Интеллектуальная обучающая система как средство повышения качества обучения в современной школе

Развитие и широкое применение информационных технологий является глобальной тенденцией мирового развития и научно-технической революцией последних десятилетий.

Современное общество характеризуется интенсивным участием в процессе информатизации. Информатизация общества — это глобальное социальное явление, которое характеризуется накоплением, обработкой, хранением, передачей и использованием информации.

Сегодня информатизация как технико-технологическая база становления информационного общества выступает национальным стратегическим ресурсом, определяющим не только общий уровень социального и культурного развития государства, но и его место в глобальном процессе мирового развития.

Основной задачей системы образования является удовлетворение потребностей государства в выполнении социального заказа. Современные запросы влекут за собой непрерывное совершенствование учебного процесса, поэтому процесс обучения должен быть достаточно гибким для быстрой адаптации к меняющимся требованиям. Одним из средств, способствующих повышению качества подготовки учащихся и формированию соответствующей образовательной среды, являются новые информационные технологии обучения, базирующиеся на применении обучающих систем с элементам* искусственного интеллекта. При разумной организации они интенсифицируют процесс обучения, обеспечивают формирование глубоких знаний, выработку прочных умений и твердых навыков, а также вносят свой вклад в процесс воспитания учащихся.

В настоящее время процесс обучения, основанный на опыте и интуицш работников средней школы, нуждается в серьезном совершенствовании i научном обосновании принимаемых решений. Это особенно актуально i условиях все возрастающих требований к подготовке учащихся, необходимост] частого обновления учебных планов и учебно-методического обеспечения необходимости повышения качества учебного процесса в условия: современной России. Необходим поиск новых подходов, обеспечивающий целесообразную перестройку системы образования с учетом жизненных реалий.

Наиболее перспективными средствами разрешения этих проблем являются инструментальные системы, которые принято называть обучающими системами с элементами искусственного интеллекта [31,32,50,64,106].

К основным достоинствам данных обучающих систем относятся:

— возможность использования преимуществ индивидуального обучения;

— обучение навыкам самостоятельной работы;

— освобождение учителя от рутинной работы;

— возможность использования и тиражирования передового педагогического опыта;

— возможность индивидуальной адаптации курса обучения к потребностям обучаемых или условиям обучения.

Многие аспекты применения интеллектуальных обучающих систем разрабатывались педагогами, психологами, специалистами в области информационных технологий: основополагающие проблемы теории педагогических систем и инновационных процессов в образования (П.Я.Гальлерин, В. В. Давыдов, М. И. Махмутов и др.), вопросы разработка кибернетической теории обучения и создание автоматизированного обученш (Ю.К.Бабанский, В. П. Беспалько, А. И. Берг, В. М. Глушков, Н. Ф. Талызина Н.Д.Никандров, И. Я. Лернер и др.) — исследования, связанные с созданием использованием в учебном процессе обучающих средств с элементам* искусственного интеллекта, проведены Н. П. Брусенцовым, П. Л Брусиловским. В. А. Петрушиным и др.

В исследованиях российских ученых (А.А.Андреева, Н. В. Апатова Е.И.Машбиц, Е. С. Полат, И. П. Норенкова и др.) сформулированы общи< принципы построения обучающих систем, определены основные направление их применения в образовании. Но при этом они не учитывают особенносте] функционирования средних общеобразовательных школ.

Системный подход к созданию обучающих систем нового уровня для эффективного обучения учащихся дает возможность рассматривать все компоненты современных обучающих систем в тесной взаимосвязи с требованиями социального заказа к выпускнику средней школы. Попытки моделировать учебный процесс помогают подойти к нему как к сложной динамической системе и учесть те возможности, которые открывает применение компьютерных средств обучения. В исследовании учебного процесса модель выступает как важнейшее средство наглядного представления связей и отношений его компонентов. Соответственно для организации и научного исследования учебного процесса средней общеобразовательной школы моделирование становится все более насущно необходимым. Постоянно корректируемая модель должна являться исходным этапом и необходимым условием для построения обучающей системы с элементами искусственного интеллекта.

Модели позволяют находить оптимальные структуры процессе обучения, исходя из поставленной цели. Средствами оптимизации обучение являются: отбор содержания обучения и установление последовательности пр* изучении дисциплины, прочных связей и взаимоотношений между предметам* и видами обучения. Чем теснее и глубже эта связь, тем выше уровень научной профессиональной подготовки учащихся.

