Исследование и разработка методов и средств автоматизации построения обучающих курсов в диалоговых системах на базе ЭВМ

Современный научно-технический прогресс характеризуется развитием и широким внедрением в повседневную жизнь человечества систем и средств обработки информации, использующих вычислительную технику. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года среди важнейших проблем вобласти естественных и технических наук намечено «совершенствование вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем сбора, передачи и обработки информации» /47/,.

Вычислительные машины, обладающие большой памятью, высоким быстродействием, гибким программным управлением и диалоговым режимом работы, открывают широкие возможности для создания средств и систем управления процессами, трудно поддающимися алгоритмиза ции.

В настоящее время разработано много разнообразных систем управления различными процессами во всех областях человеческой деятельности. Наиболее сложными для управления являются те процессы, где человек выступает в роли объекта управления. Здесь приходится учитывать помимо общих закономерностей процесса еще и психологические и физиологические особенности человека. Одним из примеров такого процесса является процесс автоматизированного обучения.

В связи с непрерывным ростом объема информации, необходимой современному квалифицированному специалисту, и с ростом потребности в непрерывной подготовке и переподготовке кадров для народного хозяйства возникла необходимость в новых эффективных средствах обучения. В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12 июля 1979 года /45/ отмечается необходимость интенсивной разработки, опробования и внедрения новых форм, методов и средств подготовки специалистов.

Один из путей повышения эффективности и качества обучения — активное использование автоматизированных обучающих систем (АОС), в которых должен отразиться весь педагогический опыт, накопленный человечеством, последние достижения кибернетики, инженерной психологии, математической логики. Эффективность функционирования такой системы определяется комплексом средств, в которые входят учебно-методические и психолого-педагогические факторы, формирующие и регламентирующие процесс обучения. И только при наличии взаимосвязи между отдельными сторонами единого учебного процесса возможно органическое соединение комплекса технических средств, наборов информационных данных и обучаемых в единую человеко-машинную систему.

Внедрение АОС — это принципиально новое направление в индустриализации системы высшего образования" /54/. АОС могут быть использованы практически во всех видах учебной работы. Разумеется, что они не подменяют преподавателя, они являются средством в его руках, позволяющим активно влиять на работу каждого обучаемого.

В конце 60-х годов господствовало общее мнение, что через несколько лет ЭВМ смогут превзойти, а потом и заменить человека в процессе обучения подрастающего поколения. Эти надежды не оправдались. Теперь задача формулируется так: необходимо поддерживать, расширять и дополнять с помощью ЭВМ познавательные способности человека, а не стремиться заменить человека машиной.

Автоматизированные обучающие системы широкого назначения в настоящее время создаются практически во всех развитых странах мира, обладающих необходимыми научно-техническими возможностями — высоким уровнем развития средств вычислительной техники и связи. Актуальность использования автоматизированного обучения для подготовки не только пользователей ЭВМ, но и студентов вузов и техникумов, учащихся средних школ и профессионально-технических училищ подтверждает как зарубежный, так и отечественный опыт. Существенные трудности, с которыми постоянно сталкиваются преподаватели, связаны со специфическими проблемами современного образования, к которым относятся рост числа учебных целей и заданий, а в связи с этим и затрат времени, физической и интеллектуальной энергии на обучением.

В /39/ отмечается, что главным фактором, определяющим затраты времени преподавателем, является контроль и управление каждым обучаемым, оценка его уровня знаний. От преподавателя требуется выполнение определенных профессиональных процедур при работе с обучаемыми, таких как диагностирование, информирование, моделирование, наблюдение, оценка, критика, разбор, советы и т. п. При автоматизированном обучении часть этой работы выполняет обучающая система, что позволяет преподавателю больше внимания уделять творческим аспектам обучения.

В /16/ к достоинствам АОС добавляют высокую эффективность подготовки специалистов за счет повышения индивидуализации обучения, возможности управления познавательным процессом по гибкой, адаптирующейся к характеристикам обучаемых программе, применения прогрессивных форм самостоятельной работы, наконец, предоставления различного рода услуг, присущих средствам вычислительной техники.

Современные АОС являются сложным инструментом управления процессом обучения. Для овладения им преподаватели должны затратить определенное время и труд, необходимо знать возможности АОС, их особенности, области применения. Программное обеспечение.

АОС становится все более сложным, и его возможности часто не понимаются, не используются или используются неверно. Различные предметные области имеют различные характеристики, которые могут влиять на организацию данных учебного назначения АОС, Поэтому в качестве предмета исследований выбрана технология реализации автоматизированных обучающих курсов (АОК), являющихся основой баз данных учебного назначения АОС.

Целью работы является разработка принципов, методов и программно-технологических средств построения АОК, обеспечивающих высокую производительность труда авторов курсов и достаточно высокое качество их продукции, особенно в условиях широкого применения АОС и массового привлечения в эту сферу непрофессиональных пользователей — авторов АОК.

