Педагогические науки/2.
Проблемы
подготовки специалистов
по профильным курсам.
д.т.н. Ермаков С.А.,
к.т.н. Карев В.И., к.т.н.
Хомутов В.С.
Московский Авиационный Институт
Развитие модели образовательного процесса по профильной
подготовке студентов с применением компьютерных информационных технологий.
Статья подготовлена на основе гранта 11-06-00945
РГНФ Российской Федерации в 2012 году
на разработку модели образовательного процесса и системы самообразования
с самоконтролем компетенций студентов на основе применения современных информационных технологий.
Определённая правительством Р.Ф. задача модернизации
промышленности страны и, в частности,
машиностроения предусматривает не только переход на новые
высокопроизводительные инновационные технологии проектирования и производства
изделий, но также и формирование нового корпуса молодых специалистов, способных
создавать в короткие сроки инновационные
проектные решения. Современный уровень аппаратного, коммуникационного и
программного обеспечения в технических вузах достаточен для повышения
эффективности образовательного процесса, но потенциал
информационно-коммуникационных технологий как средства повышения качества
подготовки специалиста в образовательной практике используется недостаточно и
не играет должной роли в становлении профессиональной компетентности студентов
технического вуза. Поэтому проблема модификации образовательного процесса для профильной подготовки молодых
специалистов в настоящее время ещё не решена. В основе подхода, предлагаемого
авторами, к решению этой проблемы лежит разработка компетентностной модели
образовательного процесса, а также алгоритмический и программный комплексы,
использование которых обеспечивает профильную подготовку на основе Государственного учебного плана путём
интенсификации самостоятельной работы студентов (СРС). В существующих учебных
планах самостоятельная работа студентов предусматривается в объёмах от 50% до
80% от лекционных курсов, но практически не контролируется и недостаточно
используется в образовательном процессе. Система организации учебного процесса
должна способствовать уплотнению учебного информационного потока, т.е. должна
обеспечивать усвоение студентом расширенного по сравнению с минимально необходимым объёмом информационного материала за меньшее время. Эту проблему можно решить за счёт более
интенсивного использования самостоятельной работы студента. Разработанная
авторами система обучения и повышения компетенции студентов старших курсов может
быть эффективным дополнением к аудиторным занятиям в соответствии с
Государственным образовательным стандартом. Такая система позволяет сокращение
аудиторного времени для проработки внутри предметных и междисциплинарных
связей, помощи студенту в техническом проектировании и в осознанном продвижении
к достижению поставленной цели – повышению собственной компетенции и,
следовательно, своей ценности, как
специалиста. Важной особенностью модифицированного учебного процесса должна
быть система непрерывного автоматизированного контроля образовательных достижений
студента, направленная на стимулирование расширения компетенции, формирование
способности и готовности к продолжению образования и непрерывное развитие профессиональной компетентности. Основными
работами при создании такой компьютеризированной образовательной системы
являются:
· Создание алгоритмов
интерактивного режима работы студента на всех этапах получения профильной
информации при использовании компьютерных
технологий.
· Разработка структуры
глобальной базы данных и наполнение её, необходимыми информационными
массивами для выполнения процесса обучения в интерактивном режиме. Эта база
данных должна содержать, не только информационную составляющую, так и банк
тестовых заданий.
·
Разработка
проблемно-ориентированных программных модулей, которые необходимы для реализации образовательного
процесса с применением информационных технологий, в том числе организации
оперативного тестового контроля
студентов.
При
изучении профильных курсов по каждому
из них должен быть технический проект, а информационно методическая база по
техническому проектированию должна быть компонентом компьютеризованной системы
самообразования. В этом случае выделенное на самостоятельную работу студента
(СРС) время используется более рационально.
Общая структура модели образовательного
процесса по профильным дисциплинам приближённо может быть представлена в виде схемы, показанной на рис.1. В показанной на рис.1 модели образовательного
процесса с интерактивной компьютеризованной
системой самообразования и контроля компетенции студента возможно реализовать общие современные
тенденции развития наиболее прогрессивных педагогических школ. В том числе,
такие востребованные современным обществом особенности профессионального
образования, как инновационность, интерактивность, а также индивидуализацию процесса подготовки студентов с учётом их индивидуальных свойств и
способностей. При этом, более
эффективно используются такие дидактические компоненты общей методической
системы формирования профессиональной компетентности, как целеполагание,
информационные и коммуникационные ресурсы для обеспечения всех видов аудиторных
занятий. Указанные выше обстоятельства
обуславливают реальную возможность включения студентов в активную
самостоятельную работу, как в аудиторных занятиях, так и внеаудиторных занятий. Принятая
в проекте концепция профильной подготовки студентов реализуется путём непрерывной и перманентно расширяющейся области
знаний, которая определяется спектром тестов системы самооценки компетенции и
остаточных знаний студентов в интерактивном режиме.
Рис.1.
Пример
схемы модифицированного образовательного процесса по одной из профильных
дисциплин подготовки студентов старших курсов
Для каждой изучаемой темы, формируется ансамбль
тестовых заданий различной сложности: от простейших, которые проверяют уровень
усвоения предыдущего курса до вопросов, правильные ответы на которые могут
продемонстрировать отличное понимание студентом сути изучаемого предмета и
требующих демонстрации им практических навыков. Этот индивидуальный учебный
план непрерывно модифицируется по результатам обратной связи, поступающей от
студента в процессе его тестирования. Параметрами являются установленные
преподавателем минимальные стандарты, цели студента и его ответы на
предоставленные вопросы. Преподаватель очерчивает рамки возможных вариантов
работы над курсом и определяет, каким образом можно оценить знания студента,
претендующего на определённую полноту его общей компетенции. Базовый список
тестовых заданий формируется на основании случайной выборки из всех возможных
вопросов, соответствующих изучаемой теме.
Количество вопросов, которые задаются в рамках одной тестовой
сессии фиксировано. В этот список
всегда попадают несколько обязательных вопросов и вопросы различной сложности:
от минимальной до максимальной сложности.
Существует два режима работы системы — режим последовательного изучения профильного курса и режим экзамена. В зависимости от того, в какой режим включён, разными будут алгоритмы работы и системы и студента. Наиболее простой режим экзамена — он предназначен для проверки усвоения студентом курса (или его части). В случае режима самостоятельного изучения курса алгоритм работы интерактивной системы несколько усложняется — каждый следующий шаг в нём зависит от результатов тестирования студента на предыдущем этапе. В этом случае выборка следующего тестового задания вопроса должна зависеть от ответов студента: если студент успешно отвечает на все вопросы, то их уровень сложности постепенно повышается и при достаточно успешных ответах предлагаются дальнейшие темы для изучения. Если же студент начинает давать неправильные ответы, то интерактивная система понижает сложность (чтобы убедиться, что базовый материал усвоен правильно). При отсутствии правильных ответов и на простые вопросы интерактивная система рекомендует студенту перейти к изучению базового курса, либо составляет список рекомендаций для изучения неусвоенных тем. Таким образом, интерактивная система проведёт студента через все хорошо освоенные им темы и сосредоточит его внимание на изучении проблемных тем. Когда студент закончит работу с системой в режиме изучения курса, он сможет проверить себя, включив её в режиме экзамена. Поскольку интерактивная система имеет для каждого студента индивидуальный раздел базы данных то у студента и у преподавателя имеется возможность получить полный отчёт о ходе изучения студентом курса и оценить его прогресс в изучении курса.
Одной из проблем компьютерного тестирования
заключается в получении и интерпретации
ответа испытуемого при помощи ПК. Формирование оценки студенту на основе
выбора варианта или вводом числа/слова имеют главный недостаток — их количество
ограничено и через некоторое время ответы становятся известны всем студентам.
Решением этой проблемы является возможность параметризации тестовых заданий и
интерпретация ответов, представленных в виде аналитических выражений, что даст
возможность генерировать уникальную пару вопрос-ответ. Вид такого задания
студенту в системе показан на рис.2. Дополнительное достоинство такого подхода
— это возможность создавать вопросы, которые для своего ответа требуют активных
практических действий студента: например, возможно сформировать формулу или математическую
модель изучаемого объекта в системе автоматизированного математического
моделирования (например МАТЛАБ) и использовать для её реализации случайные
параметры, которые задаются системой контроля. В качестве задания можно
попросить студента проделать какие-то действия с этой моделью и получить при её
помощи некое значение. Это значение затем может быть введено в систему. Затем система сравнивает введенную
студентом модель с правильной моделью, которая помещена в базу данных, проделав
аналогичные вычисления внутри системы.
Рис.2.
Вид окна дисплея с тестовым заданием студенту в форме составления им формулы для описания рабочего процесса в изучаемом объекте.
Этим исключается существование одинаковых ответов при
тестировании нескольких студентов в разное время. По этому принципу в системе
реализован метод проверки введённых аналитических выражений на правильность.
При проверке аналитических выражений предлагается вычислять введённые выражения
и сравнивать полученный численный ответ с ожидаемым ответом. В качестве
синтаксиса выражений используется стандартная инфиксная запись, широко принятая
в различных компьютерных программах, например matlab, mathcad и многих других.
Для интерпретации такой записи выражений программно в системе используются возможности
JavaScript-движка [3], предоставляемые библиотекой Qt [4]. Каждый вопрос,
содержащий требование о вводе аналитического выражения, предоставляет список
переменных, которые могут в нём использоваться. На вход алгоритма, проверяющего
правильность введённого студентом аналитического выражения, подаётся следующая
информация: правильное аналитическое выражение из теста; выражение, введённое
студентом; список переменных, указанных в тесте. Для вычисления каждого из двух
выражений (правильного и введённого) списку переменных из вопроса будут
назначены случайные значения из диапазона, определённого автором вопроса.
Выражение, введённое испытуемым, будет считаться правильным, если его значение
совпадёт со значением, полученным при вычислении правильного ответа с заданной
точностью. Такой метод исключает возможность запомнить заранее и формально
ввести подсказанный численный ответ. Базовый план образовательного процесса
студента задаётся преподавателем при создании объекта курса — он повторяет
линейную последовательность тем для изучения в иерархическом виде, подобно
тому, как материал излагается в учебнике по предмету — от введения до
узкоспециальных вопросов. Для каждой темы, предлагаемой для изучения,
формируется список контрольных вопросов различной сложности: от простейших,
которые проверяют уровень усвоения предыдущего курса, необходимого для
понимания студентом изучаемого объекта, до вопросов, ответы на которые могут
продемонстрировать отличное понимание студентом сути изучаемого и требующих
демонстрации им практических навыков. Пример компоновки окна дисплея при выборе
раздела курса и редактировании тестовых заданий показан на рис.3. На рис.4
показано представление статистических данных по изучению студентом разделов
курса и пробных сдачах экзамена при 30 сессий.
Статистика, характеризующая динамику изучения курса представляется в
виде графика со столбчатой диаграммой,
в которой показаны последние 30 сеансов работы с программой и количество
полученных, правильных и неправильных ответов.
Разработанная
автоматизированная система самообучения и контроля знаний по профильным курсам
использует в своей работе несколько баз данных.
Во-первых, это база данных персональной статистики. В
ней фиксируется каждая сессия работы с самоучителем и все её характеристики -
время начала и окончания работы, количество заданных вопросов, количество как
правильных, так и неправильных ответов.
Рис. 3
Окно на дисплее с содержанием курса в программе
редактор курсов (слева) и файлы тестовых заданий (справа).
Для каждой сессии выводится суммарный коэффициент,
отражающий оценку по итогам данной сессии. Помимо данных по каждой из сессий, в
базе хранится суммарный рейтинг каждого пользователя, зарегистрированного в
системе и общая статистика. На основе этих данных возможно генерирование
рекомендаций, таких как совет лучше изучить конкретную тему и оценка
предполагаемого количества баллов на экзамене. Вторая используемая база данных
- это текст лекций или описание курса, а также приложенные к нему различные
учебные материалы.
Рис.4
Пример представления
статистических данных о ходе и результатах освоения изучаемого курса в
режиме «экзамен».
База данных учебных материалов разбита на разделы,
привязанные к иерархической структуре разделов курса, что позволяет выдавать
пользователю материалы только по той части курса, которой он занимается в
текущий момент. В отличие от других программ, система не ограничивает тип
прилагаемых к курсу материалов - подойдут любые материалы, которые могут быть
продемонстрированы компьютером, на котором установлена разработанная система.
Третью базу данных составляет массив
тестовых заданий и экзаменационных вопросов по курсу. Эта база данных состоит
из набора описаний вопросов и привязанных к ним дополнительных материалов. Доступ
студента к дополнительным материалам позволяет существенно расширить диапазон
возможностей системы: не просто дать пользователю задачу выбора одного варианта
из нескольких вариантов, но и ожидать от него ввода аналитических выражений или
предложить ему проделать некие действия над предоставленными ему объектами и
получить в ответ некий контролируемый системой результат.
Заключение.
Разработанная интерактивная компьютерная система
изучения профильных курсов в машиностроительном вузе содержит алгоритмы
формирования учебного процесса по локальным профильным предметам в соответствии
с учебным планом. Разработанная система позволяет оценить динамику изучения
студентов курса и степень усвоения студентом, как отдельных разделов курса и
курса в целом; организовать самостоятельное изучение студентом курса при помощи
компьютера и предоставлять преподавателю оперативную информацию о
самостоятельной работе студента.
Список
литературы.
1.
С.А. Ермаков.
Концептуальная модель самостоятельной работы студента для повышения
профессиональной компетенции молодых специалистов приводных специальностей.
Труды VIII Всероссийской юбилейной конференции «Проблемы
совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных
аппаратов», изд. МАИ г. Москва 2010г.
2. В.И. Карев,
В.С. Хомутов «Программное обеспечение
системы самостоятельной работы студентов приводных специальностей на основе
современных компьютерных технологий». Труды
VIII Всероссийской юбилейной конференции «Проблемы
совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных
аппаратов», изд. МАИ г. Москва 2010.
3. Д. Макфарланд.JavaScript. Подробное руководство.Эксмо, 2009
4. А. Боровский. Qt4.7+. Практическое программирование на C++. БХВ-Петербург, 2012 г.
5. Отчёт по гранту РГНФ № 11-06-00945а за 2011 г.
6. М. Шлее Qt4. Профессиональное программирование на C++.БХВ-Петербург, 2007 г.
7. J.A. Kreibich. Using SQLite. O'Reilly Media, 2010