автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Рационально-эмпирические системы знаний и данных для обучающих комплексов

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Обучение как реализация познавательных процессов.

1.1. Множественность схем организации познавательных процессов.

1.2. Общая теория систем как отражение научной методологии познания.

1.3. Интерпретация концепции субъект-объектного взаимодействия в теории систем для процесса познания.

1.4. Стимулирование творческой активности обучаемого на основе конструктивизма теории систем.

Выводы.

Глава 2. Инновационные технологии представления знаний и данных для стимулирования творческой активности обучаемого.

2.1. Требования к современному инженерному творчеству.

2.2. Пути адаптации системно-деятельностного подхода в педагогике к современным требованиям.

2.3. Инновационные технологии представления знаний и данных в обучении.

Выводы.

Глава 3. Рационально-эмпирическая парадигма представления систем знаний и данных.,.

3.1. Уровень понятий и их отношений.

3.1.1. Множественность языковых сред.

3.1.2. Средства формальных фамматик для представления систем знаний и данных.

3.2. Уровни классов понятий и их отношений.

3.3. Уровни пространственно-подобных и временных отношений.

3.3.1. Топология пространства как система базирования.

3.3.2. Информационный уровень представления знаний и данных.

3.3.3. Динамическое представление систем знаний и данных на примере логических структур.

3.4. Эвристический метауровень описания систем знаний и данных.

3.5. Рациональная основа моделирования систем.

3.6. Эмпирическое описание систем данных.

3.6.1. Исходная система.

3.6.2. Система данных.

3.6.3. Операция структуризации и метаоперация в системе порождения новых данных.

3.7. Решетка методологических типов систем данных.

3.8. Рационально-эмпирические системы знаний и данных как синтетическое направление в эпистемологии.

Выводы.

Глава 4. Рационально-эмпирические системы в морфологии среды процесса обучения.

4.1. Рационально-эмпирическая основа междисциплинарного взаимодействия в обучении.

4.2. Информационно-сотовая модель процесса обучения на основе рационально-эмпирических систем.

4.3. Рационально-эмпирические системы в динамике знаний.

4.4. Рационально-эмпирическая интерпретация концептуальной метамодели задачи классификации обучаюш;их систем.

4.5. Реализация рационально-эмпирической методологии в разработке когнитивных моделей.

Выводы.

Глава 5. Рационально-эмпирические системы знаний и данных для обучающих комплексов по задачам системного анализа.

5.1. Рационально-эмпирические системы знаний и данных в задаче регрессионного анализа данных эксперимента.

5.2. Обучающий комплекс по задаче регрессионного анализа.

5.3. Постановка вычислительного эксперимента и его результаты.

5.4. Система поддержки оценивания успеваемости на основе рационально-эмпирической модели.

5.5. Рационально-эмпирические системы знаний и данных в задаче линейного программирования.

5.5.1. Теоретико-множественная схема решения задачи линейного программирования с элементами топологии.

5.5.2. Алгебраическая модель решения задачи линейного программирования.

5.5.3. Топологическое представление процесса решения.

5.5.4. Системные свойства задач линейного программирования.

5.6. Обучающий комплекс по задаче линейного программирования. Система-тренажер по симплекс-методу.

5.7. Качественная оценка эффективности применения рационально-эмпирических систем знаний и данных в обучении.

Выводы.

Глава 6. Компьютерный обучающий комплекс по задаче обработки данных эксперимента.

6.1. Особенности реализации КОК в среде Mathcad.

6.2. Алгоритм вычислений и его реализация в КОК.

6.3. Лабораторный практикум на базе разработанного КОК.

6.4. Описание методического сопровождения.

Выводы.

Актуальность темы. Традиционное образование в инженерном вузе является фактологическим, о чем свидетельствует ряд первоисточников, то есть предполагает передачу суммы готовых знаний рецептурного характера. При этом обучаемые становятся обделенными в смысле системности знаний, интеллектуальных навыков, императивов, которые способствовали бы успешной их адаптации в информационном пространстве тех предметных областей, с которыми им приходится сталкиваться в инженерной практике. Множество творческих задач становится для многих молодых специалистов просто недоступным. Очевидно, что для формирования творческого инженерного мышления обучаемых репродуктивная схема является необходимой, но не достаточной.

В свете вышесказанного, теоретическое исследование проблемы познания человеком мира должно быть основано на комплексном подходе и сфокусировано не столько на множественности знаний, сколько на возможности интерпретации имеющихся в распоряжении знаний и фактов. Такая постановка вопроса свидетельствует об актуальности темы диссертации, связанной с развитием информационно-методологических средств поддержки интеллектуальной деятельности субъекта в процессе обучения, в частности, при постановке и решении задач. Особое звучание данная проблематика приобретает в контексте развития системы открытого образования.

Цель и задачи работы. Диссертационное исследование направлено на разработку методологических основ рационально-эмпирического представления систем знаний и данных в постановке задач системного анализа для обучающих комплексов с учетом современных требований к качеству и эффективности учебного процесса в инженерном вузе. Достижению цели подчинено решение следующих задач:

- анализ различных методологий познания и выделение требований, удовлетворение которых обеспечивает достижение целей исследования;

- разработка методологических основ рационально-эмпирической формализации структур;

- рассмотрение объекта исследований из предметной области дисциплины «Системный анализ и исследование операций» на основе рационально-эмпирических моделей в междисциплинарном базисе;

- разработка моделей систем знаний и данных в задаче регрессионного анализа;

- предложение новых областей применения рационально-эмпирических основ представления знаний и данных в социальной сфере;

- реализация методологических результатов в среде компьютеризированной системы поддержки образовательного процесса инженерного вуза;

- оценка эффективности внедрения предлагаемых моделей.

Объект исследования - применение наукоемких информационных технологий в образовании.

Предмет исследования - методология представления знаний и данных в постановке задач системного анализа для обучающих комплексов по техническим дисциплинам.

Методы исследования. Для исследования и реализации основных концепций в качестве базового используется метод общей теории систем. Использованы принципы стратифицированного представления уровней абстрактного описания рациональных систем А.И. Кухтенко, парадигма типологии уровней эмпирических систем Дж. Клира.

Одно из основных направлений разработки заключается в алгебраизации топологии систем знаний и данных на базе рационально-эмпирического подхода.

Базовые методы системного анализа, в том числе, линейного программирования, принципы регрессионного анализа в части модели нелинейной регрессии использованы в работе в качестве аппарата описания тех предметных областей, на примере которых иллюстрируется применение рационально-эмпирической методологии.

Для оценки эффективности применения разработанных методологических основ использованы элементы статистической теории процессов выполнения работы.

Научная новизна работы.

1. Выделено подмножество систем поддержки интеллектуальной деятельности субъекта в части формирования модели объекта на основе рационально-эмпирического комплекса систем.

2. Предложен метод кластеризации понятия «система» в соответствии с рационально-эмпирической таксономией уровней абстрагирования.

3. Разработаны средства формализованного описания моделей объекта познания в трех основных системах базирования: групповой, пространственной и временной.

4. Предложена рационально-эмпирическая интерпретация систем знаний и данных в постановке задач системного анализа для обучающих комплексов как развитие эпистемологического конструктивизма теории систем и системо-логии.

5. Сформулированы принципы междисциплинарного подхода к созданию систем поддержки рационально-эмпирических стратегий в обучении.

Практическая значимость работы. В инженерных вузах все сильнее прослеживается потребность в новых методиках и учебных информационных ресурсах, обеспечивающих универсализацию систем знаний, получаемых обучаемым. Это в той же мере относится и к сфере самоподготовки и самообучения. Особенно актуальны методологические разработки применительно к альтернативным формам организации учебного процесса, таким, как дистанционная, бесконтактная, для развития системы открытого образования.

Реализация поставленных в диссертационном исследовании задач направлена на решение ряда частных проблем в области образовательного процесса, касающихся более эффективной организации учебной информации по дисциплинам учебного плана вуза, повышения качества оценивания успеваемости обучаемых, формирования свернутых систем знаний. Все эти задачи важны с точки зрения совершенствования учебного процесса в рамках как отдельно взятой кафедры инженерного вуза, так и отдельных аспектов системы образования в целом.