Анализ научной литературы и исследований в данном направленш позволил выявить наличие следующих противоречий, которые имеют место ] современном процессе обучения в подавляющем большинстве средни: общеобразовательных школ:

1. Между экспоненциальным ростом информации, определяющей содержани образования с ограниченным временем обучения и возможностям] субъектов образовательного процесса.

2. Между качеством подготовки учащихся и потребностями и ожиданиям: общества.

3. Образовательный процесс современной школы должен основываться на широком использовании возможностей информационной образовательной среды, для формирования которой требуется активная работа педагогов по подготовке электронных образовательных ресурсов. В то же время недостаточно проработаны принципы создания таких учебно-методических материалов нового поколения.

4. Между качеством обучения путем проверки соответствия требований к подготовке выпускников уровневым стандартам знаний и путем выявления пробелов в подготовке учащихся.

5. Между сложившейся традиционной системой образования, включающей в себя как одну из составляющих форму массового обучения, и его индивидуализацией.

6. Между подготовкой учащихся в средних общеобразовательных школах в соответствии с государственными стандартами и обеспечением функционирования образовательного процесса с учетом индивидуальных особенностей и возможностей учащихся.

Исходя из этого, проблема исследования может быть сформулирована следующим образом: каковы структура и содержание обучения в современных условиях при использовании обучающих систем с элементами искусственного интеллекта для повышения качества обучения в средних школах в целя> подготовки учащихся, соответствующих социальному заказу.

Объектом исследования является структура и технология созданш интеллектуальной обучающей системы и обучающей системы и её практическая реализация.

Предметом исследования является анализ качества обучения в средни) общеобразовательных школах с использованием обучающей системы, которая предоставляет новые возможности организации учебного процесса, повышена эффективности процесса обучения и улучшение его качества, интеграции обучающей системы с элементами искусственного интеллекта i образовательный процесс.

Целью работы является разработка и формирование информационно-логической и структурной модели обучающей системы, включающей в себя модель предметной области, модель обучаемого, модель системы знаний обучаемого, стратегию оценки системы знаний обучаемого.

Гипотеза исследования состоит в предположении, что внедрение в образовательный процесс средней школы обучающей системы с элементами искусственного интеллекта обеспечит его совершенствование с целью повышения качества обучения, если:

— обучающая система спроектирована как адаптивная система, ориентированная на обеспечение дифференцированного подхода к обучаемым в зависимости от уровня их подготовленности и исследовании возможности контроля знаний учащихся с использованием специально разработанных моделей предметной области, обучаемого и системы его знаний;

— преподавателям предоставлена возможность активно участвовать в проектировании и актуализации индивидуальных образовательных траекторий, что обеспечивает личностноориентированный подход к организации процесса обучения;

— формирование информационной образовательной среды школы осуществлено на основе системной интеграции обучающих компьютерных технологий и сложившихся педагогических опыта, знаний, традиций.

В соответствии с целью, объектом, предметом и гипотезой исследование были поставлены следующие задачи исследования:

— на основе теоретического анализа научно-методической и психолого педагогической литературы уточнить классификацию образовательны? программных средств, применяемую в образовательном процессе средней учебного заведенияпровести анализ существующих обучающих систем i тенденций их развития;

— исследовать и обосновать с педагогических позиций структур} обучающей системы с элементами искусственного интеллекта и ее роль i совершенствовании образовательного процесса, рассматривая её как адаптивную систему;

— определить взаимосвязи и функциональные характеристики ее элементов, разработать необходимые компоненты для создания многофункциональной обучающей системы, позволяющей решать разноплановые задачи и реализовывать различные технологии обучения в зависимости от индивидуальных особенностей и требований пользователя;

— выполнить практическую реализацию многофункциональной обучающей системы;

— экспериментально проверить эффективность моделей предметной области, обучаемого, системы знаний на основе построения оптимальных образовательных траекторий учащихся, обеспечивающих повышение качества обучения.

Методологической основой исследования явились: современные гуманистически ориентированные философские, психологические и педагогические концепцииконцептуальные положения о деятельностной и творческой сущности личности и ее многофакторном развитииаксиологический подход, рассматривающий человека как высшую ценностьфундаментальные положения общей педагогикиконцепции информатизации общества и сферы образованиянаучно-исторический подход к изучению феномена «информационная технология».

