Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по педагогике

Методические основы представления и контроля знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей

Автореферат докторской диссертации по педагогике

 

На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

Шихнабиева Тамара Шихгасановна

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫа ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАТИКИ

аС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНЫХа СЕМАНТИЧЕСКИХаа МОДЕЛЕЙ

 

 

 

Специальностьаа 13.00.02 - теория и методика

обучения и воспитания (информатика)

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора педагогических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре информатики и математикиа Московскогоаа

государственного гуманитарного университета им. М.А.Шолохова

 

 

Научный консультант: аадоктор технических наук, профессор

ааЗобов Борис Иванович

Официальные оппоненты:аа член - корреспондент РАО,аа

а адоктор педагогических наук, профессор

а аKубрушко Пётр Фёдорович

 

 

аа доктор педагогических наук, профессора

аа Ин Александр Харитонович

аа доктор технических наук, профессор

аа Пестрикова Виктор Михайлович

 

 

Ведущая организация: Учреждение Российской академии образованияа

аа аУИнститут информатизации образованияФ

 

 

Защита диссертации состоитсяа 17 марта 2009 года в 1400 ачасов на заседании диссертационного совета Д 212.136.02 в Московском государственном гуманитарном университете им. М.А.Шолохова по адресу: 109391, г. Москва, Рязанский проспект, д.9.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного гуманитарного университета им. М.А.Шолохова по адресу: 109240, г. Москва, ул. Верхняя Радищевская, д.16 - 18.

Автореферат диссертации разосланаа Уаа Ф февраля 2009а г.

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наука А.В.Корниенко

ОБЩАЯа ХАРАКТЕРИСТИКАа ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность тема. Современные информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) и стремительное развитие сетевых образовательных услуг вызвали комплекс инноваций по реорганизации существующих образовательных систем всех уровней образования - от школы до вуза. Как следствие, меняется характер и динамика информационного взаимодействия обучающихся са преподавателем, что существенныма образом влияет на выбор форм, методов, средств и технологий обучения.

Одной из отличительных особенностей современного этапа развития образовательных систем являетсяа поиск педагогами-исследователями эффективных способов применения формальных методов представления азнаний и организации процесса обучения на основе использования достижений кибернетики, синергетики, теории искусственного интеллекта в аспектаха развития и расширения понятий, принципов и методов дидактики и педагогических технологий.

Информатика как научная дисциплина представляет собой стремительно развивающуюся область знаний, некоторые разделы которой уже устоялись и являются общепризнанными, а некоторые находятся в стадии становления. Современная дидактика рассматривает изучение научных дисциплин как освоение педагогически адаптированных научных знаний. Применительно к информатике это обстоятельство требует первоначально провести систематизацию и структуризацию еёа содержания на текущий момента времени. Имея представление о состоянии современной информатики, можно строить дидактическую систему обучения этой области знаний, для чего необходимо разработать методологию структуризации и адаптации этих знаний с учетом требований специальности и социального заказа.

Значимая роль информатики и информационных технологий в модернизации образовательных систем отмечается в научных исследованиях многих известных ученых и педагогов (Бороненко Т.А., Ваграменко Я.А., Власова Е.З., Вострокнутов И.Е., Готская И.Б., Зобов Б.И., Колин К.К., Лапчик М.П., Монахов В.М., Роберт И.В., Стефанова Н.Л., Швецкий М.В. и др.). При этом отмечается необходимость дальнейших исследований, которые бы позволили эффективно использовать потенциал интеллектуальных методова и моделей представления знаний (логических моделей, фреймов, правил продукций, семантических сетей и др.)а в системах обучения.а

Различные подходы к моделированию содержания образования в области информатики и систематизации учебного материала исследованы в работаха Т.А.Азларова, Н.В.Апатовой, А.Г.Гейна, А.С.Лесневского, В.П.Линьковой, Е.А.Ракитиной, Н.В.Матвеевой,аа Н.В.Марусевой, М.В.Швецкогоа и др.

Применению математического аппарата теории графов для моделирования логической структуры учебного материала,а систематизации его понятий посвящены исследования В.П.Беспалько, С.А.Бешенкова,а И.И.Логвинова, В.П.Мизинцева, И.В.Роберт, А.М.Сохор, А.Ю.Уварова и др. Следует также отметить работы, В.Ф.Волгиной и И.А.Мешковой, в которых аграфовые модели представления знаний использованы практически.

Наиболее важным с методологической точки зрения представляется подход, предложенный В.С.Ледневым, в основу которого положены три базовые составляющие: опыт личности, виды деятельности и содержание образования. Взаимодействие этих составляющих с позиций кибернетики можно рассматривать как проблемную область исследования информационных процессов в сложных системах.

Однако, в настоящее время практически отсутствуют исследования системного представления знаний в учебных текстах и электронных базах знаний, хотя в теории и методике обучения информатике появляются работы, в которых с целью моделирования логической структуры учебного материала применяются апонятия и аппарат семантических сетей, кака структуры представления знаний в виде графов, в вершинах которых находятся понятия изучаемой предметной области, а дуги обозначают отношения между ними.

Следует отметить, что традиционная система обучения на разных этапах учебного процесса стремится дать обучаемыма как можно больше фактического материала. При таком подходе оценка качества знаний проводится посредством учета количества фактов (понятий, элементов знаний и др.), которыми оперирует обучаемый, и точностью их воспроизведения. Поскольку изучаемые понятия предметной области взаимосвязаны, следуют одно из другого, в стороне остаются связи и отношения между понятиями и правила логического вывода конкретныха понятий иза более обобщенныха категорий предметной области.а Такого рода обучение приводит к формализму знаний. При решении творческих задач, к которым относится процесс обучения, необходимаа система представления знаний, основанная на логико-семантическом подходе, который позволяета отображать условия задачи в виде структурированной модели, в которой учитываются все необходимые адля аеёа решения асвязи между элементами.а

Для построения теории обучения, отражающей основные стороны реальной действительности и предоставляющей возможности для совершенствования вузовского обучения, должна быть принята соответствующая модель учебной деятельности. Так как общеизвестные модели в виде графов, матриц, логических уравнений, предикатов и др. не всегда пригодны для описания процесса обучения и ориентированы в основном на анализ количественной информации, то при выбореа модели процесса обучения необходимо учитывать субъективные факторы и специфику семантической информации, динамику развития предметной области УИнформатикаФ. Большим потенциалом для решения указанных задач обладают адаптивныеа семантические модели.

Под адаптивной семантической моделью (АСМ) учебного материала понимается многоуровневая иерархическая структура в виде семантической сети, представленной аориентированным графом, в вершинах которого находятся понятия изучаемой предметной области, а рёбра обозначают связи (отношения) между ними.а

Применению формально - математических методов для повышения эффективности отдельных этапов педагогическогоа процесса посвящены работы многих исследователей, в том числе Б.И.Канаева, О.А.Козлова, В.Л.Латышева, Ю.М.Неймана, Н.И.Пака, И.В.Роберт, В.М.Хлебникова, М.Б.Челышковой, В.С.Черепанова и др. Однако, названные и другие авторы при применении формально - математических методов не уделяют должного внимания комплексному описанию и использованию методов представления и контроля знаний как информационного процесса, его исследованию с формально - структурных позиций.

Проблему исследования определяет следующая группа противоречий между:

  • целесообразностью применения формально - логических моделей представления знаний, акомплексного использования потенциальных возможностей средств информационных технологий в профессиональной подготовке будущих учителей информатикиа и отсутствием теоретических и практических разработок по семантическому подходу к структуризации и систематизации понятий и объектов предметной области УИнформатикаФ, основанных на использовании интеллектуальных моделей представления знаний;
  • существующими психолого-педагогическими и организационно-методическими достижениями современных теоретических иа экспериментальных исследований в области информатики, ИКТ, деятельностного, системного подходов к обучению, личностно-ориентированному образованию и недостаточностью их методического обеспечения, практического применения при создании, использовании автоматизированных обучающих система на базе интеллектуальных подходов к процессу обучения, ориентированных на использование ИКТ в качестве инструмента познания;
  • необходимостью совершенствованияа моделей представления учебного материала в автоматизированных обучающих системаха на основе формально- логических, интеллектуальных моделей знаний, более широкого аиспользования средств ИКТ в обучении и недостаточным уровнем применения их достижений в обучении, представлении и контроле знаний в используемой информационно- образовательной среде;
  • потребностью обеспечить систематичность, массовость и объективность контроля знаний ав области информатики и отсутствием инструментария для описания и исследования процессов автоматизированного контроля знаний с использованием современных аппаратно-программных средства ИКТ иа семантических моделей.