На кафедре «Интеллектуальные технологии и системы» Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) (в дальнейшем - МИРЭА) разработан и внедрен в учебный процесс компьютерный лабораторный практикум по дисциплинам «Теория систем», «Системный анализ и исследование операций», подкрепленный соответствующим методическим обеспечением и использующий основные результаты работы.

Методологические материалы диссертационного исследования использованы в учебном процессе в МИРЭА, в Институте криптографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ России и «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете (РГТУ) им. К.Э. Циолковского. Внедрение результатов диссертационного исследования подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и форумах: 1) Международная научно-техническая конференция и Российская научная школа «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 31 сентября - 8 октября 1999 г.); 2) III Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии и системы» (г. Воронеж, сентябрь 1999г.); 3) Межвузовская научно-методическая конференция «Информационные технологии и фундаментализация высшего образования» (г. Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, октябрь 1999г.); 4) Научно-методическая конференция «Анализ и обеспечение качества подготовки специалистов в вузе» (г. Москва, МГУПС (МИИТ), январь 1999г.); 5) Научно-методическая конференция «Актуальные проблемы совершенствования активных форм и методов обучения слушателей вузов ФСБ России» (г. Москва, Академия ФСБ России, февраль 1999г.); 6) Международная конференция «Проблема идеальности в науке» (г. Москва, МИРЭА, апрель 2000г.); 7) ХЫХ научно-техническая конференция МИРЭА (г. Москва, МИРЭА, май 2000г.); 8) Российско-германский научный семинар «Молодежь. Наука. Техника» (Совместно с Высшей технической школой Гейдельберга) (г. Москва, МГЛУ, май 2000г.); 9) VIII Международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, февраль 2001г.); 10) Научно-техническая конференция «Мульти- и телемедийные средства в образовании» (г. Москва, МГСУ, апрель 2001г.); 11) 50-я Юбилейная научно-техническая конференция МИРЭА (г. Москва, МИРЭА, май 2001г.).

Публикации. По материалам диссертации соискателем опубликовано 43 печатных труда.

11

Выносимые на защиту положения:

1. Обобщенная схема элементарных структур познавательных процессов и классификация определений понятия «система».

2. Принципы описания систем на основе таксономии рационально-эмпирических уровней.

3. Рационально-эмпирическое отображение объекта в продукт познания.

4. Унифицированное описание модели объекта в рационально-эмпирическом базисе.

5. Рационально-эмпирическое представление систем знаний и данных в постановке задач учебной дисциплины «Системный анализ и исследование операций».

6. Реализация информационной поддержки обучающих комплексов на основе рационально-эмпирического представления знаний и данных.

7. Косвенная оценка эффективности внедрения рационально-эмпирических систем знаний и данных в учебный процесс.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из следующих частей: введения, шести глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и 5 приложений. Материал изложен на 166 страницах машинописного текста. Работа содержит 43 рисунка и 6 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Интеллектуальные технологии и системы» Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (Технического университета).

7. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в МИРЭА, ИКСИ Академии ФСБ России, «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.

141

Следует отметить, что полученные результаты могли бы найти применение и в области гуманитарных наук. Предложенное рационально-эмпирическое представление систем знаний и данных, как следует из проведенного исследования, по своей морфологии сопрягается с системами знаний и данных, в частности, лингвистической природы.

Кроме того, возможно составление рекомендаций преподавателю, желающему применить результаты диссертационного исследования при формировании учебных материалов. Однако данная задача связана с необходимостью разработки некоторого множества канонических форм сопряжения между языком предметной области той или иной дисциплины (в том числе, гуманитарной) и формализмами рационально-эмпирического представления систем знаний и данных неинтерпретированного вида. Эта проблематика относится к области когнитологии и заслуживает рассмотрения в рамках специального исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационного исследования была рассмотрена одна из наиболее важных проблем современного образования - информационно-методологическое обеспечение познавательных процессов. В силу трансцендентности понятия познания как такового, возникла необходимость обрагцения к множеству предметных областей, имеюгцих отношение к когнитивной психологии, педагогике, философии познания, обгцей теории систем, системологии.

В результате библиографического исследования по теме диссертации были проанализированы современные методологические системы поддержки познавательных процессов, выявлены их системные свойства и продемонстрированы возможности обобщения и развития элементов этих теорий с целью их практического применения в различных предметных областях.

