Модели и программное обеспечение стратификационных адаптивных систем управления обучением

Предметом исследований в настоящей работе являются индивидуальные и групповые учебные траектории учащихся в адаптивных системах управления обучением (АСУО) и связанные с ними современные методы обработки информации, позволяющие повысить эффективность управления учебным процессом.

Актуальность работы определяется необходимостью дальнейшего развития применения информационных технологий в образовании в соответствии с приоритетными направлениями развития образовательной системы Российской Федерации, одобренные на заседании Правительства Российской Федерации 9 декабря 2004 г. (протокол № 47, раздел I) и Национальными приоритетами, обозначенными Президентом России в своем выступлении на встрече с членами Правительства, руководством Федерального Собрания и членами президиума Государственного совета 5 сентября 2005 г. Особенно актуальным данное диссертационное исследование является в связи с остро стоящими задачами по индивидуализации обучения и повышению эффективности функционирования учебных объектов в системах управления обучением.

Целью работы является изучение различных адаптивных подходов к управлению обучением, их теоретическое исследования путем построения моделей и инструментальных средств, а также анализ их эффективности путем статистических исследований результатов учебного процесса, поддерживаемого специально разработанной для этой цели компьютерной обучающей системой. Особое внимание уделено исследованию процесса стратификационного адаптивного обучения [1, 2], основанного на том, что каждая учебная тема имеет несколько представлений, выдаваемых учащемуся в зависимости от его успехов и неудач, и формированию электронных учебных курсов, содержащих необходимый и достаточный для безотказного функционирования учебного процесса набор учебных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В целях исследования стратификационного адаптивного подхода к управлению обучением на основе теории конечных автоматов построены модели преподавателя, учащегося, процесса адаптивного обучения, применимые как к групповым, так и к индивидуальным учебным траекториям.

2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение стратификационного адаптивного управления учебным процессом, регламентирующие возможные действия учащегося и преподавателя, а также формализующие набор ресурсов, применяемых в процессе обучения, в том числе алгоритмы стратификационного тестирования.

3. Предложены современные принципы построения эффективной и безопасной стратификационной адаптивной системы управления обучением (АСУО).

4. Указанные принципы реализованы в Интернет-системе стратификационного адаптивного обучения МИФИСТО.

Практическая ценность.

В рамках диссертационного исследования разработана Интернет-система управления обучением МИФИСТО для использования в учебных заведениях и учебных центрах России. Разработка МИФИСТО в 20 022 003 гг. проводилась в рамках программы «Инновационное сотрудничество» Минобразования России и Минатома России.

МИФИСТО с 2001 г. обеспечивает учебный процесс в Экономико-аналитическом институте Московского инженерно-физического института (государственного университета), что подтверждается соответствующим актом о многолетнем использовании. В системе на сегодня разработаны и функционируют 48 курсов, два из которых реализованы в АСУ О и находятся в стадии апробации. Количество пользователей сегодня составляет 1213 человек, 83% из которых воспользовались системой.

Прототип системы отмечен дипломом «Научной сессии МИФИ-2003» и VI Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука».

Система МИФИСТО внедрена на кафедре «Информационные технологии» Финансовой академии при Правительстве РФ, что подтверждается соответствующим актом.

На защиту выносятся:

1. Предложенные модели преподавателя, учащегося, процесса адаптивного обучения, применимые как к групповым, так и к индивидуальным учебным траекториям.

2. Математическое обеспечение адаптивного стратификационного управления групповыми и индивидуальными учебными траекториями. Разработанный набор алгоритмов для формирования управляющих воздействий на учащегося в процессе прохождения учебной траектории.

3. Предложенные и реализованные в системе МИФИСТО принципы построения эффективной и безопасной АСУО.

4. Разработанная и внедренная в учебный процесс высших учебных заведений России адаптивная Интернет-система управления обучением МИФИСТО, о чем имеются соответствующие акты о внедрении и многолетнем использовании.

Достоверность разработанных моделей, методов, алгоритмов и программных средств подтверждается соответствующими актами о внедрении, почетными дипломами «Научной сессии МИФИ-2003» и VI Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука».

Апробация.

Основные результаты диссертационного исследования обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах, в т. ч.:

Международная конференция «Применение новых технологий в образовании», г. Троицк, 2002, 2004.

Международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании», г. Москва, 2001;2004.

Международная научно-практическая конференция «Технология высшего образования в XXI веке: проблемы и перспективы развития» г. Актобе, 2002.

Международная студенческая научная конференция «Полярное сияние», г. Санкт-Петербург, 2001.

Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2002, 2004.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 21 работа, в т. ч. статья в реферируемом журнале «Информатика и образование». Публикации отражают все основные результаты диссертационной работы.

Объем и структура работы.

Работа содержит 169 страниц, в том числе 153 страницы основного текста, иллюстрированного 51 рисунком и состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня литературы и приложений.

Выводы по главе.

1. Общий срок функционирования разработанной системы МИФИСТО составил 2 года, из которых первые полгода отрабатывалась методика применения дистанционного обучения в традиционном учебном процессе. За это время количество обращений к системе превысило 335 ООО.

2. На текущий момент для всех учащихся ЭАИ МИФИ созданы персональные учетные записи и 83% студентов посчитали необходимым воспользоваться услугами МИФИСТО. При этом 14% курсов ЭАИ МИФИ полностью функционируют через Интернет.

3. Оправдал себя подход, заключающийся в предоставлении студентам возможности готовиться к экзаменам, сдавая заранее предстоящий тест без ограничения попыток. Данный подход позволил увеличить эффективность управления обучением в 1,5 раза.

4. По итогам применения МИФИСТО в учебном процессе у студентов, обучавшихся дистанционно, отмечен рост успеваемости по сравнению со студентами, обучавшимися традиционно в среднем на 8−12%.

5. В экспериментальном режиме проверена работа АСУО в рамках МИФИСТО, результаты работы которого также говорят о росте успеваемости в среднем на 7−10% уже по сравнению со студентами, обучавшимися дистанционно без применения адаптивных технологий. Это в среднем дало повышение эффективности управления обучением еще втрое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Исследование системных связей и закономерностей функционирования и развития учебного процесса, а также анализ текущих потребностей образовательного рынка дали возможность ввести понятие эффективности управления учебным процессом для адаптивных методов обучения.

2. Для управления индивидуальной учебной траекторией на основе успехов и неудач студента в рамках стратификационного подхода к обучению предложена модель преподавателя, позволяющая полностью или частично автоматизировать деятельность преподавателя по управлению учебным процессом.

3. Для взаимодействия с любыми компьютерными обучающими системами, поддерживающими спецификацию IMS Learning Information Package, предложена модель учащегося, консолидирующая данные для принятия решения по созданию и изменению индивидуальной учебной траектории в рамках процесса адаптивного обучения.

4. Разработана модель процесса стратификационного адаптивного обучения, регламентирующая полный цикл событий для индивидуальной учебной траектории. Реализация предложенной модели позволила значительно повысить эффективность управления учебным процессом: при подготовке к государственному экзамену — в 1, 5 разапри смешанном обучении с возможностью доступа к учебным материалам и проверке знаний — в 2 разас применением стратификационного адаптивного принципа управления обучением — в 3 раза.

5. Спроектирована архитектура АСУО, позволяющая реализовать предложенные математические и информационные модели и методымодель базы данных АСУОпринципы реализации модуля стратификационного тестирования. Разработанный модуль генерации отчетов для системы МИФИСТО дает возможность настраиваться на разные виды ведомостей и бланков отчетности, а также обрабатывать статистические данные.

6. Реализована система безопасности, учитывающая особенности АСУО, в т. ч. среды функционирования Интернет/Интранет, обеспечивающая безопасность получаемых с её помощью информации, служб и метаданных.

7. Опыт эксплуатации второй очереди МИФИСТО в течение 2,5 лет показал, что количество обращений к разработанной системе превысило 335 ООО. 14% курсов ЭАИ МИФИ полностью функционируют через Интернет, все учащиеся ЭАИ МИФИ получили персональные учетные записи и 83% студентов посчитали необходимым воспользоваться услугами МИФИСТО.