Таким образом, актуальностьданногоисследования определяется необходимостью развития теоретических и научно-методических подходов к обучению информатике на основе формализации знаний и использования семантического подхода при созданииа моделей описанияа и структуризации учебного материала в этой предметной области.

Объект исследования - процесс обучения информатике студентов педагогических и гуманитарных вузов.

Предмет исследования -а представление и контроль знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей.

Цель исследования разработка теоретических и методических оснований представления и контроля знаний в области информатики на основе использования адаптивных семантических моделей профессиональных знаний в этой области. Частными целями исследования являлись совершенствование методики контроля знаний обучаемых и обоснование принципов построения и аструктурыа специализированной системыа обучения информатике.

Гипотеза исследования. Если в основу моделирования логической структуры учебного материала в области информатики будут положены адаптивные семантические модели представления и контроля знаний, разработать на основе этого подхода соответствующую педагогическуюа систему,а то это обеспечит:

  • аповышение качества подготовки учителей информатики, развитие межпредметных связей в этом образовательном процессе, формирование у обучаемых структурно-организованных знаний в области информатики и умений конструировать модели знаний в различных ее тематических разделах, систематизировать понятия и объекты в данной предметной области;
  • сокращение времени изложения учебного материала на лекционных и семинарских занятиях с использованием информационных средств представления учебной информации коллективного пользования и индивидуального раздаточного материала;
  • сокращение времени контроля знаний обучаемых, а также повышение достоверности и полноты этого процесса.

Цель и гипотеза исследования определили следующие его основные задачи:

  • провести анализ существующих подходов и моделей представления знаний,а обосновать выбор основной модели представления и контроля знанийа в области информатики;
  • сформулировать основные методологические и методические положения по: декомпозиции модели учебного материала, его адаптации к уровню подготовки специалиста и состоянию его базовых знаний; определению состава основных учебных моделей, их взаимодействию, выбору критериев структуризации знаний и этапности созданияа различных учебных моделей;
  • обосновать принципы и критерии структуризации знаний по информатике на основе адаптивных семантических моделей для различных тем основных учебных дисциплин специальности 030100 (учитель информатики);
  • разработать методику контроля знаний,а соответствующую принципам построения апредлагаемой аасистемыа обучения;
  • разработать структуру и предложить состав основных функциональных модулей автоматизированной обучающей системы, ориентированной на использование баз знаний, построенных на основе адаптивных семантических моделей;
  • разработать методику использования автоматизированной обучающей системы, реализованной на основе адаптивных семантических моделей в области информатики;
  • провести педагогические эксперименты и исследования по оценке эффективности разработанной методики представления и контроля знаний в реальном учебном процессе.

 

Теоретико-методологическая база исследования основана на работах:

  • Абдеева Р.Ф., Моисеева Н.Н., Ракитова А.И., Урсул А.Д. и др., в исследованиях которых с философских позиций рассматриваются состояние, противоречия, тенденции развития системы образования в условиях современного информационного общества;
  • Бабанского Ю.К., Беспалько В.П., Бордовского Г.А., Ваграменко Я.А., Гершунского Б.С., С.Г. Григорьева, Извозчикова В.А., Колина К.К., Лаптева В.В., Машбица Е.И., Монахова В.М, Ранзумовского В.Г., Роберт И.В., Румянцева И.А. и др., которые заложили теоретические и методологические основы информатизации образования;
  • Ершова А.П., Бешенкова С.А., Бороненко Т.А., Бубнова В.А., Вострокнутова И.Е., Гейна А.Г., Готской И.Б., Зобова Б.И., Извозчикова В.А., Кузнецова А.А., Кузнецова Э.И., Лапчика М.П., Пугача В.И., Румянцева И.А., Шапкина В.В., Швецкого М.В. и др, в рабонтах которых исследуются проблемы подготовки учителей информатики;
  • Беляевой А.П., Власовой Е.З., Извозчикова В.А., Казаковой Е.И., Монахова В.М, Радионовой Н.Ф., Роберт И.В., Сластенина В.А., Стефановой Н.Л., Тряпицыной А.П. и др., посвященных исследованию сущности педагогических технологий обучения;
  • Анисимова В.И., Братчикова И.Л., Воробьева В.И., Румянцева И.А., Советова Б.Я.а и др.а в работах,а которых рассматриваются проблемы обунчения современной информатике в высшей школе;
  • Буча Г., Вагина В.Н., Исидзуки М., Коямы Т., Ли Т.Б., Мацуби Б., Окамато Т., Попова Э.В., Поспелова Д.А., Растригина Л.А., Уэно Х. и др., азаложивших теоретические основы объектно-ориентированного проектирования, представления, структуризацииа и использования знаний на основе достижений искусственного интеллектаа и интеллектуальных обучающих систем.

Для решения поставленных задач и проверки выдвинутой гипотезы исследования применялись следующие методы исследования: современной дидактики; искусственного интеллекта; объектно-ориентированного проектирования моделей сложных систем; нечеткой логики; теории информации; математической статистики, педагогики и психологии.

огика исследования базируется наа выдвинутой гипотезе исследования и предполагает создание целого ряда моделей знаний в различных тематических разделах информатики на основе адаптивных семантических моделей, содержащих адаптивные и управляемые преподавателем процедуры представления и контроля знаний, определения их глубины и качества, формирования информационной модели обучаемого.

Научная новизнаисследования состоит в: системном анализе наиболее распространенныха моделей представления и контроля знаний, систематизации и обобщении основныха методологических положений по представлению и контролю знаний в области информатики на основе адаптивных семантических моделей, разработке методики создания этих моделей, разработке 43 новых учебных моделей по основным дисциплинам профильной подготовки учителей информатики по специальностиа 030100, разработке принципов построенияа и структуры оригинальной автоматизированной системы обучения и контроля знаний, создании методики использования этой системы, получении количественных оценок эффективности основных результатов диссертации.

Теоретическая значимостьработы заключается в разработке теоретических основ структуризации знаний на базе адаптивных семантических моделей, проектирования учебных моделейа в области информатики, исследования эффективности использования этих моделей в учебном процессе вуза.а

Практическая значимость. На основе предложенной методикиа структуризации знаний разработан образовательный контент по информатике общим объёмом около 26 Мб, создана учебно-методический комплекс поа 8 дисциплинам предметной подготовки аучителя информатики, разработана и внедрена в учебный процесс Дагестанского государственного педагогического университета автоматизированная обучающая система УКАСПИЙФ.

Достоверность и обоснованностьнаучных положений и выводов исслендования обеспеченыа за счёт использования: указанной состоятельной теоретико-методологической базы исследования, современных методов научных исследований, в том числе современной педагогики и психологии, теории искусственного интеллекта, теории сложных систем и математической статистики, опыта ведущих научных и образовательных учреждений страны, результатов обсуждения этих исследований на ряде Международных и Всероссийских научных форумах, данных педагогических исследований в нескольких образовательных учреждениях Республики Дагестан и других субъектов Российской Федерации.

Этапы исследования. Исследования по теме настоящей диссертации апроводились в основном в период с 2001 по 2008 годы. Поисковый этап выполнялся в течениеа 2001 - 2002 годов, констатирующий этап реализовывался в 2003 - 2006 годах, формирующий этап поводился ва 2007 - 2008 годах.

Апробация результатов исследования. Материалы, основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались в течение 2001-2008 гг. на целом ряде Международных и Всероссийских научно-методических и научно-практических конференциях и симпозиумах:а УНародное образование в XXI векеФаа (Москва, 2001),а УVIII Рязанские педагогические чтенияФ (Рязань, 2001),а УОткрытое образованиеФ (Пенза, 2005), УИнформатизация образования - 2005Ф (Елец, 2005), УИнформатизация сельских шкоФ (Анапа, 2005, 2006, 2007, 2008), аУXXа лет школьной информатикеФ (Новгород, 2006), ИТО-Черноземье-2006 (Курск, 2006), а"Применение новых технологий в образовании" (Троицк, 2007), УИнформатизации образования а- 2007Ф (Калуга, 2007),а УИнформационные технологии в образованииФ (Тула, 2007), "Информационные технологии в образовании" (Москва, 2007), УИнформатизация педагогического образованияФ (Екатеринбург, 2007); УТелематикаТ2007Ф (СПб, 2007), УСмешанное и корпоративное обучениеФ (п. Дивноморское Краснодарского края, 2007), УИнформатизация профессионального образованияФ (Уфа, 2008), УИнформатизация образованияа - 2008Ф (г. Славянск - на - Кубани, 2008).

Общееа количество публикаций по теме диссертации Ца 58,а их общий объёма 34 п.л.

Внедрение результатов исследования осуществлялось в процессе подготовки и проведения опытно-экспериментальной и методической работы на базе Дагестанского государственного педагогического университета, Дагестанского института повышения квалификации педагогических кадров (ДИПКПК), Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ). Результаты исследования внедрены в 12 аобразовательных учреждениях Российской Федерации (см. стр. 34 автореферата).