В ходе диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих методологий познания и сформулированы некоторые требования, предъявляемые к принципам организации процесса обучения.

2. Предложена рационально-эмпирическая методология формализации структур, характеризующих рассмотрение того или иного объекта исследований с позиции междисциплинарного взаимодействия.

3. Разработан ряд моделей систем знаний и данных в рамках предметной области задачи регрессионного анализа.

4. Предложена информационно-аналитическая система поддержки ряда организационно-аттестационных мероприятий вуза. Обоснована адекватность принятых в ней моделей.

5. Разработаны компьютерный обучающий комплекс по задаче обработки данных эксперимента и соответствующее методическое сопровождение для поддержки учебного процесса по дисциплинам «Системный анализ и исследование операций» и «Теория систем».

6. Проведен анализ эффективности внедрения моделей рационально-эмпирической методологии на основе качественных показателей.

1. Субетто А.И. Системологические основы образовательных систем. Часть I. М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1994. - 284 с.

2. Субетто А.И. Системологические основы образовательных систем. Часть П. М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1994.-321 с.

3. Урсул А.Д. Проблемы информации в современной науке. Философские очерки. -М.: Наука, 1995.

4. Шемакин Ю.И. Знание и информация семантическая сущность материи: Сборник статей "Информация и самоорганизация". - М.: РАГС, 1996.

5. Шемакин Ю.И., Романов A.A. Компьютерная семантика. М.: НОЦ "Школа Китайгородской", 1995.-344 с.

6. Субетто А.И. «Метаклассификация» как наука о механизмах и закономерностях классифицирования (опыт обобщения). Часть I. СПб.-М,: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1994.-254 с.

7. Субетто А.И. «Метаклассификация» как наука о механизмах и закономерностях классифицирования (опыт обобщения). Часть П. СПб.-М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1994. - 80 с.

8. Юзвишин И.И. Информациология. 4-е изд., испр. М.: Международное издательство «Информациология», 1996. - 215 с.

9. Райков А.Н. Интеллектуальные информационные технологии/ Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) М., 2000. - 96 с.

10. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986. - 328 с.

11. Богданов A.A. Тектология. Всеобщая организационная наука. Кн. 1,2. -М.: Экономика, 1989.-304 с; 351 с.

12. Кухтенко А.И. Систем общая теория/Энциклопедия кибернетики. Том 2. -Киев: Главная редакция УСЭ, 1974. с. 335-339.

13. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М: Мир, 1978.-3 12с.

14. Мануйлов В.Ф., Благовещенская М.М., Федоров И.В. и др. Наукоемкие образовательные технологии инженерных вузов / Под ред. В.Ф. Мануйлова и М.М. Благовещенской. М.: Изд-во МАТИ - РГТУ «ЛАТМЭС», 2001.-216 с.

15. Солсо Р.Л. Когнитивная психология. Пер. с англ. - М.: Тривола, 1996. -600с.

16. Зинченко В.П., Мунипов В.М. Основы эргономики. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1979. - 347 с.

17. Зиновкина М.М. Инженерное мышление (Теория и инновационные педагогические технологии): Монография. М.: МГИУ, 1996.- 283 с.

18. Леонтьев А.Н. Деятельность и сознание // Вопросы философии. М., 1972.-№12.

19. Берг А.И., Бирюков Б.В. Познание сложных систем и проблемы нетранзитивности научного объяснения // Философско-методологические основания системных исследований. -М.: Наука, 1983.

20. Беспалько В.П. Основы теории педагогических систем. (Проблемы и методы психолого-педагогического обеспечения технических обучающих систем). Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1977. - 304 с.

21. Райков А.Н. К основам устойчивости и целенаправленности функционирования систем поддержки решений. Часть 1. Устойчивость/ НТИ. Сер. 1. 1998.-№ 7.-С. 1-6.

22. Райков А.Н. К основам устойчивости и целенаправленности функционирования систем поддержки решений. Часть 2. Целенаправленность/ НТИ. Сер. 1.- 1998. -№ 9.-С. 1-8.

23. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи / В.Н. Волкова, В. А. Воронков, A.A. Денисов и др. М.: Радио и связь, 1983. -248 с.25