Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ ИНДИВИДУАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОРГАНИЗАЦИИ
ИНДИВИДУАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ 8
1.1 Исследование подходов учета индивидуальных показателей
обучающихся в системах электронного обучения 8
1.2 Анализ систем электронного обучения 20
2 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ НИУ «БЕЛГУ» 29
2.1 Исследование особенностей образовательного процесса НИУ «БелГУ» 29
2.2 Исследование системы электронного обучения НИУ «БелГУ» 33
3 РАЗРАБОТКА ФОРМАЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ 38
3.1 Проектирование процесса индивидуально-ориентированного обучения 38
3.2 Разработка базы знаний для системы индивидуально-ориентированного
тестирования обучающихся 46
3.3 Построение алгоритма повышения качества тестовых заданий 52
3.4 Совершенствование базы данных системы электронного обучения НИУ
«БелГУ» 58
4 РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ИНДИВИДУАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ. 66
4.1 Настройка и разработка модулей индивидуально-ориентированной
системы обучения 66
4.2 Тестирование работы модулей индивидуально-ориентированной
системы обучения 69
4.3 Оценка эффективности использования в СЭО алгоритмического и математического обеспечения индивидуально-ориентированной системы обучения 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 76
ПРИЛОЖЕНИЯ
1 ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОРГАНИЗАЦИИ
ИНДИВИДУАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ 8
1.1 Исследование подходов учета индивидуальных показателей
обучающихся в системах электронного обучения 8
1.2 Анализ систем электронного обучения 20
2 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ НИУ «БЕЛГУ» 29
2.1 Исследование особенностей образовательного процесса НИУ «БелГУ» 29
2.2 Исследование системы электронного обучения НИУ «БелГУ» 33
3 РАЗРАБОТКА ФОРМАЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ 38
3.1 Проектирование процесса индивидуально-ориентированного обучения 38
3.2 Разработка базы знаний для системы индивидуально-ориентированного
тестирования обучающихся 46
3.3 Построение алгоритма повышения качества тестовых заданий 52
3.4 Совершенствование базы данных системы электронного обучения НИУ
«БелГУ» 58
4 РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ИНДИВИДУАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ. 66
4.1 Настройка и разработка модулей индивидуально-ориентированной
системы обучения 66
4.2 Тестирование работы модулей индивидуально-ориентированной
системы обучения 69
4.3 Оценка эффективности использования в СЭО алгоритмического и математического обеспечения индивидуально-ориентированной системы обучения 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 76
ПРИЛОЖЕНИЯ
В настоящее время образование все больше становится капиталом, инструментом борьбы за рынок и решения геополитических задач. Состояние образования определяет интеллектуальный потенциал общества и на данный момент, и на длительную перспективу, создает предпосылки устойчивого социально-экономического прогресса. Все это приводит к необходимости проведения передовыми странами новой образовательной политики, опирающейся на «инженерный подход» к разработке системы образования. При этом активно используются различные стратегии и средства моделирования, реструктуризации, усовершенствования [7].
Современное образование стремится к применению индивидуально-ориентированного подхода к образовательному процессу на всех уровнях. Технология индивидуализированного обучения предполагает организацию учебного процесса, при которой индивидуальный подход и индивидуальная форма обучения являются приоритетными.
Главное достоинство данной модели обучения - полная адаптация содержимого, методов и темпов учебной деятельности обучающегося к его особенностям, следить за его действиями и операциями при решении конкретных задач; следить за его продвижением от незнания к знанию, вносить вовремя необходимые коррекции в деятельность как обучающегося, так и тьютора, приспосабливать их к постоянно меняющейся, но контролируемой ситуации со стороны обучающего и со стороны ученика.
Индивидуализацию обучения можно считать «проникающей технологией», т.к. она может быть реализована во всех существующих образовательных технологиях. Однако технологии, делающие индивидуализацию основным средством достижения целей обучения, можно рассматривать как самостоятельную систему, обладающую всеми качествами и признаками целостной педагогической технологии.
Одним из наиболее популярных и актуальных направлений в сфере образования является индивидуально-ориентированный подход к процессу обучения, который позволяет обучающемуся работать экономно, контролировать затраты своих сил, работать в оптимальное для себя время, что способствует достижению высоких результатов обучения. На сегодняшний день разработано и предложено очень много разработок и даже прикладных решений, обзор ряда которых можно изучить в работах: Астанин, С.В., Асадуллаев, Р.Г., Брусиловский П. Л., Олейник Н.М., Попов, Д.И.. Несмотря на популярность данного направления, вопросы учета индивидуальных особенностей обучающихся при построении индивидуальной образовательной траектории обучающегося по-прежнему остаются актуальными.
