Информационная система поддержки принятия решений при управлении процессом обучения с использованием игровых технологий и онтологических моделей

Научно-технический прогресс и глобализация приводят к увеличению объема информации, которая необходима человеку в процессе обучения, и занятий научной и профессиональной деятельностью. Учебная деятельность должна вооружить студента не только определённой суммой знаний, но и сформировать комплекс компетенций, которые представляют собой общую способность специалиста к профессиональному труду и жиз недеятельности, на основе знаний, опыта, ценностей, способностей, приобретенных во время обучения.

В современных автоматизированных обучающих системах реализуются практически все существующие в традиционном учебном процессе виды самостоятельной работы обучаемых. Эффективность работы этих систем в первую очередь определяется структурой и наполнением базы знаний, содержащей в себе ресурсы обучения.

Известные исследования в области систем управления обучением, и в частности систем управления учебным материалом приведены в работах зарубежных и российских ученых: Г. Драйдена [1], Дж. Вое [2], М. Грин-дера [3], JT. Лойда [4], Г. И. Саранцева [5], П. И. Пидкасистого [6], А. А. Смирнова [7], А. П. Панфиловой [8], A.A. Вербицкого [9], П. Бруси-ловского [10], в области изучения вопросов управления вузом, вопросы сравнительного анализа университетских образовательных программ, психолого-педагогической поддержки обучаемых, методики и организация учебного процесса в высшей школе, технологии создания электронных учебных пособий, информационно-обучающие среды образовательных систем, оценка качества подготовки обучаемых рассмотрены в работах ученых УГАТУ М. Б. Гузаирова, Б. Г. Ильясова, Ю. С. Кабальнова, JI.P. Черняховской, Н. И. Юсуповой.

Основной недостаток известных систем управления обучением (LMS) и учебным материалом (LCMS) состоит в отсутствии семантической связанности между внутренним представлением учебного материала в системе, формой обучения с использованием учебного материала и проверкой усвоения материала. В них в основном используется только объяс-нительно-иллюстра-ционный метод обучения. При этом семантика предметной области вынесена за рамки системы, а применение методов активизации учебного процесса если и допускается, то не позволяет абстрагироваться от конкретного учебного материала.

Применение проблемного, эвристического и исследовательского методов в педагогической науке пока недостаточно формализовано для тиражирования и применения в автоматизированном обучении.

Применение современных технологий управления знаниями, включая хранение и передачу семантической информации, в совокупности с методами активизации учебного процесса, могут заметно повысить эффективность процесса репродуктивного обучения.

Таким образом, управление процессом обучения на основе структуризации учебного материала с использованием групповых интеллектуальных игр является актуальным и востребованным на рынке образовательных услуг, а возможности современных интеллектуальных информационных технологий позволяют ставить вопрос об информационной поддержке этого процесса.

Объект исследования — процесс обучения студентов на занятиях в вузе.

Предмет исследования — информационная поддержка управления процессом обучения с использованием интеллектуальных информационных систем (ИИС).

Целью работы является разработка информационной системы поддержки принятия решений при управлении процессом обучения с использованием игровых технологий и онтологических моделей для повышения эффективности управления процессом обучения в рамках компетентност-ного подхода.

В целом в рамках работы решаются следующие задачи:

1. Разработать концепцию информационной поддержки процесса обучения в рамках компетентностного подхода для повышения его эффективности.

2. Разработать модели и методы информационной поддержки для принятия управленческих решений при планировании проведения занятий с использованием игровых технологий.

3. Разработать информационное и алгоритмическое обеспечение для планирования проведения практических занятий.

4. Разработать прототип ИИС, реализующий предложенные методы и алгоритмы. Исследовать эффективность предложенной концепции.

Методы исследования.

В работе использовались методы системного анализа, теории принятия решений, инженерии знаний, обработки результатов экспериментов.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Концепция информационной поддержки процесса обучения в рамках компетентностного подхода для повышения его эффективности с использованием ИИС на основе игровых технологий и онтологических моделей.