В соответствии с целью диссертации основная задача исследования состоит в следующем. На основе эффективной теории диалогового взаимодействия человека и ЭВМ разработать теоретические основы построения, алгоритмы и программы для реализации технологии проектирования и создания обучающих курсов.

Методологическую основу исследований составляют основные положения задачного подхода к исследованию взаимодействия человека и ЭВМ, логики предикатов, а также основные положения и методы построения сложных информационных систем. По результатам исследований созданы унифицированные инструментальные средства для генерации обучающих курсов на базе типовой АОС.

Научная новизна состоит в том, что на основе формализованных моделей учения и обучения, представляемых как процедуры решения задач определенного вида, выделены основные структурные единицы в алгоритмах автоматизированного обучения и предложены специальные макросредства для их реализации.

Внедрение в практику обучения ноеой техники, как и всякое открытие, должно пройти три стадии:

1) новое используется, чтобы делать то, что делалось и раньше, но другим способом;

2) новое используется для того, чтобы делать новое и по-новому ;

3) изменяется сам образ мышления с учетом нового открытия.

Относительно АОС можно утверждать, что они в своем развитии прошли первую и частично вторую стадии их воздействия на общественное мнение. Несмотря на то, что изучены далеко не все возможности АОС как интерактивных систем, они уже оказывают влияние' на учебный процесс и изменение содержания и форм обучения /44/. В настоящее время в вузах страны широко внедряются различные отечественные АОС. Ряц систем продолжает развиваться применительно к специфике учебного процесса в вышей школе совместными усилиями Института кибернетики АН УССР, научно-исследовательского института проблем высшей школы и ряда вузов в соответствии с Программой ПШТ СССР 0.80.10 на 1981;1985 годы. В рамках этой программы выполнялась и данная работа. Задания, определяемые указанной выше программой, включены также в Государственный план экономического и социального развития УССР на 1982 год и республиканскую целевую комплексную программу РН.Ц.008 на 1981;85 гг.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе на основе анализа существующих автоматизированных обучающих систем и режимов работы их пользователей определяются основные направления исследований и разработок в данной области, уточняются основные задачи диссертации.

Во второй главе на основе «задачного» подхода к описанию процедур решения задач человеком и искусственными системами классифицируются операторы и процедуры решающих систем, разрабатывается математическая модель обучающих курсов, определяются основные и вспомогательные задачи автоматизированного обучения.

Третья глава лосвящена разработке типовых средств для генерации диалоговых фрагментов обучающих программ. Для этого из формализованной процедуры диалога при автоматизированном обучении выведены частные схемы обмена сообщениями, положенные в основу типовых алгоритмов для генерации обучающих программ.

В четвертой главе описана реализация типовых процедур и типовых алгоритмов на базе макропроцессора системы программирования обучающих курсов для вузов. Описывается технологическая схема реализации обучающей программы с использованием разработанных средств, проводится экспериментальное исследование эффективности разработанных средств.

В приложениях приводится набор бланков для подготовки учебного материала вне ЭВМ к генерации и текст макроопределений на языке описания курсов, положенных в основу системной библиотеки типовых процедур обучающих программ.

ШВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ.

РАЗВИТИЯ АОС.

I.I. Проблемы и тенденции применения ЭВМ для обучения.

За рубежом разработкой методов и средств автоматизированного обучения серьезно занимаются главным образом фирмы по производству вычислительной техники. Это.

PacKarcL, CDC) Siemens й др.

Фирма IBM разработала программную систему CoUPSBUUriteP, на базе которой в настоящее время подготовлено более 80 обучающих курсов по различным предметам. В связи с широким использованием различных систем управления базами данных (СУБД) появилась потребность организации в них подсистемы обучения и подготовки пользователей. Фирма IOM на базе АОСCoUrS9Û-}pdP^ разработала систему IТS (InteruLcttfrB Training 5уstm) для пользователей СУБД m s ж ci с s. После дальнейших разработок по расширению набора обслуживаемых СУБД система получила название 115 (Interart&e Instruction System) /75/.

Другим известным представителем АОС является система.

PLAT0-IV, созданная в Иллинойском университете совместно с фирмой СПС на базе сети cYdtmiT из 15 больших ЭВМ /71/. Система предоставляет преподавателям средства, на основе которых их обучающие программы могут быть индивидуализированы, система легко адаптируется к различным режимам обучения: допускает конструируемые ответы, предоставляет обучающему различные методические приемы обучения, включающие упражнения, моделирование и лабораторные эксперименты. Система позволила провести ряд педагогических, психологических и методических исследований.

Экспериментаторы, анализируя результаты, пришли к заключению, что обучаемые получают удовлетворение от работы с системой, считают ее полезной в качестве помощника при обучении /39/.

