ЭЛЕКТРОННЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИННОВАЦИОННОЙ ПРОГРАММЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА

О.И.Мухин (moi@pstu.ac.ru)
к.т.н., зав.лабораторией Регионального центра информатизации ПГТУ
О.А.Полякова (stratum@pstu.ac.ru)
к.т.н., доцент кафедры Информационных технологий и автоматизированных систем ПГТУ
К.О.Мухин (km@stratum.ac.ru)
сотрудник Регионального центра информатизации ПГТУ
Пермский государственный технический университет, г. Пермь

Создание современных и качественных электронных образовательных ресурсов и систематическое применение информационных технологий в учебном процессе - важнейшая составляющая инновационной программы ВУЗа.

Требования к компьютерной технологии для поддержки инженерного мышления в процессе обучения

Мышление хорошо организовано и продуктивно тогда, когда оно опирается на технологию. Так как технология по определению обеспечивает результат в заданные сроки, с заранее объявленным качеством и затратами, то технологически поддержанный процесс мышления, безусловно, выгоден при обучении, особенно техническим дисциплинам, традиционно отличающимся сложностью и неопределенностью результата. Очевидно, что компьютерная технология для поддержки инженерного образования необходима и актуальна.

Чтобы быть удобной, технология поддержки мышления не может быть только графическим редактором или текстовым процессором, языком программирования или, например, геоинформационной системой. Очевидно, что всем этим технологиям не хватает в разной мере некоторой универсальности, поскольку они не вполне соответствуют процессу мышления человека в произвольно взятой предметной области.

Технология, чтобы быть удобной, должна обладать некоторым подобием процессу мышления, опираться на инструмент, соответствующий структуре мысли, предоставлять естественный интерфейс и быть экономичной, чтобы пользователь хотел ею пользоваться.

Описание технологии поддержки мышления

Основой технологии является замещение объекта из реальности компьютерной интерактивной моделью. Заметим, что в голове человека этот же объект отражается в виде образа, мысли.

Известно, что модель и объект реальности находятся в отношении подобия. Мыслительный образ и объект также подобны друг другу, именно поэтому мы правильно осознаем окружающий нас мир и понимаем образы, порождаемые умственной деятельностью других людей.

Тогда, представим образ, рождаемый в голове человека, в компьютере как модель, а мысль представим как процесс интерпретации (исчисления) этой модели. То есть компьютерная модель должна имитировать функционирование объектов из реальности подобно тому, как это происходит обычно в голове человека.

Что такое имитация? Модель в нашей технологии не только информация, но и сущность, способная к проявлению свойств, отраженных в ее записи. Поэтому модели требуется интерпретатор ее свойств, компьютерная среда моделирования.

Модели разных объектов должны обеспечивать возможность взаимодействия друг с другом. С их помощью, преобразуя их и комбинируя, инженер в процессе обучения может решать самые разные задачи и интерпретировать результаты моделирования, меняя вопросы, условия, гипотезы, входные данные.

Важно, что сама модель при этом остается неизменной, хотя задачи, которые она может решить, разные. То есть в модели содержится самое необходимое, концентрированное знание, модель представляет знание. Поэтому модели подобно знаниям можно собирать в библиотеки для дальнейшего их использования и распространения.

Инструмент для поддержки мышления

Любая технология должна быть поддержана инструментом для ее реализации. Оболочка Stratum-2000 использует представление мыслеформ человека в виде моделей, которые являются наиболее удобным представлением свойств объектов.

Инструмент предоставляет возможности, аналогичные по выразительности тем, которыми обычно обладает человек в своем мышлении. Чем больше модель будет похожа на образы и мысли человека, тем удобнее будет инструмент, тем естественнее будет выглядеть перенос мыслительной деятельности человека в компьютерную среду. Поэтому среда Stratum-2000 является моделирующей системой, интерпретатором моделей, системой хранения, манипулирования и управления моделями и данными, языковым и изобразительным средством описания моделей.

