Министерство общего и профессионального образования РФ
Самарский Государственный Архитектурно-Строительный Университет
Кафедра ПМиВТ
Научно-исследовательская работа на тему:
"Создание автоматизированной обучающей системы по курсу дискретной математики".
Выполнила:
Студентка ФИСТ
Группы ГИП
-100Зуева Мария
Научный руководитель:
Безгласный Сергей Павлович
Самара 2004
Содержание:
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.
Любая программа представляет собой набор алгоритмов (компонентов), которые взаимодействия между собой решают поставленную задачу. При этом программа будет являться программной системой, если она представляет собой совокупность взаимосвязанных компонентов, каждый из которых выполняет вполне определенные функции. В общем случае любая обучающая программа может считаться программной системой, так как в ней обязательно присутствует компонента интерфейса пользователя, и компонента, реализующая предлагаемую методику. Каждая автоматизированная обучающая система имеет определенную структуру на основе группы элементов с указанием связей между ними и дающее представление о системе в целом. Поэтому структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней типам связей.
рис 1. Классификация структурного построения АОС
По структурным признакам взаимодействия обучающей системы подразделяются на два базовых класса (рис.1): разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной связью) системы, которые отличаются принципиальным подходом к процессу обучения.
В разомкнутых АОС
не учитываются отклики учащихся на поставленные вопросы и не корректируется последовательность предъявления учебного материала в функции степени усвоения учащимся изучаемой темы. Здесь лишь выполняется определенная заранее заданная программным путем последовательность изложения урока или контрольных вопросов. При этом наиболее простыми из числа разомкнутых АОС являются системы с презентационной структурой, представляющей собой последовательное включение звеньев "АОС" и "Учащийся" (рис 2)Рис 2. Структурная схема презентационной системы обучения
В АОС данного типа присутствует только прямая информационная связь между системой и учащимся, которому последовательно предоставляется визуальная информация с монитора ЭВМ. При этом обучаемый находится в режиме пассивного наблюдателя, от которого не требуется ни каких откликов по взаимодействию с АОС.
В тестирующих АОС без обратной связи (рис.3) основной упор делается на выявление уровня знаний учащихся в определенный период учебного процесса. Используя различную методику, такие системы предъявляют обучаемому открытый или закрытый вариант вопроса (вопрос с вариантами выбора ответа). От учащегося ожидается отклик в виде ответа на поставленный вопрос. Ответ фиксируется в блоке фиксатора ошибок. По результатам опроса выставляется определенный балл, который служит критерием для результирующей оценки по степени усвоения учащимся требуемого учебного материала.
Рис 3. Структурная схема тестирующей системы обучения
Наиболее широкими функциональными возможностями и высокой эффективностью в учебном процессе обладают АОС, где организована обратная связь между учащимся и обучающей системой.
Рассмотрим обобщенный принцип функционирования системы "АОС-учащийся". Процесс взаимодействия учащегося с АОС может быть представлен в виде системы с внешней обратной связью, где АОС направлена на повышение уровня знаний пользователя, и тем самым уменьшение количество ошибок им совершаемых (рис.1.6 .6). Звеном прямого канала регулирования здесь выступает АОС, объектом регулирования - "Учащийся". Генерация воздействий на учащегося со стороны АОС строится в соответствии со знаниями учащегося на основе накопленного им ранее опыта и входным заданием, а также в зависимости от принятых
в программном обеспечении критериев достоверности оценки знаний обучаемого. В зависимости от характера воздействия со стороны АОС учащийся принимает определенное, достоверное с его точки зрения, решение, доказывающее, по его мнению, факт усвоения им поданного материала, и генерирует его на вход ЭВМ.Если пренебречь дискретностью, очевидной для системы "АОС-учащийся", и рассматривать ее в виде некоторой линейной системы (рис.4 а), то реакция учащегося на воздействия со стороны АОС можно рассматривать в виде некоторой функции уровня количества ошибок в зависимости от предъявляемого задания. Задание, здесь совокупность задач, которые должен решить пользователь. Вид этой функции зависит от индивидуальных свойств обучаемого и программного обеспечения. Первый случай (кривая 1, рис 4 б) свидетельствует о полной несовместимости АОС и обучаемого, так как решения, принимаемые учеником в процессе взаимодействия с АОС, носят характер все более грубых с каждым новым заданием ошибок. Это может быть причиной как полной неготовности ученика к усвоению предлагаемого материала, так и результатом методических ошибок, заложенных в программное обеспечение АОС. Последний фактор выявляется достаточно просто в случае массового характера подобного явления, методически проявляющего себя в группе учащихся. Второй вариант (кривая 2, рис 4 б) свидетельствует в пользу неспособности учащегося оперативно применять ранее полученные знания. Очевидно, что в любой АОС в первую очередь необходимо задать максимально допустимое время на принятие учащимся решения на предоставляемый ему вопрос. Как правило, для квалифицированного преподавателя с достаточно большим опытом учебно-методической работы данное обстоятельство не вызывает особых затруднений.
Рис 4. Обобщенная структурная схема замкнутой системы "АОС - учащийся" (а) и качественный вид процесса усвоения учебного материала (б)
Функции решений (откликов) ученика в АОС обычно выполняют ответы на вопрос и/или выбор той или иной ссылки для получения учащимся дополнительной развернутой информации об изучаемом предмете. Как результат действия АОС предъявляет новую порцию информации, после чего весь цикл повторяется.
Весьма распространенным типом АОС среди замкнутых систем являются имитационные автоматизированные обучающие системы. Здесь функции ведущего "элемента" выполняет фактор моделирования реальной ситуации в той или иной сфере предметной области. Элемент обратной связью в виде реакции ученика на предъявляемый АОС учебный материал является основой
непрерывного взаимодействия системы "АОС-обучаемый", так как то или иное воздействие на систему со стороны пользователя ведет сразу к ответной реакции со стороны обучающей системы. Примером подобных АОС могут служить всевозможные игровые тренажеры, имитаторы и т.п.В нотационных АОС используется комплексный подход в обучении. Программа не только обучает, но и одновременно проверяет полученные на текущий момент знания учащимся. Здесь важным фактором служит отклик учащегося на то или иное информационное воздействие. В зависимости от отклика, обучающая система может перестроить ход урока в том или ином направлении. В АОС данной структуры очень часто вводят игровые элементы.
Таким образом, является очевидным, что наиболее широкими возможностями с учетом современных требований к АОС обладают замкнутые обучающие системы, обеспечивающие максимальную "гибкость" в общении с пользователем.
При реализации любой из ранее рассмотренных структур АОС используются вполне определенные алгоритмические подходы, диктуемые методикой проведения учебного занятия. Обычно любая обучающая система представляет собой совокупность порций информации, называемой слайдами, которые в той или иной форме предъявляются ученику. Современная вычислительная техника обладает широкими функциональными возможностями и позволяет использовать в слайдах информацию, представленную в виде обычного текста, графического изображения, аудио и видео фрагментов. При этом в слайдах можно сосредоточить все средства представления информации, существующие в настоящее время для повышения эффективности учебного процесса.
Классификация АОС по алгоритмическому построению представлена на рис.5.
При использовании линейных алгоритмов АОС (рис.6) учащемуся, согласно методике, последовательно предъявляются слайды, заложенные в АОС. В качестве достоинств линейного алгоритма АОС можно отметить простоту разработки такой системы, а в качестве недостатков - трудоемкость раскрытия некоторых тем и невозможность гарантированного закрепления полученных знаний. В АОС построенных с использованием нелинейных алгоритмов появляется возможность изменять последовательность предъявления слайдов в зависимости от того или иного отклика учащегося на информационное воздействие. Здесь важнейшую роль играют слайды, содержащие вопросы и требующие принятие решения учащимся. В таких слайдах, которые назовем слайдами выбора, используются следующие средства выбора направления обучения:
рис 5. Классификация АОС по принципам алгоритмического построения
рис 6. Линейный алгоритм АОС.