2. Разработанные модели и методы, включая модель классификации типов представления учебного материала, формализованную модель организации знаний по учебным дисциплинам на примере дисциплин в области информатики, метод интеллектуальной поддержки для принятия управленческих решений при планировании проведения занятий.

3. Информационное и алгоритмическое обеспечение поддержки принятия решений при управлении процессом обучения, включая: онтологическую базу знаний (ОБЗ) и алгоритм управления процессом обучения на основе структуризации учебного материала.

4. Прототип ИИС для поддержки принятия управленческих решений при планировании проведения занятий. Методика и результаты анализа эффективности разработанной концепции.

Научная новизна результатов диссертационного исследования:

1. Концепция управления процессом обучения, направленная на повышение эффективности в условиях компетентностного подхода, основана, в отличие от известных, на модификации и адаптации для образовательных целей известных игровых технологий для выполнения дидактических упражнений в форме групповых интеллектуальных игр, с применением онтологического подхода для структуризации учебного материала в ИИС.

2. Модели и методы поддержки обучения при проведении практических занятий с применением игровых технологий, в отличие от известных, основаны на:

• модели классификации типов представления учебного материала, включающей в себя основные способы формирования понятий (определение, декомпозиция, перечисление присущих свойств и сопоставление);

• формализованной модели организации знаний по учебным дисциплинам в области информатики для унифицированного представления учебного материала, основанной на предложенной классификации типов представления учебного материала;

• методе интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений при планировании процесса обучения, для реализации предложенного подхода, в отличие от известных, основанном на модели описания процесса репродуктивного практического обучения для автоматизированного обучения и тестирования и правилах выработки управленческих решений, что составляет теоретическую основу для реализации предлагаемой концепции.

3. Информационное и алгоритмическое обеспечение для поддержки принятия решений при управлении процессом обучения, в отличие от известных, включает в себя:

• онтологическую базу знаний, содержащую формализованные особенности представления учебного материала для репродуктивного обучения, и представленную в форме аксиом на языке OWL DL;

• алгоритм управления процессом обучения на основе структуризации учебного материала при планировании проведения практических занятий, что составляет основу для реализации разработанных моделей и методов в компьютерной среде.

Практическую ценность имеют следующие полученные результаты:

1. Предложенная концепция позволяет обеспечить поддержку формирования учебно-методического материала для проведения занятий в игровой групповой форме, что приводит к повышению эффективности процесса обучения.

2. Информационное обеспечение для реализации предложенного подхода, в виде базы знаний на языке OWL DL, позволяет применять унифицированное представление учебно-методического материала для автоматизированного обучения и тестирования.

3. Разработанное алгоритмическое обеспечение составляет основу для разработки программного обеспечения, которое реализует предложенную концепцию.

4. Разработанный прототип ИИС для поддержки принятия управленческих решений при планировании проведения занятий, который позволяет осуществлять управление процессом обучения. Методика анализа эффективности разработанных методов и алгоритмов позволяет оценивать эффективность процесса обучения при проведении практических занятий в групповой (игровой) форме. Результаты анализа подтверждают работоспособность и эффективность предложенного подхода.

Внедрение результатов работы в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения поддержки принятия управленческих решений при управлении процессом обучения осуществлено в ряде образовательных учреждений высшего и среднеспециального профессионального образования г. Уфы, а также при аттестации сотрудников администрации Советского района городского округа г. Уфа и в учебный процесс УГАТУ.

Связь с научными программами.

Исследования проводились в рамках НИР № ИФ-ВК-01−08−03 по теме «Исследование и разработка интеллектуальных технологий поддержки принятия решений и управления на основе инженерии знаний», а также грантов № 06−07−89 228-а (2006;2008 гг.) и РФФИ № 08−07−495-а (20 082 009 гг.).

