Кольцов А.С., Федорков Е.Д. Автоматизированные системы управления учебным процессом (учебное пособие)
Подождите немного. Документ загружается.
7. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
КОМПОНЕНТОВ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ
Процесс формирования основных компонентов
автоматизированных систем обучения и диагностики в целом,
и для сети Internet в частности, может быть представлен как
разработка совокупности взаимосвязанных объектов,
предназначенных для организации взаимодействия между
управляющим субъектом (преподавателем) и объектом
управления (студентами) в процессе обучения.
В этой связи материал данной главы посвящен вопросам
разработки структуры алгоритмического обеспечения
автоматизированного проектирования компонентов
компьютерных систем обучения и диагностики качества
знаний специалистов, вопросам организации взаимодействия
подсистем обучения и диагностики, основанном на принципе
объектно-ориентированного программирования и вопросам
организации объектной базы данных по студентам.
7.1. Организация взаимодействия подсистем обучения
и диагностики качества подготовки специалистов
Подсистемы компьютерного обучения и диагностики
качества знаний специалистов являются составными частями
общей системы автоматизации преподавательской
деятельности в рамках сети Internet (рис. 10). В качестве
основных элементов данной системы, с учетом предложенной
макромодели обучающей системы, представлены подсистемы:
компьютерного обучения, включающая ядро знаний,
окружение ядра и подсистему диагностики;
автоматизированного рабочего места преподавателя,
включающего подсистему формирования содержания
обучения.
101
Рис. 10. Организация взаимодействия подсистем
автоматизации преподавательской деятельности для сети
Internet
Из организации взаимодействия видно, что АРМ
преподавателя взаимодействует на информационном уровне с
ядром собственной автоматизированной системы обучения и
диагностики, при этом получает от нее результаты
диагностики знаний, как по самому ядру, так и по окружению
ядра. Последнее позволяет оценить знания не только
лекционного материала, но и оценить, в какой-то мере,
величину индивидуальной работы обучаемого. Преподаватель
также имеет возможность редактирования содержания
102
учебного материала и структуры, как ядра знаний, так и связей
ядра с окружением.
В основе разработки структуры организации
взаимодействия подсистем обучения и диагностики качества
подготовки специалистов лежит принцип объектного
программирования, обеспечивающий модификацию, удаление
и дополнение составных частей подсистем. При
использовании парадигмы объектно-ориентированного
программирования система представляется как совокупность
объектов, а не только как соответствующие структуры данных.
Объекты – это не только значения, например целые числа или
строки; в них также имеются методы, связывающие данные и
манипулирующие ими. При таком подходе данные передаются
в системе не в явном виде, а как сообщения от объектов и к
ним. Вместо того чтобы передавать данные в модуль, объекту
посылается некоторое сообщение, информирующее его о той
операции, которую нужно выполнить.
Другое полезное свойство объектно-ориентированного
программирования – инкапсуляция или возможность
эффективного изолирования данных и методов от остальных
объектов системы. Разработав при создании объекта
изолированные методы, можно забыть обо всех нюансах и без
проблем использовать методы этого объекта. Поскольку
внутренний механизм объекта получается защищенным, если
даже впоследствии возможности объекта будут изменены,
остальную часть системы не придется изменять до тех пор,
пока методы, используемые для доступа к объекту, остаются
неизменными. Побочный положительный эффект заключается
в том, что помещая данные в объект и создавая методы для
работы с этими данными, разработчик может изолировать
данные от остальной части системы, препятствуя их
случайному разрушению.
И, наконец, возможности создания в объектно-
ориентированных системах самодостаточных классов
расширяются благодаря тому, что потомки некоторого объекта
сохраняют тип родительского объекта. Это свойство,
103
называемое полиморфизмом, позволяет выполнять одну и ту
же операцию с объектами различных типов, если они имеют
общие свойства.
Эффективность применения объектного
программирования при компьютеризации обучения во многом
определяется гибкостью данного подхода, возможностью
создания новых объектов, которые порождаются от
имеющихся. Новые объекты могут иметь дополнительные
функции и методы для обработки и представления данных.
Все это позволяет быстро и гибко вносить изменения, что дает
возможность своевременного и адекватного реагирования на
изменения связанные с прогрессом и развитием науки и
техники по каждому обучающему курсу для конкретной
дисциплины.
Принцип объектного программирования
предполагающий функционирование как каждого из объектов
в отдельности, так и их совокупности, построенный по
иерархическому принципу, является основой автоматизации
образовательного процесса. При этом каждый объект
содержит определенные процедуры, реализующие
конкретные этапы автоматизации преподавательской
деятельности.
Организация взаимодействия подсистем обучения и
диагностики качества подготовки специалистов (рис. 9)
построена на основе объектно-ориентированного подхода.
Взаимодействие подсистемы диагностики с подсистемой
обучения осуществляется через интерфейс подсистемы
обучения. Интерфейс управляет информационными потоками
между двумя подсистемами и обеспечивает сохранность
структуры ядра знания. Изменение структуры ядра знаний
происходит на основании информации, полученной от
подсистемы диагностики и согласно правилам, определенным
в интерфейсе. Преподаватель может вносить изменения в
интерфейс, настраивая его на собственные требования, не
затрагивая при этом структуры данных, т.е. ядра знаний и
связей с окружением ядра. Таким образом, достигается
104
инкапсуляция ядра знаний и окружения, дается возможность
изменять и модернизировать методы управления данными не
затрагивая структуру самих данных.
Рис. 11. Организация взаимодействия подсистемы
обучения и диагностики качества знаний
Организация подсистем диагностики и обучения
предполагает, что уже на начальном этапе обучения
пользователь имеет возможность пройти входной контроль,
который позволяет определить исходный уровень знаний. По
результатам входного контроля анализируется
105
подготовленность пользователя к изучению нового материала,
подбирается и предлагается маршрут прохождения изучаемых
тем.
В процессе обучения системой производится текущий
контроль. Так как изучаемый материал представляется в виде
гипертекста, существуют несколько путей его изучения.
Задачей текущего контроля является слежение за тем, чтобы
при изучении нового слоя информации, были бы изучены
предыдущие, необходимые для его понимания.
Тематический контроль является промежуточным
контролем и его целью является диагностика знаний по
отдельным темам преподаваемого курса. При этом
определяется качество усвоения отдельных элементов
материала.
По окончании изучения материала проводится итоговый
контроль. Итоговый контроль выполняет в основном
оценочную функцию.
Во время всего процесса изучения нового материала, на
любом его этапе пользователь может активизировать режим
самоконтроля. Следует отметить, что самоконтроль с выдачей
необходимой информации разъясняющего характера возможен
только в автоматизированных системах.
При любом методе контроля, система анализирует
результаты и формирует последовательность тех частей
изучаемого материала, которые необходимы для восполнения
пробелов знаний. Таким образом, движение пользователя по
изучаемому материалу постоянно корректируется системой.
Результаты итогового контроля представляются в доступной и
полной форме. При этом автоматизированной системой
проводится обработка результатов контроля с целью
обобщения и классификации результатов.
7.2. Проектирование алгоритмических процедур
подсистемы обучения
106
Проектирование структуры учебного материала включает
пять этапов:
формирование содержания учебного материала;
формирование структуры учебного материала;
формирование оптимального плана изучения материала;
анализ плана изучения материала;
формирование новой структуры и нового плана изучения
учебного материала .
Последовательность этапов проектирования подсистемы
обучения представлена на рис. 12.
107
Рис. 12. Этапы проектирования подсистемы обучения
Содержание учебного материала формируется при
помощи встроенного редактора инструментальной системы
или внешнего редактора (такого как Word). При этом файл
сохраняется в формате HTML и, следовательно, имеет
возможность подключения мультимедийных средств: звук,
картинка, видео, которые располагаются непосредственно по
108
тексту. Данный подход позволяет более наглядно и на новом
качественном уровне представить содержание обучения.
Мультимедийное представление информации способствует
лучшему ее пониманию и усвоению.
При этом необходимо отметить, что вся тема делится на
разделы и, если это необходимо, подразделы. Между
разделами устанавливаются связи, что и является задачей
второго этапа.
На втором этапе преподавателем определяются связи
между разделами темы. Формируются матрицы A = ||a
ij
|| и C
= ||c
ij
||. Параметр Z
i
для каждого раздела приравнивается к
нулю. Решается задача формирования плана изучения
материала. В результате решения задачи находим план
ij
xX
, переходим к третьему этапу.
На третьем этапе преподаватель проводит анализ
полученного плана. Если это необходимо, вносит поправки
путем изменения значений матрицы A = ||a
ij
||, т. е. могут быть
изменены связи между разделами и их количественные
характеристики.
На четвертом этапе заново находится новый план.
Третий и четвертый этап повторяется до тех пор, пока
преподаватель не согласится, что найденный план изучения
материала является, по его мнению, оптимальным. Данный
оптимальный план будем называть «начальным планом
преподавателя».
Помимо «начального плана преподавателя» обучаемый
непосредственно перед изучением материала имеет
возможность сформировать свой план, включив в него разделы
по собственному выбору. Такой план будем называть «план
обучаемого».
Система, используя «начальный план преподавателя» и
основываясь на результатах входного контроля (если таковой
имел место), формирует «план системы» и предлагает его
обучаемому в качестве альтернативы плана последнего.
109
Приведем алгоритм нахождения оптимального плана X =
{x
ij
} для задачи (4) по методу ветвей и границ с учетом
особенностей решаемой задачи.
1. По результатам итогового контроля находим оценки
уровня знаний разделов Z
i
.
2. Пересчитывается матрица относительных оценок C
ij
.
3. Из матрицы C
ij
вычеркиваются те вершины (и
соответствующие им строки и столбцы) для которых
выполняется условие:
(12)
4. Из всех разделов, по которым были показаны
неудовлетворительные знания выбирается тот, который имеет
наибольший порядковый номер. Осуществляется операция
ветвления.
5. Из всех возможных вариантов ветвления выбираем
такое ребро, которое соединяет рассматриваемую вершину с
вершиной, имеющей более низкий порядковый номер. Если
таких вариантов несколько, то выбор производится,
руководствуясь следующей стратегией: из всех вариантов
выбирается такой, для которого относительная оценка C
ij
максимальна; если их несколько, выбирается тот, зависимость
от которого наиболее значима, т.е. соответствующий элемент
матрицы A = {a
ij
} – максимальный; если их несколько, то
выбирается ребро, которое соединяет рассматриваемую
вершину с ближайшей к ней, имеющей более низкий
порядковый номер по отношению к рассматриваемой вершине,
но наибольший среди остальных вариантов. Выбранное ребро
включается в оптимальный план, для остальных
осуществляется операция отсечения, т.е. они в дальнейшем не
рассматриваются.
6. Если для последней включенной i – ой вершины
будет выполняться условие (12), то считаем, что оптимальный
план X = {x
ij
} найден. В противном случае, в данной вершине,
осуществляется операция ветвления и переход к пункту 5.
110
n
j
ij
C
1
0