Моделирование процесса обучения ∗ В. Б. Кудрявцев



Pdf просмотр
страница1/5
Дата14.04.2017
Размер0.54 Mb.
Просмотров506
Скачиваний0
  1   2   3   4   5

Моделирование процесса обучения

В. Б. КУДРЯВЦЕВ
Московский государственный университет
им. МВ. Ломоносова
e-mail: vbk@lsili.ru
П. А. АЛИСЕЙЧИК
Московский государственный университет
им. МВ. Ломоносова
e-mail: Pavel.Aliseychik@lsi.com
К. ВАШИК
Рурский университет, Бохум (Германия)
Ж. КНАПП
Люблянский университет (Словения)
e-mail: knapp@lsi.com
А. С. СТРОГАЛОВ
Московский государственный университет
им. МВ. Ломоносова
e-mail: strogalov@mail.ru
С. Г. ШЕХОВЦОВ
Российский государственный гуманитарный университет
УДК 519.95
Ключевые слова обучение, модель, автомат, образовательная среда.
Аннотация
Рассматриваются проблемы создания компьютерных обучающих систем и образовательных сред на основе дискретных моделей автоматного типа. Оцениваются перспективы применения компьютерных моделей обучения для повышения качества образования.
Abstract
V. B. Kudryavtsev, P. A. Aliseichik, K. Vashik, J. Knapp, A. S. Strogalov,
S. G. Shehovcov, Modeling learning process
, Fundamentalnaya i prikladnaya matemati- ka, vol. 15 (2009), no. 5, pp. 111—169.
We consider the problems of creating computer-based learning systems and teach- ing environments on the basis of discrete models based on automata. We estimate the perspectives of using computer models of learning for improving the quality of Настоящая работа является расширенным вариантом статьи Компьютерные системы обучения»
(Интеллект. сист. — 2004. — Т. 8, вып. 1-4).
Фундаментальная и прикладная математика
, 2009, том 15, № 5, с. 111—169.
c 2009 Центр новых информационных технологий МГУ,
Издательский дом Открытые системы»
В. Б. Кудрявцев, ПА. Алисейчик, К. Вашик и др.
Введение
Задачи создания эффективных систем обучения (в том числе систем, базирующихся на современной компьютерной технике и компьютерных технологиях),
равно как и создание новых форм и способов представления учебного материала,
поиска новых педагогических приёмов и средств преподавания встали особенно остров последнее десятилетие XX века, по-видимому, в связи с началом глубокого общего кризиса национальных образовательных систем. К кризису привёл информационный бум, о котором давно говорили, но эффект которого стал особенно заметен после появления в массовом количестве персональных компьютеров, электронной почты и сети Интернет, что значительно увеличило объём доступной информации, качество и скорость работы с ней по сравнению с предшествующим периодом, когда основными носителями информации были бумага, кино- и фотоплёнка. Цифровые технологии породили также проблему поиска нужной информации за разумное время в громадных базах данных современных информационных систем. Почти невозможно применение цифровых технологий в учебном процессе без предварительных настроек, создания специальных фильтров и систем поиска нужной информации.
Современный образовательный кризис носит глобальный характер, поскольку сейчас нет ни одной развитой страны, которая бы ни пыталась поднять вопрос об изменении системы образования (а в ряде случаев и предпринять определённые действия) с целью повышения её эффективности. Отражением этих мировых тенденций и попыткой выйти из кризиса путём заимствования опыта, главным образом американского и частично западноевропейского, в образовательной сфере является процесс проведения очередных реформ в области образования в настоящее время в России. К сожалению, заимствования носят внешний характер увеличение времени обучения, реализация тенденции к упрощению ряда учебных материалов, снижение требований к ученикам, к системе подготовки и переподготовки учителей, введение более ранней специализации
(естественно-научная, гуманитарные и т. дна довузовском уровне, введение систем тестирования и единого государственного экзамена и т. д. Очередные преобразования затрагивают отдельные и часто лишь формальные стороны образовательного процесса, а не суть его. Если оставить в стороне финансовую сторону образования, тов первую очередь хотелось бы обратить внимание на неконструктивный характер реформирования образования. Говорится о благих намерениях, о гуманизации образования и т. дно не сообщается, как это будет делаться, за счёт чего и, главное, почему вдруг эти цели становятся достижимыми, хотя ещё на слуху у многих печальные итоги реформаторской деятельности в области образования в х годах В качестве примера такого рода прикрытия могут служить, например, громкие оптимистические заявления о том, что новые компьютерные и информационные технологии (в том числе сетевые) помогут преодолеть образовательный кризис. Серьёзных оснований для таких заявлений нет, ибо они базируются лишь на мнениях отдельных специалистов.
