Разработка объектно-ориентированного математического и программного обеспечения информационных технологий управления индивидуализированным обучением в коррекционной школе

Актуальность темы

исследования. Перспективным направлением развития коррекционного образования в рамках специальной школы является использование новых информационных технологий (НИТ), их методов и средств для наиболее эффективной организации процесса обучения, воспитания и развития учащихся с ограниченными умственными возможностями.

Коррекционная школа обучает детей, у которых первичный дефекторганическое поражение головного мозга порождает вторичные нарушения высших форм познавательных процессов (активного восприятия, словесно-логического мышления, речи, произвольных форм памяти), проявляющиеся в процессе социального развития ребенка. Вторичное недоразвитие психических свойств личности учащегося с ограниченными умственными возможностями проявляется в примитивных реакциях, неадекватной самооценке, негативизме, недоразвитии воли, невротическом поведении. Все эти недостатки отражения окружающей действительности и регуляции деятельности делают еще более необходимым соответствие условий обучения индивидуальным возможностям учащихся. Одна из основных задач специальной школы — социально-бытовая адаптация учащихся, подготовка учащихся к жизни в обществе, решается педагогическим коллективом школы во время проведения уроков, коррекционных занятий, внеклассных мероприятий.

В последние годы повысилась активность в исследованиях по использованию мощного технического средства обучения — компьютера в работе с детьми с ограниченными возможностями здоровья для решения различных задач по адаптации детей к окружающему миру [16, 114]. Поэтому не случаен интерес к проблеме использования новых информационных технологий (ИТ) в коррекционной школе для учащихся с ограниченными умственными возможностями (школа 8-го вида).

Применение НИТ в обучении учащихся специальной школы невозможно без соблюдения общедидактических и специальных принципов коррекционной педагогики: воспитывающего характера, практической направленности, расширения социальных связей, коррекционно-развивающего обучения, доступности, индивидуального подхода [4, 70].

В настоящее время в России большое внимание уделяется компьютеризации общеобразовательных школ, которая реализуется в рамках Президентской программы «Развитие единой образовательной информационной среды». Одновременно с этим назрела потребность выдвинуть в качестве важной социальной задачи внедрение информационных технологий в процесс коррекционного образования. В связи с этим возникает необходимость дальнейшей разработки методов использования компьютеров в специальной школе и НИТ в деятельности учителя коррекционной школы для организации и проведения занятий с учащимися с ограниченными умственными возможностями.

Имеется ряд публикаций, подчеркивающих важность применения НИТ в специальном обучении, анализ которых позволяет определить области практического применения информационных технологий для детей с ограниченными возможностями здоровья [14, 48, 62, 99]. Отдельные творческие коллективы посвятили свои исследования следующим направлениям работ: использование компьютера для обеспечения канала связи больного ребенка с внешним миром, поддержка развивающего обучения школьников, использование компьютера для коррекции недостатков развития. Однако вопросы методики использования НИТ в коррекционной работе с учащимися специальной школы разработаны недостаточно. Исследования показали, что ИТ можно использовать в коррекционной школе в следующих направлениях:

• обучение школьников началам «Информатики»;

• закрепление умений и навыков учащихся, сформированных при изучении школьных предметов;

• наблюдение и контроль динамики обучения, воспитания и развития учащихся;

• автоматизированное ведение школьной информации, необходимой для организации учебного процесса.

Поскольку в специальной школе 8-го вида учебной программой не предусмотрен предмет «Информатика», перечисленные направления работы в такой школе могут быть исследованы и реализованы учителем информатики на коррекционных занятиях с использованием ИТ, которые проводятся в школе на занятиях кружка в младших и средних классах и на факультативных занятиях в старших классах. Но упрощенная программа обучения (по сравнению с массовой школой) и сниженный темп обучения сами по себе только частично обеспечивают адаптацию учебно-воспитательного процесса индивидуальным возможностям учащихся с ограниченными умственными возможностями, так как у детей даже одного возраста эти возможности существенно различаются. Исходя из этого, в основу данного исследования положен индивидуализированный подход к учащимся на коррекционных занятиях с использованием информационных технологий. Индивидуализированный подход — необходимое условие разрешения противоречия между фронтальной организацией обучения и индивидуальным процессом усвоения учебного материала учащимися, а также их индивидуальным развитием. В специальной школе на коррекционных занятиях с использованием ИТ разрешить это противоречие можно при целенаправленной организации и методологии обучения, в рамках которой индивидуализированный подход своей основной целью ставит коррекцию психофизических недостатков учащихся.