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 7−10-й Международных конференциях «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT) (Россия, Уфа-Ассы, 2005; Германия, Карлсруэ, 2006; Россия, Уфа-Красноусольск, 2007; Турция, Анталия, 2008) — 12-й Байкальской Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в научных исследованиях» (Иркутск-Байкал, 2007) — Конференций-конкурсов «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Новосибирск, 2007) — X Казанской школе по компьютерной и когнитивной лингвистике TEL-2008 (Казань, 2008).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 16 статьях [11−26], в том числе 3 — в рецензируемых журналах из списка ВАК, в виде двух депонированных рукописей и двух зарегистрированных программ для ЭВМ.

Автор благодарит канд.техн.наук, доцента кафедры ВМиК УГАТУ Попова Дениса Владимировича за консультации по вопросам поддержки принятия решений, применения игровых образовательных технологий и инженерии знаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 142 с. машинописного текста, включая 41 рис., 21 табл. и список литературы из 100 наименований.

Выводы по четвертой главе.

1. Разработана информационная модель онтологической базы знаний, содержащей формализованные особенности представления учебного материала для репродуктивного обучения, и представленную на языке.

OWL DL для хранения учебно-методического материала, включающая реляционную схему семантических метаданных онтологической базы знаний, реляционные таблицы понятий, экземпляров понятий онтологий, отношений между понятиями, что составляет информационное обеспечение ИИС поддержки процесса обучения на основе игровых технологий.

2. Разработанное алгоритмическое обеспечение, включающее в себя алгоритм управления процессом обучения на основе структуризации учебного материала при планировании проведения практических занятий, алгоритмы проведения игр и формирования учебно-методического материала, служит основой для реализации разработанных моделей и методов в компьютерной среде.

3. Разработан прототип ИИС для поддержки принятия управленческих решений при планировании проведения занятий, который позволяет осуществлять управление процессом обучения. Проведенное тестирование на примере формирования материала по дисциплине «Технология разработки программного обеспечения» показало работоспособность прототипа.

4. Проведенный на примере 299 студентов 4 курса факультета ИРТ (дисциплина «Технология разработки программного обеспечения», специальности: 10 503 — Математическое обеспечение и администрирование информационных систем и 230 105 — Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем) анализ эффективности предложенной концепции показал, что применение ИИС в процессе обучения позволяет повысить эффективность усвоения учебного материала в 1.5 раза. Следует отметить, что количество обучаемых, полностью усвоивших (90−100%) дидактическую единицу, при использовании игровых методов обучения колеблется от 50 до 100%, а без использования игровых методов — 25−40%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты.

1. В разработанной концепции управления предлагается информационная поддержка процесса обучения с использованием интеллектуально информационной системы, в которой реализуются функции:

• изменение представления учебного материала в зависимости от результатов обучаемых;

• тестирование обучаемых;

• контроль со стороны преподавателей, и, в отличие от известных, используется компетентностный подход, игровые технологии обучения и онтологические модели. Это позволяет повысить эффективность обучения за счет активизации учебного процесса.

2. Разработанные для реализации предложенной концепции управления модели и методы, включающие:

• модель классификации типов представления учебного материала, включающую в себя основные способы формирования понятий (определение, декомпозиция, перечисление присущих свойств и сопоставление);

• формализованную модель организации знаний по учебным дисциплинам на примере дисциплин в области информатики для унифицированного представления учебного материала, основанную на предложенной классификации типов представления учебного материала;

• метод интеллектуальной поддержки для принятия управленческих решений при планировании проведения занятий, позволяют реализовать информационное и алгоритмическое обеспечение для последующей разработки ИИС.

3. Разработанное информационное и алгоритмическое обеспечение, включая:

• онтологическую базу знаний, содержащую формализованные особенности представления учебного материала для репродуктивного обучения, и представленную в форме аксиом на языке OWL DL;

• алгоритм управления процессом обучения на основе структуризации учебного материала при планировании проведения практических занятий, составляет основу для реализации разработанных моделей и методов в компьютерной среде.

4. Разработанный прототип ИИС для поддержки принятия управленческих решений при управлении процессом обучения показывает работоспособность разработанных методов и алгоритмов. Анализ результатов проведённых практических занятий подтверждает эффективность предложенной концепции.