Положения, выносимые на защиту:

 

  • Для представления и контроля знаний в области информатики целесообразно использовать адаптивные семантические модели, обеспечивающие эффективную структуризацию, наглядное представление и строгое логическое изложение учебного материала, целостность восприятия его содержания, возможность адаптации компонентов моделей к современному содержанию информатики, уровню подготовки специалистов и качеству базовых знаний обучаемых.
  • Основными методологическими положениями апри создании учебных семантических моделей в области информатики следует определить: необходимость структуризации изучаемых понятий, явлений, объектов и технологий, целесообразность использования многоуровневых иерархических структур и идентификации уровней знаний обучаемых, обеспечение возможности построения пирамид знаний с применением современных достижений психосемантики, использования инструментальных средств для создания современного образовательного контента, отвечающего требованием государственных образовательных стандартов.
  • Методические основы представления и контроля знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей должны обеспечивать: адекватное отражение знаний в изучаемой предметной области и ее тематических разделах,а учет причинно-следственных и родовидовых связей между понятиями и отдельными разделами учебных дисциплин, рациональную

этапность разработки учебных моделей, авозможность адаптации отдельных компонентов этих моделей и моделей в целом к уровню подготовки специалистов, качеству базовых знаний обучаемых и используемым формам учебных занятий.

  • Разработанные в диссертации 43 адаптивных учебных моделей по основным темам 8 профильных учебных дисциплинам специальности 030100 (учитель информатики): Программирование, Программное обеспечение ЭВМ, Архитектура компьютера, Компьютерное моделирование, Теоретические основы информатики, Математическая логика, Компьютерные сети, Основы искусственного интеллекта, могут быть использованы для повышения эффективности учебного процесса в педагогических и гуманитарных вузах страны по данной специальности.
  • Предложенная в диссертации методика контроля знаний обучаемых, основанная на применении адаптивных семантических моделей и сети запроса учебной информации и обеспечивающая целесообразную последовательность предъявляемых им контрольных заданий и использование деятельностного подхода к процессу контроля знаний, позволяет существенно повысить оперативность и объективность этого процесса.
  • Разработанные принципы построения автоматизированной обучающей системы КАСПИЙ на основе модульной структуры и адаптивного пользовательского интерфейса, обеспечивают возможность её аэффективного использования и поэтапного развития и совершенствования. а
  • Проведенные экспериментальные педагогические исследования и полученные на их основе количественные оценки эффективности основных результатов диссертации подтверждают правомерность основной гипотезы диссертационного исследования.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Основной текст диссертации изложен на 302 стр.

 


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована его проблема, определены цели, объект, предмет и гипотеза исследования. Показаны степень разработанности, научная новизна, теоретическая и практическая значимость проблемы, выделены этапы и описаны результаты апробации рекомендаций исследования, перечислены положения, выносимые на защиту.а На основе анализа сложившихсяа противоречий и недостатков определена основная задача диссертации - совершенствование методической системы обучения будущих учителей информатике, в соответствии с концепцией модернизации отечественного образования, современным состоянием, тенденциями и задачамиаа информатизации российского общества.а

В первой главе аУТеоретические основания исследования и системный анализ его проблематикиФ изложены теоретические основы диссертационного исследования, рассмотрены наиболее распространённые модели представления знаний, проведен их системный анализ, наа основе которого обоснован выбор основной модели представления знаний в области информатики.

Рассматриваются также различные подходы к моделированию содержания образования как сложной системы, способы представленияа семантической информации, проблемы, возникающие при разработке систем, основанных на знаниях и наиболее распространённые модели их представления. Для представления знаний в интеллектуальных системаха существуют различные способы, наличие которых вызвано,а в первую очередь,аа стремлением с наибольшей эффективностью представить знания, относящиеся к различным предметным областям.

Способ представления знаний в большинстве случаев реализуется с помощью соответствующейа модели. Основные типы моделей представления знаний аделятся ана огические (формальные), эвристические (формализованные) и смешанные (рис.1).

В основе огинческих моделей представления знаний лежит понятие формальной синстемы (теории). Примерами формальных теорий могут служить иснчисление предикатов и любая конкретная система продукций. В отличие от формальных моделей эвристические модели имеют разнообразный набор средств, передающих специфические особеннности той или иной проблемной области. К эвристическим моделям относятся сетевые, фреймовые, продукцинонные и объектно-ориентированные модели. На основе различных логических концепцийа создаются смешанные модели представления знаний.

а Основным преимуществом огических подходов является наличие четкой семантики и правил вывода. Одной из основных проблем является отсутствие в логическом подходе структуры, так как знания представляются в виде совокупности линейных формул.

Фреймы - универсальная модель представления знаний, эффективна для структурного описания сложных понятий. Однако в этой модели отсутствует конкретный язык представления знаний, затруднено управление завершенностью и постоянством целостного образа, что приводит ка возможному нарушению присоединенной процедуры.

Рис.1. Наиболее распространенные модели представления знаний.

Система продукций - эффективна для выражения знаний, которые могут принимать форму переходов между состояниями. Основным недостатком систем продукций является отсутствие внутренней структуры.аа Семантические сети. Как известно этот термин обозначает фактически целый класс подходов, для которых общим является использование графических схем с узлами, соединенными дугами. Узлы представляют понятия, а дуги выражают отношения между ними. а Семантическиеа сети обеспечивают легкий доступ к знаниям: начиная движение от некоторого понятия по дугам отношений, можно достичь других понятийа предметной области. Эти сети обладают естественностью и выразительностью, механизмами структурирования и абстракции и легко преобразуются в естественный язык. Фреймы и системы продукций имеют свои недостатки, обусловленные их преимущественной ориентацией на эффективную машинную реализацию; в частности их семантика определяется механизмом вывода.

В таблице 1 представлены результаты сравнительного анализа основных моделей представления знаний.

На основе системного анализа интеллектуальных моделей представления знаний, в качестве аосновного средства решения указанных дидактических задач в областиа информатики выбрана модель в виде семантической сети, которая отличается от других моделей наглядностью и простотой представления знаний, наличием механизмова их структуризации и соответствием современным представлениям об организации памяти человека.


Таблица 1

а

а

а 



Во второйа главе УМетодологические аспекты представления и контроля знанийФ приведены результаты анализаа методов структуризации знаний, этапыа разработки общих моделей представления и контроля знаний, основные методологические положения по представлению и контролю знаний с использованием адаптивных семантических моделей.

Как отмечалось выше, одним из преимуществ семантических сетей как модели представления знаний и непосредственно самого процесса обучения является наглядность описания предметной области, их гибкость и адаптивность к цели и другим факторам процесса обучения.

Однако,а свойство наглядности с увеличением размеров и усложнением связейа базы знаний предметной областиа теряется. Кроме того, возникаюта значительные сложности по обработке различного рода исключений. Для преодоления указанных проблем обычно используется метод иерархического описания моделей (рис.2).

На самом верхнем уровне расположены классы понятий,а далееа (на уровень ниже) размещены обобщенные понятияа иа на самом нижнем уровнеа - элементарные (конкретные) понятия. Число уровней иерархическойа модели знаний предметной области зависит от степени детализации понятий.

Такой подход к организации знаний при разработке обучающих система показывает взаимосвязь элементов учебного материала, позволяет значительно сократить время обучения, уменьшить объем памяти,а занимаемой базой знаний и данных.

аа Модель в виде иерархической семантической сети, являясь логической структурой изучаемой предметной области, показывает такжеа последовательность изложения учебного материала.

а III уровень

а (элементарные

а понятия)

а

а II уровень

(обобщённые

а понятия)

а

I уровень

(классы

понятий)

а

 

14

а Рис. 2. Общая многоуровневая иерархическая модель представления знаний.

аа

Многоуровневую иерархическую модель знаний можноа интерпретировать ориентированным графом. На рис.3 приведенаа иерархическаяа модель знанийа по учебной дисциплине УПрограммированиеФ специальности 030100а (учитель информатики).

Данная модель представляетаа различные виды понятий (обобщенные, элементарные) изучаемой учебнойа дисциплины (УПрограммированиеФ), где понятия ав зависимости от их сложности распределены по уровням. Таким образом, на самом верхнем уровне расположены классы понятий (КП11 а, . . . , КПn1),а далееа на уровень ниже размещены обобщенные понятия (ОП12а , Е, ОПm2) и на третьема уровнеа - более простые, конкретныеа понятия (ЭП31 ,аа . . .а , ЭП3k).

 


Рис.3. Представлениеа иерархической модели знаний

ориентированным графом.