Окружающий нас мир состоит из объектов, которые обладают свойствами, структурой, образом, внешним видом, могут, например, звучать, иметь форму и так далее. Свойства объектов записываются в формальном виде.

Объекты явно отделены друг от друга, но могут взаимодействовать, если проведены связи между ними. Объекты и проведенные между ними связи образуют систему. Любой объект также может быть в свою очередь объявлен системой, может иметь структуру.

Кроме этого, мир - параллелен, так как сущности существуют параллельно во времени и пространстве, независимо друг от друга, иногда взаимодействуя друг с другом. Поведение объектов есть результат свойств, связанных в систему элементов.

Инструмент Stratum-2000 предоставляет пользователю (режим "Edit") при его работе над проблемой, которую он должен решить, возможность отражать в среде те образы, их структуру и свойства, которые приходят ему в голову, как бы рисовать, фиксировать мысль на экране компьютера. Инструмент поддерживает любые: сначала неформальные, а затем все более формализованные мыслеформы человека, в итоге реализуя технологию моделирования и обеспечивая численный результат задачи.

Среда является интерпретатором тех моделей, которые создал пользователь. После нажатия кнопки "Моделировать" объекты начинают взаимодействовать друг с другом, происходит компьютерный эксперимент, подобный эксперименту в голове пользователя, когда он мыслит.

Процесс конструирования систем - процесс конструирования мыслеформ

Когда создан набор базовых моделей, пользователь может манипулировать ими. То есть возможен процесс конструирования из базовых элементов сложных систем, или по-другому, составление из простых мыслеформ и знаний сложных систем и задач на их основе с последующим их решением математической машиной Stratum-2000.

Например, в лаборатории моделирования Пермского государственного технического университета создана коллекция из 500 моделей физических явлений. На ее базе создана предметная среда "Виртуальная физика" для конструирования и компьютерного моделирования физических экспериментов и задач, которая успешно применяется в течение 5 лет в высших и средних учебных заведениях.

Рассмотрим пример из физики, иллюстрирующий закон Гука (автор модели Д.В.Баяндин). На рисунке 1 видна математическая запись закона, структура системы, включающая математическую модель и связанные с ней вспомогательные имиджи для отображения трехмерного вида, графиков, открытия Windows-окон. Задача формулируется как определение координат шара, подвешенного на пружине, во времени. Решение отображается в виде перемещения образа шара и масштаба изображения пружины, а также численно.

Очень полезными для работы преподавателя в среде являются наборы элементарных знаний, известных законов, типовых механизмов, стандартных устройств, собранных в виде коллекции как результате деятельности наших пользователей. Обладая такой коллекцией, в которой сейчас более 2000 базовых конструкций, легко создавать и исследовать все новые и новые системы. Так как коллекция растет, то с каждым днем процесс конструирования все более упрощается. Многие пользователи обмениваются по Интернету такими моделями-знаниями между собой.

Такая система уже сегодня может существенно упростить работу человека, успешно освоившего инструменты Microsoft Office и использующего новые информационные технологии первого уровня, но при этом осознавшего необходимость в инструментах второго уровня. Как показал опыт, после осознания ограниченности функций редактора, базы данных или специализированной системы, автоматизирующей конкретную область деятельности, пользователи неизбежно приходят к парадигме моделирования при реализации своей деятельности.

Социальный эффект этого процесса состоит в том, что пользователь получает возможность реализовать любую свою идею по поводу задуманного им компьютерного проекта без участия программиста. Идея будет доведена им самим до действующей реализации, чего не позволяют технологии редакторов.

С экономической точки зрения эффективность создания компьютерных систем по такой технологии увеличивается, по крайней мере, в 8-10 раз.

Применение интерактивных форм обучения в системах образования

В классической технологии преподаватель имеет возможность выбирать форму проведения занятий из множества проверенных временем - лекция, семинар, лабораторная, практическое занятие, курсовая работа, контрольная, консультация и так далее. Опытный преподаватель виртуозно применяет эти формы в зависимости от ситуации и достигает требуемого результата. Но ряд современных важнейших образовательных функций преподавателю, используя традиционные технологии, реализовать сложно. Общая проблема образовательных систем - это отсутствие достаточного интерактива в обучении.

Например, пассивно воспринимаемые тексты и иллюстрации из учебников не гарантируют правильного их восприятия обучаемым, даже если они представлены на компьютерном носителе. Во многих системах практикуют трансляцию знаний в режиме of-line (учебное телевидение, for example). Но здесь индивидуальная реакция преподавателя на обучаемого минимальна, и процесс обучения не достигает большого эффекта. В третьем случае увеличивают долю присутствия преподавателя в процессе обучения, но это многократно увеличивает стоимость обучения.

Поэтому в состав современной образовательной системы в обязательном порядке должен входить интерпретатор знаний, предъявляемых обучаемым в виде моделей. Среда моделирования позволяет обучаемому оперировать знаниями, получать интеллектуальные реакции системы, конструировать из моделей виртуальный мир, который взаимодействует с обучаемым и позволяет тем самым лучше усвоить ему учебную дисциплину. Модели можно дополнить экспертными системами для оценки деятельности и помощи обучаемому.

Изучаемая дисциплина должна быть представлена системой моделей, связанных между собой причинно-следственными связями. Хороший интерактивный курс должен обеспечить обучаемых управляемыми демонстрациями, упражнениями, лабораторными работами, задачами, репетиторами, тестами, виртуальными стендами для конструирования.

При переносе учебного материала из классической системы в систему образования с использованием компьютерных средств преподаватель ищет адекватные средства и нуждается в соответствующих инструментах. Рассмотрев множество известных систем, мы разработали для преподавателя таблицу, с помощью которой можно найти соответствие формы классического занятия электронному занятию и применить ее на практике. Обучение будет тем эффективнее, чем более точным будет такой переход. И естественно, что каждая электронная форма нуждается в определенном инструменте.

Отметим, что ни в одной из исследованных нами систем полного соответствия не было достигнуто, что является их существенным недостатком, который следует реально осознавать. А это значит, что преподаватели не реализовали все свои возможности, а учащиеся не получили соответствующего качества образовательных услуг.

Реализовав на практике для ПГТУ ряд таких технологий, мы обнаружили, что они образуют некоторую иерархическую систему сообразно тем функциям, которые они обеспечивают. Так используя только текстовый или графический редактор, нельзя, например, добиться выполнения функции тренажа. Чтобы построить систему, на которой можно выполнить тренаж, необходима уже технология второго уровня, то есть, необходимы средства, которые могут преобразовывать данные согласно некоторого формального описания (алгоритм, метод, модель). Технология второго уровня оперирует данными, преобразуя их с помощью моделей из стандартного набора дисциплины.

Если использовать технологию третьего уровня, которая будет оперировать самим моделями, то можно отработать у обучаемого навыки конструирования. Конструирование предполагает, что среда понимает неканонический, хотя и формальный контекст задачи, манипулируя стандартными моделями. На этом уровне возможно построение виртуального мира учебной дисциплины за счет динамического взаимодействия моделей в процессе изменения структуры мира.

Технология четвертого уровня понимает задачи в свободном контексте, составляя модели сообразно описанию проблемы и используя базу знаний. Технология обеспечивает решение задач, находясь в рамках заданной предметной области, и требует, чтобы задачи изначально должны быть решаемыми. На данном уровне возможно использование для обучения репетиторов, интеллектуальных тренажеров, экспертных систем.

В любом случае задача представляет собой с точки зрения технологии цепь преобразований и включает в себя несколько моделей, связанных между собой последовательно, иерархически и параллельно. С методической точки зрения любая такая цепочка может играть роль демонстрации, теста, тренажера, лабораторной работы, упражнения, репетитора. Это зависит от формирования преподавателем соответствующего вида интерфейса. При оформлении важно, сколько цифрового и визуального материала выведено на пульт ввода-вывода, вид задачи, степень открытости результатов, наличие подсказок и реакций, детализации классификатора ошибок. Система предоставляет примеры оформления различного рода методических форм.

Правильно выстраивая ряд интерактивных моделей, придавая им различную форму, преподаватель может варьировать учебный процесс, управлять им.

Обучение начинается с простейших форм (демонстрация) и заканчивается высшей формой - конструирование. На каждой стадии процесс обучения реализует цикл - выработка навыка, контроль. Контроль, как и предъявление материала, варьируется по сложности. Величина цикла также варьируется.

Обучаемому набор моделей представляется в виде виртуального мира, в котором ему следует принимать решения. Процесс обучения в такой постановке становится намного более динамичным. Управляя, наблюдая, конструируя, решая задачи, обучаемый приобретает опыт, обучается, формирует знания и навыки.

На начальных стадиях обучения студент, наблюдая поведение системы, пытается понять предъявляемые ему параллельно учебные тексты. Усвоив их, далее он может управлять моделью, используя искусственно ограниченное преподавателем множество переменных, и это позволяет ему уточнить закономерности, имеющие место в предмете изучения. Приобретая опыт, он получает от преподавателя все большую свободу в управлении моделями, достигает все более абстрактные результаты за счет решения более сложных задач. Например, преподаватель может так поставить цель, чтобы обучаемый обеспечил своими манипуляциями с моделью достижение ряда промежуточных целей. Чем чаще преподаватель установил промежуточные цели на пути к главной цели, тем жестче процесс обучения, чем реже установлены контрольные точки, тем более процесс обучения становится творческим. В такой технологии преподаватель может управлять сложностью заданий, целями обучения, заставляя двигаться обучаемого от простого к сложному в своем предмете.

Высшей формой обучения является получение обучаемым навыков конструирования. С помощью конструктора, визуально изменяя структуру системы, обучаемый может решать комплексные задачи, исследуемые в дисциплине, используя модели из различных разделов. Это обеспечивает выработку у него навыков конструирования, развивает его творческие способности. Это наиболее трудная методическая задача и решается она в конце курса обучения.

После накопления достаточного количества интерактивных фрагментов преподаватели создают на третьем уровне карту дисциплины, позволяющую понять, как связаны ее понятия и законы между собой. По такой карте мы можем генерировать задачи и управлять движением обучаемого по дисциплине.

Контроль и управление процессом обучения

Во время манипуляций с моделью параллельно действует экспертная система, фиксирующая действия обучаемого и реакции (результаты) управляемой им модели. В случае обнаружения отклонения поведения моделируемой системы от запланированного экспертная система производит коррекцию действий обучаемого в мягком или жестком режиме. Кроме этого экспертная система собирает статистику об ошибках, допускаемых обучаемым. Ошибки, которые допускает обучаемый на каждом шаге, фиксируются по типу. Количество ошибок, меняющееся во времени и их тип, указывает на динамику обучения каждого конкретного обучаемого, фиксирует его обучаемость. Все это позволяет построить систему индивидуального управления движением обучаемого по дисциплине.

Принципиально важно отметить, что на любом уровне использования среды, чтобы составить задачу достаточно составить цепь моделей, преобразующих вход в выход. Если задача простая, то цепочка преобразований в модели невелика. Если задача сложная, то цепь преобразований включает в себя несколько моделей, связанных между собой последовательно, иерархически и параллельно.

Таким образом, формулируя списки искомых и заданных переменных, можно варьировать сложность задачи для обучаемого, увеличивая или уменьшая длину цепи. Каждому обучаемому может быть предоставлена индивидуальная задача - используемые генераторы случайных чисел варьируют значения переменных, список переменных и структуру моделей.

Заметим, что поскольку цепь моделей синтезируется к каждой задаче заново, то компьютер всегда вычисляет сам "на ходу" ответ, который нигде не хранится. Это исключает возможность злоупотреблений.