Фирмы ИейШ-РасКагА пПЕ С пошли по пути создания АОС на базе своих систем коллективного пользования. Фирма ЫШВПЬ разработала систему ¿-ША для ЭВМ.

Ытт -4004 /зэ/.

В Англии АОС созданы в ряде высших учебных заведений, в частности, в Лондонском университете на базе комплекса ЭВМ LUot я РПРII и в Кембриджском университете на базе эвм, А ТЬА 5. В /39/ отмечается широкое применение телевизионной аппаратуры в качестве терминальных пультов, видеонакопителей для хранения учебных курсов, звуковых магнитофонов для воспроизведения речи.

Во Франции существует национальная программа развития автоматизированного обучения, которая контролируется Министерством образования. Большая научная и методическая работа ведется в 20 университетах и более, чем в 30 крупных частных и государственных организациях. В стране функционирует 16 различных АОС на базе ЭВМ, организованы курсы подготовки преподавателей для автоматизированного обучения с пропускной способностью до 3 тысяч человек в год, в последние годы начаты работы по применению микро-ЭВМ в обучении.

Интенсивными темпами развивается автоматизированное обучение в ФРГ, Дании, Австрии, Канаде, Японии. В частности, японские АОС применяются главным образом на пршыпленных^предприятиях для повышения квалификации специалистов, характерным является комплексное использование в них нескольких видов технических средств обучения — дисплеев, видеомагнитофонов, телевизионных систем.

Дополнительные данные об использовании конкретных АОС в зарубежных странах можно найти в /16,39,44/, Там же отмечается, что в зарубежных странах АОС успешно разрабатываются и используются в учебном процессе и на практике доказали свою психолого-дидактическую эффективность.

Главной движущей силой в начальной стадии развития АОС в нашей стране послужила потребность в обучении пользователей ЭВМ. Первые АОС разрабатывались на ЭВМ серии «Минск», БЭСМ, «Днепр», В дальнейшем ряд систем из специализированных превратились в универсальные, предназначенные для обучения различным предметам. Технической базой для их реализации стали ЕС ЭВМ и комплексы терминального оборудования, серийно выпускаемые промышленностью. Доступность, высокая эффективность и надежность работы технической базы послужили основой широкого внедрения универсальных АОС в Московском инженерно-физическом институте, Московском авиационном институте, Белорусском государственном университете, Киевском политехническом институте и других учебных заведениях и производственных предприятиях страны.

Рассматривая учебный процесс как функционирование системы, выделим основные требования отдельных пользователей и средства современных отечественных АОС для достижения общей цели — приобретение качественных знаний, умений и навыков,.

Основные результаты работы:

1. На основе использования аппарата теории задач показано, что учение и обучение могут быть представлены как процедуры решения систем задач, основными среди которых являются познавательная задача и задача контроля знаний. Для эффективного и целенаправленного решения основных задач в автоматизированных обучающих системах предложены вспомогательные задачи — задача адаптации к знаниям обучаемого, задача диагноза причин ошибок, задача оценки знаний и умений.

2. Из обобщенной модели решающей системы, отражающей основные закономерности решения задач различными естественными и искусственными системами, выведен набор операторов и процедур, ориентированный на автоматизированное обучение. Для индивидуализации обучения и повышения его эффективности определен набор операторов второго рода, осуществляющий реализацию динамических связей в структуре учебного материала АОК.

3. Различные модели диалогового взаимодействия применены для синтеза процедур автоматизированного обучения. Определены основные компоненты, виды и взаимосвязь таких процедур. Полученные процедуры послужили основой для реализации типовых составляющих блоков АОК.

4. Для осуществления процедуры управления учением не только обучающей системой, но и обучаемым введен информационно-справочный режим и определены принципы его реализации в АОК.

5. Решена проблема формализованного описания процедуры взаимодействия человека и ЭВМ при автоматизированном обучении. Определены основные компоненты такой процедуры и разделены функции двух решающих систем, участвующих в обучающем диалоге.

6. Формализованная процедура применена для вывода вопросноответных схем диалога, которые положены в основу реализации типовых алгоритмов для формирования учебного материала в АОК.

7. По результатам проведенных исследований разработан функционально полный набор макроопределений для построения АОК на базе типовой АОС:

— для генерации обучающего курса иерархической структуры, названной остовом, созданы макроопределения КУРС, РАЗДЕЛ, АТТЕСТв результате генерации остовов определяются статические связи в наборе учебного материала АОК;

— для реализации динамических связей в структуре учебного материала создана специальная функция, расширяющая возможности базовой АОС;

— для генерации тестовых, учебных и справочных элементов АОК разработаны бланки и созданы поддерживающие их макроопределения Ф1* Ф6, СПРАВ.

8. Программно-технологические средства оформлены в виде набора макроопределений в системном библиотечном курсе.

Курс и инструкция по использованию набора макроопределений сданы в Республиканский фонд алгоритмов и программ /52/.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.