 

Стрелки на рис.3 обозначают такие отношения между понятиями предметной области, как IS - A аа(это есть),а PART - OF (является частью),а MEMBER - OF (является элементом).

КПа- основные алгоритмические структуры, КПа- операторы языка Паскаль; ОПа- линейные алгоритмы, ОПа- циклические алгоритмы,аа ОПа- разветвляющиеся алгоритмы, ОПа- простые операторы, ОПа- структурные операторы; аЭПа- цикл с предусловием, ЭПа- цикл с постусловием, ЭПа- цикл с заданным количеством повторений, ЭП- оператор цикла с параметром,а ЭПа- оператор цикла с предусловием, ЭПа- оператор цикла с постусловием, ЭПа- оператор выбора.

Приведенные выше сведения, соображения и рекомендации позволили систематизировать и обобщить основные методологические положения по представлению и контролю знаний в области информатики с использованием аадаптивных семантических моделей (АСМ).

  • Дляа представления и контроля знаний в области информатики в качестве основныхаа обеспечивающих эти задачи моделейа целесообразно использовать адаптивные семантические модели, учитываяа иха возможности по более адекватному описанию взаимодействияа различных понятий и разделов учебных дисциплин и их адаптации к быстрому изменению содержания этих дисциплин и уровню знаний обучаемых.
  • АСМ обеспечивают глубокую структуризацию изучаемых понятий и явлений в области информатики, еёа предметная область может быть представлена наглядно в виде сложных иерархических моделей, которые могут идентифицировать знания обучаемыха и иха способности, в полной мере использовать достижения современных систем искусственного интеллекта.
  • Основными этапами структуризации знаний в АСМ в большинстве случаева можно считать:
    • определение входных и выходных данных;
    • составление словаря терминов;
    • выявление объектов и понятий;
    • выявление связей между понятиями;
    • выявление метапонятий и детализация понятий;
    • построение пирамид знаний;
    • определение отношений между понятиями;
    • определение стратегии принятия решений.
  • Приа построении пирамид знаний должны использоваться наглядные материалы: рисунки, схемы, диаграммы, графики и др.;а уровни пирамиды знаний чаще всего возникают в сознании обучаемых в виде наглядных образов.
  • Одним из основныха методов (аппаратов) структуризации знаний являетсяа психосемантика,а которая позволяет исследовать структуры сознания через реконструкцию индивидуальной системы знаний, выявляя категориальные структуры сознания экспертов.
  • В связи с тем, что свойство наглядности АСМ при использовании многоразмерных баз знаний и усложнением связей междуа её объектами теряется целесообразно аиспользовать многоуровневыеа АСМ, в которых понятия и объекты предметной области располагаютсяаа на несколькиха уровнях.
  • Основными источниками содержательной информации для образовательных АСМ должны являться:
  • государственные образовательные стандарты;
  • типовые (примерные) учебные планы:
  • рекомендуемаяа Минобрнаукойа Россииаа учебная иа учебно Ца

методическая литература;

  • материалы научно - методических, научно - практических конференций

аа и выставок,а обеспечивающих опережающее обучение студентов.

  • Разработку образовательных аАСМ по конкретным учебным дисциплинам рекомендуется проводить в следующейаа последовательности:
  • классификация понятий в предметной области;
  • выделение общих свойств и признаков присущих каждому уровнюа

а понятий;

  • выделение отличительных признаков каждого уровня понятий;
  • установление связей между понятиями, относящимися к одномуа

а уровню;

  • выделение межуровневых и межпредметных связей.
  • Контроль знаний обучаемыха на основе АСМ должен предполагать смысловую обработку их ответов и сравнение азнаний обучаемых с данными образовательной АСМ, при этом может использоваться сеть запроса учебной информации и должна обеспечиватьсяаа активизация учебной деятельности студентов и повышениеа объективности контроля их знаний.

10. Процедура синтеза тестов для контроля знаний обучаемых должна обеспечиватьа а

аа максимально возможную информацию о предметнойа областиа в ответах

обучаемых при минимально возможном числеа тестов.

а В третьей главе УМетодические основы представления и контроля знаний в области информатикиФ представлена методика разработки АСМ по учебным дисциплинам подготовки будущих учителей информатики, основные положения которой сводятся к следующему.

  • Разработанныеа АСМ по предметам и разделама информатики должны обеспечивать адекватное отражение знаний в изучаемой предметной области в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта и рабочих учебных программ вузов. При этом при разработке АСМ необходимо руководствоваться методологическими положениями, представленными во второй главе данной диссертации.
  • Основнымиа этапами разработки образовательных АСМ являются:
    • разделение содержания учебной дисциплины на отдельные относительно автономные темы;
    • отбор значимых понятий (метапонятий) изучаемой темы;
    • детализация метапонятий (на макропонятия, микропонятия);
    • выделение общих и специфических свойств и признаков понятий и объектов предметной области;
    • определение связей между этими понятиями и объектами;
    • построение АСМа с учётом многоуровневой структуры большинства из них.
  • При разработке образовательных АСМ необходимо учитывать причинно - следственные и родовидовые связи между понятиями, объектами и отдельными разделами учебных дисциплин предметной области.
  • Классифицировать учебные задачи по информатикеа целесообразно по использованию системы знаний языка программирования, необходимых для их решения.
  • Программная реализация образовательных АСМ должна обеспечивать адаптацию этих моделейа к уровню образования и подготовки обучаемого,а а также модернизацию моделей в процессе их использования.аа
  • Должна обеспечиваться структуризация знаний для различных форм учебных занятий (лекций, лабораторных работ, практических занятий и др.),
  • При семантической структуризации учебных задач по программированию а

аа целесообразно использовать трехуровневую АСМ:

    • 1 уровень - условие задачи;
    • 2 уровень - алгоритм решения задачи;
    • 3 уровень - система знаний, необходимых для решения задачи.

8. аВ качестве инструментальных средств структуризацииа учебных задач поа

аа программированию целесообразно использовать:

  • классификатора базовых знаний по программированию;
  • алфавит языка программирования;
  • таксономическую структуру оператора условного перехода.

9.а Разработанные АСМ должны сопровождаться методическимиаа а

рекомендациями для студентов, требования к ним должны содержаться в специальном методическом пособии для преподавателей информатики.

10. Внедрению образовательных АСМ в реальный учебный процесс должна предшествовать их предварительная апробация а(вместе с методическими пособиями) с участием студентов.

На основе представленной выше методики разработки образовательных аАСМ а(п.п. 1-9) созданы 43 амодели по 8 учебным дисциплинам предметной аподготовки учителей информатики (УПрограммированиеФ, УПрограммное обеспечениеФ, УАрхитектура компьютераФ, УКомпьютерное моделированиеФ, УМатематическая логикаФ, УТеоретические основы информатикиФ, УКомпьютерные сетиФ, УОсновы искусственного интеллектаФ). Для разработки указанных АСМ по этим учебным дисциплинама их содержание было разделено на отдельные темы, которые реализовались на соответствующих АСМ.а

На рис. 4 представлен фрагмент семантическойа модели по учебной дисциплине Программированиеа по теме УПодпрограммы - процедуры языка ПаскальФ. В рамках данной темы студенты изучаюта принципы модульного построения программ,а назначение подпрограмм, структуру и свойства процедур.

аа Разработаннаяа семантическаяа модель несёт в себе следующую информацию о процедуре: процедура является подпрограммой, частью программы, которую используют многократно, получает данные из основной программы, возвращает результат ва программуа и т.д.а В языке Паскаль есть и другая форма подпрограммыа - функция, которая имеета общие свойства с процедурой и отличительные признаки. При традиционном изучении данной темы указанные подпрограммы языка Паскаль, присущие им общие свойства и их особенности рассматривают отдельно. Например,а если в базу данныха о подпрограммах добавить новую запись УФункция - это подпрограммаФ, то узнаём о функции только данный факт. Но если добавить этот факт в семантическую модель (рис.4), ясно, что функцияа являетсяа программным блоком,а имеет определённуюа структуру, которую включает заголовок подпрограммы, раздел описаний, раздел операторов, т.е. она наследует все свойстваа понятия У ПодпрограммаФ. аПри данном подходе к изучению указанной темы необходимо только добавить в семантическую модель учебного материала отличительные от процедуры признаки.а

На рис. 5 апредставлена семантическая модель учебного материала на тему УАнтивирусные программыФ (учебная дисциплина Программное обеспечение). Данная семантическая модель показывает, что основным понятием по указанной теме является понятие УАнтивирусные программыУ,аа которое подразделяетсяа на программы - детекторы, программы - доктора, программы - вакцины и т.д. Кроме того, разработанная модель показывает особенности действия каждого вида антивируса, наследуя свойства понятия УАнтивирусные программыФ. На рис. 6 представлена семантическая модель по учебной дисциплине УКомпьютерное моделированиеФ. Семантическая модель описывает свойства моделируемого объекта и модели, показывает её назначение.

аа Теоретические основы информатики - пока не вполне сложившийся и не устоявшийся раздел науки. Как и теоретические разделы других наук, теоретическая информатика формируется в значительной мере под влиянием потребностей обучения информатике.

Теоретическая информатика - наука, которая складывается из ряда разделов математики, которые прежде казались мало связанными друг с другом: теории автоматов и теории алгоритмов, математической логики, теории формальных языков и грамматик, реляционной алгебры, теории информации и др.

Для разработки адаптивных семантических моделей по учебной дисциплине Теоретические основы информатики её содержание было разделено на самостоятельные темы. аНа рис.7 представлена АСМ по теме УПонятие информацииФ. Даннаяа модельа описывает, чтоа понятие информации ассоциируется с данными, сведениями, знаниями, передаётся в виде сообщения (сигнала) при наличии среды, материального носителя. Показываета также общиеаа асвойства ааиа аособенности аадискретной аи анепрерывной ааинформации.а

 

Рис. 4. Фрагмент семантической модели по теме УПодпрограммы - процедуры языка ПаскальФ (учебная дисциплина УПрограммированиеФ).

 

 

 

Рис. 5. Cсемантическая модель по теме УАнтивирусные программыФ

(учебная дисциплина УПрограммное обеспечениеФ).

Рис. 6. Семантическая модель по теме УСвойства моделиФ.

(учебная дисциплина УКомпьютерное моделированиеФ).

Рис. 7. Семантическая модель по теме УПонятие информацииФ.

(учебная дисциплина УТеоретические основы информатикиФ).

В рамках учебной дисциплиныа УАрхитектура персонального компьютераФ студенты специальности 030100 изучают аппаратную часть компьютера. Данная дисциплина достаточно сложная, что предполагает детальное и подробное изучение составных компонентов ПК. На рис.8 представлена семантическая модель учебного материала поданной дисциплине (темаа УПроцессорФ).а По разработанной модели следует, что Уодним из основных устройств компьютераа является процессор, который определяет его вычислительные возможности, функции и свойства, различают процессоры разных модификаций и т.д.

Для подготовки будущих учителей информатики к работе с информационными образовательными ресурсами, компьютерными базами и банками данныха ва учебный план специальности 030100 включен курс УКомпьютерные сетиФ. На рис.аа 9а представлена семантическая модель по данной учебной дисциплине по теме УНазначение сервераФ.а

Следует подчеркнуть, что семантическаяа модель,а изображая логическую структуру учебного материала в соответствии с существующими связями между егоа понятиями,а одномоментноа показывает все основные понятия изучаемой темы и связи между ними, что облегчает её восприятие.

На рис.10а представлена семантическая модель поа учебной дисциплине Математическая логика. Данная учебная дисциплинаа является абстрактной. Если при изучении составных компонентов персонального компьютера аможно пользоваться схемами, рисунками, иллюстрациями, то при изучении абстрактных дисциплин у преподавателя такая возможность отсутствует. Отсутствие наглядных пособий затрудняет усвоение студентами содержание учебного предмета. Приведенная на рис.10 модель учебного материала апо теме УЛогические операцииФа представляет е основные понятия и показывает причинно - следственные отношенияа между ними.

В настоящее время существуют различные виды образовательных средств: учебники, методические пособия, справочники и т.д., в том числе и электронные образовательные средства. Однако существующие электронные учебники по абстрактным дисциплинам существенно не отличается от учебных пособий в твердом носителе.а Чтобы найти связи между понятиями учебной дисциплины приходится многократно листать весь учебник и искать необходимую информацию. Представление учебного материала по абстрактным дисциплинам на основе адаптивных семантических моделей позволяет создать структурированныйаа учебник, показывающий связи между понятиями предметной области, что важно при организации обучения на основе информационных и коммуникационных технологий.

Рис. 8.Семантическая модель по теме УПроцессорФ

(учебная дисциплина УАрхитектура персонального компьютераФ).

 

Рис.9. Семантическая модель по теме УНазначение сервераФ

(учебная дисциплина УКомпьютерные сетиФ).

Рис.10. Семантическая модель апо темеа УАлгебра высказыванийФ.

(Учебная дисциплина УМатематическая логикаФ).

 

Рис.11. Семантическая модельа по теме УИерархические структурыФ

(учебная дисциплина УОсновы искусственного интеллектаФ).

Как показываета опыт разработки семантических моделей по учебной дисциплинеа Математическая логика,а сам процесс построения моделей способствуета эффективному приобретению знаний. аПоэтомуа обучение студентов можно вести ни только по разработанным преподавателем АСМ, но и давать студентам задания по их разработке, что способствует лучшему усвоению учебного материала.

Дисциплинаа Основы искусственного интеллекта имеет целью ознакомить студентов с основными направлениями исследований в области искусственного интеллекта, экспертных систем, моделями представления знаний, с инструментальными средствами разработки экспертных систем, обучить их принципам представления знаний, проведению анализа полученных результатов, а также содействовать фундаментализации образования, формированию научного мировоззрения и развитию системного мышления. При изучении данного курса подробноа рассматриваютаа наиболее распространенные модели представления знаний: семантические сети, логические подходы, фреймы и системы продукций. На рис.11а представлена семантическая модель по данной учебной дисциплине, которая характеризует основные модели представления знаний и их свойства. Следует отметить, что процесс разработки семантических моделей предметной области является трудоёмким процессом.а Однако, метод семантических сетей достаточно эффективный способ структуризации знаний в такой предметной области как УИнформатикаФ. В таблице 2 приведены обобщенные данные по созданным образовательным моделям в области информатики.

Как видно из данной таблицы всего по учебным дисциплинам предметной подготовки учителя информатики разработаны 43 АСМ, общий объём разработанного на основе этих моделей образовательного контента составляет около 26 Мбайт.

Кроме методики разработки моделей по содержанию учебных дисциплин в диссертации предложена методика контроля знаний обучаемых,а которая основана на сети запроса контрольных заданий и построении обучаемыми асемантических моделей по учебному аматериалу. аДанная методика обеспечиваета целесообразную последовательность предъявления обучаемому контрольных заданий, возможность использования деятельностного подхода к процессу контроля знаний, возможность использования более сложных комплексных задач в предметной области, в том числе и в проблемных ситуациях; при этом сеть запроса учебной информации обеспечивает соответствие содержания контрольных заданий изученному учебному материалу.

По разработанной методике контроля знаний создано около 60 контрольных заданий для проверки знаний обучаемых с построением ими семантическиха моделей. Причём к одной и той же учебной семантической моделиаа аможно ааразрабатывать несколько ааконтрольных амоделей различной

аа Обобщенные данные по разработанным моделямаа ааТаблица 2аа

а а

 

№

Профильные дисциплины специальности 030100

Количество моделей

Объём контента, Мб

1

Программирование

9

4,8

2

Программное обеспечение ЭВМ

6

3,7

3

Архитектура компьютера

2

1,6

4

Компьютерное моделирование

5

3,5

5

Теоретические основы информатики

5

3,9

6

Математическая логика

3

1,9

7

Компьютерные сети

8

4,1

8

Основы искусственного интеллекта

5

2,3

 

Итого

43

25,8

степени сложности. аСогласно разработанной методики контроля знаний при выполнении контрольных заданий необходимо из предложенного набораа выбрать названия понятий и отношений между ними и подписать ими соответствующие вершины и рёбра контрольной модели. Построенная, указанным образом, амодель учебного материала сравнивается с соответствующей семантической моделью,а находящейся в базе знаний системы УКАСПИЙФ и она выдаёт оценку с подробным указаниема ошибок обучающихся.

В четвертой главе УЭкспериментальные исследования и оценка эффективности рекомендаций диссертационного исследованияФ рассматриваютсяа процесс проектирования и принципы построения автоматизированной обучающей асистемы аУКАСПИЙФ, ориентированной на использование образовательных АСМ, в том числе ав области информатики.а а В главе приведена также методика использования этой системы в процессе обучения аи результаты проведённых педагогических экспериментов.

Как видно из структурной схемы асистемы УКАСПИЙФ (рис.12) все операции с базой данных (БД) выполняются через модуль управления БД.а

Рис. 12. Структурная схема системы УКАСПИЙФ.

 

Модуль содержит множество процедур и функций, обеспечивающих взаимодействие с БД без использования инструкций языка SQL и без непосредственного обращения к БД.

Модуль управления базой данных является одним иза основных модулей системы УКАСПИЙФ. Назначение всех основных модулей системы УКАСПИЙФ, представленных на рис.12, приведены в таблице 3.

аа

Назначение модулей системы Каспий Таблица. 3

 

№

Название модуля

Назначение

 

1

Главный модуль программы

(uMain.pas)

Обеспечивает запуск системы; управление модулями Редактор сети, Обучение, Проверка знаний; управление модулем управления структурой базы знаний.

2

Модуль Редактор сети

(uNetEdit.pas)

Реализует редактирование учебных моделей.

 

3

Модуль Обучение

(uNetTeach.pas)

Реализует обучающую функцию системы.

 

4

Модуль Контроль знаний

(uNetControl.pas)

Реализует функцию системы по проверке знаний обучаемых.

 

5

Модуль управления объектами обучающей сетиа (uObj.pas)

Содержит структуру объектов обучающей сети: узел, связь, текстовый блок, группа узлов, новый узел, новая сеть.

 

6

Модуль управления редактором сети

uNet.pas

Модуль содержит описание объекта УОбучающая сетьФ, который обеспечивает отображение и работу с сетью в различных режимах (редактирование, обучение, контроль знаний).

7

Модуль управления таблицей УОбучающие сетиФ

uNetEditRec.pas

Обеспечивает авыбор обучающей сети из предложенного набора в таблице.

 

8

Модуль управления структурой базы знаний

(uThemeHistory.pas)

Обеспечиваета выбор базы знаний из списка УПредметная областьФ, УПредметыФ, УТемыФ.

9

Модуль управления базой данных

аuDM.pas

Обеспечивает управление через алиас ODBC с помощью инструкций языкаа Transact - SQL.

10

Модуль управления таблицей

УПредметные областиФ

uAreaEditRec.pas

Обеспечивает авыбор предметной области для обучения и контроля знаний.

11

Модуль управления таблицей

УДисциплиныФ

uSubjectEditRec.pas

Обеспечивает авыбор дисциплины для обучения и контроля знаний.

12

Модуль управления таблицей

УТемыФ

uThemeEditRec.pas

Обеспечивает авыбора темы учебной дисциплины для изучения иа проверки знаний.

 

На рис.13 представлена пользовательский интерфейс системы УКАСПИЙФ.

Рис.13. Пользовательский интерфейс системы УКАСПИЙФ.

Структура, принципы построения и пользовательский интерфейс системы УКАСПИЙФа предусматривает еёа использование в следующих режимах: УРедактирование сетиФ, УОбучениеФ, УКонтроль знанийФ.а В режимеа УРедактирование сетиФ формируются проблемно - ориентированныеа базы знанийа учебных дисциплин на основе соответствующих адаптивных семантических моделей. Данным программным режимом управляет один из основных модулей системы УКАСПИЙФа - УРедактор сетиФ, который имеет довольно большой набор инструментов, позволяющих пользователям системы как создавать, редактироватьа АСМ учебного материала, так и разрабатывать к ним контрольные задания различной сложности.

аа При этом по мере пополнения учебного предметаа новыми понятиями и изменения его содержания обеспечивается возможность акорректировки даптивных семантических моделей.

аа Режима УОбучениеФ предъявляет аобучаемым учебный материал с учётом уровня их знаний, ааопределяемых по специальныма предварительным тестам и результатам промежуточного контроляа их подготовки.

аа Режима УПроверка знанийФ предполагаета генерацию контрольных заданийа различной сложности с последующим сравнением аАСМ, построенныха обучаемыми и учебными АСМ, находящимисяа в базе знаний системы УКАСПИЙФа иа выдачуа соответствующего результата (оценки). В данной обучающей системе предусмотрена панель истории навигации, предназначенной для отображения пути, пройденного обучаемыма в структуре её абазы знаний с документированием арезультатов аконтроляа его знаний.а

аа Методика использования системы обучения УКАСПИЙФа предусматривает возможность работы акак в автономном, так и сетевом арежиме, является инвариантной апо отношению к конкретным учебным дисциплинам.

Для подтверждения гипотезы исследованияа в течение 2006 - 2008 г.г.а проводилась экспериментальная работа, основное содержание которой определяли:

    • Отбор контрольных аи экспериментальных групп студентов.
    • Создание необходимых условий для проведения педагогических экспериментов.
    • Организация занятий по традиционной методике обучения с использованием традиционных электронных курсов в контрольныха группах студентов.
    • Организация занятий в экспериментальныха группах студентов с использованием электронных АСМ.
    • Проведение оценки эффективности предложенной авторской методики обучения на основе АСМ в среде системы УКАСПИЙФа в сравнении с традиционной методикой обучения с использованием электронных курсов УПедагогического виртуального университетаФ аМГГУ им. М.А.Шолохова для специальности 030100. а

    Основные условия педагогических аэкспериментов:

    • место проведения: ааДГПУ (кафедра Информатики и ВТ);
    • время проведения:аа 1.09.06 - 30.05.08а (4 семестра);
    • контингент студентов: а310 чел. (1 - 4 курсов);
    • количество учебных дисциплин:аа а5;
    • количество использованных адаптивныхаа асемантических моделей:а аа30.

    аа

    Как известно,а сущность педагогического эксперимента по проверке эффективности какой - либо методикиа заключается в изменении одних условий учебного процесса при сохранении других. К неварьируемым условиям в нашем эксперименте относились: состав студентов учебных групп, идентичные тексты контрольных заданий до начала эксперимента и после него, одинаковое количество времени, отводимое на их выполнение. Различной была методика проведения экспериментальных занятий относительно традиционной (с использованиема ИКТ).

    Основной педагогический эксперимента проводился в ДГПУ (в течение 4 - х семестров) по следующим учебным дисциплинам специальности 030100: теоретические основы информатики, программное обеспечение, компьютерные сети,а компьютерное моделирование,а теория алгоритмов и математическая логика.а Ва экспериментеа приняли участиеа студенты математическогоа факультета, обучающиеся по специальности 030100.

    В ходе педагогических экспериментов вычислялись: средний балл обучения экспериментальных и контрольных групп студентов, время изложения учебного материала на лекционных и семинарских занятиях, время рубежного и итогового контроля знаний обучаемых. аВ результате проведенных педагогических экспериментов были получены следующиеа основные количественные оценки эффективности результатов диссертации, подтверждающие её гипотезу:

    • Увеличение средней оценки знаний Ца (в контрольной группе - 3,3 балла)

    на 0,6 балла

    (~ 20%);
    • Сокращение времени изложения учебного материала Ц

    в 1,5 раза;

     
    • Сокращение времени контроля знаний

    обучаемыха Цаа

     

    в 1,4 раза;

     

    Точность представленных оценок 10%

    При этом необходимо иметь в виду, что трудоемкость разработки образовательного контента на основе адаптивных семантических моделей увеличивается по сравнению с традиционным аконтентом примерно на 20%

    ОСНОВНЫЕа РЕЗУЛЬТАТЫа ИССЛЕДОВАНИЯ

    Основными научными результатами являются следующие.

    • Обоснована целесообразность использования адаптивных семантических моделей в качестве основного средства представления и контроля знаний в области информатики, что обеспечивает: более эффективное использование механизмов структурирования знаний и их наглядное представление, более простое преобразование форм представления знаний и более строгое логическое изложение учебного материала и целостность восприятия его содержания;а данные модели обеспечивают возможность оперативной адаптации их компонентов к современному состоянию и содержанию тематических разделов информатики, а также к уровню подготовки специалистов и качеству базовых знаний обучаемых.
    • Систематизированы аи обобщены аосновные методологические положенияа по представлению и контролю знаний в области информатики на основе современных психолого-педагогических концепцийа иа использования адаптивных семантических моделей, обеспечивающих: адекватное описание взаимодействия различных понятий и разделов учебных дисциплин программ подготовки учителей информатики, необходимую степень структуризации изучаемых понятий, явлений, объектов и технологий, этапность структуризации знаний на основе применения этих моделей, возможность построения пирамиды знаний с использованием достижений психосемантики и многоуровневых иерархических структур моделей, учет требований государственных образовательных стандартов и реализацию рациональных последовательностей технологических операций при создании образовательного контента, объективный контроль знаний обучаемых, использование современных программных инструментальных средств, в том числе для создания эффективных тестов для аконтроля знаний обучаемых.
    • Предложена методика разработки адаптивных семантических моделей в области информатики,а обеспечивающая:а адекватное отражение знаний в изучаемой предметной области,а рациональную этапность разработки учебных моделей, учет причинно - следственных и родовидовых связей между понятиями и разделами учебных дисциплин, реализацию требований рабочих учебных программ по конкретным учебным дисциплинам, возможность адаптации учебных моделей к уровнюа базовых знаний обучаемых, структуризацию знаний для различных форм учебных занятий, использование предложенных в диссертации методологических положений.
    • Разработаны на основе использования предложенной в диссертации методологических положений и методикиа представления и контроля знаний 43 адаптивных семантических модели по основным темам 8 профильных учебных дисциплин специальности 030100 (учитель информатики):а УПрограммированиеФ, УПрограммное обеспечение ЭВМФ, УАрхитектура компьютераФ, УКомпьютерное моделированиеФ, УТеоретические основы информатикиФ, УМатематическая логикаФ, УКомпьютерные сетиФ, УОсновы искусственного интеллектаФ, положенные в основу создания соответствующего образовательного контента.
    • Разработана авторская методика контроля знаний обучаемых с использованием адаптивных семантических моделей и сети запроса учебнойа информации, обеспечивающая целесообразную последовательность предъявления обучаемому контрольных заданий, возможность использования деятельностного подхода к процессу контроля знаний, возможность использования более сложных комплексных задач в предметной области, в том числе и в проблемных ситуациях; при этом сеть запроса учебной информации обеспечивает соответствие содержания контрольных заданий изученному учебному материалу.
    • Обоснованы принципы построения и модульная структура обучающей системы УКАСПИЙФ, которые обеспечивают реализацию адаптивного пользовательского интерфейса, идентифицирующего уровень базовых знаний обучаемого и определяющего на этой основе траекторию его обучения, а также возможность поэтапного развития и совершенствования этой системы в процессе её эксплуатации.
    • Разработана методика использования обучающей системы УКАСПИЙФ в экспериментальных педагогических исследованиях и при обеспечении реального учебного процесса обучения информатике, инвариантная по отношению к конкретным учебным дисциплинам и предусматривающая аформирование проблемно-ориентированной базы знаний на основе адаптивных семантических моделей, управление режимами работы системы УКАСПИЙФ (редактирование модели, обучение, контроль знаний), учет уровня знаний пользователей, генерацию контрольных заданий различной степени сложности, документирование результатов работы на системе.
    • Получены количественные оценки эффективности основных результатов диссертации, которые подтверждают основную гипотезу диссертационного исследования.

    Основными практическими результатами диссертации являются:

    • разработка на основе предложенных адаптивных семантических моделей электронного образовательного контента (общим объёмом около 26 Мб) по основным профильным дисциплинам специальности 030100;
    • создание в Дагестанском государственном педагогическом университете автоматизированной системы обучения УКАСПИЙФ, инвариантной по отношению к учебным дисциплинам системы высшего педагогического образования страны;
    • разработка методического пособия для преподавателей информатики педагогических и гуманитарных вузов Методика создания и использования адаптивных семантических моделей в области информатики, состоящего из следующих основных разделов:
    • аобщие теоретические положения;
    • аметодика представления и контроля знаний по информатике;
    • принципы построения и использования системы КАСПИЙ.
    • внедрение предложенной методики использования адаптивных семантических моделей и созданного образовательного контента в области информатики в 12 образовательных учреждениях высшего и дополнительного профессионального образования Российской Федерации:

    аа - Дагестанском государственном педагогическом университете;

    аа - Дагестанском государственном университете;

    аа - Дагестанском институте повышения квалификации педагогических

    кадров;

    а - Махачкалинском филиале Московского автомобильно-дорожного

    института (ГТУ);

    а -Московском государственном гуманитарном университете им.

    М.А.Шолохова;

    а - Московском государственном областном университете;

    а - Российском государственном университете нефти и газа им.

    И.М.Губкина;

    аа - Московском государственном открытома университете;

    аа - Московском государственном университете леса;

    аа - Педагогическома институте Южного Федерального Университета;

    аа - Санкт - Петербургском государственном университете сервиса и

    экономики;

    аа - Нижневартовском государственном гуманитарном университете.

    Внедрение результатов диссертационного исследования в указанных образовательных учреждениях подтверждены актами, приведёнными в приложении диссертации.

    Результаты диссертационного исследования представлялись на 16 Международных и 18 Всероссийских научных, научно-методических и научно-практических конференциях и симпозиумах, опубликованы в 58 работах автора, в том числе в монографии Методология и методика представления и контроля знаний на основе адаптивных семантических моделей и в 8 статьях журналов, авходящих в перечень ВАК.

     


    ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

     

    Монография

    • Шихнабиева Т.Ш. Методология и методика представления и контроля знаний на основе адаптивных семантических моделей. - Махачкала, ДГПУ, 2008.- 140 с.

    Статьи в журналах, рецензируемых ВАК:

    • Шихнабиева Т.Ш. Один из способов представления учебной информации при дистанционнойа формеа обучения. Вестник МГОУ, том № 7, М., 2005 -.С.195 - 196.
    • Шихнабиева Т.Ш. Технология и методика дистанционного обучения. Ж. Открытое образование № 4,а 2005.- С. 201 - 202.
    • Шихнабиева Т.Ш. О семантическома подходе к представлению процесса обучения по дистанционной форме. Вестник МГОУ, том а№ 1 (18). -а М.: Изд - во МГОУ,а 2006.- С.164.
    • Шихнабиева Т.Ш. Модели процесса обучения сельских школьников//а Педагогическая информатика. 2006. № 4. - С. 88 -92.а
    • Шихнабиева Т.Ш. О методологии структуризации знаний в области информатики на основе адаптивных семантических образовательных моделей. Журнал УПедагогическая информатикаФ, №3, 2007. - С. 77 - 83. (статья поступила в редакцию журнала 20.12.2006 г.)
    • Шихнабиева Т.Ш. О методологииа и методике представления и контроля знаний на основе адаптивных семантических моделей. Вестник МГОУ №3, 2008. - С. 204 - 213.
    • Шихнабиева Т.Ш. О представлении и контроле знаний в автоматизированных обучающих системах // Информатика и образование, № 10, 2008. - С.55 - 59.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование адаптивных семантических моделей для представления и контроля знанийа и оценка его эффективности на примере педагогическойа информатики // Вестника МГОУ, 2008. № 4. С.157 - 166.

    Статьи, опубликованные в журналах

    и трудах научных конференций и симпозиумов:

    • Шихнабиева Т.Ш. Использование ИТ при профессиональной подготовке учителей. Тезисы IX Международной конференции ФПрименение новых технологий в образованииФ, Троицк,а 1996. - С. 96.
    • Шихнабиева Т.Ш., Курбанмагомедов К.Д. К вопросу использования семантических сетей для моделирования процесса обучения и распознавания, Деп. в ВИНИТИ, М., 1997. - 15 с.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование семантическиха моделей при профессиональной подготовке учителей. Тезисы X Международной конференции ФПрименение новых технологий в образованииФ, Троицк,а 1997. - С. 196.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование семантическиха моделей как средство активизации учебно - познавательной деятельности. Материалы Всероссийской научно - практич. конференции Арзамас, 1997. - С. 66 - 68.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование компьютерных семантических сетей при профессиональной подготовке учителей //Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Брянск, 1998. - С.189 - 191.а
    • уканкин Г.Л.,а Шихнабиева Т.Ш. Об инновационных процессах новых информационных технологий (НИТ) при подготовке учителей в педвузе. Материалы Международной научно-практической конференции, посв. 70-летию Алматинского гос.университета им. Абая, ч.I, Алматы, 1998.- C. 145 - 150.
    • Шихнабиева Т.Ш., Луканкин Г.Л. Применение технологий компьютерного обученияа (ТКО) в педвузе. Материалы Международной научно-практической конференции, посв. 70-летию Алматинского гос.университета им. Абая, ч.II, Алматы,1998.С.186 - 189.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование технологий компьютерного обучения при подготовке учителей математики. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Саранск, 1999. - С. 79 - 81.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование ТКО при подготовке будущих учителей математики. Журнал УМатематика в школеФ, №3, 1999. - С.56.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование технологий компьютерного обучения для повышения эффективности профессиональной подготовки будущих учителей. Дисс. Е канд.пед.наук., М.: 1999. 166 с.
    • Шихнабиева Т.Ш. О месте информатики в условиях многоуровневой системы обучения. Труды Международной конференции УПроблемы реализации многоуровневой системы образования. Наука в вузахФ.- М.: РАГС, 1999. - С. 315 - 317.
    • Шихнабиева Т.Ш. Одна из моделей процесса обучения по дистанционной форме.аа Труды Международной юбилейной конференции МПУ.- М., 2001.- С.58.
    • Османова И.М., Шихнабиева Т.Ш.а О воспитании личности творческой и духовно богатой при обучении математике. Тезисы докладов XX Всероссийского семинара преподавателей математикиа университетов иа пед. вузов.-Вологда, 2001. С. 101 - 103.аа
    • Шихнабиева Т.Ш., Османова И.М. Использование информационных технологий при подготовке будущих учителей математики. Труды XXI Всероссийского семинара преподавателей университетов и педагогических вузов. СПб., 2002 - С 202 - 203.
    • Османова И.М., Шихнабиева Т.Ш. Формирование коммуникативных умений будущего учителя математики. Труды XXI Всероссийского семинара преподавателей университетов и педагогических вузов. СПб., 2002. - С. 78 - 79.
    • Шихнабиева Т.Ш. О некоторых вопросах повышения квалификацииа сельских учителей в области информатики. Материалы Всероссийского симпозиума УИнформатизация сельских шкоФ, Анапа, 2005.- С. 199 - 203.
    • Шихнабиева Т.Ш. Модели представления знаний при обученииа информатике. Материалы научно-практич.конф ФДагИТО - 2005Ф, Махачкала, 2005. С.39. - 42.
    • Шихнабиева Т.Ш.а Семантические модели как один из способов представления учебной информации при дистанционной форме обучения. Сборник научных трудов (серия: Наука - образованию). Выпуск первый, - М., 2005. С.20 -21.
    • Шихнабиева Т.Ш. Некоторыеа вопросы методики подготовки специалистова по дистанционнойа форме обучения.а Материалыа международной научно-практической и отчетно-выборнойа конференцииа "Информатизация образования - 2005",а Елец. 2005. - С. 123 - 125.
    • Шихнабиева Т.Ш. Семантическая структуризация учебных задач по информатике. Материалы научно-практическойа конференции ФДагИТО - 2006Ф, Махачкала,а 2006. - С.33 - 36.
    • Шихнабиева Т.Ш.аа О методике представленияа и контроле знаний при дистанционной форме обучения. Материалы Всероссийской научно-методической конференции УXX лет школьной и вузовской информатикиФ, Нижний Новгород, 2006. -аа С. 238 - 239.
    • Шихнабиева Т.Ш. О разработке электронных образовательных средств для учителей информатики. Труды Всероссийского научно - методического симпозиума УИнформатизация сельских шкоФ, Анапа, 2006. - С. 364 - 366.
    • Шихнабиева Т.Ш. Использование адаптивных семантических моделей в обучении. Материалы Международной научно-практической конференция Информационные технологии в образовании (ИТО-Черноземье-2006). Вестник Московского городскогоа педагогического университета. Серия УИнформатика и информатизация образованияФ,а № 2 (7) 2006.С. 192 - 196.
    • Шихнабиева Т.Ш. Адаптивные семантические модели в обучении информатике. Материалы XVIII Международной Интернет - конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2006) ИМАШ РАН, М., 2006. - С.162.
    • Шахбанов Ш.Н., Шихнабиева Т.Ш. Система автоматизированного контроля знаний учащихся. Труды Всероссийского научно - методического симпозиума УИнформатизация сельских шкоФ, Анапа, 2006. - С. 301 - 303.
    • Шихнабиева Т.Ш. О необходимости модульного представления и структуризации знаний в системах обучения информатике. Материалы научно-практическойа конференции ФДагИТО - 2006Ф, Махачкала, 2006. - С.43 - 52.
    • Шихнабиева Т.Ш. О структуризации знаний в системах обучения информатике. Информатизация педагогического образования:а материалы международной научно - практической конференции,а часть II, Екатеринбург,а 2007. - С. 148 - 155. а
    • Шихнабиева Т.Ш. О представлении знаний по информатике в виде адаптивных семантическиха образовательных моделей //. Труды научно - практическойаа конференции МГГУ им. М.А.Шолохова. М.,аа 2008. Ца С. 79 - 90.аа
    • Шихнабиева Т.Ш. О некоторых направлениях использования адаптивных семантических моделей при обучении информатике. Материалы Международной научно- практической конференции УИТО - 2007Ф, Калуга, 2007. С. 189 - 195.
    • Шихнабиева Т.Ш. Применение адаптивныха семантических моделейа в обучении математике и информатике.//Материалы Всероссийской конференции УИнформационные технологии в образованииФ. Тула, 2007. С. 176 - 181.
    • Шихнабиева Т.Ш. О необходимости структуризации знаний в системах обучения информатике. //Материалы XVIII Международной конференцииа УПрименение новыха технологийаа в образованииФ. Троицк, Московская область,а 2007. - аС. 231 - 233.
    • Шихнабиева Т.Ш. О структуризации знаний в области информатики на основе адаптивных семантических образовательных моделей. Труды XIII Всероссийской научно - методической конференции УТелематика С2007Ф, Том 1. С.279 - 283.
    • Шихнабиева Т.Ш. Об использовании семантических моделейа в обучении и контроле знаний по информатике. Материалы XVII Международной конференции Информационныеа технологии в образовании (ИТО-2007), М.,а 2007. - С.234 - 236.
    • Шихнабиева Т.Ш. О подготовке будущих учителей к использованию информационных и коммуникационных технологий в профессиональной деятельности. Материалы Республиканской научно-практической конференцииа ФДагИТО - 2007Ф, Махачкала, 2007. - С. 9-16.
    • аШихнабиева Т.Ш. Смешанные технологии подготовки учителей информатики с использованием семантических адаптивных образовательных моделей // Труды Всероссийского научно-методического симпозиума СКО - 2007, п. Дивноморское Краснодарского края,а 2007. -а С. 103 - 105.
    • Шихнабиева Т.Ш. О необходимости структуризации знаний в системах обучения.а Материалы международной научно-практической конференции, Екатеринбург, 2008.- С.123 - 129.
    • Шихнабиева Т.Ш. О формировании знанийа будущих учителей информатики при использовании АОСа КАСПИЙ. Материалы Всероссийской научно - практической конференции, - Уфа: РИО РУНМ - МО РБ, 2008. - С. 125 - 128.
    • Шихнабиева Т.Ш., Мурсалова Э.Т. Педагогические возможности автоматизированной обучающей системыа УКаспийФ в обучении. Материалы Республиканской научно-практической конференцииа ФДагИТО - 2007Ф, Махачкала, 2007. - С. 29-33.
    • аШихнабиева Т.Ш. Методика формирования знаний в обучающейа системе КАСПИЙ.//Труды Всероссийского научно-методического симпозиума СКО - 2008. Славянск - на - Кубани, 2007. -а С. 156 - 161.
    • аШихнабиева Т.Ш. Об использовании семантических моделейа в обучении и контролеаа знаний по информатике // Материалы XVII Международной конференции Информационныеа технологии в образовании (ИТО-2007), М., С. 135- 139.
    • аШихнабиева Т.Ш. Методика формирования знаний по информатике в автоматизированной обучающей системе КАСПИЙ // Материалы Всероссийской научно - методической конференции УИнформатизацияа образования - 2008Ф. - Славянск - на - Кубани, 2008. С. 120 - 125.
    • Шихнабиева Т.Ш. Представление и контроль знаний в автоматизированной обучающей системе УКАСПИЙФ//аа Труды V Всероссийского научно - методического симпозиумаа Информатизация сельских шкоФ, Анапа, 2008.- С. 66 - 72.
    • Шихнабиева Т.Ш., Булаева Н.М., Гусейнова Н.О.а Экспертная система на основе адаптивных семантических моделей обучения экологии. Труды V Всероссийского научно - методического симпозиумаа Информатизация сельских шкоФ, Анапа, 2008.- С. 257 - 262.
    • Булаева Н.М., Шихнабиева Т.Ш. Использование ГИС - технологий в высшем профессиональном образовании. // Материалы Всероссийской научно - методической конференции УИнформатизацияа образования - 2008Ф. - Славянск - на - Кубани, 2008. - С.а 68 - 71.
    • Шихнабиева Т.Ш. О функциональных возможностях автоматизированной обучающей системы КАСПИЙ. // Материалыа Всероссийскойа научно - практической конференции УИнформационные технологии в высшей и средней школеФ. Нижневартовск, 2008.а С. 119 -124.

    Учебно-методические публикации:

    • Багиров И.Г., Шихнабиева Т.Ш., Роль домашних контрольных в организации самостоятельной работы студентов по информатике. Махачкала, ДГПИа 1991. - 26 с.
    • Багиров И.Г.,а Шихнабиева Т.Ш., Биология и информатика: межпредметные связи (методическиеа рекомендации). Махачкала, ДГПИа 1991. - 23 с.а
    • Шихнабиева Т.Ш., Алиев М.А., Багиров И.Г., Эсетов Ф.А Методические рекомендации поаа выполнению лабораторных работ по информатике и автоматике для студентов аматематического и физического факультетов.а -а Махачкала, 1994. - 36 с.
    • Шихнабиева Т.Ш. Методическое пособие для преподавателей информатики УМетодика создания и использования адаптивных семантических моделей в области информатикиФ. - Махачкала, 2008. - 32 с.

     

         Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по педагогике