Моделирование процесса обучения
113
Интересно обратиться к зарубежному опыту. Президент Л. Джонсон в годы апогея американского изобилия поручил корпорации РЭНД рассмотреть широкий спектр методик обучения, как старых, таки новых, существовавших в США,
и определить их эффективность. Идея заключалась в том, что Америка должна повышать эффективность образования, вкладывая средства в те методы обучения, которые окажутся наилучшими. В опубликованном в 1972 г. отчёте
РЭНД [16], однако, отмечалось, что «проведённые исследования не позволили обнаружить ничего, что значительно и явно сказалось бы на результатах обучения и вероятно, значительное улучшение результатов обучения может быть достигнуто лишь с применением совершенно иной системы образования».
В [16] сообщается также, что были проанализированы восемь основных докладов середины х — началах годов ХХ века, посвящённых проблемам образования в Америке, и оказалось, что нив одном из них не содержалось каких-либо серьёзных предложений. Хотя в них признавалась необходимость внедрять в обучение новые информационные технологии, в основном все доклады предполагали сохранение обычной модели классного обучения. В связи со сказанным возникает ряд вопросов, связанных как с попытками реформирования образования, таки с использованием компьютерной техники в процессах обучения, на которые необходимо ответить в первую очередь, а уж затем пытаться анализировать успехи и неудачи по применению тех или иных программных продуктов в сфере образования.
К таким вопросам относятся, например, следующие:
• Каковы недостатки нынешнего образовательного процесса и какие принципиально новые требования к системе образования надо предъявлять?
• Почему все предыдущие попытки реформирования системы образования не дали желаемого результата?
• Какие принципиально новые возможности для повышения эффективности образовательного процесса несут современные информационные технологии Возможны ли в принципе обучающие программы, или, как иногда говорят, компьютерные системы обучения, и какой интеллектуальный уровень обучения в них достижим?
• Возможно ли создание компьютерных обучающих среди какими обязательными качествами должны обладать эти обучающие среды, чтобы быть средством обновления образовательного процесса по сути, а не только по внешним признакам?
• Каким образом достичь этих целей?
Это лишь часть вопросов по теме реформирования образования. Актуальность этих вопросов слабо зависит от времени. Так, ещё в 1958 г. президент
США Джон Кеннеди говорил следующее [17]: Мы в кризисе, и нерусские спутники положили ему начало. Американский «Эксплорер» не привёл к его завершению. Кризис носит не только военный характер. Величайшая опасность,
В. Б. Кудрявцев, ПА. Алисейчик, К. Вашик и др.
угрожающая нам, не ядерное нападение. Голая правда такова мы подвергаемся величайшей опасности проиграть титаническое соревнование с Россией,
причём при этом не будет запущена ни одна ракета. Год назад при обсуждении внешних дел, вероятно, не упомянули бы просвещения. Сегодня мы не можем избежать этого. Яне знаю, верно ли, что битва при Ватерлоо была выиграна на площадках для игр в Итоне. Однако не будет преувеличением сказать, что битва, которую мы ведём сейчас, может быть выиграна или проиграна в школьных классах Америки. . . Мы должны положить конецтакому положению, когда только четверо из пяти наших лучших школьников заканчивают школу и только двое из пяти идут в колледж. Мы не можем позволить себе платить преподавателям в колледжах и школах, развивающим умы наших детей, меньше, чем мы платим слесарями водопроводчикам, обслуживающим наши дома. . . Если согласиться с нашим бывшим министром обороны в том,
что в теоретических исследованиях нельзя заранее знать, куда идёшь», тогда наши учёные будут заниматься только прикладными вопросами. Если вы презираете интеллигенцию, мешаете учёным и вознаграждаете только спортивные достижения, тогда наше будущее действительно мрачно. Это говорилось непосредственно перед принятием уникального закона Об образовании в целях обороны в 1958 г, и это было всего лишь начало. Далее деятельность
Дж. Кеннеди (уже как президента) по развитию национального образования носила значительно более масштабный характер помимо одобренных конгрессом ассигнований, его администрация находила и организовывала дополнительные и весьма значительные источники средств. И ещё одна характерная цитата В 1983 г, когда Америка откатилась назад, были проанализированы причины потери ею конкурентоспособности на международной арене, которые, похоже,
были связаны с системой образования. Национальный комитет усовершенствования образования опубликовал доклад под названием Нация в опасности. Это был уже не первый доклад, выражавший глубокую озабоченность снижением качества образования, но он поразил воображение общественности следующей фразой Если бы посредственная образовательная система, существующая сегодня в Америке, была навязана некоей враждебной иностранной державой, мы могли бы расценивать это как ведение войны. Эти цитаты заставляют хотя бы задуматься над проблемой и последствиями принятых решений на этот счёт.
Вернёмся к вопросам, сформулированным нами выше. Несмотря на их очевидность, готовых ответов (кроме чисто тривиальных или декларативных типа
«да», возможно, а также решений, которые можно было бы смело переносить в реальный образовательный процесс, пока не существует.
В работах [2, 4—7, 10, 13] нами был дан частичный ответ на поставленные вопросы и отмечены причины, затрудняющие поиск решений. Отметим также,
что, обилие различных компьютерных образовательных продуктов не привело ник существенному повышению качества процесса обучения, ник сокращению его времени, ник массовому использованию этих продуктов в реальном образовательном процессе. В таком же положении находится и идея «дистанционно-
Моделирование процесса обучения
115
го» образования, если не понимать под ним хорошо известные формы заочного обучения на базе современных телекоммуникационных систем. Недостатки этой формы обучения (в неэлектронном исполнении) хорошо известны, а использование телекоммуникаций в том виде, как это делается в учебном процессе сейчас,
увы, не способствуют качественному усвоению материала и приобретению новых знаний учениками при такой форме обучения, поскольку реализация плохо продуманной идеи дистанционного образования даже на суперсовременной технике не только не улучшит качество образования, но и приведёт к обратному эффекту. Справедливости ради надо отметить, что существуют образовательные задачи, которые могут быть успешно решены (и решаются) на основе современных сетевых технологий это проведение краткосрочных курсов переподготовки
(и тоне в произвольной предметной области, интенсивный тренинг, информационное обеспечение и наполнение учебного процесса и т. д.
Отметим одну парадоксальную ситуацию. Сейчас, наряду с учебниками и задачниками, стало модным издавать сборники решений задач. Таким образом процесс обучения сводится к следующему. Ученик получает задание от учителя, по учебнику берёт «решебник», находит нужную задачу, переписываете в тетрадь (либо запоминает, пересказывает учителю и получает оценку
(т. е. применяется хорошо знакомая школьниками студентам многих поколений схема выучил — повторил — сдал — забыл. При таком образовательном процессе наилучшими учениками оказываются дети с хорошей памятью. Конечно,
учитель может задавать дополнительные вопросы, задачи и т. д, однако они в достаточной степени типизированы, и хорошие «решебники» попутно содержат и их. Странной на этом фоне выглядит борьба со шпаргалками в средней и высшей школе. Неплохо, если ученик сам подготовил конспект с ответами на вопросы и пользуется им при подготовке к ответу. Можно и поощрить егоза самостоятельную работу, если это непросто переписанные мелким почерком один к одному отрывки из учебников. Даже при простом переписывании задей- ствуются важные функции концентрации внимания и запоминания, а уж если отобрана лишь важная и нужная информация, то это ясно говорит об уровне понимания учеником, какие ответы ждёт от него учитель.
Заметим, что косвенно эту точку зрения подтверждает замечательная компьютерная программа по решению математических задач в символьном виде,
созданная профессором АС. Подколзиным [9]. На основе специально разработанной модели представления знаний и процедур вывода из них новых фактов ему удалось настолько хорошо смоделировать процесс решения математических задач, что часто компьютер решает их лучше и намного быстрее человека. При этом компьютер использует тщательно отобранный, отфильтрованный и специальным образом организованный арсенал готовых форм, приёмов и способов решений математических задач. Эта программа может дать и пошаговые объяснения обоснованности применения правил в процессе решения задачи,
кроме того, она является обучаемой экспертом. Таким образом, компьютерный решатель математических задач профессора АС. Подколзина демонстрирует возможность создания интеллектуальных систем, по своим возможностям срав-
В. Б. Кудрявцев, ПА. Алисейчик, К. Вашик и др.
нимых с интеллектом человека. Здесь возникает ряд очень важных вопросов,
которые выходят за рамки статьи, но которые следовало бы обозначить.
• Если удалось обучить компьютер, то почему значительная часть детей в школе не овладевает стандартным школьным курсом математики и далее это непонимание распространяется на высшую школу?
• Может ли считаться образованным человек, не владеющей пониманием математического способа рассуждений?
• Существует ли гуманитарный аспект математики, ив чем он состоит?
Список вопросов можно продолжить.
Естественно, что вопросы, заданные нами выше, имеют ответы (см. и надо думать, что не последнюю роль в процессе обучения играет предметное содержание изучаемых разделов. Об этой проблеме — содержании образования много говорят и дискутируют, особенно по проблеме соотношении гуманитарного и естественнонаучного знания. Грубо говоря, в настоящее время проблема сводится к количеству часов, которые нужно выделить на изучение математики, физики, химии и других предметов естественнонаучного цикла в сравнении с предметами так называемого гуманитарного цикла (как правило,
это те дисциплины, где нет математики, базирующейся на формализованных исчислениях). При этом мало кто задаётся глубоко следующими вопросами:
• Что даёт изучение той или иной дисциплины, в чем её фундаментальный и общекультурный смысл?
• Существует ли предел базовых знаний, не обладая которыми, ученик не сможет понять смысла следующего в порядке обучения предмета?
• Почему в школе надо изучать физику, химию и т. дно не надо изучать физхимию или химфизику?
• Что такое фундаментальное знание и фундаментальные предметные области В частности, возникает вопрос, какой набор базовых знаний необходим, если говорить о новой образовательной модели, и как должен выглядеть их электронный образ Анализ моделей и наши собственные разработки в образовательной области [4, 7, 10, 13] позволяют сделать вывод, что простое отображение учебных материалов в электронном виде (в том числе методичек, тестов и т. дне слишком много добавляет к эффективности образовательного процесса, зато делает его более дорогим, если учитывать затраты на создание и поддержание соответствующей инфраструктуры для электронной модели учебного процесса.
Необходимы, например, специально разработанные и тщательно продуманные образовательные трассы (системы навигации) по такого рода учебному материалу, причём эта проблема не решается на основе имеющихся стандартных сетевых средства требует специальных решений, если мы стремимся к достижению нового уровня качества образования. В частности, поэтому Интернет не является ни образовательной, ни обучающей средой, но может играть (и реально это происходит) важную роль в информационном насыщении образовательной среды.
Моделирование процесса обучения
117
Проводился анализ процесса обучения сточки зрения создания типологии имеющихся образовательных задач, типов упражнений и т. д. с целью создания компьютерных обучающих система также технологий их создания в различных предметных областях. При этом нас интересовала на первом этапе исследований технология создания компьютерных интерактивных обучающих систем с элементами интеллектуального поведения, которое зависит от поведения ученика в процессе его обучения и его успехов в достижении учебных целей и т. д. Довольно легко формулируются требования, например, к компьютерным обучающим системами программам, чтобы они были привлекательны для использования в учебном процессе [4], мы перечислим некоторые из них.
• Оформление отдельных страницэкрана должно характеризоваться интуитивно понятным интерфейсом за счёт применения графики, цвета и пр.
• Должны быть предусмотрены многочисленные (в том числе и многоуровневые) разветвления обучающей программы, те. невозможен только линейный (последовательный, шаг за шагом) порядок выполнения программы.
Более точно, такой режим допустим, но он не должен быть единственной стратегией обучения, и, кроме того, такой режим возможен в процессе пошагового разбора плохо усвоенного материала.
• Должны иметься разнообразные возможности использования учеником различных вспомогательных средств при возникновении проблем в процессе обучения. Это системы подсказок, ссылок на дополнительные обучающие материалы, выходы на иные информационные материалы и т. д.,
вплоть до изменения стратегии обучения.
• Должен иметься большой запас разнообразных мотивирующих и информирующих (обратных) сообщений (адекватных для восприятия обучающимися, те. вариативность множества сообщений обучающей программы должна быть достаточно большой. Это требование распространяется и на процесс повторения учебного материала. Кроме того, при повторении должен быть в наличии иной материал с заданиями, чем при обучении.
• Системным принципом построения обучающей программы должно быть многообразие вариаций в постановке заданий, разнообразные возможности взаимодействия с программой.
• Должна быть обеспечена постоянная привязка времени и темпа обучения к уровню результатов каждого отдельного обучающегося и его психофизическим возможностям восприятия материала обучения (адаптация к обучающемуся, что предполагает наличие в системе разнообразия стратегий обучения в зависимости от типа ученика.
