Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой ПрЭ

д-р техн. наук, проф.

______________ Кобзев А.В.

«_____»_____________ 2016 г.

адаптивная технология обучения, основанная на когнитивном научении

Направление 210100.68 «Электроника и наноэлектроника»

Магистерская программа 210116 «Электронные приборы и устройства сбора, обработки и отображения информации»

Диссертация на соискание академической степени магистра техники и технологии

Кусаинова Азиза Алтаевна

Научный руководитель:

д.т.н., проф. каф. ПрЭ

__________ В.В. Кручинин

« ___ » __________ 2016 г.

Томск - 2016



Содержание

Введение

Глава 1. Обзор и анализ существующих технологий обучения

1.1 Общие требования, предъявляемые к адаптивной технологии обучения

1.2 Адаптивная технология обучения на основе когнитивной теории научения

Выводы по первой главе

Глава 2. Разработка адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

2.1 Обучающая система

2.2 Модель обучаемого

2.3 Алгоритм обучения

Выводы по второй главе

Глава 3. Реализация адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

3.1 Выбор системы управления обучением и средств для реализации адаптивной технологии обучения

3.2 Выбор стандарта для реализации компонентов адаптивной технологии обучения

3.3 Реализация компонентов адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список использованных источников



Введение

Актуальность

В настоящее время в связи с распространением компьютерных технологий активное развитие получает электронное обучение. Этот вид обучения предполагает использование современных информационных технологий, технологий мультимедиа и Интернет для повышения качества обучения. Однако эффективность и качество электронного обучения во многом зависит от используемой технологии обучения. Наиболее перспективными с точки зрения поддержки процесса обучения являются адаптивные технологии обучения, т.е. поддерживающие индивидуальный подход в обучении. Цель данной технологии заключается в обучении приемам самостоятельной работы и самоконтроля, в развитии и совершенствовании умений самостоятельно работать, добывать знания, а также в максимальной адаптации учебного процесса к индивидуальным особенностям обучаемых. Однако одной только адаптации под индивидуальные характеристики обучаемого не достаточно для успешного обучения, которое подразумевает осмысление и понимание учебного материала. Для того чтобы создать условия для понимания обучаемым изучаемого им учебного материала необходима когнитивная теория научения. Так как когнитивная теория направлена не только на развитие когнитивных навыков обучаемого, а также на создание определенной структуры организации учебного процесса, которая обеспечивала бы понимание изучаемой им информации.

Созданию адаптивных технологий обучения посвящены работы А.С. Границкой, Л.И. Долинера, Н.В. Шилиной, В.А. Шухардиной и других исследователей. Однако существующие адаптивные технологии обучения не ориентированы на электронное обучение и не подходят под все дисциплины. Большинство современных разработок по адаптивным технологиям обучения в основном ориентированы либо только на школу (А.С. Границкая), либо на использование только тестовых компьютерных технологий (Н.А. Гулюкина, М.Р. Меламуд и другие), либо на нематематические дисциплины (Е.З. Власова).

Поэтому тема данной магистерской диссертации актуальна и направлена на адаптацию учебного материала к индивидуальным возможностям каждого обучаемого и пониманию обучаемого изучаемого им учебного материала по всем учебным курсам.

Цели и задачи

Целью магистерской диссертации является разработка адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении. Для достижения поставленной цели нужно решить ряд задач:

- Провести обзор и сравнительный анализ существующих технологий обучения. Определить общие требования, предъявляемые к адаптивной технологии обучения. Исследовать когнитивную теорию научения в обучении.

- Разработать адаптивную технологию обучения на основе когнитивной теории научения на примере модели Растригина для обеспечения эффективности процесса обучения и учета индивидуальных особенностей обучаемых.

- Разработать модель обучаемого, позволяющую учитывать психофизиологические характеристики и уровень знаний обучаемого.

- Разработать алгоритм обучения на основе модели обучаемого и применения когнитивного подхода.

- Провести опытно-экспериментальную апробацию разработанной адаптивной технологии обучения по различным учебным курсам.

Связь с научными программами

В рамках выполнения проекта ГПО «Технология получения УМК для мобильных устройств на базе iOS», была разработана технология получения учебно-методического комплекса на базе операционной системы iOS.

Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы методы системного анализа для выявления и анализа требований, предъявляемых к адаптивной технологии обучения, методы объектно-ориентированного программирования, когнитивная теория научения, теория графов, анкетирование (опрос обучаемых).

Научная новизна

1. Впервые использована когнитивная теория научения при разработке адаптивной технологии обучения для электронного обучения.

2. Разработан оригинальный алгоритм обучения на основе модели обучаемого и применения когнитивной теории, который позволяет адаптировать учебный материал к индивидуальным характеристикам обучаемого, а также развить его когнитивные навыки.

Практическая значимость

В результате выполнения магистерской работы была разработана адаптивная технология обучения на основе когнитивного научения, которая позволяет повысить эффективность процесса обучения в режиме электронного обучения, а также позволяет создать условия для понимания каждым обучаемым изучаемого им учебного материала.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, подтверждаются экспериментальными данными при практическом применении.

Положения, выносимые на защиту

1. Адаптивная технология обучения представляет собой один из видов инновационных технологий обучения и необходима для обеспечения эффективности процесса электронного обучения.

2. Алгоритм обучения позволяет, учитывая доминирующий тип восприятия и начальный уровень знаний обучаемого адаптировать учебный материал под обучаемого.

Внедрение

Основные результаты диссертационного исследования внедрены в технологию дистанционного обучения Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, о чем свидетельствует акт о внедрении.

Личный вклад

Основные результаты работы, модель обучаемого и алгоритм обучения для разработки адаптивной технологии обучения получены лично автором.

Апробация

За время написания магистерской диссертации, автор работы принял участие в Интернет-конференции ГПО «Инновации: разработки и технологии - ТУСУР 2013».

Публикация

Е. Селюкова, А. Кусаинова. Технология разработки УМК для мобильных устройств на базе iOS. // Интернет-конференция ГПО «Инновации: разработки и технологии - ТУСУР 2013» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://storage.tusur.ru/files/8807/ПрЭ-1301_Селюкова,%20Кусаинова.pdf, свободный (дата обращения: 12.03.2016).

Объем работы

Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 38 наименований. Общий объем работы составляет в целом 59 страниц основного текста, в том числе 17 рисунков и 5 таблиц.



Глава 1. Обзор и анализ существующих технологий обучения

Технология обучения (ТО) - комплекс взаимосвязанных форм, методов, приемов и средств обучения, направленный на формирование у субъекта обучения знаний, умений и навыков, необходимых для освоения конкретной учебной дисциплины [1].

Сравнительный анализ основных ТО представлен в таблице 1.1 [2].

Таблица 1.1 - Сравнительный анализ технологий обучения

Технология	Цель обучения	Объект изменения в обучении и сущность оперирования с этим объектом	Сфера предпочтительного применения	Ограничения по применению
Поэтапного формирования умственных действий Выготский Л. С., Гальперин П.Я., Талызина Н.Ф., Володарская И.А.	Формирование системы действенных знаний, прочных умений и навыков с учетом психических особенностей усвоения учебного материала	Управление образовательным процессом путем четкого разделения учебной деятельности по этапам формирования умственных действий	Среднее образование и этап фундаментальной подготовки обучаемого	Не рассматриваются взаимосвязи обучения и производства, переход от познавательной деятельности к профессиональной
Проективного обучения Ильин Г.Л., Леднев В.С.	Формирование способностей обучающегося извлекать знания из информации, генерировать идеи, проекты в социальном контексте	Содержание образования выступает как проект, инициированный и определяемый самим обучаемым	Повышение квалификации, последипломное образование	Развитость мышления обучающихся, владение навыками исследований и наличие потребности в образовании
Программированного обучения Скиннер Б.Ф., Беспалько В.П., Ланда Л.Н., Талызина Н.Ф.	Формирование знаний, умений и навыков учебной деятельности	Управление процессом обучения путем программирования мелких доз учебного материала	На этапе формирования фундаментальных знаний	Дефицит общения, акцент на репродуктивные операции, алгоритмы
Проблемного обучения Дж. Брунер, Рубинштейн С. Л., Лернер И.Я., Скаткин М.Н., Архангельский С.И., Махмутов М.И., Матюшкин А.М., Ян С.А. и др.	Развитие мыслительных способностей, творческой самостоятельности	Реструктурирование содержания с позиции проблемного представления и передачи учебного материала	Вcе уровни образования. Дисциплины, легко поддающиеся проблемному изложению учебного материала	Не дает средств организации собственной деятельности. Ограничивается характером изучаемого материала, квалификацией преподавателя
Контекстного обучения Вербицкий А.А., Борисова Н.В. и др.	Активизация обучающих за счет воссоздания контекста профессиональной деятельности	Жесткое отражение профессиональной деятельности в содержании, формах и методах обучения	Среднее и высшее профессиональное образование, повышение квалификации, последипломное	Высокие требования к преподавателю как педагогу и специалисту одновременно
Модульного обучения Рассел И.Д., Курх С., Б. и М. Гольдшмид, Юцявичене П.А., Вазина К.Я., Карпов В.В.	Обеспечение гибкости содержания обучения, приспособление к индивидуальным потребностям личности, уровню ее базовой подготовки	Обучаемый самостоятельно может работать над учебной программой, включающей в себя целевую программу действий, банк информации и методическое руководство	Профессиональное образование	Трудоемкость процесса, необходимы специальные навыки преподавателей, издательская база и изменения в режиме учебных занятий
Концентрированного обучения Ибрагимов Г.И., Блонский П., Шаталов В.Ф.	Создание оптимальных условий учета психологических особенностей человеческого восприятия; «погружение» в предмет	Реструктурирование содержания обучения в блоки	Среднее профессиональное образование	Требует пересмотра учебных планов, расписания занятий
Активного обучения Вербицкий А.А., Бирштейн М.М., Борисова Н.В., Бурков В.Н., Пидкасистый П.И.и др.	Повышение поведенческой и познавательной активности.	Активизация обучающихся с помощью особой организации их взаимодействия между собой и/или с преподавателем	Общее среднее, среднее и высшее профессиональное, дополнительное образование	Квалификация преподавателей
Дистанционного обучения D. Keegan, M.Moore, A.Bates, B.Holmberg, O.Peters, G.Rumble, J.Daniel, Щенников С.А.	Повышение информационных возможностей при отсутствии очного контакта с преподавателем	Управление образовательным процессом так, чтобы обучающийся самостоятельно мог работать с учебной программой	Общее среднее, среднее и высшее профессиональное, дополнительное образование	Квалификация преподавателей, требует пересмотра учебных планов, модульного построения
Адаптивного обучения Границкая А.С., Долинер Л.И., Шилина Н.В., Власова Е.З.	Организация учебных занятий с учетом индивидуальных особенностей обучаемых	Центральное место отводится обучаемому, его деятельности, качествам его личности. Особое внимание уделяется формированию у них учебных умений	Вcе уровни образования	Квалификация преподавателей

Активное развитие в образовательной практике получило электронное обучение, использующее технологию дистанционного обучения. Однако у технологии дистанционного обучения есть серьезный недостаток - большинство систем дистанционного обучения ориентированы на среднестатистического обучаемого и не предназначены для индивидуального обучения, которое является наиболее эффективным.

Наибольшая эффективность в процессе электронного обучения достигается с применением технологий адаптивного обучения, т.к. использование данной технологии способно повысить эффективность и качество образовательных программ, а также усилить адаптивность системы образования к уровням и особенностям развития обучаемых. Делая основной упор на адаптивные технологии, создается наиболее благоприятная среда для развития, обучаемого с уже проявленной одаренностью, и учитываются индивидуальные особенности каждого обучаемого. Свойство адаптивности необходимо в целях обеспечения индивидуализации и дифференциации процесса обучения [3].

В целом, под адаптивностью понимается персонификация процесса обучения на основе создания электронных курсов, учитывающих индивидуальные особенности обучаемых, в том числе психологические особенности, скорость восприятия, уровень начальных знаний, а также индивидуальные цели и задачи обучения [4].

1.1 Общие требования, предъявляемые к адаптивной технологии обучения

Для начала выявим и проанализируем требования, предъявляемые к адаптивной технологии обучения. Выявление и анализ требований производится с помощью методики системного анализа [5]. Эта методика предполагает выявление всех «заинтересованных сторон» - участников проблемной ситуации. На рис. 1.1 представлены основные целеполагающие системы для адаптивной технологии обучения.

Рис. 1.1 - Основные целеполагающие системы



Требования со стороны обучаемого. Для максимального усвоения знаний и навыков будущей деятельности обучаемых, и разрабатывается адаптивная технология обучения (АТО). Согласно [5], требования со стороны обучаемого можно разделить на три группы:

- психолого-педагогические;

- инженерно-психологические

- медицинские.

Психолого-педагогические определяют эффективность учебного процесса. При этом:

1. АТО должна адаптироваться к физиологическим и психологическим особенностям обучаемого (память, темперамент, реакция, физическое и умственное развитие, возраст, зрение, слух).

2. АТО должна быть основана на деятельностном подходе в формировании психики, эрудиции и нравственных качеств.

3. АТО должна обеспечить постоянную и положительную мотивацию деятельности обучаемого.

4. АТО должна использовать комбинированные приемы обучения, которые развивают и используют как абстрактно-логическое, так и образно-эмоциональное мышление, интуицию обучаемого.

5. АТО должна впитывать в себя последние достижения в области педагогических наук.

Инженерно-психологические требования определяют интерфейс между обучаемым и компьютером. Здесь требования будут следующими:

1. Простота работы.

2. Дружелюбность интерфейса.

3. Приспособление к требованиям конкретного обучаемого, (например, настройка цвета и шрифта, возможности увеличения шрифта).

4. Организация комфортного интерфейса.

Медицинские требования определяют факторы АТО, которые влияют на здоровье обучаемого. Эти требования определяют влияние компьютера на обучаемого. Прежде всего, это касается зрения, психики и нервной системы.

Требования со стороны преподавателя. Преподаватель непосредственно организует обучение предмета с помощью готовой АТО. Запускает при необходимости программу, наблюдает за ходом работы учащегося, приходит на помощь, при возникновении трудностей. Регистрирует текущие успехи обучаемого. Основные требования со стороны преподавателя следующие:

1. Обеспечение различных форм организации работы.

2. Обеспечение различных видов связи преподавателя с обучаемыми.

3. Различные формы накопления опыта (протоколирование процесса обучения; статический анализ).

4. Возможность внесения изменений в АТО.

Требования разработчиков. В процессе разработки АТО выделяются 3 основные составляющие: психолого-педагогическая, организационно-экономическая и техническая. Психолого-педагогическая составляющая обеспечивает педагогические цели и методы достижения их в разрабатываемой АТО. Организационно-экономическая составляющая обеспечивает реализацию и тиражирование данной АТО при заданных финансовых, трудовых и временных ограничениях. Техническая составляющая собственно реализует АТО в виде программного, информационного и иных обеспечениях.

Важным требованием для АТО является возможность подключения компьютера в сеть Интернет. Также стоит отметить немаловажное свойство - интероперабельность. О нем так же говориться в [6].

Требования со стороны общества. В целом общество выдвигает ряд требований к разрабатываемой АТО. Это, прежде всего требования соблюдения безопасности использования знаний. Т.е. знания, полученные с помощью данной АТО, не должны использоваться во вред людям и природе. Другим важным требованием является повышение культурного уровня обучаемого. Т.е. обучаемый должен получать не только чистые знания по данной конкретной теме, но и выдающиеся примеры приобретения или применения этих знаний.

1.2 Адаптивная технология обучения на основе когнитивной теории научения

Обучаемым для успешного обучения необходим высокий уровень интеллектуального развития, восприятия, представлений, памяти, мышления, внимания, эрудированности, широты познавательных интересов, уровня логических операций и т.д. При недостаточном развитии указанных качеств они способны это компенсировать за счет повышенной мотивации или работоспособности, усидчивости, степени притязаний, тщательности и аккуратности в учебной деятельности. Однако интерес к обучению и успеваемость все равно снижаются. Чтобы этого не произошло, приобретенные ими знания должны быть осмысленны и ценностно-ориентированы. Одним из способов решения данной проблемы является когнитивное научение [7].

Научение - относительно постоянные изменения в поведении, происходящие в результате практики - взаимодействия организма со средой [8].

Первые упоминания о когнитивном научении появились в трудах Толмена Э.Ч. Толмен предложил когнитивную теорию научения, полагая, что повторяющееся выполнение одного и того же задания усиливает возникающие связи между факторами окружающей среды и ожиданиями организма. Таким путем организм познает окружающий его мир [9, 16]. А Бершадский М.Е. утверждает, что термин «когнитивный» описывает познавательную деятельность с точки зрения процессов информационного обмена человека с окружающей средой [10].

Так, термин «когнитивный» (от лат. слова «cognitio» - знание, познание), означающий «познавательный», «имеющий отношение к познанию», появился в шестидесятых годах прошлого века, в связи с возникновением новой парадигмы в психологических исследованиях (когнитивной психологии, когнитивистики), где особое внимание уделяется традиционным познавательным процессам: восприятию, вниманию, памяти, воображению и мышлению [11]. Однако когнитивная теория принципиально отличается тем, что все эти процессы рассматриваются как составляющие общего процесса информационного обмена между человеком и средой [12].

Когнитивная теория в обучении позволяет создавать условия для понимания каждым обучаемым входящей информации. Например, умение использовать информацию, поступающую из различных источников; умение конспектировать, т.е. излагать собственные мысли в соответствии с нормами языка и правилами логики; умение аннотировать, т.е. осуществлять краткую структурированную запись содержания курсов; умение проводить различия между фактами и предположениями и др. Также когнитивный подход предполагает использование в учебном процессе различных средств обучения: таблиц, рисунков, видео- и аудиозаписей, схем, презентаций [12].

Рассмотрим компании, которые занимаются разработкой адаптивной технологии обучения на основе когнитивной теории научения. Согласно [13], это компании Cog Books, Open Learning Initive (OLI) и Smart Sparrow. На рисунках 1.2-1.4 графически представлены общие сведения адаптивной системы обучения данных компаний.



Рис. 1.2 - Общие сведения адаптивной системы компании Cog Books

Рис. 1.3 - Общие сведения адаптивной системы компании Open Learning Initive

Рис. 1.4 - Общие сведения адаптивной системы компании Smart Sparrow

По данным [13] адаптивная система обучения определена шестью признаками, это:

· Профиль обучаемого - это упорядоченное хранение информации об обучаемом, используется для персонализации обучения;

· Модуль адаптивности - это структура учебного контента и масштаб, в котором содержание изменяется согласно конкретным потребностям обучаемого;

· Охват материала означает педагогическую гибкость продукта, для предоставления адаптивного обучения в том объеме, который необходим в рамках данного курса;

· Оценка - это частота, формат и условия, при которых обучаемые оцениваются;

· Модель контента описывает доступность к среде разработки продукта учителями или другими пользователями и их возможность добавлять и/или управлять содержимым в системе обучения;

· Таксономия Блума помогает диагностично формулировать познавательные цели модуля/урока или всего курса. Описание соответствующих категорий учебных целей для когнитивной области представлены в таблице 1.2 [14].

Таблица 1.2 - Категории учебных целей в когнитивной области

№	Основные категории учебных целей	Примеры учебных целей
1	Знание эта категория обозначает запоминание и воспроизведение изученного материала. Речь может идти о различных видах содержания - от конкретных фактов до целостной теории. Общая черта этой категории - припоминание соответствующих сведений.	Обучаемый Воспроизводит и узнает употребляемые термины, конкретные факты, методы и процедуры, понятия, правила, принципы.
2	Понимание Показателем способности понимать значение изученного может служить преобразование (трансформация) материала из одной формы выражения в другую, перевод с одного языка на другой, например, из словесной формы в графическую. В качестве показателя понимания может выступать интерпретация обучаемым (объяснение, краткое изложение) или же предположение о дальнейшем ходе явлений, событий (предсказание последствий, результатов). Такие учебные результаты превосходят простое запоминание материала.	Обучаемый Поясняет суть правил, фактов, принципов. Интерпретирует словесный материал, схемы, графики, диаграммы. Преобразует словесный материал в другие формы его представления (и наоборот). Приводит примеры. Предположительно оценивает будущие события, последствия, вытекающие из имеющихся данных.
3	Применение Эта категория обозначает умение использовать изученный материал в конкретных условиях и новых ситуациях. Сюда входит применение правил, методов, понятий, законов, принципов, теорий. Соответствующие результаты обучения требуют более высокого уровня владения материалом, чем понимание.	Обучаемый Использует методы, понятия и принципы по образцу. Применяет методы, понятия и принципы в измененных и новых ситуациях. Демонстрирует правильность применение метода.
4	Анализ Эта категория обозначает умение разбить материал на составляющие так, чтобы ясно выступила его структура. Сюда относятся вычленение частей целого, выявление взаимосвязей между ними, осознание принципов организации целого. Учебные результаты характеризуются при этом более высоким интеллектуальным уровнем, чем при понимании и применении, поскольку требуют осознания как содержания учебного материала, так и его внутреннего строения.	Обучаемый Раскрывает структуру целого. Выделяет скрытые (неявные) предположения. Видит ошибки и упущения в логике· рассуждений. Приводит различия между фактами и их следствиями, оценивает значимость данных.
5	Синтез Эта категория обозначает умение комбинировать элементы, чтобы получить целое, обладающее новизной. Таким новым продуктом может быть сообщение (выступление, доклад) план действий или совокупность обобщенных связей (схемы для упорядочения имеющихся сведений). Соответствующие учебные результаты предполагают деятельность творческого характера с акцентом на создание новых схем и структур.	Обучаемый Пишет творческое сочинение. Предлагает план проведения, эксперимента. Использует знания из разных областей, чтобы составить решение той или иной проблемы. Строит систематизирующие таблицы.
6	Оценка Эта категория обозначает умение оценивать значение того или иного материала (утверждения, вывода, данных, решения задачи) для конкретных целей. Суждения обучаемого должны основываться на четких критериях. Критерии могут быть как внутренними (структурными, логическими) так и внешними (соответствие намеченной цели). Критерии могут, определяться самим обучаемым или же задаваться ему извне (например, преподавателем). Данная категория предполагает достижение учебных результатов по «всем» предшествующим категориям плюс оценочные суждения основанные на ясно очерченных критериях.	Обучаемый Предполагает критерии· для оценки. Оценивает логику построения· материала в виде письменного текста. Оценивает соответствие вывода имеющимся данным. Оценивает значимость того или иного продукта деятельности, исходя из внешних критериев.

В рамках когнитивной теории научения обучаемый считается активным и сознательным участником процесса учения, а не объектом обучающей деятельности преподавателя, то есть реализуются субъект-субъектные отношения между обучаемым и преподавателем, а процесс учения имеет личностно и социально обусловленный характер [15].

Выводы по первой главе

Разработка адаптивной технологии обучения на основе когнитивной теории научения позволит повысить эффективность и качество обучения. Такая технология позволяет не просто тренировать обучаемого и контролировать его знания, но и по результатам деятельности обучаемого помогает определить, какие знания недостаточны или ошибочны и вернуть обучаемого на соответствующий раздел теории, либо дать дополнительные разъяснения. Т.е. она позволяет адаптировать процесс обучения под особенности каждого конкретного обучаемого, работающего с системой. Таким образом, каждый обучаемый проходит индивидуальный путь обучения, и получает индивидуальные знания.



Глава 2. Разработка адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

адаптивный технология обучение когнитивный

Разработка адаптивной технологии обучения вызвано рядом педагогических проблем и стремлением использовать идеализированные возможности, как всего учебного процесса, так и отдельно взятого модуля [17].

Особенностью адаптивной технологии обучения основанной на когнитивном подходе являются специфические упражнения, применяемые для развития когнитивных навыков.

Основная цель в подаче информации состоит в такой организации познавательной деятельности обучаемых, которая обеспечивала бы понимание ими изучаемой информации.

Достижение этой цели способствует определенная структура обучения: входное тестирование, изучение новой информации, упражнения, итоговое тестирование.

2.1 Обучающая система

Из всех известных на данный момент обучающих систем наиболее полно особенности организации учебного процесса отражены в модели Растригина [18]. Данная модель содержит метод подсчета результатов ответов обучаемых на тестовые задания, метод выбора тестовых заданий для предоставления обучаемому, а также модель обучаемого.

Однако данная модель не в состоянии определить начальный уровень знаний обучаемого по изучаемой дисциплине, а также не учитывает его индивидуальные характеристики. Таким образом, для повышения эффективности процесса обучения необходимо усовершенствование модели обучающей системы Растригина путем ее дополнения алгоритмом обучения, позволяющего адаптировать учебный материал к индивидуальным особенностям и текущему уровню знаний обучаемых.

Индивидуальные особенности обучаемого - характеристики, которые определяют обучаемого как индивидуума, например, индивидуальные показатели (интроверт - экстраверт), познавательные факторы и стиль обучения. Индивидуальные особенности - стабильная характеристика обучаемого, которая не изменяется вообще или изменяется в течение длительного периода времени. Индивидуальные особенности определяются специально разработанными психологическими тестами. Большинство исследователей соглашается с необходимостью моделирования и использования индивидуальных особенностей, но разногласия возникают насчет того, какие особенности могут и должны использоваться и как их использовать [19].

Учебный процесс может быть рассмотрен как процесс управления сложной технической системой [18], в которой объектом управления является обучаемый. На рис. 2.1 отображена общая схема обучающей системы Растригина.

Где в начале учебного процесса обучаемый находится в состоянии Y1. Формирователь порции обучения (ФПО) определяет порцию информации, передаваемую обучаемому для изучения на данном этапе обучения. В ходе изучения предоставленной информации обучаемый получает новые знания и переходит в состояние Y2. Для проверки усвоения материала генерируются вопросы и задачи с помощью формирователя тестов (ФТ), выполняя которые обучаемый переходит в состояние Y3. В базе данных (БД) хранится общая информация об обучаемых и учебных курсов. Алгоритм обучения обеспечивает управление процессом обучения с учетом информации из БД, цели обучения Z, ресурсов R1,R2 и модели обучаемого.



Рис. 2.1 - Общая схема обучающей системы Растригина

2.2 Модель обучаемого

Знания о каждом обучаемом представлены в виде модели обучаемого. Модель обучаемого представляет собой совокупность набора характеристик обучаемого, измеряемых во время работы системы с обучаемым и определяющей степень усвоения им знаний по изучаемой предметной области, а также методов обработки этого набора [20].

Модель обучаемого должна удовлетворять следующим требованиям [21]:

- валидность - система должна учитывать те индивидуальные особенности обучаемых, которые существенны для достижения намеченных учебных целей;

- адекватность - система должна обеспечивать соответствие модели обучаемого самому обучаемому;

- динамичность - модель обучаемого должна уточняться по мере накопления данных о нём.

Чтобы выполнить вышестоящие требования, модель обучаемого должна включать следующую информацию [20]:

- цель обучения;

- знания обучаемого в рамках изучаемого курса;

- особенности подачи учебных материалов и выбора контрольных заданий и вопросов;

- о правилах изменения модели обучаемого по результатам работы с обучаемым.

Модель обучаемого позволяет организовать гибкое управление процессом обучения. Адаптивное обучение может содержать несколько вариантов изложения одного и того же материала. Решение о продолжении обучения по одному из вариантов принимается на основании значений параметров модели обучаемого.

Адаптивная технология обучения, основанная на когнитивном научении, базируется на работе высших психических функций: восприятия, мышления, памяти. Исходя из этого, были выбраны следующие параметры модели обучаемого:

? доминирующий тип восприятия;

? уровень знаний обучаемого.

При разработке адаптивной технологии обучения необходимо учитывать тип восприятия обучаемого, так как кто-то из обучаемых является визуалом (лучше воспринимает информацию в виде изображений), другие - аудиалы, которые воспринимают информацию на слух, третьи - кинестетики, воспринимающие большую часть информации через другие ощущения (обоняние, осязание и др.) и с помощью движений [22]. Для третьей категории обучаемых применение обучающих систем является наиболее проблемным вопросом, т.к. современные средства вычислительной техники не позволяют в полной мере удовлетворить особенности их восприятия, поэтому при разработке адаптивной технологии обучения данный тип восприятия не учитывается.

Для определения доминирующего канала восприятия информации используется тест С. Ефремцева [23]. Зная доминирующий канал восприятия информации обучаемого, можно повысить степень запоминания изученного материала. Для визуалистов таким компонентом, под компонентом подразумевается любой ресурс технологии обучения, является презентация, а для аудистов - аудиолекция. Иногда тестируемый оказывается и аудистом, и визуалистом (не выявлен ярко выраженный тип восприятия) в таком случае будем использовать компонент мультимедийная презентация, включающая в себя и презентацию, и аудиолекцию.

Под уровнем знаний понимается текущий уровень знаний обучаемого, который должен измеряться обучающей системой во время процесса обучения [24].

Для реализации модели обучаемого будем использовать стереотипную и сетевую оверлейную модели. Тип восприятия представим стереотипной моделью. В стереотипной модели выбирается набор характеристик (критериев), отражающих индивидуальность обучаемого. Величина критерия для конкретного обучаемого определяется при помощи некоторой оценочной функции, которая строится в связи со знаниями предметной области. Когда по всем критериям достигнут переход к значениям, соответствующим какому-то стереотипу, система относит обучаемого к этому стереотипу.

Знания обучаемого представим сетевой оверлейной моделью, представляющая собой граф, узлы которого соответствуют понятиям и/или умениям, а дуги - отношениям между ними. Каждому узлу и дуге сопоставляется некоторая величина или набор величин, характеризующих степень владения обучаемым данным понятием или умением, причем допускается наследование величин [25].

Учебный материал представим вершинами графа (рис. 2.2), а отношения ребрами. Выделены три типа отношений: иерархические (потомок, предок), просмотровые (вперед, назад), семантические (ассоциативные). В соответствии с иерархическими отношениями структурным компонентам присваиваются индексы, которые используются для идентификации и адресации этих компонентов. На множестве одного иерархического уровня определяются отношения, служащие для описания порядка предъявления их обучаемому. Эти отношения называются просмотровыми последовательностями. Семантические отношения связывают структурные компоненты, обладающие смысловой корреляцией. Эти отношения называются гиперсвязями [26].

Рис. 2.2 - Иерархия учебного материала (УМ). Типы отношений: 1 - иерархические; 2 - просмотр последовательности; 3 - семантические

2.3 Алгоритм обучения

В начале учебного процесса (рис. 2.3) обучаемому предлагается вводный материал для ознакомления с учебным курсом. Под вводным материалом понимается модуль «Введение», в котором содержатся общие сведения об изучаемом учебном курсе, а также видеолекция, которая содержит в себе презентацию и видео.

Затем обучаемый проходит тест на выявление доминирующего типа восприятия (аудиал или визуал), который состоит из 36 вопросов, на которые последовательно нужно ответить да или нет.

Весь учебный материал разбит на модули, под модулем понимается глава (лекция) учебного курса. Каждая глава состоит из разделов и подразделов. Для каждого модуля, разрабатывается две его версии: упрощенно-поверхностная и детализированная.

При переходе к изучаемому модулю обучаемый проходит входное тестирование, которое позволяет определить уровень его знаний по новой теме (некоторая часть обучаемых к началу обучения уже обладает необходимыми знаниями, навыками и умениями).

На основании уровня знаний обучаемого подбирается наиболее подходящий для изучения учебный материал:

а) упрощенно-поверхностная версия модуля (если уровень подготовки обучаемого был выше среднего);

б) детализированная версия модуля, если его знания оказались недостаточными.

После изучения соответствующего учебного материала, исходя из тестирования на выявление доминирующего типа восприятия, подбирается компонент для повторения и запоминания изученного материала в виде презентации для визуалистов, в виде аудиолекции для аудистов, а для аудистов и визуалистов в виде мультимедийной презентации.



Рис. 2.3 - Общая схема алгоритма обучения



Затем обучаемый приступает к упражнениям по изучаемому модулю, разработанные для развития когнитивных навыков. Умения и навыки в когнитивной области хорошо описаны и структурированы в таксономии Блума, поэтому при составлении упражнений за основу возьмем данную таксономию. Таксономия - систематизация целей обучения, в основе которой лежит последовательность уровней усвоения учебного материала [27].

Таксономия Блума - это классификация по шести различным уровням, категориям навыков (табл. 2.1). Список когнитивных навыков иерархически организован, начиная с самого простого, припоминания знания, до наиболее комплексного, состоящего в выработке суждений о ценности и значимости той или иной идеи [28].

Таблица 2.1 - Таксономия Блума

Навык	Определение	Ключевые слова
Знание	Припоминание информации	Определять, описывать, называть, маркировать, узнавать, воспроизводить, следовать
Понимание	Понимать значение, перефразировать главную мысль	Обобщать, преобразовывать, защищать, перефразировать, интерпретировать, давать примеры.
Применение	Использовать информацию или концепцию в новой ситуации	Выстраивать, воздавать, конструировать, моделировать, предсказывать, готовить
Анализ	Разделять информацию или концепции на части для лучшего понимания	Сравнить/противопоставить, разбить, выделить, отобрать, разграничить
Синтез	Соединить идеи для создания чего-то нового	Группировать, обобщать, реконструировать
Оценка	Делать суждения относительно ценности	Оценивать, критиковать, судить, оправдывать, оспаривать, поддерживать

Измерение когнитивных процессов Таксономии Блума (табл. 2.2) включает в себя - от простейших к наиболее сложным: помнить, понимать, применять, анализировать, оценивать, и создавать.



Таблица 2.2 - Измерение когнитивных процессов

Когнитивный процесс	Примеры
Помнить - Извлекать необходимую информацию из памяти
Узнавание	• Найти предметы, имеющие форму равнобедренного треугольника, вокруг вас. • Ответить на любой вопрос альтернативного или множественного выбора.
Припоминание	• Назвать трех английских писательниц девятнадцатого века. • Воспроизвести химическую формулу четыреххлористого углерода.
Понимать - Создавать значения на базе учебных материалов или опыта
Приведение примеров	• Найти пример текста, написанного по принципу потока сознания.
Классификация	• Выбрать типы правления в современных африканских странах. • Соотнести животных с их видами.
Умозаключение	• Догадайтесь о значении незнакомого термина из контекста. • Решите, какое число должно стоять следующим в числовой последовательности.
Применять - Использовать процедуру
Исполнение	• Добавьте двухразрядные числа. • Прочитайте вслух абзац на иностранном языке.
Применение	• Отредактируйте фрагмент текста
Анализировать - Вычленять из понятия несколько частей и описывать то, как части соотносятся с целым
Дифференциация	• Вычленить существенную и несущественную информацию в математической задаче.
Организация	• Рассортировать книги по категориям.
Анализировать - Вычленять из понятия несколько частей и описывать то, как части соотносятся с целым
Оценивать - делать суждения, основанные на критериях и стандартах
Проверка	• Прослушайте политическое выступление и отметьте противоречия в ней.
Критика	• Выберите наилучший способ для решения комплексной математической проблемы.
Создать - соединить части, чтобы появилось что-то новое, и определить компоненты новой структуры.
Генерация	• Предложите пути улучшения этнических отношений с помощью предложенных критериев. • Предложите набор альтернатив ископаемому топливу, которые позволят решить ряд экономических и экологических проблем.
Планирование	• Создайте раскадровку для мультимедийной презентации о насекомых. • Разработайте план исследовательской работы по взглядам Марка Твена на религию.

Согласно табл. 2.2 для разработки упражнений, развивающие такие когнитивные навыки как знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценка, следует применить следующие методики:

· методика «Расставьте в правильном порядке»;

· методика «Множественного выбора»;

· методика «Вставьте нужное слово»;

· методика «Сравнение понятий»;

· методика «Логика связей»;

· составление простого и развёрнутого плана изученного материала;

· составление карты понятий;

· составление или дополнение граф-схемы;

· методика «Аналогии»;

· методика «Исключение лишнего»;

· методика «Поиск существенных признаков»;

· методика «Обобщение»;

· поиск оценочных суждений;

· поиск логических ошибок;

· поиск недостающих исходных суждений;

· сравнительный анализ текстов;

· задания на перекодирование информации;

· завершение умозаключений;

· планирование и проведение наблюдения;

· планирование и проведение эксперимента.

Обучаемый выполняет несколько раз упражнения, что требует неоднократного изучения и логического анализа. В результате такой многократной логической переработки достигается понимание учебного материала. Одним из следствий этого процесса является непроизвольное сохранение материала в долговременной памяти и её упорядочивание в соответствии с законами изучаемой предметной области.

Помимо входного тестирования для учебных модулей, разрабатывается итоговое тестирование, которое позволяет вернуть обучаемого к началу раздела модуля, при котором выявлен недостаточный уровень знаний, полученный в ходе изучения модуля. А если результаты итогового тестирования достаточны, то обучаемый переходит к изучению следующего модуля.

Выводы по второй главе

Разработана адаптивная технология обучения на основе когнитивного научения с моделью обучаемого. Определены общие требования, предъявляемые к модели обучаемого. Модель обучаемого включает два параметра, это доминирующий тип восприятия и уровень знаний обучаемого. Разработан алгоритм обучения, позволяющий адаптировать учебный материал исходя из начального уровня знаний обучаемого, а также учитывает доминирующий тип восприятия обучаемого.



Глава 3. Реализация адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

3.1 Выбор системы управления обучением и средств для реализации адаптивной технологии обучения

Наиболее популярными системами электронного обучения являются системы управления обучением (Learning Management System). К основным критериям выбора LMS, можно отнести следующие [29]:

· функциональность. Обозначает наличие в системе набора функций различного уровня, таких как форумы, чаты, анализ активности обучаемых, управление курсами и обучаемыми, а также другие;

· надежность. Этот параметр характеризует удобство администрирования и простоту обновления контента на базе существующих шаблонов. Удобство управление и защита от внешних воздействий существенно влияют на отношение пользователей к системе и эффективности ее использования;

· стабильность. Означает степень устойчивости работы системы по отношению к различным режимам работы и степени активности пользователей;

· стоимость. Складывается из стоимости самой системы а также из затрат на ее внедрение, разработку курсов и сопровождение;

· наличие или отсутствие ограничений по количеству лицензий на слушателей (обучаемых);

· наличие средств разработки контента. Встроенный редактор учебного контента не только облегчает разработку курсов, но и позволяет интегрировать в едином представлении образовательные материалы различного назначения;

· поддержка SCORM. Стандарт SCORM является международной основой обмена электронными курсами и отсутствие в системе его поддержки снижает мобильность и не позволяет создавать переносимые курсы;

· система проверки знаний. Позволяет в режиме онлайн оценить знания обучаемых. Обычно такая система включает в себя тесты, задания и контроль активности обучаемых на форумах;

· удобство использования. При выборе новой системы необходимо обеспечить удобство ее использования. Это важный параметр, поскольку потенциальные обучаемые никогда не станут использовать технологию, которая кажется громоздкой или создает трудности при навигации. Технология обучения должна быть интуитивно понятной. В учебном курсе должно быть просто найти меню помощи, должно быть легко переходить от одного раздела к другому.

· модульность. В современных системах электронного обучения курс может представлять собой набор микромодулей или блоков учебного материала, которые могут быть использованы в других курсах.

· обеспечение доступа. Обучаемые не должны иметь препятствий для доступа к учебной программе, связанных их расположением во времени и пространстве, а также с возможными факторами, ограничивающими возможности обучаемых.

Согласно [29], для реализации адаптивной технологии обучения наиболее приемлемой является LMS Moodle (модульная объектно-ориентированная динамическая учебная среда). Для использования Moodle достаточно иметь любой web-браузер, что делает использование этой учебной среды удобной как для преподавателей, так и для обучаемых.

Moodle - система управления курсами, также известная как виртуальная обучающая среда. Представляет собой свободное (распространяющееся по лицензии GNU GPL) веб-приложение, предоставляющее возможность создавать сайты для электронного обучения [30]. Важным преимуществом данной системы является то, что она распространяется в открытом исходном коде, а также позволяет адаптировать ее под специфику задач, которые должны быть решены с ее помощью, т.е. позволяет на ее основе сгенерировать собственную систему с требуемыми функциональными возможностями:

- определять уровень знаний обучаемого;

- адаптировать учебный материал под конкретного обучаемого.

При разработке адаптивной технологии обучения используются такие средства как:

- HTML (HyperText Markup Language) - язык создания гипертекстовых документов в среде Интернет. HTML является основным инструментом для разработки компонентов.

- JS (JavaScript) - прототипно-ориентированный сценарный язык программирования. Предназначен для реализации такого компонента как тесты.

- XML (eXtensible Markup Language) - это способ разметки документов, предназначенный для формирования в документах какой-либо структуры и определения отношений между различными элементами этой структуры.

- CSS (Cascading Style Sheets) - формальный язык описания внешнего вида документа, написанного с использованием языка разметки. Преимущественно используется как средство описания, оформления внешнего вида HTML-страниц.

- Notepad++ - свободный текстовый редактор с открытым исходным кодом с подсветкой синтаксиса большого количества языков программирования и разметки.

3.2 Выбор стандарта для реализации компонентов адаптивной технологии обучения

Стандарт - это формат, утвержденный признанным институтом стандартизации. Существуют стандарты для языков программирования, операционных систем, форматов представления данных, протоколов связи, электронных интерфейсов и т.д.

Наличие стандартов важно для любого пользователя информационных технологий, так как именно благодаря стандартизации каждый пользователь может комбинировать оборудование и программы различных производителей в соответствии со своими индивидуальными потребностями. Если единый стандарт отсутствует, то пользователь должен ограничиваться устройствами и программами лишь одного производителя. Стандартизации подлежат как оборудование, так и программное обеспечение, в частности, программы, используемые в электронном обучении [31].

К наиболее распространенным стандартам в сфере электронного обучения относятся следующие:

- IMS - Instructional Management Systems (Системы организации обучения);

- IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers (Институт электротехники и электроники);

- AICC - Airline Industry Computer Based Training Committee (Международный комитет по компьютерному обучению в авиации);

- ADL - Advanced Distributed Learning (Продвинутое распределенное обучение);

- ARIADNE (Консорциум АРИАДНА);

- SCORM - Sharable Content Object Reference Model (Модель обмена учебными материалами).

LMS Moodle позволяет представить учебный материал в двух стандартах SCORM и IMS.

SCORM - международный стандарт, разработанный для систем дистанционного обучения. SCORM позволяет обеспечить совместимость компонентов и возможность их многократного использования: учебный материал представлен отдельными небольшими блоками, которые могут включаться в разные учебные курсы и использоваться системой дистанционного обучения независимо от того, кем, где и с помощью каких средств они были созданы [32].

Совместимость учебных средств и систем обеспечивается применением специального стандарта IMS, основанного на языке разметки XML. IMS описывает структуру данных, которые могут быть использованы для обмена информацией. Стандарт определяет функции описания и комплексирования учебных материалов, в том числе отдельных курсов и наборов пособий, поддерживающих концепции IMS.

SCORM в Moodle является учебным элементом, а IMS - ресурсом. В упрощенном варианте - ресурсы - это теоретический материал, а элементы - практический материал. Поэтому для реализации компонентов адаптивной технологии обучения будем использовать стандарт IMS.

IMS-пакет - это архивный файл с расширением ZIP. IMS Content Package - это пакет ресурсов, составленный в соответствии со спецификацией, что позволяет использовать его в различных системах электронного обучения [33]. IMS представляет собой набор информационных ресурсов, подготовленный и «упакованный», в виде папки c HTML-страницами, сопровожденный описанием (манифестом). Манифест представляет собой иерархическое описание структуры со ссылками на файлы учебного материала. Каждый учебный компонент, который может использоваться самостоятельно, имеет свой манифест.

3.3 Реализация компонентов адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

Одним из этапов реализации адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении является разработка компонентов технологии, таких как вводный материал, тесты, модули, презентации, аудиолекции, мультимедийные презентации, упражнения. Такие компоненты данной технологии обучения были разработаны по курсам «Моделирование систем» и «Английский язык - 3».