Основное техническое средство учителя информатики для проведения коррекционных занятий с использованием ИТ — это компьютер. Для подготовки и проведения эффективных занятий с учащимися необходимо провести исследование вопроса по оснащению рабочего места учителя информатики таким математическим и программным обеспечением (ПО), которое помогало бы учителю в повседневной работе реализовать принцип индивидуализированного подхода к учащимся. Один из возможных путей решения проблемы — разработка индивидуализированной программы коррекционных занятий с использованием ИТ.

Вопросы математического и программного обеспечения автоматизированной системы интеллектуальной поддержки индивидуализированного обучения на коррекционных занятиях с использованием ИТ в специальной школе 8-го вида ранее не являлись предметом специальных исследований, что делает эту проблему актуальной.

Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета: «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы для моделирования и управления», «Управление в социальных и экономических системах».

Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов, объектно-ориентированного математического и программного обеспечения автоматизированной системы поддержки принятия решений и управления процессом индивидуализированного обучения учащихся с ограниченными умственными возможностями на коррекционных занятиях с использованием информационных технологий.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

• анализ состояния применения информационных технологий в коррек-ционной педагогике и проблем их использования на коррекционных занятиях учащихся с ограниченными умственными возможностями;

• исследование учебного процесса в специальной школе как педагогической системы и разработка алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений;

• разработка объектно-ориентированного математического обеспечения процесса индивидуализированного обучения на занятиях по изучению начал информатики с выполнением организационно-педагогических условий реализации программы обучения;

• формирование структуры программного обеспечения автоматизированной системы управления и принятия решений с учетом специфики объекта исследования;

• реализация и экспериментальная проверка методического и программного обеспечения автоматизированной системы управления и интеллектуальной поддержки принятия решений в коррекционной школе.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории математического моделирования, методы системного анализа и проектирования, методы классификации, методы анализа экспертной информации, методы построения реляционных баз данных, теории фреймов, методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие положения, характеризующие научную новизну:

• алгоритмическая структура модели процесса индивидуализированного обучения на занятиях по началам информатики в коррекционной школе, отличающаяся учетом взаимосвязей средств педагогической коммуникации и подсистемы мониторинга знаний в замкнутом контуре управления обучением;

• формализованная модель предметной области, основанная на комплексном использовании качественных и количественных оценок параметров динамики обучения, воспитания и развития для классификации и выбора индивидуализированной траектории управления типологической группой учащихся;

• функционально-модульная структура объектно-ориентированного математического и программного обеспечения автоматизированного рабочего места учителя информатики, отличающаяся учетом информационных потоков по матрице межпредметных связей для интеллектуальной поддержки принятия решений по изменению форм и методов обучения;

• авторский подход, обеспечивающий использование потенциала компьютерных игр в специальном обучении, а также эвристические диалого.

I, А вые алгоритмы и реализующие их программы развивающих и обучающих игр по циклу взаимосвязанных учебных дисциплин;

• семантическая фреймовая организация базы данных для осуществления динамических запросов к информационной подсистеме сведений об учащихся, состоящей из субфреймов, в терминалах которых инициируются персонифицированные данные, необходимые для адаптивной коррекции процесса обучения.

Практическая значимость. На базе диссертационного исследования разработано математическое и программное обеспечение автоматизированного рабочего места учителя информатики специальной (коррекционной) школы.

Практическую ценность имеют:

• программный комплекс специальных компьютерных игр: «Словарные слова» для закрепления правописания словарных слов и пополнения словарного запаса, «Ромашка» для отработки навыков устного счета, «Правильный ответ» для контроля знаний по различным предметам;

• Интернет-ориентированное программное средство, представленное Web-caйтoм двух школ-участниц Сетевого проекта, реализующее результаты проектной деятельности — новой формы организации обучения с использованием НИТ;

• информационная подсистема «Школьник», содержащая базу данных по личностным особенностям учащихся, для использования на различных уровнях управления коррекционным обучением.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертации используются в учебном процессе специальной (коррекционной) общеобразовательной школы № 31 г. Воронежа при обучении началам информатики на коррекционных занятиях с использованием ИТв Воронежском областном институте повышения квалификации и переподготовки кадров работников образования — в учебных курсах повышения квалификации учителей начальных классов, классов коррекции, руководителей и учителей интернатных учреждений областив Воронежском государственном педагогическом университете — в учебных дисциплинах: «Педагогическая информатика», «Информационные технологии в образовании».

Апробация работы. Результаты докладывались и обсуждались на V Всероссийской научно-практической конференции по новым информационных технологиям в образовании «Черноземье-2000» (Воронеж, 2000 г.), на Всероссийских конференциях «Ителлектуальные информационные системы» (Воронеж, 2001 г., 2002 г.), на I и II региональных конференциях «Информатизация учебного процесса и управления образованием. Сетевые и Интернет-технологии» (Воронеж, 2001 г., 2002 г.), на II и III региональных научно-методических конференциях «Информатика как педагогическая задача» (Воронеж, 2002 г., 2003 г.), на Международной электронной телеконференции в рамках Педагогического фестиваля «Интернет и образование» (Барнаул, 2001 г.), на научных семинарах кафедры автоматизированных и вычислительных систем ВГТУ (Воронеж, 2002 г., 2003 r3) i время проведения исследовательской работы было получено семь дипломов и призов за участие в конкурсах учителей информатики г. Воронежа и г. Москвы по практическим материалам научной работы.

В фонде алгоритмов и программ Всероссийского научно-технического информационного центра компьютерных программ зарегистрированы четыре оригинальные программные разработки автора.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично автору принадлежит: в [8, 9, 10, 11] - алгоритмы и программы компьютерных игр «Словарные слова», «Ромашка», «Правильный ответ" — в [12] -новая организационная форма работы в коррекционной школе — Интернет-проектв [13] - фреймовая организация базы данных для реализации запросов к системев [14] - выбор и обоснование параметров динамики развития учащихсяв [15] - структура АИС по учащимся школыв [16] - анализ возможностей Интернет для использования в работе учителя информатики кор-рекционной школы.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 149 страницах, списка литература из 124 наименований и 6 приложений, содержит 31 рисунок и 21 таблицу.

ВЫВОДЫ ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЫ.

1. Разработан состав программного обеспечения автоматизированной системы поддержки принятия решений и управления процессом индивидуализированного обучения учащихся на коррекционных занятиях с использованием ИТ, включающий пять программных модулей.

2. Разработана структурная схема информационных потоков автоматизированной системы, предназначенной для управления процессом индивидуализированного обучения учащихся на коррекционных занятиях с использованием ИТ.

3. Создана в составе автоматизированной системы управления процессом индивидуализированного обучения началам информатики в коррек-ционной школе информационная подсистема «Школьник» с описанием личностных особенностей учащихся школы, которая включает следующие этапы работы: проектирование информационной подсистемыразработку схемы информационных потоков в системевыбор среды реализации программного продуктаразработку структуры базы данных и структурной схемы подсистемывыявление связей между таблицами в базе данныхразработку структуры запросов, обеспечивающих выборку и сортировку данныхфреймовую организацию базы данных для реализации запросов к подсистемеразработку структуры графического интерфейса пользователя. Созданная автоматизированная информационная подсистема «Школьник» используется в организации учебного процесса СКОШ № 31 г. Воронежа.

4. Технически реализованы программные модули автоматизированной системы принятия решений и управления процессом индивидуализированного обучения, предназначенной для сбора, хранения и обработки информации и визуализации полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработанная автоматизированная система поддержки принятия решений учителем специальной школы в ходе управления индивидуализированным обучением учащихся с ограниченными умственными возможностями показала возможность целенаправленного воздействия на учащихся каждой типологической группы для решения педагогических задач коррекционного обучения. Перспективы дальнейшего развития данной автоматизированной системы возможны в нескольких направлениях: создание на ее базе экспертной системы по выбору индивидуализированного обучения учащихся кор-рекционной школы учителями-предметниками после внесения в систему результатов наблюдений за учащимисяболее широкое внедрение этой автоматизированной системы в коррекционные школы других видов, а также в классы коррекции массовых школ, что приведет к учету специфики особенностей учащихся и более эффективной организации обучения.

В работе создано математическое и программное обеспечение, направленное на активизацию действий учащихся, которое использует игровые методы с учащимися, реализованные в виде обучающих компьютерных игр. Дальнейшая разработка этого направления возможна в следующем: создание развивающих компьютерных игр специально для учащихся с ограниченными умственными возможностями с анализом перечня корректируемых умений и навыков учащихсяразработка алгоритмов и программ творческих и деловых компьютерных игр для учащихся коррекционной школыиспользование информационных технологий для закрепления знаний, полученных на общеобразовательных предметах, например, путем разработки с учителем-предметником электронного учебника с компьютерными программами-тренажерами для формирования навыков по этому предмету.

В дальнейшем возможно дополнить разработанную информационную подсистему «Школьник» данными, содержащими перечень параметров динамики обучения, воспитания и развития учащихся и их количественные оценки для учащегося по каждому предмету. Это позволит сформировать базу знаний экспертной системы, необходимой для повышения обоснованности и качества решений, принимаемых учителем, и, в конечном итоге, перейти к прогнозированию индивидуализированной траектории управления типологической группой учащихся для адаптивного планирования занятий на выбранный учебный период.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен системный анализ процесса изучения начал информатики на коррекционных занятиях с использованием НИТ как педагогической системы, позволивший адекватно представить предметную область с учетом специфики работы учителя информатики и особенностями учащихся специальной школы.

2. Разработана алгоритмическая структура и формализованное описание модели процесса индивидуализированного обучения на занятиях по началам информатики в коррекционной школе, которая реализует процедуру принятия решений по результатам наблюдения и контроля параметров динамики обучения, воспитания и развития для классификации учащихся по типологическим группам.

3. Разработана функционально-модульная структура автоматизированной системы поддержки принятия решений и управления процессом индивидуализированного обучения, позволившая декомпозировать процесс разработки программного обеспечения для реализации отдельных модулей.

4. Предложен и обоснован авторский подход к созданию объектно-ориентированного математического и программного обеспечения, отличающийся применением эвристических развивающих методов в условиях коррекционной школы, в ходе реализации которого разработаны алгоритмы и программы оригинальных компьютерных развивающих и обучающих игр по основным учебным дисциплинам.

5. Обоснован и реализован механизм коллективного проектирования Интернет-ориентированных программных средств, позволяющих использовать новую форму организации обучения в коррекционной школе — проектную деятельность.

6. Создан алгоритм формирования индивидуализированной траектории управления типологической группой обучаемых при работе с эвристическими развивающими программами на основе разработанных карты умений и навыков, сформированных на других предметах, и карты учета работы учащихся.

7. Разработана и реализована автоматизированная система поддержки принятия решений и управления процессом индивидуализированного обучения, обеспечивающая сочетание научных знаний и практического опыта с возможностями новых информационных технологий и предназначенная для сбора, хранения, обработки информации и визуализации полученных результатов.

8. Разработана и программно реализована информационная подсистема «Школьник» с описанием личностных особенностей учащихся коррекционной школы, в процессе создания которой разработано объектно-ориентированное математическое и программное обеспечение, отличающееся использованием фреймовой организации базы данных для реализации запросов к локальной подсистеме, состоящей из корневых фреймов одинаковой структуры.

9. Применение разработанных моделей, алгоритмов и программ в условиях коррекционной школы учителями-предметниками дает возможность накапливать в базе данных системы информацию по обучению, воспитанию и развитию учащихся по каждому предмету, что в перспективе позволит сформировать группы экспертов и создать экспертную систему для исследуемого в работе процесса.

10.Разработанные программные средства прошли регистрацию в Государственном фонде алгоритмов и программ.