Отдельный интерес в данном направлении представляет образовательная деятельность высших учебных заведений. Преподавателям затруднительно применять индивидуальный подход к каждому студенту, т.к. численность академической студенческой группы, в среднем, около 20 человек, а для применения индивидуального подхода группа обучающихся должна составлять около 5-7 человек. Кроме того, дистанционное образование становится популярнее с каждым годом, а вот технологии его реализации в ВУЗах очень далеки от адаптивных подходов к процессу обучения. Таким образом, необходима реализация автоматизированных систем индивидуального-ориентированного обучения, работающих на основе адаптивных алгоритмов, способных формировать индивидуальные образовательные траектории за счет учета расширенного набора параметров обучаемых (психофизиологических характеристик, уровня фундаментальных базовых знаний, механизмов адаптивного тестирования, специфики восприятия информации и т.д.).
Объект исследования - система электронного обучения НИУ «БелГУ».
автоматизированные средства поддержки системы электронного обучения НИУ «БелГУ».
Цель работы: повышение эффективности образовательного процесса НИУ «БелГУ», посредством учета индивидуальных особенностей обучающихся в системе электронного обучения.
Задачи:
- исследование существующих подходов к организации индивидуально-ориентированного обучения;
- исследование системы обучения НИУ «БелГУ»;
- проектирование формально-алгоритмических средств поддержки процесса индивидуального обучения;
- реализация разработанных моделей и алгоритмов индивидуально-ориентированного обучения.
Методы и средства исследований. При решении указанных задач использовались методы и средства теории множеств, теории систем, теории графов, сети Петри.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается корректным использованием алгоритмического обеспечения и формальных средств. Полученные результаты не противоречат существующим разработкам в области разработки систем индивидуально¬ориентированного обучения.
Научная новизна диссертационного исследования:
- разработаны при помощи сетей Петри укрупненная и декомпозиционные схемы процесса индивидуально-ориентированного обучения;
- разработана нечеткая база знаний адаптивного тестирования;
- разработан алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых;
- осуществлено совершенствование базы данных системы индивидуально-ориентированного тестирования.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработанные модели и алгоритмы индивидуально-ориентированного обучения могут быть реализованы в разных системах электронного обучения
- реализованные алгоритмы и модели могут быть использованы преподавателями кафедр ФГАУ ВО НИУ «БелГУ» для реализации индивидуально-ориентированного обучения.
Положения, выносимые на защиту:
- схемы процесса индивидуально-ориентированного обучения;
- нечеткая база знаний адаптивного тестирования;
- алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых;
- база данных системы индивидуально-ориентированного тестирования.
- реализация предложенных моделей и алгоритмов в системе.
Современное образование стремится к применению индивидуально-ориентированного подхода к образовательному процессу на всех уровнях. Технология индивидуализированного обучения предполагает организацию учебного процесса, при которой индивидуальный подход и индивидуальная форма обучения являются приоритетными.
Главное достоинство данной модели обучения - полная адаптация содержимого, методов и темпов учебной деятельности обучающегося к его особенностям, следить за его действиями и операциями при решении конкретных задач; следить за его продвижением от незнания к знанию, вносить вовремя необходимые коррекции в деятельность как обучающегося, так и тьютора, приспосабливать их к постоянно меняющейся, но контролируемой ситуации со стороны обучающего и со стороны ученика.
Индивидуализацию обучения можно считать «проникающей технологией», т.к. она может быть реализована во всех существующих образовательных технологиях. Однако технологии, делающие индивидуализацию основным средством достижения целей обучения, можно рассматривать как самостоятельную систему, обладающую всеми качествами и признаками целостной педагогической технологии.
Одним из наиболее популярных и актуальных направлений в сфере образования является индивидуально-ориентированный подход к процессу обучения, который позволяет обучающемуся работать экономно, контролировать затраты своих сил, работать в оптимальное для себя время, что способствует достижению высоких результатов обучения. На сегодняшний день разработано и предложено очень много разработок и даже прикладных решений, обзор ряда которых можно изучить в работах: Астанин, С.В., Асадуллаев, Р.Г., Брусиловский П. Л., Олейник Н.М., Попов, Д.И.. Несмотря на популярность данного направления, вопросы учета индивидуальных особенностей обучающихся при построении индивидуальной образовательной траектории обучающегося по-прежнему остаются актуальными.
