' (43)

4. Рис. 4.4.Информационно-графовая модель задания

5. По формуле (4.2) рассчитываются объемы информации для всех узлов, кроме нулевого уровня, для котороготгде т\- число элементов • 1-го уровня, связанных отношением непосредственного подчинения с узлом нулевого уровня.

6. Объем информации графа, состоящего из N деревьев, и нуль графа с 8 вершинами, определяется по формулеN4.5)7=1 1=1где V; объем информации, описываемой /-ым деревом (/ = 1, Ы);

7. Каждое из заданий имеет две характеристики: информационный объем задания, определенный с учетом его сложности по методикам 39., и ожидаемое время выполнения задания. Это множество является исходным при построении вариантов контрольных заданий.

8. Пусть I множество элементов в множестве Ь. Для каждого задания из множества Ь определены:1 номер задания (/ = 1,7);

9. V! информационный объем, рассчитанный по ИГМ;

10. Т; ожидаемое среднее время выполнения задания.