Типизация компьютерных учебных программ по их назначению



Скачать 447.81 Kb.
страница1/3
Дата13.02.2017
Размер447.81 Kb.
Просмотров388
Скачиваний0
  1   2   3

Зайнутдинова Л.Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических дисциплин). // Астрахань: Изд-во ЦНЭП, 1999.

Типизация компьютерных учебных программ по их назначению

Компьютерной учебной программой (КУП) будем называть любое программное средство (систему), специально разработанное или адаптированное для применения в обучении.


          На основании проведенного анализа материалов научно-методических изданий и собственного практического опыта применения информационных технологий в учебном процессе технического вуза в настоящей работе предлагается следующая типизация КУП в зависимости от их назначения. Предложено выделить три вида КУП:
          педагогические программные средства (ППС),
          информационно-поисковые справочные программные системы (ИПСПС),
          обучающие программные системы (ОПС).
          Термин ППС прочно утвердился в педагогической литературе благодаря работам И.В. Роберт [Роберт, ,1994], [Роберт, 1994]. К педагогическим программным средствам (ППС) отнесем компьютерные учебные программы одно-целевого назначения: сервисные, контролирующие, тренажерные, моделирующие, демонстрационные и т.п. программные средства. К информационно-поисковым справочным программным системам в первую очередь относятся базы данных, базы знаний. Обучающие программные системы отличаются тем, что предоставляют пользователю комплекс возможностей, в их число входят автоматизированные обучающие системы (АОС), электронные учебники (ЭУ), экспертные обучающие системы (ЭОС), интеллектуальные обучающие системы (ИОС).
          Обобщим представления о возможностях отдельных видов КУП.
          Сервисные программные средства предназначены для автоматизации рутинных вычислений, оформления учебной документации, обработки данных экспериментальных исследований. Они могут быть использованы при проведении лабораторных, практических занятий, при организации самостоятельной работы студентов, в курсовом и дипломном проектировании. Внедрение информационных технологий в учебный процесс начиналось именно с сервисных программных средств.
          Программные средства для контроля и тестирования уровня знаний обучающихся нашли наиболее широкое применение ввиду относительной легкости их создания. Существует целый ряд инструментальных систем - "оболочек", с помощью которых преподаватель, даже не знакомый с основами программирования, в состоянии скомпоновать перечни вопросов и возможных ответов по той или иной учебной теме. Как правило, задачей студента является выбор одного правильного ответа из ряда предлагаемых ответов. Такие программы позволяют разгрузить преподавателя от рутинной работы по выдаче индивидуальных контрольных заданий и проверке правильности их выполнения. Это особенно актуально в условиях массового образования. Кроме того, исключается субъективность оценки знаний. Появляется возможность многократного и частого контроля знаний, в том числе и самоконтроля, что стимулирует повторение и, соответственно, закрепление учебного материала. Тестовые программы отличаются особой системой контрольных вопросов.
          Контролирующие и тестовые программы нашли исключительно широкое применение. Они очень хорошо вписываются в рейтинговые системы оценки уровня подготовки, возможно суммирование баллов, полученных студентом на протяжении определенных периодов обучения и даже по целому ряду дисциплин [Зайнутдинова, Надеев и др., 1993].
          Недостатком большинства современных контролирующих программных средств является то, что с их помощью удается осуществлять контроль знаний только на довольно поверхностном, репродуктивном уровне. В перспективе необходим переход к более совершенным контролирующим программам, способным ставить перед студентом творческие учебные задания. Контролирующие и тестовые программы могут применяться при проведении лабораторно-практических занятий, зачетов и экзаменов.
          Тренажеры - это программные средства, предназначенные для отработки умений и навыков. Они особенно эффективны для отработки практических умений и навыков, например, для обучения персонала действиям в условиях сложных и даже чрезвычайных ситуаций. Очень важны тренировки противоаварийных действий. Использование реальных установок для тренировок [Бондаренко и др., 1995] нежелательно по целому ряду причин (перерывы в электроснабжении, возможность создания аварийных ситуаций, повышенная опасность поражения электрическим током).
          Тренажеры могут также использоваться для отработки умений и навыков решения задач. В этом случае они обеспечивают получение краткой информации по теории, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль [Львов и др.. 1996].
          Программные средства для математического и имитационного моделирования позволяют расширить границы экспериментальных и теоретических исследований, дополнить физический эксперимент вычислительным экспериментом. В одних случаях моделируются объекты исследования, в других - измерительные установки. Сокращаются затраты на приобретение дорогостоящего лабораторного оборудования, снижается уровень безопасности работ в учебных лабораториях.
          В работе [Григорьев и др., 1997] предложен оригинальный подход, основанный на компьютерном моделировании как измерительных установок, так и объектов исследования. Создан уникальный программный комплекс "Лаборатория молекулярной спектроскопии". Использованы методы имитационного моделирования работы измерительных установок в реальном времени. Необходимость применения этих методов вызвана тем обстоятельством, что измерительная установка с системой управления и объекты исследования в совокупности образуют сложную систему, интерактивно взаимодействующую с исследователем. Отдельные компоненты этой системы задаются функционально, другие представлены базами данных, но поведение всей системы в целом невозможно предсказать аналитически. По результатам этой работы можно даже говорить о новой технологии обучения экспериментальным дисциплинам, основанной на одновременном применении имитационных моделей как для измерительных установок, так и для объектов исследования.
          Очень часто моделирующие программные средства строятся с использованием универсальных прикладных пакетов типа MathCad, MathLab, Evrica, MicroCap, pSpice и др., разработанных на высоком профессиональном уровне известными фирмами. Универсальность и высокое качество этих программ привели к их широкому использованию в различных областях.
          Так, например, пакет MathCad предназначен для решения широкого круга математических задач. Достоинством пакета является его способность воспринимать и воспроизводить почти естественную для человека форму записей условий задачи и ее решения с использованием обычных математических правил и обозначений. На основе пакета MathCad строятся самые разнообразные КУП [Кузнецов Э.В., 1995], [Гусев и др., 1995], [Лаптев, 1995], [Шамайло, 1995].
          Пакеты программ PCAD, pSpice могут быть использованы для схемотехнического моделирования. Пакет pSpice применяется дня моделирования {аналоговых .устройств, а пакет PCAD для моделирования цифровых устройств [Степанов и др., 1995]. Пакет Micro Cap получил распространение для имитационного моделирования электрических цепей [Кузнецов Э.В., 1995 ], [Белянин и др., 1995], [Зайнутдинова, Бодров и др., 1995].
          Работа с универсальными пакетами не требует знания языков программирования. Другим очень важным достоинством универсальных пакетов прикладных программ является то, что такие программы предоставляют пользователю богатый набор специальных функций. Широкий спектр специализированных возможностей в свою очередь требует больших затрат времени на освоение пакетов, что создает дополнительные проблемы в условиях дефицита учебного времени. Поэтому при использовании этих пакетов на аудиторных занятиях целесообразно предварительно создавать некоторые заготовки учебных заданий, некоторые "модели лабораторных стендов" [Кузнецов Э.В., 1995 ], [Зайнутдинова, Бодров и др., 1995].
          К моделирующим программным средствам можно также отнести предметно-ориентированные программные среды (микромиры), обеспечивающие возможность оперирования моделями-объектами определенного класса. Они основаны на принципах "конструктивизма" [Пейперт, 1989]. С точки зрения С. Пейперта, компьютер - это инструмент, с помощью которого обучение может стать более интересным, быстрым и простым, если в его основе будет лежать оперирование моделями реального мира. Идеи конструктивизма получили широкое распространение [Duffy et al., 1992]. Психологические аспекты учебной деятельности с применением подобных сред рассмотрены в работе [Давыдов и др., 1996]. В частности, примером такой среды для области ОТД может служить система "STRATUM COMPUTER" [Баяндин и др., 1996 ], [Баяндин и др., 19962], [Мухин, 1992], [Мухин и др., 1995], [Рябуха, 1995]. Весь мир - всякий предмет, явление представляются в этой системе в виде простейших кирпичиков, кубиков - элементарных моделей реальных объектов или процессов. Эти объекты не живут уединенно, они пребывают во взаимодействии друг с другом. Пользователи могут обращаться с моделями элементарных объектов как с конструкторским материалом, создавая легко модифицирующиеся модели сложных систем. Архитектура учебно-компьютерной среды, основанной на принципах конструктивизма, рассматривается в работе [Найханова и др., 1996]. Пример интегрированной среды для моделирования электрических цепей приведен в работе [Васильев, 1992].
          Информационно-поисковые справочные программные системы предназначены для ввода, хранения и предъявления пользователю разнообразной информации. Это могут быть различные гипертекстовые программы, обеспечивающие иерархическую организацию материала и быстрый поиск информации по тем или иным признакам [Ашхотов и др., 1996]. Гипертекст состоит из множества страниц, одни из которых Содержат ссылки на другие. В начале работы с гипертекстовой программой на экране появляется головная страница, которая содержит названия гипертекста заголовки разделов. Благодаря перекрестным ссылкам можно переходить от раздела к разделу в удобном для пользователя порядке.
          Большое распространение получили также всевозможные базы данных. Первоначально базы данных были задуманы как компьютеризованные системы хранения документов, чтобы заменить системы документации на бумаге [Джонассен, 1996, с.120]. Каждая запись в базе данных разделена на поля по типам или классам содержащейся в ней информации. Системы управления базами данных обеспечивают возможность поиска и сортировки информации, а также позволяют создавать новые поля базы. Базы данных могут использоваться в учебном процессе для организации предъявления содержания учебного материала и его анализа [Зайнутдинова, Петрова, 1993], [Артемьев и др., 1998]. В работе [Роберт, 1994 , с. 150-151] подчеркивается, что "...консервативные свойства учебных баз данных преобладают над динамическими. Это приводит к превалированию декларативного представления информации над процедурным (декларативным назовем представление информации, характеризуемое тем, что основная часть информации представляется в виде статической совокупности фактов..)". В этой же работе учебные базы данных рекомендуются для самостоятельной работы учащихся с целью поиска и анализа необходимой информации. Если к тому же база данных будет разрабатываться самими студентами, то им придется глубже осмысливать изученный материал, структуру этого материала и связи между отдельными его элементами. В этом случае можно говорить о применении баз данных в качестве инструментов познания [Джонассен, 1996, с.120]. Кроме того, базы данных могут быть применены для улучшения организации образовательного процесса на внутри вузовском, региональном и общегосударственном уровнях [Гузаиров, 1998]. Сообщается о создании базы данных по электротехническим специальностям, в которой приведены государственные образовательные стандарты по направлениям и специальностям, учебные планы, учебные программы, списки учебной литературы, средства оценки качества образования, кадровый потенциал кафедр и др. [Гузаиров и др., 1995].
          Автоматизированные обучающие системы (АОС) - упоминаются в литературе чаще каких бы то ни было других обучающих программных систем. Согласно [Апатова, 1994, с.54]: "Под автоматизированной обучающей системой (АОС) можно понимать любую компьютерную программу учебного назначения". Действительно, такое толкование АОС имело место ранее, однако в настоящее время, когда методы и средства информационных технологий претерпели существенные изменения, необходима конкретизация этого понятия. На основании анализа, проведенного в настоящем исследовании по материалам ряда научно-методических конференций, выявлено, что сейчас под АОС чаще всего понимают обучающую программу сравнительно небольшого объема, обеспечивающую знакомство учащихся с теоретическим материалом и в некоторой степени тренировку и контроль уровня знаний [Пятницкая и др., 1993], [Зайнутдинова, Ануфриев и др., 1992], [Зайнутдинова, Хисамов, 1993], [Кагаков, Зайнутдинова, и др., 19943]. Само слово "автоматизированные" предполагает некоторую незавершенность действия по автоматизации обучения. В дальнейшем в данной работе использование термина "АОС" сведено к минимуму ввиду его некоторой неопределенности и расплывчатости.
          Электронные (компьютерные) учебники в связи с их комплексным назначением относятся к обучающим программным системам (ОПС). Общепринятого определения понятия "электронный учебник" пока не существует. В работе [Демушкин и др., 1995, с. 18] дается следующее толкование: "Компьютерный учебник - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. Компьютерный учебник соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и лабораторного практикума". С этим вполне можно согласиться. Однако далее следует указание о том, что компьютерный учебник должен быть реализован в виде книги с комплектом дискет. Книга содержит изложение теории, а дискеты - различные компьютерные программы. Аналогичную позицию занимают и некоторые другие авторы. Так, например, в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики разработан компьютерный учебник по теории электрических цепей [Бакалов и др., 1998 ], [Бакалов и др., 19982], который представляет собой сочетание книги и дискет с программами-тренажерами. Известно также добротное компьютерное учебное пособие "Электротехника, Электрические и магнитные цепи", разработанное Э.В. Кузнецовым [Кузнецов Э.В., 19953]. Работая с этим пособием, студент сначала изучает по обычной книге (на бумажном носителе) "квант" теоретического материала, а затем выполняет на компьютере практические задания в репетиционном или контролирующем режимах. С нашей точки зрения, программно - методический комплекс, реализованный в виде книги с комплектом дискет, точнее будет назвать компьютеризированным учебником, как это сделано в работе [Козлов и др., 1995].
          Электронный (компьютерный) учебник должен, по нашему мнению, обеспечивать выполнение всех основных функций, включая предъявление теоретического материала, организацию применения первично полученных знаний (выполнение тренировочных заданий), контроль уровня усвоения (обратная связь) без помощи каких бы то ни было бумажных носителей, то есть только на основе компьютерной программы. Такой электронный учебник (ЭУ) можно будет легко "переиздавать", то есть корректировать по мере необходимости, он хорошо впишется в систему дистанционного обучения и автоматически обеспечит непрерывность и полноту дидактического цикла процесса обучения. Как известно [Теоретические основы процесса обучения..., 1989, с. 146-160], "дидактический цикл - это структурная единица процесса обучения, обладающая всеми его качественными характеристиками, выполняющая функцию максимально полной организации усвоения (в данных условиях) фрагмента содержания образования". Первое звено дидактического цикла реализует постановку познавательной задачи, второе звено обеспечивает предъявление содержания учебного материала, третье организует применение первично полученных знаний (организация деятельности по выполнению отдельных заданий, в результате которой происходит формирование научных знаний), четвертое звено дидактического цикла - это получение обратной связи, контроль деятельности учащихся, пятое звено организует подготовку к дальнейшей учебной деятельности (задание ориентиров для самообразования, для чтения дополнительной литературы). Реализация всех звеньев дидактического цикла процесса обучения посредством единой компьютерной программы без обращения к бумажным носителям информации существенно упростит организацию учебного процесса, сократить затраты времени учащегося на обучение и автоматически обеспечит целостность дидактического цикла в пределах одного занятия (одного сеанса работы с ЭУ).
          На основании вышеизложенного автором настоящего исследования было сформулировано [Зайнутдинова, 1999, с.13-14] следующее определение: "Электронный учебник (ЭУ) - это обучающая программная система комплексного назначения, обеспечивающая непрерывность и полноту дидактического цикла процесса обучения: предоставляющая теоретический материал, обеспечивающая тренировочную учебную деятельность и контроль уровня знаний, а также информационно-поисковую деятельность, математическое и имитационное моделирование с компьютерной визуализацией и сервисные функции при условии осуществления интерактивной обратной связи".
          Безусловно, создание ЭУ в таком понимании потребует больших усилий, нежели при разработке компьютеризированного учебника. И, как это справедливо отмечено в [Герасимов и др., 1998, с.12], реализация всех функций в одной обучающей программе - цель трудно осуществимая. Но, тем не менее, такая цель должна быть достигнута.
          Экспертные обучающие системы (ЭОС) реализуются на базе идей искусственного интеллекта, они моделируют деятельность экспертов при решении достаточно сложных задач и способны приобретать новые знания. "ЭОС должна обеспечивать ответ на запрос обучаемого и решение задач из определенной предметной области" [Роберт, 1994, с. 150], при этом ЭОС обеспечивает пояснение стратегии и тактики решения задач изучаемой предметной области при диалоговой поддержке процесса решения.
          "Экспертные системы - это сложные программы, которые манипулируют знаниями в целях получения удовлетворительного и эффективного решения в узкой предметной области" [Уотермен, 1989, с. II]. "Под экспертной понимается система, объединяющая возможности компьютера со знаниями и опытом эксперта в такой форме, что система может предложить РАЗУМНЫЙ СОВЕТ или осуществить РАЗУМНОЕ РЕШЕНИЕ поставленной задачи" [Нейлор, 1991, с.9]. "Экспертные системы - это сложный программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретных предметных областях и тиражирующие этот эмпирический опыт для консультаций менее квалифицированных пользователей" [Гаврилова и др., 1996, с.4]. Экспертные системы в первую очередь ориентированы на решение на основе знаний специалистов - экспертов трудных практических задач, в основном, в неформализованных областях (медицина, геология, сельское хозяйство, управление, вычислительная техника, электроника, юриспруденция и др.) и при этом позволяют получать результаты, сравнимые, а иногда и превосходящие те, которые может получить эксперт-человек [Попов, 1987, с.7].
          Пользователь, работающий с экспертной системой, вводит свои исходные данные, описывающие исследуемую достаточно сложную ситуацию, формулирует проблему (вопрос) и затем получает решение задачи от экспертной системы, при этом экспертная система обосновывает и объясняет свое решение.
          В работе [Попов, 1987, с.11] говорится о том, что "типичная экспертная система имеет следующие компоненты:
          1) база знаний, хранящая множество продукций (в общем случае правил);
          2) рабочая память, хранящая данные (база данных);
          3) интерпретатор, решающий на основе имеющихся в системе знаний предъявленную ему задачу;
          4) лингвистический процессор, осуществляющий диалоговое взаимодействие с пользователем (экспертом) на естественном для него языке (естественный язык, профессиональный язык, язык графики, тактильное воздействие и т.п.);
          5) компонента приобретения знаний; 6) объяснительная компонента, дающая объяснение действий системы и отвечающая на вопросы о том, почему некоторые заключения были сделаны или отвергнуты".
          В работе [Лобанов и др., 1991] экспертно - обучающие системы также рассматриваются как системы нового типа, создаваемые на основе практического использования элементов искусственного интеллекта для моделирования действия экспертов по дидактике и методике преподавания тех или иных дисциплин. "Основу ЭОС составляют базы знаний, моделирующие коллективные знания экспертов - преподавателей, методистов и специалистов по конкретным предметным областям" [Лобанов и др., 1991, с.2]. Опыт разработки и применения экспертно - обучающих систем в высшей школе освещен в сборнике научных трудов [Разработка, 1989]. Некоторые аспекты структуры ЭОС рассматриваются в работе [Александров и др., 1996]. Вопросы представления учебной информации для ЭОС анализируются в статье [Савельев и др." 19863]. Реализации педагогического общения в рамках ЭОС обсуждается в докладе [Котикова и др., 1996].
          В последнее время экспертные обучающие системы начинают применяться также и для хорошо изученных и формализуемых предметных областей, использующих постоянные или редко меняющиеся (стационарные) базы знаний [Анисимова и др., 1996], [Апатова и др., 1996]. Создание ЭОС является сложной и весьма трудоемкой задачей, в связи с чем возникают проблемы автоматизации их разработки [Галеев, 1996],[Галеев и др., 1997].
          К сожалению, при работе с ЭОС не реализуются такие звенья дидактического цикла процесса обучения, как организация применения учащимся полученных первичных знаний и получение обратной связи (контроль действий учащихся). Между тем, если, фрагмент содержания представляет собой теоретическое знание большой степени абстракции, например "Законы Ньютона", то усвоить их без анализа возможностей применения в конкретных ситуациях просто нельзя [Теоретические основы процесса обучения... 1989, с. 146-160]. Необходима система заданий, конкретизирующих их содержание. Эти задания должны выполнить сами учащиеся, чтобы усвоить изучаемый материал. При работе с ЭОС учащимся не приходится самим искать решение, соответственно, не реализуется и такое звено дидактического цикла, как получение обратной связи. Интеллектуальные обучающие системы (ИОС) относятся к системам наиболее высокого уровня и реализуются на базе идей искусственного интеллекта [Аверкин и др., 1992]. В работе [Машбиц, 1988, с. 153] отмечается, что нет еще четких критериев отнесения обучающих программ к типу ИОС. "Одни авторы в качестве таких критериев называют генерирование обучающих воздействий, другие учет не только ответа, но и способа решения, третьи - построение модели обучаемых и т.д.". Е.И. Машбиц называет [Машбиц, 1988, с. 153] следующие существенные признаки ИОС:
          1.ИОС могут осуществлять управление не только по результату, но и по процессу, т.е. управлять на всех этапах решения учебной задачи, начиная от ее постановки и поиска принципа решения и кончая оценкой оптимальности решения, с учетом особенностей деятельности обучаемых.
          2. Они обеспечивают диалоговое взаимодействие, как правило, в языке, близком к естественному, причем в ходе диалога могут обсуждаться не только правильность тех или иных действий, но и стратегия поиска решения, планирования действий, приемы контроля и т.д.
          3. В них на основе модели обучаемого осуществляется рефлексивное управление обучения. Причем эта модель обучаемого уточняется в ходе обучения.
          4. Они допускают постановку учащимся задач и осуществляют управление процессом решения этих задач и задач, предъявляемых системой, с учетом достижения учебных целей.
          5. Многие из этих систем по мере накопления данных могут совершенствовать свою стратегию обучения.
          6. Система не содержит основных и вспомогательных обучающих воздействий в готовом виде, а генерирует их.
          Иными словами, ИОС должна обеспечить учебный диалог с пользователем на уровне индивидуальной работы опытного педагога с учащимся. В наиболее общем случае ИОС это не только обучающие, но и обучающиеся системы [Стефанюк, 1994].
          Сообщения о разработках ИОС для области естественнонаучных и общетехнических дисциплин носят пока единичный характер. В работе [Апатова, и др., 19962], посвященной рассмотрению архитектуры ИОС, отмечается, что в ИОС наряду с проблемой самостоятельной навигации обучаемого в базе знаний возникает также проблема достижения целей обучения. Основой ИОС является база знаний предметной области, включающая объективные научные знания (содержание учебного предмета) и субъективные знания, то есть знания эксперта (методику обучения, опыт преподавателя). ИОС должна сделать урок для одного ученика непохожим на урок для другого, и не только потому, что ученики, работая самостоятельно, выбирают свою обучающую последовательность. Система должна каждому обучаемому объяснить предмет сообразно уровню его подготовки, темпу усвоения, другим индивидуальным особенностям. В то же время, в результате обучения у различных по своему начальному уровню обучаемых должны быть достигнуты результаты не ниже некоторых минимально допустимых.
          В работе [Collins et al., 1988] рассматривается использование ИОС для обучения путем сравнения действий учащегося с некоторыми оптимальными стратегиями. Учащемуся предоставляется возможность рефлексии, то есть осознания правильности своих действий путем сопоставления их с оптимальными решениями. Процесс сопоставления визуализируется, что существенно облегчает рефлексию.
          Приведены примеры использования ИОС для различных учебных дисциплин, включая математику, грамматику, спорт.
          Применение ИОС весьма перспективно, однако их разработка чрезвычайно сложна и трудоемка.


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


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

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал