1. Операционная среда, в которой должны функционировать средства обучения и тестирования должна быть стандартной и минимальной.

2. Требования к аппаратным средствам минимальны.

3. Инструментальные средства разработки стандартные, например средства MS Office.

4. Если используются не стандартные средства, то они должны быть либо Free Ware, либо Share Ware.

5. Желательно, что бы учебный курс и тесты могли бы функционировать в режиме on-line в сети Internet.

6. Общий объем средств обучения не должен превышать 1,44-2,88 Мб.

2. Практическая часть

2.1 Проектирование комплексов автоматизированных дидактических средств

2.1.1 Исходная концепция

Рост интереса к сущности научного знания в условиях информатизации общества привел к выявлению его неоднородности. В ходе исследований по проблемам методологии науки было предложено различать явные и неявные знания [6]. В дальнейшем в связи с активизацией исследований проблем искусственного интеллекта, в частности их нового направления - экспертных систем, эти вариации знания были названы артикулируемыми и неартикулируемыми [7].

Артикулируемая часть знания относительно легко поддается превращению в информацию, которая является удобным средством передачи знаний [8]. Она может быть передана от учителя к ученику с помощью учебных текстов и графических изображений, заранее подготовленных и хранящихся на каком-либо носителе, например на бумаге, на магнитном или оптическом диске.

Неартикулируемая часть знания представляет собой тот неосязаемый, но очень важный личностный компонент знания, который принято называть опытом, интуицией и т. п. Эта часть знания охватывает умения, навыки, интуитивные образы и другие формы личностного опыта, которые не могут быть переданы непосредственно от учителя к ученику. Они могут быть "добыты" учеником лишь в ходе самостоятельной учебной деятельности по решению практических задач.

Будем называть компьютерные системы для поддержки процесса обучения артикулируемой части знания декларативными. К их числу могут быть отнесены "электронные" книги, базы данных и другие компьютерные средства, позволяющие накапливать, хранить и передавать информацию учебного назначения, причем не только в виде текстов, но и в форме графических, аудио- и видеоиллюстраций.

Компьютерные системы для поддержки процесса освоения неартикулируемой части знания будем называть процедурными. Эти системы не содержат овеществленное знание в виде информации. Они построены на основе математических моделей, которые позволяют обучаемому в ходе детерминированного или свободного учебного исследования получать (добывать) знания о свойствах изучаемых объектов или процессов.

Не следует отождествлять понятие артикулируемой и неартикулируемой частей знания с понятием соответственно формализованных и неформализованных знаний. Нередко и неформализованные знания можно представить в овеществленном виде, например, в виде описания эвристических правил, и передать их ученику с помощью систем декларативного типа.

Необходимо отметить также, что разделение знания на две части, артикулируемую и неартикулируемую, весьма условно. Знание по своей сути неделимо. В диалогах Платона Сократ говорит Федру: "Глуп и тот, кто надеется запечатлеть в письменах свое знание, и тот, кто потом вознамерится извлечь его оттуда нетронутым и годным к употреблению". Поэтому правильнее говорить о тех или иных аспектах знания как неделимого целого. В определенной мере можно считать условным и деление компьютерных систем поддержки процесса обучения на декларативные и процедурные. Можно говорить лишь о более высокой степени детерминированности знаний и процессов их изучения в одних системах и неопределенности знаний и свободы процесса их освоения в других.

Однако данная классификация знаний и учебных компьютерных систем оказалась весьма полезной и была положена в основу концепции построения и применения системы Комплексов Автоматизированных Дидактических Средств (КАДИС). Типовой комплекс системы КАДИС (рисунок 2) состоит из учебного пособия, автоматизированных учебных курсов (АУК), тренажеров и учебных пакетов прикладных программ (ППП).

Учебное пособие содержит теоретические материалы по теме в виде учебного текста и графических иллюстраций к нему, рекомендации для преподавателей (как учить с помощью комплекса) и для учащихся (как учиться с помощью комплекса), сборники задач для тренажеров и учебных ППП.

Рисунок 2 - Концептуальная схема системы КАДИС

Термин АУК введен разработчиками и пользователями авторских систем универсальных АОС, см. например [9]. Здесь и далее будем называть этим термином определенным образом подготовленные знания (структурированную информацию и систему упражнений для ее осмысления и закрепления), сценарии учебной работы и реализующие их программы для ЭВМ, предназначенные для самостоятельного изучения учебного материала с помощью компьютера. Основное назначение АУК в системе КАДИС - осмысление и закрепление теоретического материала, контроль знаний по изучаемой теме. АУК содержит не только информационную часть, но и программные средства, позволяющие проводить обучение и контроль по сценариям, заданным преподавателем, разработчиком АУК.

Тренажеры комплексов системы КАДИС предназначаются для формирования и развития практических умений и навыков, развития интуиции и творческих способностей, ускоренного накопления профессионального опыта. Обучение на тренажерах ведется в ходе решения специально подобранных задач с использованием математических моделей изучаемых объектов и процессов в режиме управляемого детерминированного исследования.

Учебные ППП, в состав которых могут входить элементы систем автоматизации профессиональной деятельности (САПР, ЭС, АСНИ и т.п.) используются для решения учащимися различных задач по тематике комплекса, возникающих, например, в ходе курсового или дипломного проектирования. Процесс учебной работы проходит при этом в режиме свободного учебного исследования и близок по своему характеру к профессиональной деятельности специалиста.

Рациональная, дидактически обоснованная последовательность усвоения учебного материала предполагает следующий порядок работы с комплексами системы КАДИС:

- изучение теоретического материала по пособию;

- осмысление и закрепление теории с помощью АУК;

- приобретение и развитие практических умений, ускоренное накопление профессионального опыта на тренажерах;

- решение задач по тематике комплекса с помощью ППП.

Таким образом, различным компьютерным средствам поддержки процесса обучения в системе КАДИС определена своя дидактическая ниша в соответствии с их возможностями.

Комплексы системы КАДИС представляют собой своеобразные компьютерные учебники, которые могут разрабатываться по темам учебных дисциплин, по учебным дисциплинам, по отдельным отраслям знаний. Физически каждый комплекс упаковывается в специальной книге-обложке, в карманах которой размещают учебное пособие, дискеты с АУК, тренажерами, учебными ППП. Такая упаковка удобна для хранения, транспортировки, презентации, тиражирования комплекса.

Важная роль при проектировании учебных комплексов отводится показателям, определяющим дидактические цели. Рассмотрим эти показатели.

2.1.2 Целевые показатели

В педагогике (в литературе и обычной практике средней и высшей школы) много говорят о показателях, но в большинстве случаев дальше словесных формулировок типа "знания, умения, навыки" дело не идет. Среди относительно немногих работ, где дидактические показатели формулируются в количественном виде, выделяются своей системностью и логичностью исследования В. П. Беспалько [10]. Система дидактических показателей, предложенная им, принята в данной работе. Классифицируем эти показатели по группам (рисунок 3).

Рисунок 3 - Целевые показатели

Показатели уровня представления учебного материала. Различают четыре формы представления учебного материала, которые соответствуют различным ступеням абстракции в описании (рисунок 3).

Рисунок 4 - Показатели уровня представления учебного материала

Феноменологическая (описательная) ступень, на которой с использованием обычного естественного языка лишь описывают, констатируют факты, явления, процессы. Иногда дают их классификацию.

Аналитико-синтетическое описание (ступень качественных теорий), в котором на естественно-логическом языке излагают теорию частных явлений, что создает предпосылки для предсказания исходов явлений и процессов на качественном уровне.

Математическое описание (ступень количественных теорий), в котором на математическом языке излагают теорию частных явлений. Применение математических моделей создает при этом возможность для прогнозирования исходов явлений и процессов на количественном уровне.

Аксиоматическое описание, в котором формулируют законы, обладающие междисциплинарной общностью. Примеры таких описаний можно встретить в кибернетике, философии, теории систем.

Принято обозначать уровень представления (иногда его называют уровнем научности) коэффициентом в. Он может принимать значения в=1,2,2,3 (см. рис. 1.3). Иногда вводят и так называемый коэффициент научности

,

где - уровень представления учебного материала; - уровень развития науки по теме проектируемого комплекса.

Показатели уровня усвоения учебного материала. Эти показатели классифицируют глубину проникновения и качество владения учащимися учебным материалом.

Различают пять уровней усвоения учебного материала (рисунок 5):

Рисунок 5 - Показатели уровня усвоения учебного материала

Нулевой уровень (Понимание) - это такой уровень, при котором учащийся способен понимать, т.е. осмысленно воспринимать новую для него информацию.

Первый уровень (Опознание) - это узнавание изучаемых объектов и процессов при повторном восприятии ранее усвоенной информации о них или действий с ними, например, выделение изучаемого объекта из ряда предъявленных различных объектов. Условно деятельность первого уровня называют Опознанием, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-знакомства.

Второй уровень (Воспроизведение) - это воспроизведение усвоенных ранее знаний от буквальной копии до применения в типовых ситуациях. Примеры: воспроизведение информации по памяти; решение типовых задач (по усвоенному ранее образцу). Деятельность второго уровня условно называют Воспроизведением, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-копии.

Третий уровень (Применение) - это такой уровень усвоения информации, при котором учащийся способен самостоятельно воспроизводить и преобразовывать усвоенную информацию для обсуждения известных объектов и применения ее в разнообразных нетиповых (реальных) ситуациях. При этом учащийся способен генерировать субъективно новую (новую для него) информацию об изучаемых объектах и действиях с ними. Примеры: решение нетиповых задач, выбор подходящего алгоритма из набора ранее изученных алгоритмов для решения конкретной задачи. Деятельность третьего уровня условно называют Применением, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-умения.

Четвертый уровень (Творческая деятельность) - это такой уровень владения учебным материалом темы, при котором учащийся способен создавать объективно новую информацию (ранее неизвестную никому).

Принято обозначать уровень усвоения учебного материала коэффициентом б. Он может принимать значения б=0,1,2,3,4. в соответствии с нумерацией уровней, приведенной выше.

Для измерения степени владения учебным материалом на каждом уровне используют коэффициент:

где - количество правильно выполненных существенных операций в процессе тестирования;

- суммарное (общее) количество существенных операций в тесте или батарее тестов. Под существенными понимают те операции, которые выполняются на проверяемом уровне б. Операции, принадлежащие к более низкому уровню, в число существенных не входят.

По рекомендациям, данным в работе [10], при следует продолжать обучение (управлять процессом учения). При наступает период самоорганизации, и процесс учения может быть свободным (неуправляемым).

Степень автоматизации усвоения. Этот показатель характеризует умения как навыки в овладении осваиваемыми способами деятельности, что иногда требуется в процессе обучения. Можно измерять степень автоматизации усвоения коэффициентом:

где - время выполнения теста профессионалом;

- время выполнения теста учащимся.

Осознанность как показатель качества усвоения. Осознанность учебной деятельности всегда высоко ценилась преподавателями. Под осознанностью обычно понимают умение обосновать выбор способа действия и его план - ориентировочную основу деятельности.

Различают три степени осознанности г=1,2,3.

г=1. Учащийся обосновывает свой выбор, опираясь на информацию изучаемой дисциплины.

г=2. Учащийся обосновывает свой выбор, опираясь на информацию не только изучаемой, но и какой-либо смежной дисциплины.

г=3. Учащийся обосновывает свой выбор с привлечением информации из различных дисциплин с широким использованием междисциплинарных связей.

Сложность учебного материала. Это понятие относительное. Оно связано с уровнем представления учебного материала в. Если учащийся владеет аппаратом изложения материала на данном уровне (например логикой на 2-м уровне, математическим аппаратом - на 3-м), то изложение материала ему не кажется сложным, и наоборот. Так, человек с гуманитарной подготовкой, не владеющий математическим аппаратом, какой бы он ни был "сообразительный", не поймет изложение технической науки на 3-м уровне. Принцип от простого к сложному означает движение в ходе обучения от низшего уровня (в=1,2) к высшему (в=3,4).

Трудность учебного материала. Это также понятие относительное. Оно связано с уровнями усвоения учебного материала. Чем выше уровень усвоения б, тем выше трудность. При этом важна также преемственность в усвоении. Если учащийся владеет материалом на первом уровне, то переход к освоению на втором уровне ему труден, но доступен. Если же ставится задача сразу перейти от первого уровня усвоения к третьему, например, после прочтения учебного пособия - к решению нетиповых задач, то это более высокая степень трудности, которая может оказаться недоступной. В процессе обучения в зависимости от выбранного целевого показателя по б необходимо сначала организовать учебную деятельность на уровне б=1, затем -. б=2 и т.д. Именно поэтому в системе КАДИС предусмотрена следующая последовательность применения различных компонент учебных комплексов: учебное пособие (б=1), АУК (б=1- 2), тренажеры (б=2 - 4), ППП (б=2 - 4).

Одной из распространенных педагогических ошибок является ситуация, когда на экзамене "требовательный" преподаватель хочет, чтобы студенты решали нетиповые задачи лишь по материалам лекционных занятий, не организовав предварительно процесс обучения не только на третьем, но и на втором и первом уровнях усвоения. Дело в том, что потенциал лекции б=1 вовсе не гарантирует усвоение учебного материала на первом уровне [10].

Рисунок 6 - Рациональная последовательность обучения

Следует, однако, заметить, что жесткая линейная структура процесса движения от низших по б уровней к высшим не всегда психологически оправдана. Представьте, что вам необходимо овладеть некоей теорией, применение которой в практических задачах вы увидите только на заключительном этапе обучения. Естественно, что процесс изучения теории на уровнях б=1,2 не будет осознанно мотивирован. Поэтому для создания внутренней мотивации к изучению теоретического материала на уровнях б=1,2 полезно иногда дать обучаемым возможность в начале обучения попробовать порешать практические задачи на уровне б=3. (Вспомните модный некогда в педагогике высшей школы прием, называемый "созданием проблемной ситуации").

2.1.3 Отбор и структурирование учебного материала

На начальном этапе проектирования комплекса системы КАДИС планируемый для изучения учебный материал разбивают на отдельные учебные элементы (УЭ). Под УЭ понимают объекты, явления, понятия, методы деятельности, отобранные из соответствующей науки и внесенные в программу учебной дисциплины или раздела учебной дисциплины для их изучения.

Совокупность УЭ представляют в виде структурной схемы - древовидного графа, который называют графом содержания учебного материала и строят по иерархическому принципу. Узлами (вершинами) графа являются УЭ, ребрами - иерархические связи между ними. При построении графа соблюдают правила построения иерархических древовидных структур:

- граф имеет только один корень, один УЭ - название темы;

- отсутствуют отдельные (висячие) вершины, не связанные с вышестоящими УЭ, кроме корня;

- связь осуществляется только сверху - вниз;

- нижестоящий УЭ может быть связан только с одним вышестоящим УЭ;

- группировка УЭ на одном уровне осуществляется по какому-либо общему признаку (общему основанию);

- вышестоящие УЭ не должны быть связаны менее чем с двумя нижестоящими УЭ.

Таблица 1 - Пример таблицы учебных элементов

№ УЭ	Наименование УЭ	Изложение	Усвоение	Осознанность	Пособие	АУК	Тренажеры	ППП
1	Проектирование учебных комплексов	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
2	Модель содержания учебного материала	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
3	Модель освоения учебного материала	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
4	Определение состава комплекса	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
5	Граф содержания	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
6	Таблица УЭ	-	2	0	3	-	3	+	+	+	+
7	Целевые показатели	1	2	1	3	1-2	3	+	+	+	+
8	Изложение	1	2	1	3	1-2	3	+	+	+	+
9	Усвоение	1	2	1	3	1-2	3	+	+	+	+
10	Осознанность	1	2	1	2	1-2	3	+	+	-	-

Параллельно с построением графа составляют таблицу УЭ, в которую вносят наименования УЭ (таблица 1). Можно рекомендовать следующую технологию практической работы. Берут два листа бумаги. На одном листе строят граф (сверху - вниз), на другом - последовательно вписывают строки таблицы УЭ. Аналогом этого процесса является составление оглавления учебного пособия, когда его содержание предварительно дробят на главы, параграфы и т.д. Однако при построении графа содержания учебного материала, в отличие от составления оглавления, нет нужды заботиться о последовательности изложения УЭ. Важно отобразить лишь иерархическую структуру учебного материала. В качестве примера на рис. 1.6 приведен граф содержания фрагмента учебного материала данного раздела (таблица 1).

2.1.4 Модель содержания учебного материала

После структурирования и отбора содержания учебного материала формулируют требования по уровню представления, уровню усвоения, степени автоматизации (если это необходимо), уровню осознанности. При этом в таблице УЭ по каждому показателю заполняют две колонки. В первой колонке указывают "стартовый" показатель, который предположительно был получен в результате предшествующего обучения по другим дисциплинам или темам. Во второй колонке указывается "финишный" показатель, который должен быть достигнут в результате обучения по разрабатываемой теме. Учебный элемент вносят в таблицу и, следовательно, планируют его изучение, лишь когда необходимо повысить хотя бы один из показателей. Таким образом, устанавливают четкую преемственность и взаимосвязь различных учебных дисциплин или отдельных тем в одной учебной дисциплине. В приведенном выше примере (Таблица 1) начальные показатели соответствуют предполагаемой педагогической квалификации преподавателя технического вуза; конечные показатели отражают квалификацию, необходимую для проектирования и разработки учебных комплексов в системе КАДИС.

Рисунок 7 - Пример графа содержания учебного материала

Будем называть совокупность графа содержания и таблицы учебных элементов моделью содержания учебного материала темы. Такая модель позволяет:

- четко определить содержание учебного материала и цели обучения;

- представить содержание в наглядном и обозримом виде;

- привлечь экспертов для обсуждения полноты содержания и целевых показателей уже на начальной стадии проектирования;

- обеспечить четкую преемственность учебных дисциплин;

- перейти к машинным формам представления модели содержания;

- определить состав учебного комплекса;

- сформировать системное (целостное) представление содержания учебного материала, как у разработчиков, так и у пользователей комплекса (преподавателей и учащихся);

- сформулировать требования к типу, количеству и последовательности упражнений для осмысления и закрепления теоретического материала.

2.1.5 Модель освоения учебного материала

Модель содержания учебного материала не содержит ответов на вопросы, в какой последовательности должны изучаться УЭ и каковы логические связи между ними. Эти вопросы рассматриваются при формировании модели освоения учебного материала. Будем иллюстрировать построение этой модели на фрагменте материала данного раздела (рисунок 7 и таблица 1).

В состав модели освоения входят матрицы отношений очередности и логических связей УЭ, последовательность изучения УЭ, граф логических связей УЭ (рисунок 8). Построение модели производят в четыре этапа:

- формирование матрицы отношений очередности УЭ;

- обработка матрицы отношений очередности и построение последовательности изучения учебного материала в виде списка УЭ;

- формирование матрицы логических связей УЭ;

- построение графа логических связей УЭ.

Первый и третий этапы являются неформальными и выполняются на основе анализа учебного материала. Матрицы отношений очередности и логических связей УЭ являются квадратными. Размер матриц равен количеству УЭ. Сначала строят ячейки матриц и нумеруют их строки и столбцы в соответствии с возрастанием УЭ (рисунок 8, а и б). Далее построчно заполняют ячейки матриц нулями и единицами.



Рисунок 8 - Пример модели освоения учебного материала:

а - матрица отношений очередности УЭ

б - матрица логических связей УЭ

в - последовательность изучения УЭ

г - граф логических связей

При заполнении ячеек матрицы отношений очередности анализируют простое бинарное отношение очередности между двумя УЭ. Единицу ставят в ячейку, если УЭ, указанный в номере строки, должен изучаться после УЭ, указанного в номере столбца. Противоположное отношение очередности обозначают нулем или оставляют соответствующую ячейку матрицы пустой. Все ячейки главной диагонали матрицы отношений очередности заполняют единицами. Ячейки матрицы, симметричные относительно главной диагонали, должны иметь противоположные отношения (0 или 1). Поэтому неформальный анализ парных отношений очередности можно проводить лишь для левого нижнего или для правого верхнего треугольника матрицы, заполняя ее оставшуюся часть формально на основе свойства антисимметрии.

При заполнении матрицы логических связей УЭ ставят единицу в ячейку, если учебный материал УЭ, указанного в номере строки, логически связан с учебным материалом УЭ, указанного в номере столбца. Составление матрицы логических связей удобно вести на основе матрицы отношений очередности путем исключения единиц из тех ячеек, для которых отсутствуют логические, опорные связи между элементами (рисунок 8, а и б).

Процесс заполнения матриц целесообразно вести, имея перед глазами таблицу УЭ и тексты с учебным материалом по всем УЭ, если они есть. Анализ содержания учебного материала позволяет более объективно выявлять парные отношения очередности и логические связи между УЭ.

Проанализируем в качестве примера некоторые ячейки матриц на рисунок 8, а и б. Так, единица во второй позиции 3-й строки обеих матриц означает, что 3-й УЭ опирается на 2-й УЭ и учебный материал по модели освоения должен излагаться и изучаться после изложения и изучения понятия модели содержания (таблица 1). Учебный материал 3-го УЭ непосредственно не опирается на понятие целевых показателей в 7-м УЭ (0 в ячейке 3-7 матрицы логических связей), но, поскольку 7-й УЭ входит в понятие модели содержания 2-го УЭ, во временной последовательности изучения учебного материала 3-й УЭ должен рассматриваться позже 7-го (единица в соответствующей ячейке матрицы отношений очередности).

Не для всех УЭ может быть очевиден выбор последовательности: от общего - к частному или наоборот. Например, понятие проектирования учебных комплексов (УЭ номер 1 в рассматриваемом примере) может излагаться не как обобщение-резюме, а как общее понятие с перечнем всех этапов проектирования в начале раздела. В принципе, с точки зрения логики изложения, безразлична очередность рассмотрения УЭ под номерами 7, 8, 9. Поэтому на вид матриц отношений очередности и логических связей, а, следовательно, в дальнейшем и на форму представления учебного материала оказывают влияние не только объективные, но и субъективные факторы: вкусы разработчика комплекса, его привычки, интуитивные представления, склад мышления и т.п. Это естественная ситуация и, конечно же, бояться или стесняться ее не следует.

Последовательность изучения УЭ в пошаговой процедуре обучения определяют в процессе формальной обработки матрицы отношений очередности, суммируя коэффициенты каждой строки матрицы. Полученные суммы записывают в колонке справа от матрицы (рисунок 8, а). Величины сумм указывают порядковые номера соответствующих УЭ в списке последовательности изучения учебного материала (рисунок 8, в).

Логические связи УЭ отображают для наглядности в виде ориентированного графа (рисунок 8, г). Строят граф по матрице логических связей УЭ, которая является для него транспонированной матрицей смежности [11]. Целесообразно располагать этот граф под списком последовательности УЭ, сохраняя указанный в списке порядок освоения учебного материала.

Ребра графа логических связей указывают на опорные связи между УЭ. Так, ребра, связывающие УЭ номер 2 с УЭ под номерами 5 и 6 (рисунок 8, г), указывают, что для освоения понятия модели содержания учебного материала в той форме, в которой это понятие вводится в данном разделе пособия, необходимо иметь представление о понятиях графа содержания и таблицы учебных элементов.

Модель освоения учебного материала комплекса определяет последовательность его изложения в учебном пособии, варианты траекторий его освоения в АУК, логические связи при построении гипертекста.

2.1.6 Определение состава комплекса

Состав комплекса определяют в процессе его проектирования на основе модели содержания учебного материала, руководствуясь, прежде всего, показателем б. Напомним, что в соответствии с дидактическими рекомендациями [10] обучение должно проходить последовательно по уровням усвоения: сначала на уровне б=1, затем б=2 и т.д. В системе КАДИС предусмотрена следующая последовательность применения различных составляющих учебных комплексов: учебное пособие, АУК, тренажеры, ППП.

Учебное пособие является обязательным компонентом комплекса. Его учебный потенциал при обычном чтении текста б=1. В учебное пособие входят учебные тексты с графическими иллюстрациями, рекомендации по применению комплекса для преподавателей и учащихся, описание и набор задач для тренажеров и учебных ППП. Структуру и содержание учебных текстов определяют граф содержания и перечень УЭ, вид описания - значения б, в, г. Рекомендации по применению содержат возможные схемы использования комплекса (на аудиторных занятиях, при самоподготовке, при самостоятельном изучении темы и т.п.), инструкции по эксплуатации и поддержанию программно-информационного обеспечения. Описание задач включает формулировку и описание типовых задач, сборники задач для обеспечения многовариантной учебной работы, рекомендации по модификации и расширению сборников задач.

Обязательным компонентом учебного комплекса является также АУК или набор автоматизированных курсов. Напомним, что АУК включает структурированную информацию и систему упражнений для осмысления и закрепления учебного материала после изучения пособия. Тип упражнений, разрабатываемых для АУК, в существенной мере определяют показатели б и , хотя в и г также оказывают влияние на форму и содержание упражнений. Необходимо иметь в виду, что возможности АУК, особенно для технических дисциплин, ограничены преимущественно репродуктивным типом обучения из-за отсутствия в инструментальных авторских системах средств для математического моделирования. Поэтому целесообразно планировать АУК в основном для осмысления и запоминания теории на уровне б=1-2.

Тренажеры не являются обязательными компонентами комплекса. Они необходимы только для тех учебных элементов, для которых требования по целевым показателям б и не могут быть выполнены с помощью АУК (б>=2). Комплекс может содержать несколько тренажеров. Основное их назначение - формирование и развитие практических умений и навыков, ускоренное накопление профессионального опыта б=3. Тренажеры основаны на математическом моделировании объектов и процессов, для них пока не существует универсальных инструментальных средств. Поэтому процесс разработки тренажеров - это весьма трудоемкое дело. Однако их обучающий потенциал весьма высок (б=2-3).. Иногда тренажеры используют и для развития творческих способностей, профессиональной интуиции (б=4). Общие принципы проектирования сценариев тренажеров обсуждаются в разделе 3 данной работы.

Особое место в учебном комплексе занимают учебные ППП. Диапазон их применения достаточно велик: от решения типовых задач по данной дисциплине (б=2, г=1) до поисковых междисциплинарных исследований (б=4, г=3). Нередко требуемый диапазон по целевым показателям б, г, может быть удовлетворен и без учебных ППП - с помощью АУК и тренажеров. Однако в ходе курсового и дипломного проектирования, когда общая задача имеет комплексный характер и решается с помощью декомпозиции на ряд частных задач, относящихся к различным темам и дисциплинам, возникает потребность в компьютерных средствах решения этих частных задач. Поэтому целесообразно иметь в составе учебных комплексов учебные ППП, которые позволяли бы (в отличие от тренажеров, имеющих заранее подобранный набор задач) решать задачи по теме комплекса, сформулированные самим обучаемым.

Опираясь на высказанные соображения, в ходе проектирования учебного комплекса заполняют последние четыре столбца таблицы УЭ (таблица 1), составляют перечень компонент комплекса, формулируют общие требования к его отдельным компонентам, определяют класс задач для тренажеров и учебных ППП.

В приведенном выше примере (таблица 1) в последних четырех столбцах таблицы УЭ указано знаком +, какие требуются типовые средства системы КАДИС для поддержки процесса освоения каждого УЭ. В настоящее время учебный материал данного примера подкреплен в системе КАДИС учебным комплексом, состоящим из учебного пособия, АУК и учебной версии инструментальной среды для создания комплексов, которую в контексте данного изложения можно трактовать как учебный ППП. Отсутствие тренажера частично компенсируется упражнениями АУК, которые позволяют для данного учебного материала выходить на уровень б=2-3.

2.1.7 Основные этапы проектирования учебных комплексов

Резюмируя рассмотренный выше учебный материал, можно выделить следующие этапы проектирования учебных комплексов.

1. Построение модели содержания учебного материала.

2. Формирование модели освоения учебного материала.

3. Определение состава комплекса.

4. Написание рукописи учебного пособия.

5. Подготовка АУК.

6. Разработка сценариев для тренажеров.

7. Построение сценариев и алгоритмов для учебных пакетов прикладных программ.

2.2 Проектирование автоматизированных учебных курсов

2.2.1 Предварительные замечания

С позиций педагогической психологии объектом обучения является психика. Один из краеугольных законов этой науки говорит, что психика проявляется, формируется и развивается только в деятельности. Исходя из этого обучение определяют как управление познавательной деятельностью учащихся с целью формирования у них определенных знаний, умений и навыков, развития личностных качеств.

Для разработки АУК используют специальные инструментальные программные средства, называемые иногда авторскими системами. Степень совершенства той или иной авторской системы определяется сервисными возможностями по вводу, редактированию, компоновке текстовой части учебного материала, наличием шрифтов для математической символики, использованием графики, типами упражнений (с множественным выбором, с числовым ответом, с конструируемым ответом), включением элементов гипертекста, мультимедиа и т.п.

2.2.2 Психологические механизмы усвоения знаний

При разработке сценариев учебной работы целесообразно учитывать психологические закономерности усвоения знаний, установленные в педагогической психологии и позволяющие повысить эффективность процесса обучения. Рассмотрим некоторые наиболее известные и "технологичные" теории усвоения.

Бихевиористская теория обучения. В бихевиоризме (от лат. behavior - поведение) не рассматриваются внутренние процессы человеческого мышления. Изучается поведение, которое трактуется как сумма реакций на какие-либо ситуации. Один из основоположников бихевиоризма Э. Л. Торндайк (1874-1948) считал, что обучение человека должно строиться на базе чисто механических, а не сознательных принципов. Поэтому он пытался описать обучение человека с помощью простых правил, справедливых одновременно и для животных. Среди этих правил выделим два закона, послуживших платформой для дальнейшего развития теории обучения.

Первый из них, названный законом тренировки, говорит о том, что, чем чаще повторяется определенная реакция на ситуацию, тем прочнее связь между ними, а прекращение тренировки (повторения) приводит к ослаблению этой связи.

Второй закон был назван законом эффекта: если связь между ситуацией и реакцией сопровождается состоянием удовлетворенности (удовольствия) индивида, то прочность этой связи возрастает и наоборот: прочность связи уменьшается, если результат действия приводит к состоянию неудовлетворенности. Опираясь на эти законы, последователь Торндайка Б. Ф. Скиннер разработал в начале 50-х годов весьма технологичную методику обучения, названную в дальнейшем линейным программированием [12]. В основу своей методики Скиннер положил универсальную формулу

где - ситуация;

- реакция;

- подкрепление.

Теория поэтапного формирования умственных действий. Основы этой теории были заложены П.Я. Гальпериным [13] и в дальнейшем были развиты в работах Н.Ф. Талызиной [14] и других его последователей.

2.2.3 Элементы управления в сценариях обучающих программ

В соответствии с постулатами общей теории управления в любых циклических замкнутых системах управления, в том числе и в педагогических, должны быть реализованы следующие функции:

1. формирование целей управления;

2. установление исходного состояния объекта управления;

3. определение программы воздействий, предусматривающей основные переходные состояния объекта управления;

4. систематический сбор информации обратной связи;

5. переработка информации обратной связи с целью выработки и реализации корректирующих воздействий.

Остановимся более подробно на особенностях понятия обратной связи, присущих педагогическим системам. Обратную связь (ОС) в триаде "Педагог - Обучающая программа - Обучаемый" можно разделить на два вида: внешняя и внутренняя ОС (рисунок 10).

Внутренняя ОС - это информация, которая поступает от обучающей программы к ученику в ответ на его действия при выполнении упражнений. Она предназначена для самокоррекции учеником своей учебной деятельности. Понятие внутренней ОС имеет исключительно важное значение для автоматизации процесса обучения. Внутренняя ОС дает возможность ученику сделать осознанный вывод об успешности или ошибочности учебной деятельности. Она побуждает ученика к рефлексии, является стимулом к дальнейшим действиям, помогает оценить и скорректировать результаты учебной деятельности. Различают консультирующую и результативную внутреннюю ОС. Консультация может быть разной: помощь, разъяснение, подсказка, наталкивание и т.п. Результативная ОС также может быть различной: от "верно - неверно" до демонстрации правильного результата или способа действия.

Рисунок 9 - Схема взаимодействия в триаде "Педагог - АУК - Обучаемый"

Информация внешней ОС в рассматриваемой триаде (рисунок 10) поступает к педагогу и используется им для коррекции деятельности ученика и обучающей программы.

2.2.4 Состав типового фрагмента АУК

На начальном этапе проектирования АУК декомпозируют его на отдельные фрагменты. Каждый фрагмент соответствует одному УЭ. Расположение фрагментов и их логические связи соответствуют модели освоения учебного материала. Несколько дополнительных фрагментов в начале АУК должны быть посвящены созданию мотивации и общей ориентировки в учебном материале. В конце АУК, учитывая дробный характер пошаговой процедуры программированного обучения, должны быть обобщающие фрагменты.

В состав типового фрагмента АУК могут входить его название, информационный блок, блоки упражнений и комментариев к ним.

Информационный блок (ИБ) содержит теоретический материал, изложенный на заданном для рассматриваемого УЭ уровне представления .

Блок упражнений типового фрагмента АУК должен содержать упражнения по каждому уровню усвоения от до . Для каждого уровня необходимо не менее 2-5 упражнений, чтобы обеспечить усвоение с .

Различают тренирующие и контрольные упражнения. Первые используют для осмысления и закрепления информации, с которой учащийся знакомится на лекции, в учебнике, в информационном блоке АУК, вторые - для диагностики и измерения , , , в начале и в конце работы учащегося с АУК. Тренирующие упражнения неразрывно связаны с комментариями, являющимися информацией обратной связи. Упражнения, не сопровождаемые внутренней ОС, являются контрольными.

Блок комментариев может содержать различные виды информации внутренней ОС для реакций на действия учащихся при выполнении упражнений - от простейших (верно, неверно, неточно) до подробных разъяснений типовых ошибок. Нередко в комментариях используют соответствующие страницы или набор страниц информационного блока.

2.2.5 Тесты

При проектировании АУК значительная часть работы приходится на создание тестов. Они используются в тренирующих и контрольных упражнениях. Тренирующее упражнение - это тест, обязательно сопровождаемый внутренней ОС. Контрольное упражнение - это тоже тест, но уже не сопровождаемый внутренней ОС. Различают тесты для оценки качеств личности, умственных способностей, специальных способностей, тесты достижений. Будем рассматривать только тесты достижений.

Структура теста: Тест = задание + эталон.

2.3 Международные стандарты

Основой международных процедур структуризации учебных материалов ныне является стандарты SCORM (The Shamble Content Object Reference Model) [1,2]

Одна из базовых моделей SCORM - это составление электронных образовательных ресурсов из блоков учебного материала, называемых совместно используемыми объектами содержания (Sharable Content Objects - SCOs). К таким объектам могут быть отнесены локальные в смысловом содержании фрагменты текста, графические иллюстрации, компьютерные программы и т. д.

SCORM не накладывает ограничений на размер SCOs и конкретное учебное время работы с ними. Вместе с тем предполагается, что объект представляет относительно небольшую часть содержания изучаемого учебного материала.

Согласно [3] разработчик содержания должен определить размер SCO, основываясь, во-первых, на объёме информации, необходимом для достижения учебного результата, и, во-вторых, на степени многократного совместного использования, которую разработчик хочет получить.

Разработчик учебных материалов, используя метаданные о SCOs, отыскивают подходящие объекты и компонует из различных SCOs их агрегации в виде электронных учебных пособий. Мы сформировали электронный модуль для обучения дискретной математике выделили и выделили различные SCOs, образующие совместно целостные содержания учебных материалов, отражающих как теоретическую, так и практическую части. В настоящее время действует версия SCORM-4, в которую включены в качестве характеристик SCOs дидактические цели.

В своих исследованиях мы использовали методику построения модулей содержания электронных образовательных ресурсов [3], базирующихся на древовидных ориентированных графах. Предлагаемый в [3] подход к моделированию содержания хорошо согласуются с международными спецификациями электронного обучения SCORM, дополняя их целевыми пользователями, алгоритмы дидактического проектирования и анализа учебных материалов для изучения. Совокупность УЭ представляют в виде структурной схемы, которую называют графом содержания (ГС) учебного материала. Узлами (вершинами) графа являются УЭ, рёбрами - иерархические связи между ними.

Понятие УЭ и представление структуры учебного материала в виде ГС эквивалентны соответственно понятию SCO_S и их агрегациям в SCORM.

Как рассматривалось выше, на всех этапах данной исследовательской работы, проводилось анкетирование студентов, причём разных курсов. В анкетах содержатся наименования всех учебных элементов, они в основном совпадают с заголовками в курсе лекций (в методическом пособии). Самой объёмной является форма анкет, предоставляемых для заполнения студентам 2-го курса, которые только что закончили изучение предмета. В соответствии с этой анкетой и строились ГС по главам.

Параллельно с построением ГС составляем спецификации УЭ, в которые вносятся наименования УЭ. После структурирования и отборка содержания учебного материала по уровню усвоения б(б Є0,1,2,3,4), уровню представления в (в Є1,2,3,4) и уровню осознанности г (г Є1,2,3) учебного материала, которые включены в спецификацию УЭ.

При этом по каждому показателю заполняют одну или две колонки таблицы УЭ. В первой, не всегда включаемой в спецификацию, колонке указывают «Стартовое» значение показателя (предполагаемый уровень после обучения s), во второй, обязательный для включения в спецификацию колонке - «Финишное» значение показателя (требуемый уровень после изучения f).

Совокупность ГС и спецификаций УЭ называют моделью содержания.

Российская школа дидактики имеет опережающий опыт исследование в сфере структуризации учебных материалов. Наиболее известные в этом плане дидактические разработки В. П. Беспалько [10] и Е. Л. Белкина [4], интересными и содержательными являются подходы, изложения в статьях и пособиях Соловова А.В.

Поскольку в [3] разработки адаптированы и развиты применительно к проектированию электронных образовательных ресурсов (ЭОР). Предлагаемые в работах [3-5] модели структуризации учебных материалов адекватны базовым концепциям SCORM и дополняют их в плане дидактического целеполагания SCO_s.

В [3] дается математическое обоснование моделей структуризации [3-5], рассматриваются свойства и вводятся интегральные характеристики этих моделей, позволяющие проводить дидактический анализ и строить автоматизированные процедуры проектирования структуры учебного материала.

Уже на начальных этапах данной исследовательской работы мы попытались представить графически (в виде графов) содержание материала учебной дисциплины «Дискретная математика», содержание практической части, связь данной дисциплины с предметами - предшественниками и предметами - приемниками.

В последующих версиях электронных учебников эти графы размещаются практически на первых страницах, т.е. язык теории графов (это важная часть дискретной математики) самым наглядным образом иллюстрируют общую картину по данному предмету, т.е. начинаем изучение дискретной математики с использования самого наглядного ее средства - графа.

Модель содержания

Учебный материал разделен на три части, каждая из которых содержит элементы целых наук: теории множеств, теории графов, алгебры логики. Планируемый для изучения учебный материал разбит на отдельные учебные элементы (УЭ). Под УЭ понимают объекты, явления, понятия, методы деятельности, отображения из соответствующей науки и внесения в программу учебной дисциплины или разделы учебной дисциплины.

2.4 Иерархические структуры как основа создания электронных средств обучения

Проведенные научные исследования показывают, что спектр применения иерархических систем понятий, представленных в электронном виде, в различных областях педагогики чрезвычайно широк. Подобные иерархии могут быть основой как методической системы первоначального обучения программированию в школьном или вузовском курсе информатики, так и различных методик компьютеризированного обучения, основанных на творческом конструировании и обработке электронных иерархий самими учащимися [4]. Обширной областью применения электронных иерархий могут стать разработка и эксплуатация электронных средств обучения, которым в современной педагогике уделяется пристальное внимание.

Сформированные подобным путем системы понятий и межпонятийных связей - тезаурусы - должны стать своеобразным сырьем для последующего построения электронных иерархических структур и их обработки с целью автоматизированного построения электронных средств обучения.

Тезаурус можно представить с помощью графа, вершинами которого являются понятия, а ребрами - межпонятийные связи. Однако, как показывает практика, графы с; циклами (т. е. наличием в графе пути по ребрам от вершины к самой себе) не являются} идеальной структурой для построения электронных версий тезаурусов, их обработки, а тем более для создания каких бы то ни было; средств обучения.

Основой представления данных в системе служит электронная иерархическая древовидная структура: для каждой образовательной области строится специальное дерево (иерархия), отражающее структуру и подчиненность понятий данной области. Пользователю предоставлены все необходимые средства для построения и редактирования иерархии понятий.

Важной особенностью описываемого средства работы с иерархическими структурами является возможность скрытия поддеревьев на экране. Примечательно, что в отличие от простого линейного текста в иерархической системе понятий скрытыми могут оказаться только замкнутые по смыслу совокупности вершин. За счет скрытий улучшается обозримость структуры обрабатываемой образовательной области без смысловых потерь, появляется возможность отдельного рассмотрения иерархических срезов. Как следствие, повышается удобство конструирования средств обучения.

Подводя итог, отметим, что разработка специализированных инструментальных средств компоновки и обработки иерархических структур приводит к частичной автоматизации процессов отбора и формирования содержания электронных средств обучения. В свою очередь, электронные средства обучения, основанные на иерархических структурах, обладают целым рядом преимуществ педагогического характера. Оба указанных фактора свидетельствуют о достаточно высокой степени целесообразности базирования электронных средств обучения на иерархиях понятий образовательной области.

2.5 Создание многомерного электронного учебника

Актуальность создания самоадаптивного электронного учебника обусловлена текущим положением в области разработки электронных учебных средств. Имеется большое количество электронных учебников с жестко заданным алгоритмом обучения, не учитывающим психологических и интеллектуальных возможностей обучающихся.

Повышение эффективности применения электронных учебных средств возможно путем создания информационно-логической структуры n-мерного электронного учебника, адаптивного к уровню знаний обучающегося и автоматического синтеза алгоритма обучения, обеспечивающего наибольший эффект усвоения учебного материала. Здесь п - количество уровней представления учебного материала, например: низкий, средний, высокий. Каждый уровень представления рассчитан на определенный исходный уровень знаний обучающегося. Таким образом, в зависимости от уровня знаний обучающегося по различным темам учебного курса синтезируется алгоритм обучения, представляющий собой последовательность изложения учебного материала различного уровня сложности.

При решении первой и четвертой задач исследования необходимо включение в состав электронного учебника автоматизированного рабочего места преподавателя.

Понятие n-мерного электронного учебника. Необходимый минимум знаний при сохранении единого образовательного стандарта по предмету может обеспечиваться при разных способах и даже разной последовательности изложения учебного материала [4].

Структура n-мерного электронного учебника для произвольного учебного курса представлена на рисунок 11. В соответствии с государственным образовательным стандартом учебный курс разбивается на дидактические единицы D₁ D₂,..., D_k,..., D_т (где ), каждая из которых, в свою очередь, представлена конечным множеством тем , ,..., , …, (где ), минимальных по объему, но цельных по со держанию.

Рисунок 10 - Структура n-мерного электронного учебника для произвольного учебного курса

Рассмотрим структуру дидактической единицы в n-мерном электронном учебнике. Каждая i-я тема может иметь несколько уровней представления учебного материала, рассчитанных на различный уровень знаний обучающихся. Дидактическая единица D_к представляется в виде куба возможных траекторий освоения учебного материала. В качестве модели представления уровня знаний обучающихся введем лингвистическую переменную, терм-множество которой определим следующим образом: нулевой; ниже среднего; средний; выше среднего; отличный. Соответствие между уровнем знаний обучающегося и уровнем представления учебного материала определим как функцию f(уровень знаний):

На рисунке 10 выделен уровень II представления учебного материала, рассчитанный на обучающихся, имеющих уровень знаний по данному учебному курсу ниже среднего. Рассмотрим следующие плоскости дидактической единицы D_к: Х0Z, ХОУ, У0Z, ХZ₅У.

Заключение

Данная квалификационная работа носит исследовательский характер. В ходе выполнения работы были собраны и изучены материалы из различных источников, широкий круг вопросов, начиная от классических подходов к методике преподавания в высшей школе, истории внедрения компьютеров в учебный процесс, подробно рассмотрен вопрос программированного обучения и создания автоматизированных обучающих систем.

Последние годы роль электронных изданий, внедряемых в учебный процесс, непрерывно возрастает. Педагоги, учёные уделяют большое внимание процессу создания электронных учебников, но единые методики, которые были бы эффективными при их создании, не выработаны. В настоящее время создано много электронных оболочек, программ, предоставляющих широкие возможности разработчикам электронных образовательных ресурсов.

На кафедре ВТИТ в ходе дипломного проектирования созданы первые версии электронных учебников по математическим дисциплинам. Заслуживающими внимания, на мой взгляд, являются концепции построения и применения системы Комплексов Автоматизированных Дидактических Средств (КАДИС) [6-9], которые могут быть полезными при совершенствовании этих пособий. Типовой комплекс системы КАДИС состоит из учебного пособия, автоматизированных учебных курсов (АУК), тренажеров и учебных пакетов прикладных программ (ППП).