Одновременно в среде реализована возможность просматривания ответов, как конечных, так и любых промежуточных, по мере того, как их получает модель. Мы различаем локальные и глобальные подсказки. Если обучаемый затруднился в действиях на определенном этапе цепочки преобразований, то ему открывается результат данного этапа, вычисленный машиной. Если обучаемый не может решить задачу целиком, то открывается вся цепочка. Возможны промежуточные варианты, за счет чего помощь дозируется соответственно способностям учащегося, демонстрируемым им в данный момент. Если учащийся не справляется с решением задачи, цепочка делится пополам (дихотомический метод) и учащемуся предъявляется две более простые задачи, которые он должен решить последовательно.

Управляя длиной цепи моделей можно с любой точностью измерить, насколько сложные задачи учащийся может решать к настоящему моменту обучения, какие разделы учебной дисциплины он освоил, и какие пробелы в знаниях по дисциплине он имеет. Характер ошибок, их количество и вес (тяжесть) определяется из классификатора типовых ошибок. Таким образом, учащийся оценивается по степени сложности (длина цепи) решаемых им обычно задач. Различают два типа оценок - способность решать длинные цепи (способность к решению сложных задач, уяснению причинно-следственных связей) и незнание отдельных элементов цепи, контента предмета. То есть статическая (оценка знания содержания предмета) и динамическая (оценка способности использовать знания) оценка.

Обычно отдельные модели дисциплины связаны между собой по смыслу, что позволяет построить причинно-следственные связи моделей и предъявлять их последовательно. Самым примитивным прототипом таких связей следует признать гиперссылки в электронных документах. В моделях эти ссылки представлены математическими операторами, формализующими отношение знаний. Таким образом, коллекция моделей дисциплины приобретает вид связанной системы знаний, представленных моделями более низкого уровня.

Учащиеся движутся по дисциплине от одной модели к другой, постепенно усваивая представленные ими знания. Система отмечает пройденные разделы, а также локализует пробелы в знаниях на карте дисциплины, составленной преподавателем. Сравнивая карту связей моделей между собой с полученной сканированием, можно определить области перспективные для индивидуального обучения и порядок предъявления нового материала.

Дополнительным достоинством такого подхода является то, что рассматривая вид такой системы, преподаватель сам в состоянии сделать вывод о систематичности и стройности своего курса.

Результаты и их практическое применение

Как видно, модель может выступать в различных формах подачи материала, повышая их интерактивность. Главная задача преподавателя - построить конструктор моделей объектов, из которого можно далее собрать любые системы, имеющие отношение к изучаемой дисциплине. После того, как преподаватели создали первый уровень - текстовые пособия с пассивными иллюстрациями, они понимают необходимость перехода к моделям и естественным образом переходят к системам второго уровня. На этом уровне они создают модели и используют их для проектирования интерактивных демонстраций, лабораторных работ, курсовых, интерактивных задач.

Оценка развитости образовательной системы конкретного учебного заведения может быть составлена из положения и веса материалов, доступных студентам, по указанным шкалам.

На сегодняшний день в ПГТУ создана и апробирована (не менее 5000 пользователей за 5 лет) технология и инструмент реализации построения компьютерных моделей, за счет чего обеспечивается интерактивный характер обучения, гармонично дополняющий традиционные способы обучения. В ПГТУ реализовано обучение по 30 техническим дисциплинам с использованием интерактивных методов обучения, преподаватели обучаются новым компьютерным технологиям в рамках факультета повышения квалификации и системы IGIP "Европейский преподаватель".

Преимущество технологии и инструмента состоит в том, что создавать действующие компьютерные системы преподаватель может без участия программиста. При этом процесс проектирования интерактивных обучающих систем ускоряется не менее чем в 5 раз, а затраты уменьшаются не менее чем в 10 раз. Это обстоятельство позволяет внести существенный вклад в инновационный потенциал университета, создать системные предпосылки его уверенного роста.