Открытые вопросы - это вопросы, состоящие только из формулировки вопроса. Ответ должен ввести ученик. В качестве ответа выступает числовое значение, которое может быть однозначным или лежать в некотором заданном допустимом диапазоне. Не допускается в качестве ответов на открытые вопросы символьные строки, содержащие буквы, пробелы и другие символы, так как в этом случае затруднено определение правильности ответа из-за возможных ошибок пользователя при вводе информации (например, ввод двух вместо одного пробелов). Обучающая программа определяет правильность ответа и выбирает ту или иную дальнейшую последовательность предъявления слайдов.
Закрытые вопросы - это вопросы, состоящие из формулировки вопросов и нескольких вариантов ответа. Ученику ставится задача выбрать один или несколько правильных вариантов ответа. Допускается наличие от 3 до 6 вариантов ответов, причем правильными могут быть некоторые, все, или только один из ответов. Не допускается ситуация, когда все ответы на закрытый вопрос являются неправильными. В закрытых вопросах нельзя применять наличие открытых вариантов, например, формулировки "другие ответы", хотя допускается формулировка "нет правильных ответов". Выбор должен производится только из предлагаемого списка ответов. Правильность ответа можно засчитывать по сумме правильно выбранных вариантов
или по одному правильно выбранному варианту. В соответствии с результатом ответа обучающая программа выбирает ту или иную последовательность слайдов для дальнейшего предъявления.Гиперссылки - новый способ выбора последовательности предъявления слайдов, осуществляемый самим учеником. Применяется в курсах программированного обучения, созданных с использованием методов международной сети Internet. Определенная часть слайда ставится в соответствие другому слайду. При указании пользователем на эту гиперссылку
обучающая программа открывает поставленный в соответствие этой гиперссылке слайд.Нелинейные алгоритмы, в свою очередь, делятся на циклические, направленные и комбинированные.
Циклические алгоритмы предполагают повторный возврат к слайдам, отражающим темы, которые учащийся недостаточно усвоил. Как показано Рис 7 если ученик принимает неверное решение задачи поставленной ему слайдом выбора, то АОС может повторно предъявить слайды, которые уже ранее были показаны, для повторного прохождения темы или ее закрепления.
Рис 7. Циклический алгоритм АОС
Направленные алгоритмы (Рис 8) по-прежнему предполагают наличие слайдов выбора, однако в зависимости от принятого решения учащимся выбирается та или иная последовательность и возврата обратно не предполагается.
8. Направленный алгоритм АОС
В комбинированных алгоритмах используется оба принципа. По результатам решения принятого учащимся для ответа на вопрос слайда выбора, АОС изменяет последовательность предъявления слайда, однако на N-ом шаге возможен возврат к предыдущим слайдам.
Рис 9. Комбинированный алгоритм АОС
Таким образом, каждая из представленных структур позволяет предъявлять учебный материал, в соответствии с последовательностью, которая обеспечивает приемлемое предъявление учебного материала в соответствии с требованием предметной области.
Классификация систем учебного назначения:
Основные выводы по "грамотному" построению автоматизированной обучающей системы.
Обучение включает в себя больше, чем просто представление информации; необходима проверка действий обучаемого с динамичной обратной связью в процессе обучения для избежания ошибочных выводов, а также отлаженная обратная связь для периодической оценки знаний обучаемого.
Обучаемый не должен с трудом добираться до решения и не должен пытаться решать сверхтяжелые задачи. Система должна поддерживать простой интерфейс, обладающий возможностью более четкой детализации при изучении деталей, например компоненты формул.
Наиболее "прогрессивной" технологией является интерактивная поддержка в решении задач. Вместо ожидания конечного решения эта технология предоставляет обучаемому интеллектуальную помощь на каждом шаге решения задачи. Уровень помощи может быть разным: от оповещения о неправильно сделанном шаге до выдачи совета и выполнения следующего шага студента. Системы, в которых реализуется эта технология, могут наблюдать за действиями студента, понимать их и использовать их понимание для предоставления помощи и обновления модели обучаемого. Создание и своевременная корректировка модели учащегося позволяют динамично адаптировать учебный материал индивидуально для каждого студента, осуществлять интерактивную помощь на уровне подсказок, примеров или объяснений.
Необходимо обеспечить гибкость системы, т.е. возможность настройки параметров системы на режимы, оптимальные с точки зрения индивидуальных особенностей студентов.
Система должна брать на себя как можно больше рутинных функций, не требующих (или почти не требующих) вмешательства в реальном времени со стороны специалистов изучаемой области. К таким функциям можно отнести, например: ответ на типичные (часто задаваемые) вопросы, проверка правильности решения стандартной (типичной) задачи, объяснение типичных ошибок при решении задач.
Достоинства применения обучающих систем.
Использование автоматизированных обучающих систем - верный способ получить выигрыш во времени обучения студента некоторой дисциплине, в частности дискретной математике. Применение распределенной АОС, терминалы которой соединены локальной или глобальной сетью, позволит разрешить проблему узкого места, возникающую при обучении студента в учебном заведении. Наиболее ощутимые преимущества при организации учебного процесса с применением распределенной АОС заключается в распараллеливании обучения и отсутствии строгого по времени
расписания занятий.Важно подчеркнуть, что преподаватель является ключевым элементом обучающей среды. Его роль сводится не только к организации самостоятельной работы обучаемых, но и регистрации её результатов. Освободившись от нудных функций передатчика информации, консультанта и контролера, он получает возможность для индивидуальной дополнительной работы с "лидерами" и "отстающими", проведения педагогических экспериментов и т.п.
Постоянный, индивидуальный контроль усвоения учебного материала.
Возможность неоднократных повторов материала по желанию обучаемого.
Обучающие системы не могут иметь "любимчиков", поэтому они обладают таким важным свойством, как непредвзятость.
АОС должны обеспечивать достаточно высокую степень защиты информации и не допустить возможности прохождения контрольных опросов потому, что у его знакомого были точно такие же вопросы (или в некоторой части они совпадают). Мною предложен в данной работе новый подход к составлению тестирующих заданий, который сможет устранить возможность "списывания".
Автоматизированная обучающая система (АОС) по курсу
дискретной математики.
Основные разделы системы.
В настоящее время в процесс обучения активно внедряются программные технологии на базе персональных ЭВМ, применяемые для передачи ученику учебного материала и контроля степени его усвоения. При этом в последнее
время появилось достаточно большое количество обучающих систем, в том числе и автоматизированных (АОС), которые охватывают различные предметные области. Вместе с тем, большая часть программ носит субъективных характер, отражающий интеллектуальный уровень знаний авторов в области программирования, и написаны в соответствии с взглядами разработчиков на компьютерную технологию обучения. Это приводит к тому, что ряд программ имеют крайне ограниченные функциональные возможности и не позволяют в полной мере усвоить преподносимый материал.В своей работе я сделала обзор существующих обучающих систем, освоила основные принципы создания таких систем. На этой основе были выявлены "слабые стороны" существующих продуктов, которые я, как мне кажется, смогла учесть при разработке своей обучающей системы. Мною была разработана общая концепция построения системы.
Система включает в себя все основные разделы дискретной математики, а именно:
Данная система преследует три основные цели:
Система обеспечивает реализацию следующих функций:
Заключение.
Разработанная система является достаточно универсальной, применимой для пополнения теоретическим и практическим материалом. Разработанная система обеспечивает повышение образовательной активности студентов, позволяет студентам рационально планировать свое учебное время, осваивать программу дисциплины не только в аудиториях, но и дома. При этом увеличивается эффективность труда преподавателя, усиливается его научная, методическая и воспитательная роль в индивидуальной подготовке специалистов.
Автоматизированная обучающая система реализована средствами языков программирования Delphi и Visual Basic.
Список используемой литературы:
