Розробка автоматизованих навчальних систем на основі методики програмованого навчання

Оптимізація процесу навчання вимагає керування пізнавальною діяльністю учнів як в ході одержання ними знань, так і в процесі їх засвоєння. Сам процес навчання можна розглядати як педагогічну систему «вчитель-учень», охоплену двостороннім зв'язком (прямим та зворотнім). По каналу прямого зв'язку учень отримує вхідну інформацію, по каналу зворотного – видає вихідну інформацію, яка свідчить про рівень засвоєння учнем одержаних знань, тобто міру навченості. На основі аналізу вхідної та вихідної інформації викладач може застосовувати керуючі впливи і тим самим управляти пізнавальною діяльністю учня. Мета керування в такій педагогічній системі – управляти рівнем і мірою навченості.

Для успішного функціонування педагогічної системи необхідно скласти програму (план) керування діяльністю учня, тому такий процес навчання називається програмованим.

В основі методу програмованого навчання лежать класичні принципи дидактики. Це принципи систематичності та самостійності, які вимагають в роботі з учнями набуття крок за кроком компонент знань чи вмінь, а також створення з них структур. Термін «програмування» по відношенню до навчального процесу означає методику створення програм, які керують навчальною діяльністю учнів в процесі розв'язання ними пізнавальних задач. Навчальна програма – це головний елемент програмованого навчання. Її розуміють як впорядковану послідовність рекомендацій чи задач, що передаються за допомогою дидактичної машини або програмованого підручника і виконуються об'єктом навчання. Навчальний матеріал при програмованому навчанні подається в вигляді кадрів (кроків). Кожний кадр містить в собі:

· порівняльно невелику, завершену у логічному відношенні порцію дидактичного матеріалу;

· контрольне завдання, мета якого перевірити рівень засвоєння навчального матеріалу;

· вказівки про дії після виконання завдання.

Видача учнем відповіді на завдання вчителя, функцію якого може тимчасово виконувати і комп'ютер, є зворотнім зв'язком навчальної системи. В разі реалізації навчальної програми комп'ютером, його реакцією на інформацію зворотного зв'язку може бути:

· показ правильної відповіді;

· коротка підказка;

· розгорнуте пояснення причин помилки;

· подача повторного завдання аналогічного змісту.Принцип програмованого навчання може бути реалізований:

1) педагогом, в процесі проведення ним навчального процесу;

2) в виді програмованого підручника;

3) в вигляді навчальної програми, реалізованої на комп'ютері.

Для комп'ютерної реалізації найбільш доцільним є модульний метод програмування. Розглянемо коротко його особливості. Сама назва методу говорить про те, що в процесі засвоєння знань весь навчальний матеріал розбивається на окремі блоки, кожний з яких розглядає певну тему чи поняття. Кожен блок є незалежним від інших модулем навчання, але кожен наступний модуль ґрунтується на знаннях та вміннях набутих в попередніх модулях.

Навчальний модуль складається з таких блоків (рис. 1):

1. Інформаційний блок (І) – в ньому сформована певна область понять, що пов'язані з темою чи поняттям, які вивчаються в модулі. Ці поняття можуть подаватися у вигляді програмованого тексту або у вигляді класичного тексту.

2. Текстово-інформаційний блок (ТІ) – це набір питань, що стосуються окремих областей понять І.

3. Кореляційно-інформаційні блоки (КІ) – у випадку невірної відповіді на питання N блоку ТІ відбувається звертання до КІ(N), в якому дається корекційна інформація і можливість скорегувати відповідь на запитання N. У випадку повторення невірної відповіді об'єкт навчання має можливість звернутися до вчителя або до блоку І.

4. Проблемний блок (П) – в ньому ставиться загальна проблема, рішення якої можливе лише при засвоєнні знань блоку І.

5. Текстово-проблемний блок (ТП) – це набір підпроблем, послідовне рішення яких гарантує розв'язок загальної проблеми блоку П. Конкретніше, кожна підпроблема пов'язана з окремим поняттям блоку І. Розв'язок проблеми – це відповідь на проблемне запитання у вигляді визначеному навчальною програмою.

6. Корекційно-проблемні блоки (КП) – у випадку невірного рішення підпроблеми N керування навчальним процесом передається КП(N), в якому подається корекційна інформація та надається можливість скорегувати рішення підроблеми. У випадку повторної невірної відповіді учень може звернутися до блоку П чи І або до викладача.

З опису даного методу видно, що в ньому навчальний процес розбивається на окремі кроки, що дозволяє проводити поетапний контроль за процесом засвоєння дидактичного матеріалу. Саме це забезпечує якість процесу навчання. Деякі блоки в модульному методі можуть бути вилучені при реалізації його в виді комп'ютерної програми. Мова йде про тестово-інформаційний та корегуючо-інформаційні блоки. В такому випадку схема містить такі блоки: інформаційний, проблемний, тестово-проблемний та корегуючо-проблемний. Це пов'язано з тим, що теоретичний матеріал в повному обсягу краще викладати під час уроку, оскільки подача об'ємного навчального матеріалу на екрані дисплею недоцільна і мало ефективна. В інформаційному блоці, який подається в програмованому вигляді, теоретичний матеріал доцільно викладати в чіткому, лаконічному вигляді з висвітленням основних понять. Вся інформація в цьому блоці мусить бути направлена на краще засвоєння і узагальнення набутих знань. Опитування по даній темі доцільно проводити на початку практичного заняття викладачем. Таким чином реалізується тестово-інформаційний та корегуючо-інформаційні блоки.

Як бачимо, модульний метод програмованого навчання дає можливість добре скореагувати процес навчання та поділити його на окремі кроки, що особливо важливо при реалізації навчального процесу на комп'ютері. Цей метод дозволяє ефективно розв'язати такі задачі, пов'язані з дотриманням основних вимог програмованого навчання:

· дати можливість безпомилкового виконання навчальноі програми;

· включити в програму зворотній зв'язок – для реалізації контролю та самоконтролю;

· забезпечити однозначність завдань;

· не допускати недовизначень, які вимагають різних відповідей від різних об'єктів навчання.

Автоматизовану навчаючу систему (АНС) можна розглядати як сукупність технічного, програмного та інформаційного забезпечення. Програмне забезпечення, в свою чергу, складається з спеціального програмного забезпечення, яке містить в собі операційну систему, набір трансляторів з різних мов програмування, починаючи з асемблера і закінчуючи мовами СУБД, системні утиліти та навчального програмного забезпечення в виді пакетів навчальних програм. Інформаційне забезпечення складається з бази даних та бази знань.

Надалі, говорячи про АНС, будемо мати на увазі лише її програмну та інформаційну частини. Автоматизована навчально-контролююча програма являє собою людино-машинну систему, яка працює в діалоговому режимі. Призначення її – управління пізнавальною діяльністю учнів в процесі навчання. АНС складається з підсистем, які можна поділити на функціональні та забезпечуючи. Функціональні підсистеми пов'язані з основною цільовою функцією системи і розрізняються за способом використання їх, наприклад підсистема навчання, контролю та ін. Забезпечуючи підсистеми створюють необхідні умови для нормальної роботи функціональних підсистем.

Розглянемо одну з можливих структур автоматизованої навчальної системи з використанням елементів штучного інтелекту. Вона складається з таких блоків (рис. 2):

1. Об'єкт навчання – учень, студент.

2. Інтерфейс об'єкту навчання – дружній інтерфейс взаємодії об'єкту навчання з навчаючою системою на основі діалогу «учень-комп'ютер». Через інтерфейс користувача здійснюється обмін інформацією між об'єктом навчання і АНС.

3. Підсистема теоретичних відомостей здійснює подачу навчальної інформації по каналу прямого зв'язку об'єкта навчання через інтерфейс користувача.

4. Інформаційно-довідкова підсистема (підсистема «Допомога») видає довідки по користуванню навчальною системою.

5. Підсистема введення – через неї об'єкт навчання вводить числові величини та вибирає певні значення відповіді з допомогою системи меню.

6. Підсистема контролю організовує та проводить процес навчання, перевіряє правильність розв'язку поставлених підпроблем, генерує внутрішні помилки системи.

7. Підсистема обробки помилок визначає характер помилки, допущеної об'єктом навчання при тестуванні, і фіксує її черговість.

8. Машина висновків повідомляє про помилку допущену учнем і у відповідності до її характеру та черговості видає корегуючу інформацію, використовуючи базу знань.

9. Внутрішній інформаційний інтерфейс використовується для передачі інформації між окремими підсистемами АНС.

10. Підсистема обчислень здійснює еталонні обчислення для перевірки правильності відповідей при тестуванні.

11. Підсистема результату призначена для обробки результатів навчання, оцінювання знань учня та видачі результатів на екран дисплею і запису їх в файл результатів.

12. БЗ – база знань, яка містить дидактичний матеріал для підсистеми теоретичних відомостей, а також корегуючу інформацію для машини висновків.

13. СУБЗ – система управління базою знань.

14. БД (база даних) – різнорідна інформація, яку використовує підсистема «Допомога» та машина висновків.

15. СУБД – система управління базою даних, яка забезпечує доступ підсистеми «Допомога» до необхідної інформації з бази даних.

Автоматизований навчальний курс (АНК) подається в виді набору навчальних модулів {M(1),…, M(n)}, кожен з яких розглядає певну тему чи поняття. Сукупність понять, які вивчаються в j-му модулі та система понять, на яких ґрунтується тема цього модуля, утворюють складну ієрархічну структуру, яка зображена на Рис. 4. Вершиною графа, який описує цю структуру, є модуль M(j); на першому рівні ієрархії розміщується система понять C (1, j),…, C (k, j), яка визначає зміст M(j). Кожний з елементів C (і, j), в свою чергу, базується на певній сукупності понять D (1, j),…, D (m, j), які утворюють другий понятійний рівень. В ролі цих елементів виступають деякі елементи С (1, s) (s<j) попередніх навчальних модулів курсу (тобто певні елементи другого рівня j-го модуля одночасно являються елементами першого рівня s-го модуля), а також компоненти системи фундаментальних понять, на яких базується вивчення курсу і які є зовнішніми по відношенню до даного курсу. В залежності від змісту модуля можуть існувати ще декілька понятійних рівнів структури.

Логічна структура програмованого тексту (що може являти собою не лише текстову інформацію, але й графічні, музичні та інші образи), з допомогою якого висвітлюється те чи інше поняття, може бути, в свою чергу, досить складною. Вона містить в собі кілька рівнів деталізації, починаючи з найвищого – інформаційно-довідкового, який розрахований на підготовленого користувача, що в основному освоїв дане поняття. Hа самому нижньому рівні знаходиться найбільш детальна методична розробка навчального матеріалу з великою кількістю прикладів, орієнтована на слабо підготовленого учня.

Виходячи з основних засад зберігання та використання великих інформаційних масивів, схема розміщення багаторівневого програмованого тексту в пам'яті комп'ютера повинна організуватися так, щоб максимально уникнути дублювання при запису інформації. Цю задачу можна розв'язати створивши гіпертекстовий масив, тобто узагальнений текстовий масив, що є деяким логічним об'єднанням підтекстів різних навчальних рівнів.

Дидактична та довідкова інформація, необхідна для навчання на кожному з рівнів, одержується шляхом декомпозиції узагальненого тексту на певні складові. Це означає, що для кожного понятійного вузла навчальної мережі АНК, необхідно побудувати відповідну декомпозиційну функцію, аргументом якої є номер рівня навчання. Позначимо її через D (p, k), де p – номер понятійного вузла, k – рівень навчання в даному вузлі. Ці функції можна розглядати як елементи керування інтерфейсом навчального процесу.

Виходячи з основних принципів програмованого навчання, можемо запропонувати таку послідовність дій розробника АНС. 1. Постановка задачі:

- професійний аналіз навчального матеріалу;

- психологічний аналіз;

- дидактичний аналіз.

2. Розробка структури всіх модулів АНС.

3. Моделювання діалогу «учень-комп'ютер»:

- визначення кроків навчання;

- розробка сценарію діалогу «учень-комп'ютер»;

- формалізація сценарію;

- організація бази знань.

4. Розробка програмного забезпечення АНС.

- створення програмних модулів на одній або декількох вибраних мовах програмування;

- відлагодження програмних модулів на комп'ютері;

- компоновка та відлагодження всієї програмної системи.

5. Апробація АНС.

- перевірка навчального матеріалу та програмного забезпечення на вибраній групі учнів (студентів);

- корекція методичного та програмного забезпечення.

6. Впровадження АНС в навчальний процес та його дослідна експлуатація.

Література

1. Вильямс Р., Маклин К. Компьютеры в школе. – М.: Прогрес, 1988.

2. Машбиц Е.И., Андрушевская В.В., Комиссарова Е.Ю. Диалог в обучающей системе. – Киев,: Вища школа, 1989. – 183 с.

3. Кокорева Л.В., Перевозчикова О.Л., Ющенко Е.Л. Диалоговые системы. – Киев: Наукова думка, 1993.

Додатки

Рис. 1. Блок-схема програмного методу навчання

Рис. 2. Схема інтелектуальної навчальної системи

Рис 3. Блок-схема машини висновків