Отдельный интерес в данном направлении представляет образовательная деятельность высших учебных заведений. Преподавателям затруднительно применять индивидуальный подход к каждому студенту, т.к. численность академической студенческой группы, в среднем, около 20 человек, а для применения индивидуального подхода группа обучающихся должна составлять около 5-7 человек. Кроме того, дистанционное образование становится популярнее с каждым годом, а вот технологии его реализации в ВУЗах очень далеки от адаптивных подходов к процессу обучения. Таким образом, необходима реализация автоматизированных систем индивидуального-ориентированного обучения, работающих на основе адаптивных алгоритмов, способных формировать индивидуальные образовательные траектории за счет учета расширенного набора параметров обучаемых (психофизиологических характеристик, уровня фундаментальных базовых знаний, механизмов адаптивного тестирования, специфики восприятия информации и т.д.).
Объект исследования - система электронного обучения НИУ «БелГУ».
автоматизированные средства поддержки системы электронного обучения НИУ «БелГУ».
Цель работы: повышение эффективности образовательного процесса НИУ «БелГУ», посредством учета индивидуальных особенностей обучающихся в системе электронного обучения.
Задачи:
- исследование существующих подходов к организации индивидуально-ориентированного обучения;
- исследование системы обучения НИУ «БелГУ»;
- проектирование формально-алгоритмических средств поддержки процесса индивидуального обучения;
- реализация разработанных моделей и алгоритмов индивидуально-ориентированного обучения.
Методы и средства исследований. При решении указанных задач использовались методы и средства теории множеств, теории систем, теории графов, сети Петри.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается корректным использованием алгоритмического обеспечения и формальных средств. Полученные результаты не противоречат существующим разработкам в области разработки систем индивидуально¬ориентированного обучения.
Научная новизна диссертационного исследования:
- разработаны при помощи сетей Петри укрупненная и декомпозиционные схемы процесса индивидуально-ориентированного обучения;
- разработана нечеткая база знаний адаптивного тестирования;
- разработан алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых;
- осуществлено совершенствование базы данных системы индивидуально-ориентированного тестирования.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработанные модели и алгоритмы индивидуально-ориентированного обучения могут быть реализованы в разных системах электронного обучения
- реализованные алгоритмы и модели могут быть использованы преподавателями кафедр ФГАУ ВО НИУ «БелГУ» для реализации индивидуально-ориентированного обучения.
Положения, выносимые на защиту:
- схемы процесса индивидуально-ориентированного обучения;
- нечеткая база знаний адаптивного тестирования;
- алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых;
- база данных системы индивидуально-ориентированного тестирования.
- реализация предложенных моделей и алгоритмов в системе.
В результате выполнения магистерской диссертации были выполнены все поставленные задачи. Проведен анализ подходов к учету индивидуальных особенностей обучающихся, включая их психологические особенности и ретроспективную информацию об обучении. Рассмотрен ряд адаптивных алгоритмов, использующихся для реализации индивидуально-ориентированных подходов в процессе работы электронных систем обучения.
Также проведено исследование систем электронного обучения, использующихся как на очных, так и на заочных отделениях образовательных организаций (Moodle, E-front, LAMS, Sakai, ATutor, Claroline, Dokeos, OLAT, OpenACS, ILIAS). В качестве критериев сравнения систем были использованы показатели: поддержка стандарта SCORM, интеллектуальное управление контентом, языки приложения, испльзуемая системой СУБД, тип лицензии, наличие русскоязычного интерфейса, система проверки знаний, демонстрационный сервер. По результатам анализа систем составлена сравнительная таблица, на основании которой можно сделать вывод о распросстраненнойсти бесплатной лицензи с открытым программным кодом у всех рассматриваемых систем. Большая часть прикладных решений имеет русскоязычный интерфес приложения и возможность настройки ряда элементов для построения индивидуальных образовательных траекторий.
Проведен анализ использующейся в настоящее время в НИУ «БелГУ» системы электронного обучения, работающей на образовательной платформе Moodle. Выделены основные функции и элементы системы. По результатам анализа системы выделены основные недостатки СЭО и составлены
рекомендации по возможному ее усовершенствованию. Выявлено, что для реализации предлагаемых в результате анализа функций необходимо создавать новые модули. В связи с этим для реализации алгоритмов предлагается образовательная платформа e-front, включающая в себя необходимые для индивидуально-ориентированного обучения модули.
Проведено моделирование процессов системы индивидуально ориентированного обучения. Построены контекстная и декомпозиционная диаграммы в нотации IDEF0, описывающие работу процессов в ходе освоения курса. Для проектирования системы также использован инструмент сети Петри. Спроектированные сети позволяют отразить поведение системы в процессах тестирования обучаемого и формирования образовательного контента, когда от активности состояний двух параллельных процессов, подразумевающих работу двух пользователей, зависит совершение какого- либо перехода.
Разработана нечеткая база знаний, позволяющая управлять процессом индивидуально-ориентированного тестирования. Для ее функционирования построены лингвистические переменные, позволяющие настраивать показатели уровня знаний или текущих результатов тестирования в зависимости от требований преподавателя. Основное назначение разработанной базы знаний - корректировка количества и последовательности тестовых заданий в результате накопления статистической информации о ходе тестирования. Так, данные, предоставляемые базой, могут быть использованы для выявления реального уровня знаний обучающихся.
Разработан алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых, позволяющий организовать процесс корректировки теста для его использования при работе в системе индивидуально-ориентированного электронного обучения студентов.
Предложена усовершенствованная структура базы данных системы электронного обучения. В ее таблицы добавлены поля, заполнение которых необходимо для реализации индивидуально-ориентированного обучения.
Предложена реализация разработанных моделей и алгоритмов в программной среде E-front. Разработанное в магистерской диссертации алгоритмическое и математическое обеспечение реализовано в системе электронного обучения e-front через модуль системы электронного обучения «module_complete_test» и обработчики content.js, tests.js. Проведено тестирование системы, реализованное в виде прохождения экспериментальной группой студентов входного тестирования для записи в систему индивидуальных показателей.
Также проведено исследование систем электронного обучения, использующихся как на очных, так и на заочных отделениях образовательных организаций (Moodle, E-front, LAMS, Sakai, ATutor, Claroline, Dokeos, OLAT, OpenACS, ILIAS). В качестве критериев сравнения систем были использованы показатели: поддержка стандарта SCORM, интеллектуальное управление контентом, языки приложения, испльзуемая системой СУБД, тип лицензии, наличие русскоязычного интерфейса, система проверки знаний, демонстрационный сервер. По результатам анализа систем составлена сравнительная таблица, на основании которой можно сделать вывод о распросстраненнойсти бесплатной лицензи с открытым программным кодом у всех рассматриваемых систем. Большая часть прикладных решений имеет русскоязычный интерфес приложения и возможность настройки ряда элементов для построения индивидуальных образовательных траекторий.
Проведен анализ использующейся в настоящее время в НИУ «БелГУ» системы электронного обучения, работающей на образовательной платформе Moodle. Выделены основные функции и элементы системы. По результатам анализа системы выделены основные недостатки СЭО и составлены
рекомендации по возможному ее усовершенствованию. Выявлено, что для реализации предлагаемых в результате анализа функций необходимо создавать новые модули. В связи с этим для реализации алгоритмов предлагается образовательная платформа e-front, включающая в себя необходимые для индивидуально-ориентированного обучения модули.
Проведено моделирование процессов системы индивидуально ориентированного обучения. Построены контекстная и декомпозиционная диаграммы в нотации IDEF0, описывающие работу процессов в ходе освоения курса. Для проектирования системы также использован инструмент сети Петри. Спроектированные сети позволяют отразить поведение системы в процессах тестирования обучаемого и формирования образовательного контента, когда от активности состояний двух параллельных процессов, подразумевающих работу двух пользователей, зависит совершение какого- либо перехода.
Разработана нечеткая база знаний, позволяющая управлять процессом индивидуально-ориентированного тестирования. Для ее функционирования построены лингвистические переменные, позволяющие настраивать показатели уровня знаний или текущих результатов тестирования в зависимости от требований преподавателя. Основное назначение разработанной базы знаний - корректировка количества и последовательности тестовых заданий в результате накопления статистической информации о ходе тестирования. Так, данные, предоставляемые базой, могут быть использованы для выявления реального уровня знаний обучающихся.
Разработан алгоритм оценки качества тестовых заданий при малой выборке испытуемых, позволяющий организовать процесс корректировки теста для его использования при работе в системе индивидуально-ориентированного электронного обучения студентов.
Предложена усовершенствованная структура базы данных системы электронного обучения. В ее таблицы добавлены поля, заполнение которых необходимо для реализации индивидуально-ориентированного обучения.
Предложена реализация разработанных моделей и алгоритмов в программной среде E-front. Разработанное в магистерской диссертации алгоритмическое и математическое обеспечение реализовано в системе электронного обучения e-front через модуль системы электронного обучения «module_complete_test» и обработчики content.js, tests.js. Проведено тестирование системы, реализованное в виде прохождения экспериментальной группой студентов входного тестирования для записи в систему индивидуальных показателей.