Разработка алгоритмов и программных средств для построения компетентностно-ориентированных моделей в обучающих интегрированных экспертных системах

И, наконец, анализ методов построения модели обучения М2 показал необходимость соответствующей модификации алгоритмов планирования текущей стратегии обучения учитывая выявленный текущий уровень компетенций обучаемого.

Поэтому необходимо развить вышеперечисленные модели М1, Ме и М2 до уровня компетентностно-ориентированных моделей, т.е. связать их с моделью целевых компетенций, которая представлена в следующем виде:

Ke = <K, CK> - модель целевых компетенций, где K = {K_i}, i = 1,...,b - множество целевых компетенций, причем K_i = <N_Сi, S_i>, где N_Сi - название, а S_i - код компетенции K_i, а CK = {CK_i}, i = 1,…,c - множество иерархических связей между компетенциями, при этом CK_i = <Kk_i, Kl_i>, где Kk_i - компетенция-родитель из совокупности K, а Kl_i - дочерняя компетенция из совокупности К, k = 1,…,d, l = 1,…,e;

RK = {RK_i}, RK_m = <Vk_i, Klj, Wc_ij> m = 1,...,f - множество связей элементов курса/дисциплины и компетенций, где Vk_i - элемент множества Ve, Kl_j - элемент множества Ke, Wc_ij - весовой коэффициент компетенции Kl_j, соответствующий элементу курса/дисциплины Vk_i.

На Рис. 10. представлен фрагмент графа модели целевых компетенций.

Связь между моделью целевых компетенций и онтологией курса реализуется путем добавления определенного весового коэффициента между каждой компетенцией выбранной модели и каждым элементом онтологии выбранного курса.

Вследствие внедрения новых компетентносто-ориентированных образовательных программ нужно оценивать текущий уровень компетенций обучаемого, в результате чего появилась необходимость расширения текущей модели обучаемого М1 и добавления в нее новых элементов.

Рис. 10. Фрагмент графа модели целевых компетенций.

Средствами построения модели обучаемого М1 поддерживается М1^зн_тек, которая представляет собой ориентированный граф следующего вида:

М1^зн_тек =<V, U>, где

V=<V¹,V²> - множество вершин, которые в свою очередь делятся на V¹={v¹₁,…,v¹_n} - множество изучаемых понятий, n - количество изучаемых понятий, элемент v¹_i= <N,T,W,K_текi>, i =1,…,n, где N - изучаемое понятие; Т=(0,1), принимает значения знает/не знает; W=(0,..,10) - вес вершины; K_текi = <N_Сij,W^нач_Cij, W^кон_Сij>, i = 1,…, ; j=1,…,k, - множество выявленных компетенций, k - количество компетенций, соответствующих курсу, N_Сij = {n_C1,…,n_Ck} - множество названий компетенций, соответствующих курсу; W^нач_Cij = {w^нач_C1,…,w^нач_Ck} - множество сбалансированных эталонных значений весовых коэффициентов компетенций; W^кон_Сij={w^кон_C1,…,w^кон_Ck} - множество выявленных компетенций обучаемого;

V²={v²₁,…v²_m} - множество умений, относящихся к данной модели, m - количество соответствующих умений, элемент v²_j= <N,T,W>, j=1,…,m, где N - изучаемое умение; Т=(0,1), принимает значения умеет/не умеет; W=(0,..,10) - вес вершины;

U={uj}=<V_k, V_l, R>, j=1,…,m - множество связей между вершинами, где V_k - родительская вершина; V_l - дочерняя вершина; R={R_z} - тип связи, z=1,…,Z ( R₁ - связь типа «часть-целое» (агрегация); R₂ - связь типа «ассоциация»; R₃ - «слабая» связь).

Ниже представлены алгоритмы реализации модифицированных средств.

2.1.1 Алгоритм формирования модели целевых компетенций

Основываясь на выбранной модели целевых компетенций, процесс формирования Ке можно представить в виде следующей последовательности действий (алгоритм представлен на Рис.11.):

Шаг 1. Начало.

Шаг 2. Если необходимо редактировать ранее созданную модель компетенции, то Шаг 3, если необходимо создать новую модель, то Шаг 7.



Рис. 11. Алгоритм формирования модели целевых компетенций.

Шаг 3. Выбор модели компетенций из списка.

Шаг 4. Выбор компетенции из списка целевых компетенций

Шаг 5. Если необходимо редактировать название компетенции, то Шаг 6, иначе Шаг 7.

Шаг 6. Редактирование названия компетенции.

Шаг 7 . Если необходимо редактировать уровень иерархии, то Шаг 8, иначе Шаг 2.

Шаг 8. Выбор компетенции-родителя.

Шаг 9. Если необходимо создать новую модель компетенций, то Шаг 10, иначе Шаг 15.

Шаг 10. Ввод имени новой модели целевых компетенций

Шаг 11.. Если необходимо добавить новую компетенцию в модель целевых компетенций, то Шаг 12, если нет, то Шаг 2.

Шаг 12. Ввод имени новой компетенции компетенций.

Шаг 13. Если необходимо изменить уровень иерархии, то Шаг 14, иначе Шаг 11.

Шаг 14. Выбор компетенции-родителя

Шаг 15. Конец.

2.1.2 Алгоритм выявления связей между элементами курса и компетенциями

Алгоритм выявления связей между элементами курса и компетенциями позволяет поставить в соответствие каждому элементу курса/дисциплины соответствующую компетенцию. Блок-схема алгоритма, выявления связей между элементами курса и компетенциями приведена на Рис.12.

Шаг 1. Начало.

Шаг 2. Просмотреть список курсов/дисциплин.

Шаг 3. Выбор интересующего курса из списка курсов/дисциплин.

Шаг 4. Если необходимо поставить в соответствие элементу курса/дисциплины компетенцию, то перейти к Шагу 5, если нет, то Шаг 10.

Шаг 5. Выбор уровня иерархии элементов курсов/дисциплин.

Шаг 6. Выбор элемента курса/дисциплины, который необходимо связать с компетенцией.

Шаг 7. Просмотр списка компетенций соответствующих модели целевых компетенций для выбранного курса.



Рис.12. Алгоритм выявления связей между элементами курса и компетенциями

Шаг 8. Выбор целевой компетенции из списка

Шаг 9. Фиксация связи элемента курса/дисциплины с выбранной целевой компетенцией.

Шаг 10. Конец

Рассмотрим конкретный пример. Для некоторых курсов, входящих в специализацию «Интеллектуальные системы и технологии» в таблице 1 описаны компетенции, предусмотренные министерством образования и науки Российской Федерации (Государственные стандарты третьего поколения).

Таблица 1. Список компетенций, соответствующих некоторым структурам курса/дисциплин

Наименование структуры курса/дисциплины	Шифр соответ. компетенции	Расшифровка
Базы дан. и экс. системы (введение в искус. интеллект)	ОК-13	Сп. работать в коллективе и использовать нормативные правовые документы в своей деятельности
	ОК-14	Способность использовать в научной и познавательной деятельности, а также в социальной сфере профессиональные навыки работы с информационными и компьютерными технологиями
	ОК-15	Способность работы с информацией из различных источников, включая сетевые ресурсы сети Интернет, для решения профессиональных и социальных задач
	ОК-16	Способность к интеллектуальному, культурному, нравственному, физическому и профессиональному саморазвитию, стремление к повышению своей квалификации и мастерства
	ПК-3	Способность демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой
Интеллектуальные диалоговые системы	ПК-2	Способность приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии
	ПК-19	Способность решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования
Дин. интеллек. системы	ПК-3	Спос. углуб. анализа проблем, пост. и об. задач научной и проектно-технологической деятельности
Проектирование кибернетических систем, основанных на знаниях	ПК-6.	Способностью организовывать процессы корпоративного обучения на основе технологий электронного и мобильного обучения и развития корпоративных баз знаний.
	ПК-9.	Спос. разрабатывать учебно-методические комплексы для электронного и мобильного обучения.
	ПК-14.	Способность реализации решений, направленных на поддержку социально-значимых проектов, на повышение элек. грамотности населения, обеспечения общедоступности информационных услуг.

Преподавателю необходимо сопоставить структуру курса/дисциплины с конкретной моделью компетенций, а именно требуется оценить для каждого элемента структуры курса/дисциплины весовой коэффициент, соответствующий каждой компетенции, предусмотренной программой. Весовой коэффициент компетенции Kрk - это некий процент компетенции, который, по мнению преподавателя, может быть усвоен студентом в результате прослушивания конкретной темы. Примеры данного ранжирования для конкретных курсов приведены в Приложении.

2.2 Алгоритм выявления текущего уровня компетенций обучаемого

Развитием базовых алгоритмов и программных средств поддержки построения модели обучаемого в контексте компетентностно-ориентированного подхода актуализировало необходимость разработки алгоритма для оценивания компетенции обучаемого, позволяющего выявить текущий уровень компетенции обучаемого во время прохождения тестирования.

2.2.1 Алгоритм расчета сбалансированных весовых коэффициентов компетенций

Для формировании модели обучаемого М1 используется эталон Ме, с которым сравниваются полученные на этапе построения M1 результаты. Сравнение происходит путем отображения текущей модели М1 на Ме, фактически происходит следующие действия: сравнение М1 и Ме; анализ результата сравнения и формирование списка компетенций и «проблемных» тем обучаемого. Весовой коэффициент компетенции Wc_i - это некий процент компетенции, который, по мнению преподавателя, может быть усвоен студентом в результате прослушивания конкретной темы. Поскольку курс сбалансирован, т.е. после его прослушивания студент должен в полной мере обладать каждой из приписанных компетенций (происходит 100% покрытие), необходимо преобразование весов компетенций уже относительно всего курса в целом, а не отдельной темы. На Рис. 13 представлен алгоритм вычисления сбалансированных весовых коэффициентов компетенций.

Шаг 1. Начало.

Шаг 2. Получение базы данных весовых коэффициентов Wc_ij компетенций для каждого элемента структуры курса/дисциплины.

Шаг 3. Запись полученных данных в массивы Xk таким образом, что в каждый массив заносятся значения компетенции нужного курса.

Шаг 4. Вычисление новых весовых коэффициентов компетенций относительно всего курса в целом: поскольку ? Wc_ij = 100%, отсюда вычисляется W^нач_Cij = Wc_ij / ?_i Wc_ij, где W^нач_Cij - сбалансированный весовой коэффициент. Шаг 5. Создание нового массива Yp для каждого элемента структуры курса, куда вносятся уже соответствующие сбалансированные весовые коэффициенты компетенций.

Шаг 6. Конец.

Рис. 13. Алгоритм вычисления сбалансированных весовых коэффициентов компетенций

2.2.2 Алгоритм реализации метода оценивания текущего уровня компетенции обучаемого

На Рис. 14 показан алгоритм, реализующий метод оценивания текущего уровня компетенции обучаемого.

Шаг 1. Начало.

Шаг 2. Получение выборки результатов выявления уровня знаний обучаемого (т.е. набранный за каждую тему балл с учетом уровня сложности) SQL-запросом из базы данных

Шаг 3. Запись полученных значений в массив quei.

Шаг 4. SQL - запросом из базы данных получаем выборку возможных максимальных результатов (т.е. максимальный возможный за каждую тему балл с учетом уровня сложности).

Шаг 5. Полученные значения заносятся в массив que?i.

Шаг 6. Сравнение уровня знаний обучаемого с эталонной моделью:
ti = quei / que?i.

Шаг 7. Запись полученных отношений в массив.

Шаг 8. Вычисление значения каждой компетенции обучаемого:

W^кон_Сij = tp * W^нач_Cij

Шаг 9. Сохранение полученных данных в массиве tij

Шаг 10. Вычисление итоговых значений компетенции обучаемого:

W^кон_Сj = ?_j W^кон_Сij,

где W^кон_Сj - это итоговая оценка каждой компетенции обучаемого.

Шаг 11. Конец.



Рис. 14. Алгоритм метода оценивания текущего уровня компетенции обучаемого

Данные, полученные в ходе компьютерного тестирования обучаемого (а именно выявленные проблемные зоны и текущий уровень компетенции), необходимы для дальнейшего построения стратегии (плана) обучения.

Подробная методика оценивания компьютерного тестирования обучаемых содержится в Приложении.

2.2.3 Формирование модели обучения с учетом компетентностно - ориентированного подхода

Модель обучаемого М2 содержит знания о планировании и организации (проектировании) процесса обучения, общих и частных методиках обучения, и включает следующие компоненты:

· совокупность моделей М1 и Ме;

· совокупность стратегий обучения и обучающих воздействий;

· функцию выбора стратегий обучения или генерации стратегий обучения в зависимости от входной модели М1 (для адаптивной модели М2).

Управление обучением осуществляется на основе некоторого плана, который либо выбирается из библиотеки планов (стратегий обучения), либо генерируется автоматически на основе параметров М1, полученных непосредственно в ходе выявления уровня текущих знаний, умений и уровня компетенций обучаемого. Каждая стратегия обучения состоит из определенной последовательности учебных воздействий, которые зависят от выявленных данных. В качестве учебных воздействий могут быть: комментарии, тестовые задачи, тренинг с ЭС, объяснения полученных результатов, фрагмент ГТ, подсказка, локализация ошибочных действий, контроль правильности решения и др.

Каждая стратегия обучения характеризуется своим набором и порядком применения учебных воздействий, содержание которых определяется степенью конкретизации поставленной задачи, зависящей от уровня знаний и умений, текущего уровня компетенций обучаемого, его психологического портрета, т.е. от модели Ml. Функция выбора стратегии обучения обеспечивает настройку на соответствующую стратегию обучения в зависимости от состояния модели М1, а входными параметрами для этой функции являются: начальный уровень знаний и умений обучаемого, а также тип сценария диалога, зависящий от уровня знаний, умений и компетенций обучаемого, а также вида учебного материала.

2.2.4 Алгоритм планирования текущей стратегии обучения с учетом текущего уровня компетенций обучаемого

Решение задачи планирования состоит из двух этапов: составление плана и его выполнение. Общий алгоритм формирования текущего плана обучения отражает последовательность основных шагов, выполняемых программным средством формирования плана обучения (Рис. 15).

Общие принципы алгоритма: производится последовательный обход вершин графа М1^тек, которые расположены на втором уровне элементов дерева, т.е. являются темами курса (корневой вершины). Для каждой вершины проводится сначала анализ оценки за тему, по результатам которого формируется подмножество обучающих воздействий.

На следующем шаге в это множество добавляются те обучающие воздействия, которые необходимо включить в стратегию по результатам анализа расстановки обучаемым связей между элементами курса.

Также проводится анализ оценки по текущим компетенциям обучаемого, после чего добавляются темы с наиболее высокими весовыми коэффициентами компетенций.

После этого при необходимости производится анализ характеристик психологического портрета личности обучаемого, по результатам которого определяется предпочтительный вид обучающего воздействия, и происходит окончательное формирование множества обучающих воздействий по теме v_i, наиболее близко соответствующих его уровню знаний и психологическому портрету.

Далее выбирается новый элемент v_i, и все шаги повторяются. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будут просмотрены все вершины текущей модели обучаемого М1^тек.

На последнем шаге сформированная стратегия обучения, содержащая подмножество обучающих воздействий, проверяется на избыточность, т.е. если присутствуют повторяющиеся элементы, то они удаляются.

Описание шагов алгоритма (рис. 15):

Шаг 1. Начало

Шаг 2. Сформировать массив из вершин графа М1^тек, которые являются темами, упорядоченный в соответствие с номерами вершин в Ме.

Шаг 3. Если массив не пуст, то выбрать первый элемент массива v₁ = v[1], иначе перейти на шаг 8.

Шаг 4. Применить алгоритм анализа оценки за выбранный элемент v₁.

Шаг 5. Применить алгоритм анализа правильности расстановки связей с выбранным элементом v1.

Шаг 6. Если нужно учитывать характеристики психологического портрета личности обучаемого, то применить алгоритм анализа характеристик психологического портрета личности, получить в результате рекомендуемый вид обучающего воздействия.

Шаг 7. Применить алгоритм учета текущего уровня компетенций обучаемого.

Шаг 8. Сформировать массив обучающих воздействий по теме v1, элементы которого добавить к множеству элементов текущей стратегии обучения.

Шаг 9. Удалить элемент v1 из массива. Перейти на шаг 2.

Шаг 10. К множеству элементов текущей стратегии обучения применить алгоритм проверки на избыточность.

Шаг 11. Конец.

Рис. 15. Алгоритм общего алгоритма формирования текущей стратегии обучения

2.2.5 Алгоритм учета компетенций при построении плана (стратегии) обучения

Алгоритм ориентирован на анализ процентного соответствия выявленного уровня компетенций обучаемого и модели целевых компетенций. Алгоритм ориентирован на определение приоритетов для проблемных тем при составлении плана обучения.

Описание шагов алгоритма (Рис. 16).

Шаг 1. Начало.

Шаг 2. Извлечь из БД результаты сравнения MK^тек , Ke.

Шаг 3. Сформировать набор проблемных тем, связанных с компетенциями.

Шаг 4. Если проблемных тем нет, перейти на Шаг 7.

Шаг 5. Упорядочить набор тем согласно весовому коэффициенту соответствующей компетенции.

Шаг 6. Сохранить стратегию в БД.

Шаг 7. Конец.

Рис. 16. Алгоритм учета компетенций при построении плана обучения.

Описанные в данном разделе алгоритмы позволяют преподавателю строить курс с учетом целевых компетенций, в дальнейшем выявлять уровень текущих компетенций обучаемого и составлять индивидуальный план обучения с учитывая полученные результаты, что в дальнейшем позволит улучшить качество образования будущих специалистов.

3. Проектирование и программная реализация отдельных компонентов на основе компетентностно-ориентированных моделей

Базовые требования к новым и модифицированным средствам комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ приведены в Приложении, поэтому ниже рассматриваются только функциональные требования к модифицированным компонентам, а именно компоненту формирования модели целевых компетенций, компоненту выявления текущего уровня компетенций обучаемого, компоненту построения текущей стратегии обучения с учетом выявленного уровня компетенции обучаемого.

Далее последовательно рассмотрим каждый из вышеперечисленных компонентов.

3.1 Функциональные требований к модифицированным средствам.

3.1.1 Функциональные требования в компоненту формирования модели целевых компетенций

Добавление новой функциональности компоненту формирования модели целевых компетенций функционирующего в составе средств построения онтологии курса/дисциплины заключалось в реализации следующих возможностей:

1. Формирование различных целевых компетенций.

2. Выбор списка целевых компетенций для определенной дисциплины.

3. Возможность редактирования списка целевых компетенций.

3.1. Добавление новой компетенции.

3.2. Удаление существующей компетенции.

3.3. Изменение иерархической структуры модели целевых компетенций.

4. Обеспечение связи между целевыми компетенциями и элементами курса/дисциплины:

4.1. Связь компетенции с каждым элементом курса/дисциплины.

4.2. Присвоение соответствующего весового коэффициента компетенции для каждого элемента курса/дисциплины (весовой коэффициент принадлежать интервалу от 0 до 1).

4.3. Возможность изменения весового коэффициента.

3.1.2 Функциональные требования в компоненту выявления текущего уровня компетенций обучаемого

Добавление новой функциональности к компоненту выявления текущего уровня компетенций обучаемого, функционирующего в составе средств построения модели обучаемого заключалось в реализации следующих возможностей:

1. Обработка весовых коэффициентов компетенций для каждого курса/дисциплины и приведение их сбалансированному виду в соответствии с п. 2.2.1..

2. Обработка данных текущей модели обучаемого об уровне знаний для дальнейшего расчета.

3. Вывод полученных значений компетенций в итоговые отчеты.

3.1.3 Функциональные требования в компоненту формирования текущей стратегии обучения с учетом выявленного уровня компетенций обучаемого

Добавление новой функциональности к компоненту формирования текущей стратегии обучения функционирующего в составе средств построения модели обучения заключалось в реализации следующих возможностей:

1. Обработка данных текущей модели обучаемого об уровне знаний, умений и компетенций обучаемого.

2. Представление компетенций и их коэффициентов обучаемому и преподавателю.

3. Формирование множества всего спектра обучающих воздействий с учетом выявленного текущего уровня компетенций обучаемого.

3.2 Описание архитектуры модифицированных средств

В процессе модификации средств построения онтологии курса/дисциплин, архитектура средств не изменялась. Были модифицированы только функциональные возможности входящих в нее компонентов, а именно компонент формирования модели целевых компетенций и компонент выбора для каждого элемента онтологии курса/дисциплины соответствующей ему компетенции. Архитектура компонента формирования модели целевых компетенций представлена на Рис. 17. В состав архитектуры входят: модуль формирования/редактирования структуры модели компетенций, модуль определения моделей целевых компетенций.

Рис. 17. Архитектура компонента формирования модели целевых компетенций

В процессе функционирования компонента формируется модель целевых компетенций, т.е. структурированный набор компетенций. Модуль формирования/редактирования структуры модели компетенций.

Модуль сохраняет в БД добавленные преподавателем компетенции, связи между компетенциями, удаляет связи между компетенциями, названия компетенций, отображает преподавателю иерархию редактируемой модели компетенций.

Модуль определения моделей целевых компетенций. Определяет текущего преподавателя, определяет созданными им ранее компетенции, отображает в виде списка найденные модели.

3.2.1 Архитектура компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого

Модифицированная архитектура средств построения модели обучаемого представлена на Рис. 18.

Отличительной особенностью модифицированных от базовых, приведённых в пункте 1.2.2., средств построения модели обучаемого является наличие компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого.



Рис. 18. Модифицированная архитектура средств построения модели обучаемого

Компонент выявления текущего уровня компетенций обучаемого. Данный компонент позволяет выявить текущий уровень компетенций обучаемого по результатам прохождения им контрольных тестирований.

Архитектура компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого показана на Рис. 19. В состав архитектуры входят: модуль определения целевых и текущих компетенций, модуль сравнения целевых и текущих компетенций, модуль формирования текущих компетенций.



Рис. 19. Архитектура компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого.

Компонент предназначен для автоматического заполнения массива текущих компетенций в соответствии с заданными на входе параметрами.. Данный компонент производит следующие действия: сравнение МK^tek на Kе; анализ результата сравнения и выявление текущего уровня компетенций обучаемого.

Модуль определения целевых и текущих компетенций. Модуль обращается к БД, из которой получает данные о модели обучаемого (текущий уровень знаний, текущий уровень умений, личностных характеристики обучаемого), эталонной модели курса.

Модуль сравнения целевых и текущих компетенций. Модуль обеспечивает сравнение модели текущих компетенций и модели целевых компетенций.

Модуль формирования текущих компетенций. Модуль осуществляет согласно заданным алгоритмам определение какими компетенциями из заданных в модели целевых компетенций обладает обучаемый, определяет насколько заполнена модель текущих компетенций обучаемого.

3.2.2 Архитектура средств построения модели обучения

В процессе модификации средств построения модели обучения, архитектура средств не изменялась. Были модифицированы функциональные возможности входящего в нее компонента формирования стратегий обучения с учетом текущего уровня компетенций обучаемого.

Архитектура компонента формирования стратегий обучения показана на Рис. 20. В состав архитектуры входят: модуль вызова алгоритма отображения M1^тек на Me. Ключевой блок компонента формирования индивидуальных стратегий обучения - анализ списка «проблемных зон», а сам список является результатом вызова вышеописанного компонента сравнения M1^тек и Me. При анализе списка «проблемных зон» происходит сопоставление зон и имеющихся для них обучающих воздействий. В итоге формируется и записывается в базу данных индивидуальный план обучения для каждого обучаемого.

Рис. 20. Архитектура компонента формирования стратегий обучения

Архитектура компонента формирования стратегий обучения включает в себя:

Модуль формирования упорядоченного множества «проблемных зон». Состав множества «проблемных зон» определяется в результате сравнения эталонной модели курса и модели обучаемого. Порядок следования элементов во множестве «проблемных зон» определяется двумя факторами: обязательными последовательностями изучения фрагментов учебного материала и результатом работы модуля учета текущего уровня компетенций обучаемого. При этом соблюдение условий первого фактора является обязательным.

Модуль учета текущего уровня компетенций обучаемого. Здесь осуществляется обращение к базе данных и определение текущего множества и уровня компетенций обучаемого. Далее, согласно реализованным в модуле алгоритмам, происходит определение того, какие «проблемные зоны» наиболее приоритетны для обучаемого.

Модуль формирования упорядоченного множества обучающих воздействий. Предназначен для получения данных о «проблемных зонах» обучаемого. Так же в этом модуле происходит определение с помощью вызова модуля получения и обработки данных об обучающих воздействиях, и то, какие обучающие воздействия какие «проблемные зоны» покрывают. Если «проблемная зона» в формируемом множестве обучающих воздействий покрыта достаточным образом, то на состав этого множества может влиять результат работы модуля учета психологического портрета личности при построении стратегий обучения.

3.3 Особенности программной реализации модифицированных средств

3.3.1 Объектная структура классов компонента построения модели целевых компетенций

На Рис. 21. приводится диаграмма классов, описывающая основные классы средств построения модели целевых компетенций и их взаимосвязь.

Рис. 21. Диаграмма классов модифицированных средств построения онтологии курса/дисциплины.

Краткое описание и назначение приведенных на диаграмме классов представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Краткое описание классов.

TEModel	Реализует общую логику управ. процессом пост. онтологии курса/дисц.
TQManager	отвечает за управление процессом формирования вопросов.
TQDB	содержит реализацию работы с базой данных компонента формирования вопросов к элементам курса/дисциплины
TQEditor	реализует функциональность редактора вопросов
TAMMR	реализует функц. компонента поддержки адап. метода реп. решеток.
TStructManager	реализует функц. модуля управления форм. онтологии курса/дисциплины
TStructBuilder	реализует функциональность редактора онтологии курса/дисциплины
TAStructBuilder	реализует функц. модуля автоматической генерации структуры курса/дисц. компонента построения онтологии курса/дисциплины
TStructDB	реализует функциональность модуля работы с базой данных, входящего в состав компонента построения онтологии курса/дисциплины
TQuestion	описывает вопрос
TCEditor	реализует функц. компонента формирования целевых компетенций
TECEditor	реализует функциональность компонента выбора для каждого элемента структуры курса/дисц. соответствующей ему компетенции, входящего в состав средств построения эталонной модели курса/дисциплины
TElement	описывает элемент структуры курса/дисциплины
TCompetence	описывает компетенцию

3.3.2 Структура классов компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого

Диаграмма классов компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого приведена на Рис. 22.

Рис. 22. Диаграмма классов компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого.

Краткое описание и назначение приведенных на диаграмме классов представлены в Таблице 3.

Таблица 3. Краткое описание классов.

CoWebATppl	обеспечивает общее управление функционированием компонента, предоставляет интерфейс для взаимод. с другими компонентами комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ
TTester	реализует функциональность модуля проведения тестирования
TDataKeeper	реализует функциональность модуля хранения данных проведенных тестирований
TQueSelector	реализует функциональность модуля определения вопросов текущего теста
TResultMaker	реализует функциональность модуля обработки результатов
TTestBuilder	реализует функциональность модуля формирования составных

3.3.3 Структура классов компонента планирования стратегии обучения с учетом компетентностно-ориентированных моделей

Диаграмма классов компонента планирования стратегии обучения с учетом компетентностно-ориентированных моделей приведена на Рис. 23.

Рис. 23. Диаграмма классов компонента планирования стратегии обучения

Краткое описание и назначение приведенных на диаграмме классов представлено в Таблице 4.

Таблица4. Краткое описание классов.

CoWebATppl	обеспечивает общее управление функционированием компонента, оставляет интерфейс для взаим. с другими компонентами комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ
TStrategy	реализует механизм формирования стратегии обучения
TExstrat	реализует процесс выполнения стратегии обучения
TStatUI	реализует вспомогательные программные средства работы с результатами выполнения планов обучения

3.4 Тестирование разработанных программных компонентов

Тестирование модифицированного и разработанного программного обеспечения проводилась по методу черного ящика. При этом сначала был сформулирован тест-план для проверки корректности работы соответствующих компонентов, потом на основании данного плана было проведено тестирование и проанализированы результаты.

3.4.1 Тест-план для проверки функциональных возможностей компонента формирования модели целевых компетенций

Проверка функциональных возможностей компонента формирования модели целевых компетенций:

Задачи и цели тестирования

Основными целям является проверка функциональности программного средства

Тест требования:

1. Проверить функции добавления/удаления/редактирования названия компетенции.

2. Проверить функции добавления/удаления/редактирования весового коэффициента компетенции.

3. Проверить функции сохранения в БД созданной модели целевых компетенций.

Анализ результатов тестирования:

Результаты проверки функциональных возможностей редактора модели целевых компетенций:

1. В процессе тестирования были осуществлены попытки добавления/ удаления/ редактирования названия компетенции. Все попытки успешно осуществлены. Функции работают исправно.

2. В процессе тестирования были осуществлены попытки добавления/ удаления/ редактирования весового коэффициента компетенции. Все попытки успешно осуществлены. Функции работают исправно.

3. В процессе тестирования были осуществлены попытки сохранения в БД созданной модели целевых компетенций. Все попытки успешно осуществлены. Функции работают исправно.

3.4.2 Тест-план для проверки функциональных возможностей компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого

Проверка функциональных возможностей компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого:

Задачи и цели тестирования

Основными целям является проверка функциональности программного средства

Тест требования:

1. Проверить алгоритм сравнения модели текущих компетенций обучаемого и модели целевых компетенций. Сравнение должно проходить в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.2.1.

2. Проверить алгоритм выявления текущего уровня компетенций обучаемого. Формирования модели обучаемого должно проходить в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.2.2.

Анализ результатов тестирования:

Результаты проверки функциональных возможностей компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого:

1. В процессе проверки выяснилось, что алгоритм сравнения модели текущих компетенций обучаемого и модели целевых компетенций работает в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.2.1.

2. В процессе проверки выяснилось, что алгоритм выявления текущего уровня компетенций обучаемого работает в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.2.2.

3.4.3 Тест-план для проверки функциональных возможностей средств построения стратегии обучения с учетом компетентностно-ориентированных моделей

Проверка функциональных возможностей компонента выявления текущего уровня компетенций обучаемого:

Задачи и цели тестирования

Основными целям является проверка функциональности программного средства

Тест требования:

1. Проверить алгоритм планирования текущей стратегии обучения с учетом текущего уровня компетенций обучаемого. Сравнение должно проходить в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.3.1.

2. Проверить алгоритм учета компетенций при построении плана (стратегии) обучения. Формирования плана обучения должно проходить в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.3.2.

Анализ результатов тестирования:

Результаты проверки функциональных возможностей редактора модели целевых компетенций:

1. В процессе проверки выяснилось, что алгоритм планирования текущей стратегии обучения с учетом текущего уровня компетенций обучаемого работает в соответствии с алгоритмом, приведенным в п. 2.3.1

2. В процессе проверки выяснилось, что алгоритм учета компетенций при построении плана (стратегии) обучения работает в соответствии с алгоритмом, приведенным в п.2.3.2.

3.5 Сквозной пример функционирования модифицированных средств

Рассмотрим примеры функционирования модифицированных программных средств: средств построения онтологии курса (создание модели целевых компетенций и их связь с элементами курса дисциплины), средств построения модели обучаемого и средств построения модели обучения.

Формирование модели целевых компетенций. Результат выполнения данного этапа - отображение пользователю созданных им ранее моделей целевых компетенций, редактирование созданный, создание новых моделей, связывание компетенций со значениями личностных характеристик.

Результат выполнения данного этапа - отображение пользователю информации о созданных моделях, запись полученных данных в базу данных. На Рис. 24 - 25 даны примеры результат выполнения этапа. В окне создания списка целевых компетенций (Рис. 24) преподаватель может редактировать список компетенций, а именно добавить новую, удалить уже существующую или редактировать данные о ней. В окне «Информация о компетенции» возможно редактировать название компетенции, а также ее описание.

Рис. 24. Процесс создания списка целевых компетенций.



Рис. 25. Процесс добавление новой компетенции в список целевых компетенций

Выбор для каждого элемента онтологии курса/дисциплины соответствующей ему компетенции. Преподавателю необходимо составить список целевых компетенций, подходящих под его структуру его курса, оценить весовые коэффициенты для каждого элемента структуры курса и добавить эту информацию в общую структуру курса. На Рис. 26 - 27. показано окно редактирования данных о конкретном элементе иерархической структуры курса/дисциплины. При редактировании определенного элемента преподавателю предлагается выбрать из списка ранее созданных компетенций подходящую и присвоить ей определенный вес.

Рис. 26. Окно редактирования данных о конкретном элементе иерархической структуры курса/дисциплины



Рис.27. Окно добавления весового коэффициента компетенции.

Формирование текущей модели обучаемого. После прохождения обучаемым тестирования, преподаватель получает итоговый отчет или текущую модель обучаемого (Рис. 28) в которой содержатся полученный балл, выявленные в ходе тестирования проблемные зоны обучаемого, текущий уровень компетенции обучаемых за темы, которые входили в контрольное тестирование.

Построение индивидуальных планов (стратегий) обучения. На данном этапе используются результаты предыдущих этапов, а именно - сформированные модели обучаемых и эталонная модель курса. Результат выполнения данного этапа - формирование плана обучения, его запись в базу данных и отображение пользователю. В основе процесса построения плана обучения лежит операция сравнения компонентов текущей модели обучаемого и эталонной модели курса. На Рис. 29 дан пример результата построения плана обучения.

Рис. 28. Текущая модель обучаемого.



Рис. 29. Результат построения плана обучения.

Заключение

Целью данной работы являлась разработка алгоритмов и программных средств для построения компетентностно-ориентированных моделей в обучающих интегрированных экспертных системах.

В рамках дипломной работы был проведен анализ функциональных возможностей веб-версии подсистемы поддержки построения обучающих веб-ИЭС, анализ результатов использования обучающих веб-ИЭС по курсам «Введение в интеллектуальные системы», «Проектирования систем, основанных на знаниях», «Интеллектуальные диалоговые системы» в учебном процессе кафедры Кибернетики НИЯУ МИФИ, а также анализ возможности применения компетентносто-ориентированного подхода в обучающих ИЭС. Проведены описания модифицированных и разработанных алгоритмов для средств поддержки построения и реализации модели обучения с учетом компетентностно-ориентированных моделей, представлено описание их программной реализации.

Модифицированные и разработанные компоненты для подсистемы поддержки построения обучающих веб-ИЭС были реализованы с помощью веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ и прошли апробацию в учебном процессе НИЯУ МИФИ по объединенным курсам Рыбиной Г.В. «Базы данных и экспертные системы: введение в интеллектуальные системы», «Проектирование систем, основанных на знаниях», «Динамические интегрированные системы» и «Интеллектуальные диалоговые системы».

По теме дипломной работы сделаны публикации. Результаты разработки демонстрировались в рамках Международной летней школы-семинара по искусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы и технологии: современное состояние и перспективы» (ISyT' 2011) и научной сессии НИЯУ МИФИ-2012.

Список литературы

1. Рыбина Г.В. Теория и технология построения интегрированных экспертных систем.Монография. - М.: Научтехлитиздат, 2008. - 482 с.

2. Рыбина Г.В. Интегрированные экспертные системы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. №4. С. 22-47.

3. Рыбина Г.В. Современные подходы к реализации интеллектуального компьютерного обучения на основе разработки и использования обучающих интегрированных экспертных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №5. С.10-15.

4. Рыбина Г.В. Обучающие интегрированные экспертные системы: некоторые итоги и перспективы // Искусственный интеллект и принятие решений. 2008. №1. C.22-46.

5. Рыбина Г.В. Интеллектуальные обучающие системы на основе интегрированных экспертных систем: опыт разработки и использования // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011. №10. с.4-16.

6. Рыбина Г.В., О разработке и использовании обучающих интегрированных экспертных систем для вузовского обучения и подготовки персонала на промышленных предприятиях // XIV Научно-практическая конференция «Реижиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями. (РБП-СУЗ-2011). Материалы конференций. М.: МЭСИ, 2011. с. 247-250

7. Рыбина Г.В. Обучающие интегрированные экспертные системы: опыт и перспективы использования в современном компьютерном обучении // Одиннадцатая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием. (КИИ-2008). Труды конференции. - М.: ЛЕНАНД, 2008. T.2. C. 313-320.

8. Рыбина Г.В., Иващенко М.Г. Методы и программные средства интеллектуальной поддержки разработки интегрированных экспертных систем // Программные продукты и системы. 2006. №6. С. 21-27.

9. Болонский процесс: середина пути // Под науч. ред. В.И. Байденко. - М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов/Российский Новый Университет, 2005. - 379 C.

10. Шадриков В.Д. Новая модель специалиста: инновационная подготовка и компетентностный подход // Высшее образование сегодня. 2004. №8. с.26-31.

11. Лисицына Л. С. Теория и практика компетентностного обучения и аттестаций на основе сетевых информационных систем. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 147 с.

12. Зимняя И.А. Социально-профессиональная компетентность как целостный результат профессионального образования (идеализированная модель) // Труды методологического семинара «Россия в Болонском процессе: проблемы, задачи, перспективы». - М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2005.

13. Зайцева Л.В. Некоторые аспекты контроля знаний в дистанционном обучении // Сборник научных трудов 4-й международной конференции "Образование и виртуальность 2000" - Харьков - Севастополь: УАДО, 2000, - с. 126 - 131.Равен Дж. Компетентность в современном обществе: выявление, развитие и реализация. 2002 , - 396 C.

14. Звонников В.И. Челышкова М.Б. Контроль качества обучения при аттестации: компетентностный подход. // Учеб. пособие - М.: Университетская книга; Логос, 2009. - 272 c.

15. Стив Уиддет, Сара Холлифорд. Руководство по компетенциям. // Hippo, 2003. - 228 С.

16. Васильев В.Н., Лисицына Л.С. Концепция сетевой информационно-образовательной технологии для разработки результатов образования //Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2005. Вып. 23. «Высокие технологии в оптических и информационных системах». С.149-156.

17. Лисицына Л.С. Разработка содержания компетентностного обучения и аттестаций // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49. № 5. С. 61-68.

18. Виноградова Н.Ф. Модернизация начального образования и проблемы целеполагания // Доклады 4-й Всероссийской дистанционной августовской педагогической конференции “Обновление российской школы” (26 августа - 10 сентября 2002 г.).

19. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных и обучающих систем. // М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. 616 с.

20. Аскеров Э.М. Многокритериальная модель оценивания учебных достижений // Системы управления и информационные технологии. Воронеж. -2008. - Вып. 3(33). - С. 74-78.

21. Равен Дж. Компетентность в современном обществе: выявление, развитие, реализация/ Пер. с англ.- М.: Когнито-Центр, 2002.-396с.

22. Аскеров Э.М. Рудинский И.Д. О классификации моделей оценивания знаний // Международная научно-практическая конференция «Новые информационные технологии в образовании». - Екатеринбург. - 2007. - С. 92-93.

23. Рудинский И.Д. Основы формально-структурного моделирования систем обучения и автоматизация педагогического тестирования знаний. // -- М: Горячая линия - Телеком, 2004 - 204 с. ил.

24. Kouptsov O. and Tatur Y. Quality Assistance in Higher Education in the Russian Federation. // UNESCO, Bucharest. 2001.

25. Размещено на Allbest.ru