|
Условные обозначения и сокращения
АОС АПС
АУЗ
АСОД
АСОИ
ВКП
КОС
КС
НС ОМ ООД
пм
Пр
САД
САО
САПР
СМ
СОИ
СО
СПО
УО
УЭ
ФС
эдо
автоматизированная обучающая система аппаратно-программные средства автоматизированное учебное задание автоматизированная система оценки и диагностики автоматизированная система отображения информации выходной контролируемый параметр компьютерная обучающая система конечная ситуация
начальная ситуация
обобщенная модель
ориентировочная основа действия (деятельности)
процедурная модель
процедура
система автоматизированной диагностики
система автоматизированной оценки
система автоматизированного проектирования
структурная модель
средство отображения информации
система обучения
специальное программное обеспечение
учебный объект
учебный элемент
функциональная структура
функциональная структурная единица
элементы движения объекта
показатели эффективности, качества и надежности
Введение
В настоящее время в образовательный процесс широко внедряются компьютерные технологии обучения. Разработка и внедрение компьютерных технологий обучения (КТО), предполагает использование ЭВМ как технического средства обучения (ТСО), полностью или частично выполняющего в отношении обучаемых функции преподавателя. Основная цель компьютеризации -резко повысить эффективность обучения. К показателям эффективности обучения обычно относят: качество усвоения обучаемыми программы обучения, время, затраченное ими на усвоение этой программы, материальные затраты, временные затраты преподавателей и т.д. Ведущим среди всех этих показателей является качество усвоения. Ясно, что никакое снижение материальных, временных и любых других затрат неприемлемо, если качество обучения ухудшается. При этом высокие материальные затраты на реализацию компьютерного обучения диктуют необходимость резкого роста этого главного показателя эффективности по сравнению с существующим традиционным обучением.
Это может быть достигнуто, если на этапах проектирования, создания и внедрения в учебный процесс КТО будут решены следующие задачи:
1. Гарантированное достижение всеми обучаемыми заданного качества усвоения программы обучения.
2. Достижение каждым из обучаемых заданного качества усвоения наиболее рациональным для него путем, при условии работы преподавателя с достаточно большой группой обучаемых; обеспечение заданного эффекта обуче-ния по отношению к индивидуальным способностям каждого из обучаемых.
3. Наиболее приемлемое преодоление противоречия между все увеличивающимся объемом информации в изучаемой области человеческой деятельности и относительно фиксированным лимитом времени на ее усвоение.
4. Создание для преподавателя условий, которые бы при общей интенсификации процесса обучения не требовали от него все большей отдачи физических и моральных сил.
6
Совокупное решение этих задач представляет собой комплексную проблему, находящуюся на стыке целого ряда наук: педагогики, психологии, теории информации, теории систем, теории управления, информатики, системотехники и эргономики. Однако определяющий характер для ее решения имеют проблемы педагогики как единственной сферы человеческих знаний, определяющей все закономерности и специфические особенности процесса обучения. Создание КТО, не просто моделирующих деятельность преподавателя, а именно обеспечивающих гарантированно высокую эффективность этой деятельности, может основываться только на данных педагогической науки. При этом сами данные педагогики и практики обучения нуждаются в переосмыслении с
позиции возможности и эффективности их реализации аппаратно-программными средствами (АПС) современных ЭВМ.
Постановка проблемы формализации педагогических знаний восходит еще к А.С. Макаренко, который считал, "что подлинное развитие педагогической науки связано с ее способностью "проектировать личность", т.е. задавать с полной определенностью (диагностично) те ее качества и свойства, которые должны быть сформированы в процессе обучения" [15, С. 10]. В настоящее время данная проблема в основном формулируется как проблема создания технологии обучения. Наиболее полно в дидактике она сформулирована в работах В.П. Беспалько [15,16] и М.Н. Скаткина [119,120, в области педагогической психологии - в работах Н.Ф. Талызиной [133-136], а в области педагогической психологии с ориентацией на создание и применение КТО - в работах Е.И. Машбица [81-83]. Все указанные выше авторы для формулировки и разрешения проблемы технологизации обучения используют диалектическую логику, есте-ственный язык и эвристический метод сжатия первичной семантической информации.
Однако, данные средства принципиально не способны обеспечить решение поставленной задачи. Максимально возможным уровнем формализации, который может быть достигнут на основе использования этих средств, является формулировка концептуальной модели исследуемого объекта, т.е. первая из тех
ступеней формализации объекта (объект-оригинал — концепция — формальная модель — математическая модель — алгоритм — программный продукт), которые должны быть преодолены для его представления АПС современных
ЭВМ. Преодоление следующих ступеней формализации педагогических знаний и их представление в виде формальных моделей на основе диалектической логики, естественного языка и эвристического метода сжатия информации невозможно. Сложность проблем технологизации обучения определяется в основном не недостаточностью педагогических знаний, а необходимостью перехода от эвристических методов их представления на естественном языке к модельным методам представления на основе искусственных языковых формальных систем.
Однако указанные выше характеристики представления знаний в педагогической науке (избыточность описания, неопределенность формулировок, эвристический метод сжатия информации) нельзя трактовать как некоторую ущербность педагогики по отношению к другим, более "точным" научным дисциплинам, что, к сожалению, имеет место даже в педагогической литературе. Уровень представления знаний в педагогике соответствует тому представлению об обучении как о системе взаимодействия обучающего и обучаемых, которое определяется термином "гуманоидная система". Внедрение в эту систему ЭВМ переводит ее в разряд антропотехнических систем и предъявляет новые требования к представлению педагогических знаний.
Обобщая требования к процедурам формализации педагогических знаний и разработке КТО, необходимо отметить ряд положений, принятых в настоящем диссертационном исследовании в качестве исходных:
1. Достигнутый в современной педагогической науке уровень формализации знаний является предельным для используемого естественного языка и эвристического метода представления этих знаний. Сложность проблем технологизации обучения определяется в основном не недостаточностью педагогических знаний, а необходимостью перехода от эвристических методов их пред-
8
ставления на естественном языке к модельным методам представления на основе искусственных формальных языковых систем.
2. Решение задач проектирования КТО необходимо предполагает проведение анализа предметных областей педагогики в целях выявления смысловой
сущности принципов и закономерностей взаимодействия обучающего и обучаемых в процессе обучения и их формулировки в тех формальных языковых системах, которые обеспечивают применение не эвристических, а модельных методов представления педагогических знаний.
3. Как сам анализ данных педагогики, так и последующая формулировка педагогических знаний в виде формализованных моделей не предполагает никаких изменений смысловой сущности принципов и закономерностей обучения, а предусматривает лишь их отображение в форме, обеспечивающей дальнейшую формализацию.
4. Представление педагогических знаний на основе модельных методов их отображения средствами формальных языковых систем неизбежно связано с потерей части первичной семантической информации, заключенной в формулировке этих же знаний на естественном языке. Средством, обеспечивающим минимизацию этих потерь, является развитие искусственных языковых систем, используемых для моделирования базовых понятий педагогики.
Проведенный на основе данных современной дидактики, педагогической психологии, эргономики и системотехники анализ возможностей разработки КТО позволяет сделать вывод, что ее основу может составить проблемно-модульное обучение, реализуемое в дидактической системе "репетитор". Исследованию этой проблемы уделяли и уделяют внимание многие ведущие ученые России. Непосредственное отношение к теме настоящего диссертационного исследования имеют труды М.Н. Скаткина, В.П. Беспалько, Е.И. Машбица, А.Н. Печникова, В.А. Якунина, Е.С. Заир-Бек, Н.Ф. Талызиной и др.
В системах традиционного массового обучения, где обучение организуется в учебных группах с количественным составом более 7-10 обучаемых, возникает противоречие между необходимостью индивидуализации процесса
обучения, ограниченными психологическими возможностями преподавателя в оперативной обработке информации и ограниченной пропускной способностью педагогического общения как единственного канала связи между преподавателем и обучаемыми. Возможности современных информационных технологий принципиально обеспечивают разрешение данного противоречия.
Принципиальными препятствиями к выполнению требования индивидуализации обучения и созданию эффективной компьютерной технологии модульного обучения являются:
1) отсутствие унифицированного формализованного подхода к структуризации содержания модульного обучения;
2) отсутствие формализованных методов и моделей диагностики усвоения модуля содержания обучения.
Устранение этих препятствий путем разработки модельных форм представления содержания обучения, моделей и алгоритмов автоматизированного решения задачи диагностики познавательной деятельности обучаемых и составили суть диссертационного исследования.
Актуальность диссертационного исследования определяется:
1) существованием общепедагогической проблемы обеспечения необходимого качества и эффективности процесса обучения;
2) противоречием между необходимостью организации обучения в соответствии с принципами индивидуального обучения и невозможностью реализации этих принципов в системах массового обучения в связи с ограниченными психофизиологическими возможностями преподавателя в оперативной обработке информации обратной связи с обучаемыми и недостаточной пропускной способностью педагогического общения как канала связи;
3) противоречием между принципиальной возможностью реализации рутинных функций управления деятельностью обучаемых средствами современной информационной технологии и отсутствием унифицированного формализованного подхода к структуризации содержания обучения, которое определяет
10
невозможность разработки методик формализованного решения задач диагностики познавательной деятельности обучаемых.
Цель исследования: повышение эффективности процесса усвоения знаний на основе разработки элементов компьютерной технологии проблемно-модульного обучения.
Задачи диссертационного исследования:
1) анализ теоретических основ проблемно-модульного обучения в целях выделения универсальных структурных компонентов модуля содержания обучения и их основных характеристик;
2) разработка унифицированных форм представления модуля содержания обучения;
3) разработка методики, моделей и алгоритмов компьютерной диагностики усвоения модуля содержания обучения;
4) экспериментальная оценка дидактической эффективности разработанных моделей, алгоритмов и методик.
Объект исследования: педагогические знания о структуризации содержания обучения и методах диагностики его усвоения.
Предмет исследования: методы формализации педагогических знаний в целях разработки компьютерных технологий обучения.
Для решения указанных выше задач в диссертационной работе использовались методы общей теории систем, теории принятия решений, теории информации, функционально-структурной теории описания процессов функционирования человеко-машинных систем, методы имитационного моделирования, методы представления знаний, а также современные концепции дидактики и педагогической психологии.
Новизна полученных в процессе диссертационного исследования результатов, выводов и рекомендаций состоит, во-первых, в разработке концепции структуризации содержания обучения на основе аксиоматики теории информационных семантических систем и деятельностного подхода педагогики. Во-вторых, в разработке отвечающих требованиям дидактики унифицированных
и
модельных форм представления содержания обучения. В-третьих, в создании оригинальной методики диагностики познавательной деятельности обучаемых
ч
по усвоению модуля содержания обучения, включающей модель элементарной процедуры познавательной деятельности, стратегии ее диагностики, модели и
алгоритмы, реализующие лучшие стратегии.
Достоверность полученных в диссертации результатов, выдвинутых положений, выводов и рекомендаций обоснована и подтверждена:
— использованием фундаментальных положений дидактики, педагогической и инженерной психологии, применением апробированных методов теории систем, теории информации, теории принятия решений, имитационного моделирования и эргономики;
результатами эксперимента по оценке адекватности и эффективности моделей и алгоритмов, составляющих методику компьютерной диагностики познавательной деятельности обучаемых.
Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в подтверждении выдвинутого академиками А.И. Бергом, М.Н. Скатанным и Н.Ф. Талызиной положения о необходимости и перспективности анализа содержания и методологии педагогической науки с позиций методологии общенаучных дисциплин. Значимость разработанных модельных форм представления содержания обучения также состоит в развитии методологии психолого-педагогического проектирования АОС и теории проблемно-модульного обучения в области проектирования содержания обучения, в обосновании и разработке новых научных положений дидактики в области преобразования педагогических знаний и их представления в виде, обеспечивающем разработку компьютерной технологии модульного обучения. Значимость разработанных моделей, алгоритмов и процедур диагностики заключается в развитии методологии психолого-педагогического проектирования АОС в области формализации рутинных функций управления учебной деятельностью обучаемого, в выявлении зависимости формы представления логико-смысловой структуры учебной дея-
12
тельности и процедуры ее диагностики от уровня сформированное™ стереотипа деятельности (начальное умение, навык).
Практическая ценность исследования заключается в разработке формализованных моделей представления содержания компьютерного модульного обучения, обеспечивающих их дальнейшую реализацию в виде программного
ч
продукта на основе использования апробированных средств математического моделирования (графы, семантические сети, фреймовые модели и т.д.). Практическая ценность разработанной методики компьютерной диагностики состоит в ее универсальности, т.е. возможности ее применения при изучении любых познавательных объектов, которые могут быть представлены в виде программного продукта. Основываясь на формальных моделях и процедурах, предлагаемая методика является реальной основой для создания автоматизированных систем диагностики, без которых невозможна разработка компьютерных технологий индивидуализированного обучения. Реализуя одну из рутинных функций обучающего в цикле обучения (дидактическом цикле), методика позволяет сосредоточить деятельность преподавателя на решении главной для него дидактической задачи и выработке адекватного обучающего воздействия.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Унифицированные модельные формы представления модуля содержания обучения, включающие структурные и процедурные модели знаний и умений, а также их представление в виде упорядоченных древовидных графов и фреймов.
2. Методика компьютерной диагностики усвоения модуля содержания обучения, включающая стратегии, модели и алгоритмы диагностики учебной деятельности обучаемого, организацию и управление диалогом обучаемый -ЭВМ, а также методику разработки эталонной структурной модели умения.
Результаты внедрены в образовательный процесс Воронежского института МВД РФ и Воронежского экономико-правового института.
По материалам диссертации опубликовано 4 научных работы,
подготовлено 3 отчета по НИР.
13
Струюпура и общий объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем 228 стр., включая 30 таблиц, 20 рисунков. Список литературы включает 163 источника.
14
Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка
задач исследования
1.1. 1.1. Современные дидактические подходы к структуризации содержания проблемно-модульного обучения
Проблемно-модульное обучение [11,12,21,22,28,48,56,65,116,149,155, 160], идея которого зародилась в начале 80-х годов, реализует педагогическую технологию, которая объединяет достижения теории проблемного обучения,
концепцию сжатия знаний и модульного их представления. Такой вид обучения обладает рядом положительных сторон, которые позволяют:
— объединять и разделять содержание обучения путем группировки проблемных модулей содержания учебной дисциплины с любой степенью детализации;
осуществлять обучаемыми самостоятельный выбор того или иного варианта изучения учебной дисциплины в зависимости от уровня обученности и тем самым индивидуализировать темп продвижения по учебной программе;
использовать проблемные модули в качестве сценариев для создания педагогических программных средств для автоматизированных обучающих систем (АОС);
перенести акцент в работе обучающего в сторону консультативно-координирующих функций управления познавательной деятельности обучаемых;
в определенной степени сократить время на изучение материала учебной дисциплины без особого ущерба для полноты изложения и глубины усвоения учебного материала с использованием комплекса методов, форм и средств компьютерного обучения.
Выделяют четыре принципа, отражающих специфику проблемно-модульного обучения, формулировки которых и формы реализации представлены в табл. 1.1.
15
Таблица 1.1.
Принципы проблемно-модульного обучения
Принципы построения технологии проблемно-модульного обучения
лировка принципа
Принцип содержательной компактности
определяет необходимость "сжатия" учебной информации с учетом психолого-педагогических закономерностей, научности, функциональности и логики учебной дисциплины.
Форма реализации
Структурирование учебной информации в проблемном модуле, в котором необходимо выделять вход, блок начального обобщения, теоретический блок, блок конечного обобщения и выходной блок, контролирующий усвоение обучаемым учебного материала модуля.
Принцип проблемности отражает требования психолого-педагогической закономерности, т.е. введения в модуль стимулирующих звеньев в виде проблемных ситуаций, практических задач, что должно повышать эффективность познавательной деятельности.
Постановка и решение укрупненных проблем (задач), выбор логики проблемного модуля и взаимосвязей его элементов, в частности для теоретического блока.
Принцип вариативности, на основе которого решается задача индивидуализации обучения, т.к. динамическая структура проблемного модуля может представляться в трех вариантах: полном, сокращенном и углубленном, один из которых и выбирает сам обучаемый. ________ ________
Разнообразные активные методы и формы усвоения содержания проблемного модуля (погружение, взаимообучение, проблемный диалог, самообучение и т.д.).
Принцип знаково-графической наглядности, вытекающий из психолого-педагогической закономерности, согласно которой эффективность познавательной деятельности повышается, если изучаемые объекты представлены наглядно и воспринимаются зрительно.
Блок-рисунки, выполненные в цвете, которые положительно влияют на развитие зрительной памяти и пространственного мышления обучаемых.
Технология педагогического проектирования [5,7,13] содержания проблемно-модульного обучения включает четыре этапа:
1. Компоновка учебной дисциплины на основе фундаментальных методов познавательной деятельности, применяемых в конкретной учебной дисциплине.
2. Определение содержания базовых проблемных модулей с учетом фундаментальных методов познавательной деятельности.
3. Выделение профессионально-прикладных укрупненных проблем с учетом специфики специальности, подготовка по которой осуществляется с помощью конкретной учебной дисциплины.
4. Отбор содержания и определение объема вариативных проблемных модулей, выраженных конкретными методами познавательной деятельности для определенной учебной дисциплины.
16
Наиболее сложным для разработки является 2-й этап, т.е. определение содержания базовых проблемных модулей. При этом необходимо учитывать ведущую функцию учебной дисциплины. В зависимости от нее должен производиться отбор содержания, отвечающий требованиям системности, комплектности и целостности знаний, отражение в изучаемой дисциплине воспитательного аспекта. При определении содержания проблемных модулей должен выполняться ряд требований [4, 5, 8, 13].
Во-первых, требование фундаментальности, которое требует отражения в базовом проблемном модуле уровня развития базовой науки, ориентации на целостность знаний и доступность единиц (элементов) содержания проблемных модулей для обучаемого.
Во-вторых, требование "сжатия" учебной информации (принцип содержательной компактности), согласно которому компоновка базовых проблемных модулей должна осуществляться с учетом психолого-педагогических закономерностей восприятия, памяти и мышления. Причем установка на "сжатие" учебного материала в проблемном модуле посредством укрупненного, системного его представления должна производиться неоднократно. Это обусловлено
тем, что исследованиями психологов доказано [10], что при формировании системных знаний, умений и навыков целесообразно давать обучаемым поэтапные установки на первичное, промежуточное и конечное обобщение учебной информации. В проблемном модуле в качестве первичного сжатия выступает блок начального обобщения, промежуточное сжатие осуществляется при построении теоретического блока, конечное сжатие - в блоке конечного обобщения.
В-третьих, требование профессионализации, которое должно обеспечить правильный отбор содержания учебного материала, прежде всего, с точки зрения необходимости его для решения профессионально-проблемных задач.
В-четвертых, требование гуманитаризации, выполнение которого обеспечивает воспитательный аспект, связанный с решением таких важных проблем, как исторические, экономические, экологические, социальные. Постановка таких проблем должна осуществляться в блоке начального обобщения и проверять первичное "сжатие" содержания проблемного модуля.
17
Анализ перечисленных выше литературных источников позволяет утверждать, что сущность технологии проблемно-модульного обучения заключена в том, что для достижения цели обучения на основе сформулированных выше принципов и требований осуществляется структурирование учебной информации, выбор адекватных методов, форм и средств обучения, направленных на самостоятельный выбор и прохождение обучаемым или полного (для слабо успевающих), или сокращенного (для средне успевающих), или углубленного (для отлично успевающих) изучения модуля. Проблемный модуль должен представлять собой (при удовлетворении всем требованиям) логически завершенную единицу учебной информации, построенную на сформулированных в табл. 1.1. принципах и направленную на изучение одного или нескольких фундаментальных понятий учебной дисциплины, необходимых для решения задач профессиональной деятельности. Содержание и структура проблемного модуля
j
должны быть такими, чтобы его можн^) было использовать при модульном компьютерном обучении.
i
Следует отдельно рассмотреть сложившиеся взгляды на формальное представление о "сжатии" учебной информации (знаний). С учетом возможности применения принципов проблемно-модульного обучения при проектировании компьютерных технологий обучения (КТО) рассматриваются [8, 14, 15, 16] четыре модели представления знаний в "сжатом", компактном, удобном для компьютеризации виде: логическая модель, продукционная модель, фреймовая модель, модель семантической сети. Характеристики этих модельных форм представления знаний приведены в табл. 1.2. Эффективным способом «сжатия» учебной информации, помимо указанных выше моделей, могут служить приемы из арсенала известных психолого-педагогических теорий содержательного обобщения и укрупнения дидактических единиц [158].
Технологически «сжатие» учебной информации может быть достигнуто различными методическими приемами: 1) моделирование в предметной, графической и знаковой форме; 2) укрупненное упражнение и сверхсимвол; 3) структурная блок-схема учебной темы; 4) опорный конспект и т.п.
|