Теоретическую основу исследования составили: концепции целостного подхода к формированию учебной деятельности учащихся (Ю.К.Бабанский. П. Я. Гальперин, Л. В. Занков, В. В. Краевский, И. Я. Лернер, А. М. Матюшкин, М. И. Махмутов, М. Н. Скаткин, Н. Ф. Талызина и др.) — теории проектирования педагогических технологий (В.С.Безрукова, В. П. Беспалько, В. И. Боголюбов. И. Я. Зимняя, М. В. Кларин, В. Ю. Питюков, Г. К. Селевко, С. А. Смирнов, и др.): научные работы по проблемам использования информационные технологий е учебном процессе (Ю.С.Брановский, В. И. Гриценко, В. А. Извозчиков, А. П. Ершов, И. Г. Захарова, Ю. А. Кравченко, С. В. Монахов, Е. С. Полат,.

И.В.Роберт, В. А. Трайнев и др.) — проблемы информатизации образования (Д.Б.Богоявленский, А. Г. Кушниренко, В. А. Сластенин и др.) — теоретические и методические основы формирования информационной культуры учащихся (В.А. Виноградов, Г. Г. Воробьев, М. Г. Вохрышева, Н. И. Гендина, А. А. Гречихин, Г. А. Жаркова, Н. Б. Зиновьева, Ю. С. Зубов, Г. М. Клименко, С. М. Конюшенко, Б. А. Семеновкер, Э. П. Семенюк, Л. В. Скворцов, И. Г. Хангельдиева и др.) — общая теория обучения (Ю.К.Бабанский, В. И. Загвязинский, ИЛ. Лернер и др.), теория моделирования учебного процесса (Ю.К.Бабанский, В. П. Беспалько, Е. И. Машбиц, М. В. Кларин и др.), принципы формирования информационной среды учебных заведений (А.А.Андреев, Ю. Н. Афанасьев, В. В. Рубцов. И. К. Шалаев и др.).

Методы исследования: теоретические — изучение и анализ научной литературы в области педагогики, обучающих систем, информационных технологийаналитический метод оценки качества организации образовательного процесса с использованием обучающей системыметоды новых информационны? технологийв разработке программного обеспечения использовалас! технология объектно-ориентированного программированияэкспериментальные — опытно-экспериментальная работа, изучение процесса обучения в ходе самостоятельной работы учащихся, наблюдений зучащимися, проведение анкетирования и его анализ, бесед с учителями проведения и анализа тестирования учащихсяпланирование, подготовка проведение эксперимента и анализ его результатовстатистико-математические методы по обработк/ экспериментальных данных, методы системного анализа, теории множеств теории графов, теории оптимизации, эконометрики, а также метод экспертны: оценок.

База исследования:

Основной базой исследования является учебный процесс в средних общеобразовательных школах № 5, № 1, № 17 г. Кропоткина Краснодарского края и НОУ СПО «Юридический техникум г. Кропоткина».

Научная новизна исследования состоит в том, что:

— предложена собственная типология компьютерных средств обучения (однофункциональные и многофункциональные программные средства учебного назначения) в зависимости от числа реализуемых функций и их назначения;

— дано определение интеллектуальной обучающей системы как совокупности технических, алгоритмических, программных и информационно-методических средств, предназначенных для реализации адаптивногс обучающего диалога, поиска и обработки учебной информации и для организации качественного процесса обучения;

— разработана структурно-функциональная модель учащегося, содержащая инвариантную и специфичную компоненты, использование которой обеспечивает целенаправленный характер формирования профиля пользователз при применении обучающей системы;

— определены и функционально обоснованы необходимые компонента обучающей системы (подсистема управления обучением, подсистемтестирования, подсистема ознакомления с предметной областью), позволяющее решать разноплановые задачи и реализовывать различные технологии обучение в зависимости от индивидуальных особенностей и требований пользователя;

— разработана модель формирования оптимальных планов изучена дисциплины на основе иерархической семантической сетимодель обучаемогс обеспечивающая возможность учета его характеристик и выбора стратеги] управления процессом обучения;

— построены модели тематической и итоговой оценки контроля знани] учащихся. Тематический контроль реализует алгоритм адаптивног тестирования, при котором изменяется модель обучаемого и предоставляемы при тестировании вопросы. Оценка знаний при итоговом контрол осуществляется путем сравнения построенной в процессе обучения модели системы знаний обучаемого и эталонной моделью структуры предмета.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что разработана авторская классификация образовательных программных средств, созданная на базе выделения количества основных реализуемых в учебном процессе функциональных возможностейуточнено содержание понятия «интеллектуальная обучающая система», обосновано значение применения обучающей системы для подготовки учащихся средних общеобразовательных школразработан подход к обучению, позволяющий повысить качестве обучения при реализации стратегии оптимального автоматизированногс обучения путем использования в учебном процессе обучающих систем с элементами искусственного интеллекта.

Практическая значимость исследования обуславливается четкс выраженной потребностью в совершенствовании и разработке новы> технологий обучения в условиях перехода к непрерывному образованию и егс информатизации. Она заключается в том, что полученные результаты пс формированию моделей предметной области и оценки знаний могут быт] использованы при разработке обучающих систем с элементами искусственное интеллекта для достижения оптимального управления процессом обучения Материалы диссертационного исследования могут быть также использованы i разработке методик при проведении социологических исследований новы) форм обучения.

Сформированная на основе данных результатов работы обучающая система внедрена в юридическом техникуме и железнодорожном училищ" г. Кропоткина и представляет собой программно-методическое обеспечение занятий по информатике. Определена её роль и место в учебном процессе разработаны основы методики использования данного программного средствпри проведении занятий, организации самостоятельной работы, подготовка результатов тестирования и их анализу с использованием ЭВМ. Применен" обучающей системы позволило снизить затраты на организацию и проведени учебных мероприятий, перераспределить нагрузку преподавателей с рутинной на творческую, повысить оперативность обеспечения учебного процесса учебно-методическими средствами при изменении структуры и содержания обучения, следствием чего является увеличение мобильности системы образования.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивалась опорой на методологию исходных теоретических позиций, применением различных методов исследования, адекватных природе изучаемого феномена и соответствующих цели и задачам исследования, соблюдением требований технологии педагогического исследования устойчивой повторяемостью фактов, сочетанием и взаимопроверкой результатов, репрезентативностью опытно-экспериментальных данных. Положения, выносимые на защиту:

1. Классификация образовательных программных средств, предназначенные для использования в средних учебных заведениях выглядит следующих образом: однофункциональные и многофункциональные программные средствучебного назначения. В качестве их классификационных признаков выступаю-основное назначение и число ведущих функций.

2. Интеллектуальная обучающая система представляет собой совокупност] связанных в единое целое технических, программно — алгоритмических, i информационно-методических средств, предназначенных для реализацш адаптивного обучающего диалога, поиска и обработки учебной информации i для организации качественного процесса обучения. Интеллектуальна обучающая система осуществляет подготовку обучаемого на основе модел] предметной области, модели обучаемого, модели контроля системы знани обучаемого и настройки на требования преподавателя общеобразовательно] школы.

3. Индивидуализация обучения является одним из факторов повышени качества обучения. Индивидуальный подход к каждому учащемус обеспечивает адаптивностью обучающей системы, которая осуществляется н основе изменения параметров управления учебном процессом, изменения параметров модели обучаемого и модели контроля системы знаний обучаемого. Реализация функционирования подсистем, входящих в структуру обучающей системы, основана на данных моделях.

4. Формирование многокомпонентной модели обучаемого позволяет осуществить адаптацию обучающей системы к конкретному обучаемому, Поэтому она должна включать в себя сведения о цели обученияо знаниях обучаемого в рамках изучаемого предмета (текущее состояние процессе обучения) — об особенностях подачи учебных материалов и выбора контрольны? заданий и вопросов.

5. Модель предметной области должна отражать взаимосвязи понятий (тем' предметной области и может быть использована для определенш последовательности изучения тем и для получения целостного образа знаний относящихся к данной предметной области. Для её представления предложен* модель, позволяющая объединить декларативные и процедурные знания i использовать для анализа модели предметной области аппарат теории графов.

6. Контроль знаний обучаемого обеспечивает обратную связь и предназначь для определения уровня знаний учащегося с целью организации эффективной управления обучением в целях повышения его качества. Применена обучающей системы позволяет построить модель системы знаний обучаемого При тематическом контроле предложено применить базисные характеристики практическая реализация которых позволит повысить адаптивность системы При итоговом контроле вывод об уровне знаний обучаемого можно сделать п< степени сходства модели его системы знаний и эталонной модели структурь предмета.

7. Организация контроля знаний с использованием обучающей систем! базируется на тестовом множестве заданий по одной отдельно взятой учебно: дисциплине, которые характеризуются объективной оценкой тестовых заданий н валидность, надежность и дискриминативность. Методом экспертной оценки поел предварительного определения набора критериев показано, что качество учебног процесса с применением обучающей системы в большей степени отвечает их требованиям и успех учебного процесса в большей степени зависит от использования электронных учебных материалов и методического обеспечения.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись на протяжении всего периода исследования, докладывались и обсуждались на:

— LVII и LVIII Научной сессии, посвященной Дню радио (Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова, май 2002,2003 г. Москва);

— VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», (апрель 2004 г., г. Арзамас);

— XVI Международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании» (ноябрь 2006 г., г. Москва);

— научно-практичсеких конференциях филиала Московскогс государственного открытого университета (МГОУ) «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе» в г. Кропоткине (май 2003 г, май 2004г);

— заседаниях педагогических советов школ и юридического техникума г. Кропоткина.

Результаты исследования нашли отражение в научных статьях, тезисах докладов, опубликованных автором. Разработанная интеллектуальная обучающая система «Диалог» зарегистрирована в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» за № 50 200 601 359 и е отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий», что подтверждается свидетельством № 6601 и публикацией в газете «Инновации в науке v образовании» (№ 7 (18) июль 2006 г.), а также в журнале «Компьютерные учебные программы и инновации» ((№ 12 2006г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит и: введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы к приложений. Общий объем 187 страниц машинописного текста, включая 1S рисунков, 22 таблицы и 11 приложений.

Список литературы

включает 16? наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведена классификация современных средств обучения по разным признакам и критериям. Рассмотрены известные средства компьютерной поддержки процессов обучения, определены их достоинства и недостатки. Пс изменению главной цели создания обучающих систем прослежено изменение к их функций. Предложена собственная типология обучающих программных средств на основе реализации одной или нескольких функций. Показано, что е настоящее время наиболее перспективным направлением развития обучающих систем является применение для их разработки технологии искусственного интеллекта.

2. На основе приведенных функциональных, дидактических и практических требований к разрабатываемой системе сделан вывод, что использование системы, удовлетворяющей таким требованиям, позволит существеннс повысить эффективность и качество обучения. При этом функции управленш процессом обучения, обеспечение адаптации и оценку знаний обучаемого можнс передать обучающей системе с элементами искусственного интеллекта.

3. Архитектура такой обучающей системы представлена как иерархи? подсистем, взаимодействующих между собой. Каждая из подсистем решает свои задачи, которые соответствуют основным режимам функционировании системы в целом.

4. На основе такого подхода разработана метамодель основы базы знаний средней школы. Подсистема ознакомления с предметной областью ш тематическом уровне метамодели представлена в виде семантической сети. Это позволит осуществить реализацию индивидуальных планов изучения дисциплины для отдельных пользователей.

5. Модель обучаемого в данной системе сформирована в виде совокупности компонент, позволяющей устанавливать различные виды знаний об обучаемом. Формальная модель состояний обучаемого предполагает реализацию валидности, адекватности и динамичности при её построении. Целевая модель обучаемого соответствует нормативной модели специалиста, соответствующего социальному заказу. На основе теории нечетких графов разработана модель построения системы знаний обучаемого. Сформированы средства описания и реализации тестирования уровня знаний отдельно по темам и в целом пс дисциплине. При этом учитываются различные типы вопросов, способы определения правильности ответов.

6. Создан комплекс программно-информационных средств интеллектуальной обучающей системы «Диалог», реализующей разработанные модели и методы автоматизированного обучения.

7. При проведении экспериментальных исследований по определеник эффективности обучающей системы для обучения подготовлено множестве тестовых заданий. Для каждого задания разработаны параметры трудности v дифференцирующей способности, проведена проверка тестовых заданий т валидность, надежность и дискриминативность и подтверждена и> статистическая достоверность. Подтверждена гипотеза о нормальность распределения результатов тестирования знаний учащихся. Показано, что тест дает устойчивые результаты при повторном использовании его вариантов Проведена статистическая обработка результатов экспериментального сравненш уровня знаний в группах, обучающихся по традиционному методу и < применением обучающей системы. Методом экспертной критериальной оценет решена задача оценки влияния использования обучающей системы в учебног* процессе средней школы на повышение эффективности обучения, качествзнаний и умений учащихся. Методом эконометрического моделированш доказано, что успех учебного процесса в большей степени зависит от использования электронных учебных материалов и методического обеспечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Общим результатом работы является построение обучающей системы с элементами искусственного интеллекта в средней школе. На основе моделирования структуры и содержания обучения при использовании обучающих систем с элементами искусственного интеллекта определены её возможности для создания условий повышения качества обучения в средней школе, соответствующего социальному заказу.