• Обучающийся может активно вмешиваться в регулирование хода программы (уменьшение или углубление материала, выход на дополнительные упражнения, изменение темпа обучения и т. д.)
• Должна иметься возможность прерывания процесса обучения в любой момент времени с сохранением достигнутых к этому моменту результатов обучения студента (протокол обучения. Естественно, что должна так-
В. Б. Кудрявцев, ПА. Алисейчик, К. Вашик и др.
же обеспечиваться возможность продолжения занятия с того места, на котором оно было прервано, или возврата к началу (пожеланию ученика).
Набор таких достаточно очевидных требований можно расширять, но уже этот простой по своим формулировкам список резко сужает набор компьютерных систем, претендующих быть ещё и обучающими системами. И главный вопрос,
который возникает, если принять этот список за отправную точку, как делать такие системы, обладающие к тому же интеллектуальными функциями Ответ на этот вопрос также пока находится в исследовательской стадии, и далее мы изложим некоторые наши результаты, полученные в этой области за последние несколько лет.
1. Опыт создания обучающих систем
Одним из примеров решения проблем создания интеллектуальных обучающих систем является проект «IDEA» (создание экспертных систем в области обучения по различным предметным областям) [4]. Он был направленна создание на основе автоматных моделей [5] моделей ученика и учителя, которые взаимодействуют друг с другом через пространство учебного материала, формализованного в виде, например, размеченных информационных деревьев или нагруженных графов более общего вида. Удалось построить удачные примеры обучающих систем в области изучения иностранных языков (в том числе и с применением экспертной системы, которые, однако, небыли развиты до своего полного завершения из-за необходимости создания большого набора решающих правил, что требовало больших затрат ресурсов, которыми организаторы работ в то время не обладали.
Проект «IDEA» возник в 1990 г. в результате научного сотрудничества сначала лаборатории проблем теоретической кибернетики, а затем и кафедры математической теории интеллектуальных систем механико-математического факультета МГУ им. МВ. Ломоносова (инициатор и руководитель работ — заведующий кафедрой академик, доктор физико-математических наук профессор
В. Б. Кудрявцев) и Института русской и советской культуры Рурского университета (Бохум, Германия) (руководитель работ — заместитель директора института доктор К. Вашик). Проект был одним из первых российско-германских научных проектов в этой области, давший мощный толчок для исследований по проблемам компьютерных систем обучения на высоком междисциплинарном уровне. Позднее к проекту подключилась немецкая фирма Link & Link которая и финансировала разработку. Первая версия инструментальной системы для разработки интеллектуальных обучающих систем появилась примерно все- редине 1992 г. Она включала в себя авторскую систему (средства разработки собственно курсов, систему ученика (средства отображения на экране учебного материала) и средства для создания экспертной системы. Был разработан демонстрационный курс Итальянский язык для немцев-туристов» с простыми демонстрациями возможностей экспертной обучающей системы.
Моделирование процесса обучения
119
Курс и система «IDEA» были продемонстрированы на выставке Ганновер, Германия) и получили хорошие отзывы специалистов.
По результатам маркетинговых исследований было решено в первую очередь разрабатывать инструментальные средства для расширения возможностей проектирования дизайна курсов, реализации дополнительных презентационных возможностей и т. д.
Часть, связанная с экспертной системой, оказалась на тот момент невостребованной рынком образовательных услуг, финансирование этих разработок фирмой было прекращено, однако в 1993—1995 гг. продолжались научные исследования в этой области, финансируемые программой грант INTAS 94-0135). Эти исследования продолжаются и сейчас при поддержке РФФИ, федеральной целевой программы Интеграция и т. д. В тоже время фирмой Link & Link GmbH с 1993 по 2001 г. было выпущено на рынок три различных версии «IDEA»; в настоящее время продаётся версия 4.0 Дадим краткое сравнительное описание эволюции проекта «IDEA» от версии к версии, отмечая наиболее важные особенности каждой версии. Генеральная стратегия оставалась одна упростить разработку компьютерных учебных курсов в сравнении с использованием какого-либо стандартного языка программирования, упростить разработку простых в техническом отношении курсов до того,
что сделать всё может вообще не программиста в случаях более сложных облегчить работу программиста в несколько раз (как показал опыт разработки больших курсов, удаётся достичь более чем пятикратного сокращения затрат времени программиста).


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал