microbik.ru
1

Преподавание в высшей школе

Информационные модели процесса обучения и

динамических компьютерных тестов-тренажеров

Дьячук П.П., Лариков Е.В.


Дьячук Павел Петрович – кандидат физико-математических наук (1981), профессор КГПУ (2000), заведующий кафедрой математических методов физики факультета физики, информатики и ВТ. Имеет более 100 публикаций в области физики магнитных явлений и информационных технологий в преподавании математики и физики.




Лариков Евгений Викторович – кандидат педагогических наук, доцент кафедры информатики факультета информатики. Имеет более 30 публикаций в области физики магнитных явлений и информационных технологий в преподавании математики и физики.

Одной из важных и актуальных проблем современного тестирования является то обстоятельство, что традиционные тесты не позволяют извлечь информацию о процессе деятельности ученика при выполнении заданий. В преподавании математики, физики это часто приводит к тому, что процесс тестирования сводится к выполнению письменной контрольной работы в бумажном варианте. Проверяя результаты такого «тестирования», учитель очень большое внимание уделяет процессу решения задачи, «следы» которого запечатлены в промежуточных выкладках, письменном изложении соображений, мыслей ученика и т.п.

Этот анализ пути и всех промежуточных этапов выполнения задания имеет большое значение для управления учебным процессом. Безусловно, отсутствие тестов, позволяющих хоть в какой то степени отслеживать деятельность ученика по выполнению тестового задания, тормозит применение тестового контроля для управления учебным процессом.

В работе рассматриваются информационные модели процесса обучения и динамических компьютерных тестов-тренажеров (ДКТТ), «снимающих» информацию о процессе деятельности испытуемого при выполнении тестовых заданий.

Особенности машинного считывания информации и ее обработки накладывают ограничения на типы заданий ДКТТ, связанные с проблемой однозначности определения действий. Поэтому задания имеют алгоритмический характер и, соответственно, тестируемая деятельность испытуемых является алгоритмической.

Поскольку деятельность человека изначально носит предметный характер, то в заданиях (ДКТТ) предлагается осуществить преобразования (конструирование) некоторых виртуальных (компьютерных) объектов по определенному алгоритму. Эти преобразования испытуемый осуществляет либо с помощью управляющих клавиш, либо с помощью мышки. Компьютерная запись операций по преобразованию объекта позволяет получить временные ряды событий, отражающие алгоритмическую деятельность испытуемого.

Основу ДКТТ составляет машинная модель, включающая в себя: а) виртуальные объекты исследуемой предметной области; б) генератор заданий; в) системы, считывания и записи информации о процессе деятельности в реальном времени; г) механизмы, регулирующие коэффициент обратной связи.

Учитывая вышесказанное, дадим определение динамических компьютерных тестов-тренажеров.

Динамические компьютерные тесты – это интерактивные компьютерные модели алгоритмических задач, позволяющие проводить тестирование динамических характеристик процесса деятельности испытуемого.

В качестве основы построения информационной модели процесса обучения возьмем кибернетическую модель интеллектуальной системы [1,2]. Согласно кибернетике всякая система имеет целью своего существования сохранить себя как таковую, иначе говоря, имеет цель выжить. Для достижения этой цели у системы должен быть управляющий центр, куда поступает информация об изменении состояния системы в ходе того или иного процесса, в котором участвует система. То есть в системе должна быть налажена отрицательная обратная связь с центром управления.

Управляющий центр должен своевременно фиксировать нежелательные отклонения от оптимальной траектории процесса, в котором участвует система и принимать решения, позволяющие системе устранять эти отклонения, то есть контролировать жизнедеятельность системы. Таким образом, в системе должен быть налажен циркулирующий поток информации о процессе жизнедеятельности.

Например, с точки зрения процесса тестирования ученика компьютерной моделью он выступает в роли объекта. Блок программы, генерирующий задания, можно рассматривать как окружающую среду, в которой объект существует и от которой поступает информация о заданиях. Ученик-объект выполняет эти задания, при этом его основная цель состоит в том, чтобы выжить, то есть правильно выполнить задание, выйти на более высокий уровень самостоятельности в алгоритмической деятельности, уложиться в нормативное время, набрать определенное количество баллов и т.п.

Если ученик в результате работы с ДКТТ допустит фатальные ошибки, не выполнит критических нормативов, то «локально», в рамках этого теста, он, образно выражаясь, «погибнет». Особенно ярко это проявляется в профессиональных тестовых испытаниях для летчиков, шоферов, при отработке навыков поведения в нештатных ситуациях.

В ДКТТ для управления, контроля и диагностики процессом обучения должен быть блок программы, играющий роль центра управления. В специальный файл должна поступать оперативная информация о ходе выполнения очередного задания. Блок управления обрабатывает эту информацию и принимает управляющие решения, которые в зависимости от величины коэффициента обратной связи сообщаются ученику с той или иной частотой. Ученик должен скорректировать отклонения в направлении правильного выполнения следующих заданий.

Надо отметить, что ученик это не просто объект, поведением которого управляет компьютер, а система с собственным центром управления и аналитическим центром, так называемым тезаурусом. Как известно из психолого-физиологических исследований [3,4], за оперативное управление поведением человека отвечает левое полушарие мозга, а память, жизненно важный опыт, система ассоциаций, возможности человека делать прогноз лежат на правом полушарии мозга. Прежде чем поступить в правое полушарие информация проходит через семантический фильтр и, если она жизненно важна для человека, она поступает в правое полушарие, где обогащает структуру понятий, встраивается в систему долговременной ассоциативной памяти.

Поскольку ассоциативная память связана с системой взаимосвязанных образов, то можно высказать гипотезу, что информация, образующая тезаурус человека, представлена в виде образов. Эта жизненно важная информация, постепенно накапливаясь, изменяет информационную структуру или матрицу человека, что позволяет ему перейти на новый уровень развития, то есть реализовать принцип саморазвития. Переход на новый уровень развития происходит с изменением характера оперативного управления, изменением работы левого полушария мозга. Уровень самосохранения системы при этом становится выше, так как прогностическая способность системы, ее тезаурус качественно изменились.

Таким образом, у человека как живой открытой системы существует два контура, циркуляции информации (см. рис.1). В первый контур, который открыт для окружающей информационной среды, поступает вся внешняя информация. Человек действует, принимая решения на основе этой информации. Отрицательная обратная связь с оперативным центром управления позволяет человеку корректировать последствия своих действий, поступков. Любое отклонение, угрожающее самосохранению индивида, учитывается и устраняется. Это делается на основе информации, поступившей из внешнего мира. При этом в левом полушарии мозга человека вырабатывается новая информация, которая в виде управленческих решений (команд) и начинает свой круговорот в первом контуре.


объект
Внешняя

среда


Центр управленияя

Обратная Оперативное

связь управление



Семантический

Фильтр Стратегическое

управление, прогноз


Аналитический центр, тезаурус


Саморазвитие

Рис.1 Информационная модель обучающейся системы

Второй контур циркуляции информации является внутренним. В нем, как мы иногда говорим, «прокручиваются мысли в голове». Чтобы попасть во внутренний контур из внешнего контура, информация должна пройти семантический фильтр. Эта информация имеет ассоциативный образный характер, она встроена в систему понятий и определяет уровень развития человека.

Учитель как организатор учебного процесса является центром управления деятельности ученика. Сам учебный процесс можно условно рассматривать как процесс циркуляции информационного потока между учителем и учеником, т.е., если включить в информационную модель ученика учителя, то у ученика, кроме внутреннего центра оперативного управления учебной деятельностью, появится еще и внешний центр – учитель.

Существенно то, что учитель всегда играет две роли: первая роль заключается в том, что он является носителем учебной информации, которую передает ученику; вторая роль, возможно более важная, состоит в том, что учитель выступает как центр управления, контроля и диагностики учебного процесса. Эффективно вторую роль учитель начинает выполнять, если, с точки зрения кибернетики [2–4], существует отрицательная обратная связь между ним и учеником. Если отрицательная обратная связь отсутствует или ее механизмы несовершенны, то информация об учебном процессе, о нежелательных отклонениях в обучении ученика недостоверна или неполна. Учитель как внешний управляющий центр не контролирует учебный процесс, не дает своевременной диагностики и, соответственно, не принимает правильных управленческих решений.

Таким образом, принципиально важно наладить непрерывный поток информации не только от учителя к ученику, но и от ученика к учителю. Особенно это важно на начальной стадии обучения, когда собственные механизмы управления, контроля и диагностики, завязанные на внутренний центр управления, у ученика не отлажены. По мере совершенствования этих механизмов ученик приобретает навыки самостоятельного обучения.

Надо отметить, что на первоначальной стадии обучения, роль учителя состоит не только в передаче знаний, управлении и контроле над процессом обучения. Очень важно, что к процессу обучения учитель подключает свой внутренний контур, свой тезаурус, опыт и, соответственно, делает прогноз будущих перспектив развития ученика. Это позволяет учителю своевременно изменять тактику оперативного управления учебным процессом, вносить принципиальные коррективы, важные для будущего развития личности ученика.

Для принятия этих решений чрезвычайно важной является не только информация об учебном процессе (знает – не знает, умеет – не умеет и т.д.), но и психолого-педагогическая информация об ученике. Для создания потока этой информации в первом внутреннем контуре учителя существенное значение имеют все формы взаимодействия учителя с учеником (воспитательная работа, неформальное общение с ними и т.д.).

Информация, существенная для учителя как воспитателя и предметника-профессионала, попадает во второй внутренний контур, изменяет структуру ассоциативных связей у учителя, обогащает ее. Эта информация позволяет: во-первых, совершенствоваться профессионально (саморазвиваться); во-вторых, принимать управленческие решения с учетом прогноза на будущий ход развития личности, даже на тот временной промежуток, когда учебный процесс, в котором задействованы две стороны – учитель и ученик, прекратился.

Тот факт, что ученик в процессе взаимодействия с учителем может пользоваться его опытом для планирования своей жизненной траектории, является самой главной отличительной чертой в сравнении с взаимодействием ученика с обучающими компьютерными системами. Во взаимодействии с обучающими компьютерными системами ученик может рассчитывать только на свой тезаурус, который вероятнее всего у него несовершенен и находится в стадии становления. Поэтому роль учителя, даже при наличии совершенных компьютерных систем обучения, останется чрезвычайно важной, именно в этом плане.

Это связано с тем, что только человеку свойственны ассоциативность в мышлении и эмоциональная мотивировка деятельности. Чувства невозможно запрограммировать, а именно они базируются на информации, циркулирующей во втором контуре и хранящейся в долговременной памяти.

Однако функции первого контура оперативного управления текущей информацией и коррекция отклонений от заданного режима выполнения заданий, накопление информации, хранение и переработка ее с целью выделения и анализа существенных изменений в ходе учебного процесса компьютер может взять на себя. Изложим основные моменты, связанные с организацией взаимодействия ученика и компьютера при создании динамических компьютерных тестов-тренажеров, на примере алгебры.

В любом виде профессиональной деятельности существуют определенные навыки и умения, требующие автоматизма в их выполнении. Этот автоматизм, когда не требуется отслеживания каждой операции или действий, достигается путем выполнения тренировочных упражнений. В каждом задачнике по математике предусматривается набор таких тренировочных упражнений.

Динамические компьютерные тесты-тренажеры [5,6], предлагаемые нами, представляют собой серию однотипных заданий, выполняемых по одному и тому же алгоритму. ДКТТ можно рассматривать как компьютерный вариант тренировочных упражнений по алгебре для обучения алгоритмической деятельности. При этом имеются существенные отличия от серии обычных тренировочных заданий.

Во-первых, при тестировании в системе ДКТТ задания практически не повторяются. Этим достигается индивидуальный характер выполнения тестовых упражнений. Делается это с помощью приема рандомизации параметров задания.

Во-вторых, в компьютерном варианте задания имеют интерактивный характер, то есть учащийся при выполнении заданий может манипулировать алгебраическими объектами, преобразуя их.

В-третьих, только в компьютерном варианте информация может подаваться полимодальным образом, то есть задействуются все каналы восприятия информации. Это цветовое оформление алгебраических объектов, звуковые эффекты и т.п.

В отличие от традиционных тестов ДКТТ имеют возможности создания диалога между учеником и компьютером. Эмоциональная окраска ДКТТ поддерживает работоспособность учеников в течение достаточно длительного времени. При этом компьютер ведет протоколы (записи), в которых записываются успехи и неудачи ученика при выполнении тестовых заданий. Тестирование можно проводить как в индивидуальном порядке, так и фронтально в компьютерном классе.

Для компьютерной разработки алгебраических ДКТТ нужно вначале написать сценарии тестовых заданий. Затем разработать алгоритм, реализующий сценарий и составить программу.

С нашей точки зрения, для написания сценариев компьютерных открытых тестовых заданий лучше всего подходит содержательная логика школьного курса алгебры под авторством А.Г. Мордковича [8]. Этот курс алгебры органично вписывается в деятельностный подход, реализуемый в динамических компьютерных тестах-тренажерах.

Рассмотрим основные программные блоки компьютерной модели ДКТТ. Первый блок программы ДКТТ отвечает за генерацию заданий. Возможны различные режимы работы этого блока. Основных можно указать два. Первый режим – генерация заданий и организация обратной связи – осуществляется без учета предыстории выполнения предыдущих заданий. Это система генерации заданий без адаптации к уровню достижений ученика. Такая система ближе к реальной жизни, где ученику придется решать проблемы, поставленные жизнью, которая, вообще говоря, не учитывает уровень его готовности к решению проблем.

Второй режим генерации заданий и организации обратной связи – адаптивный. В этом режиме для каждого задания устанавливается обратная связь (помощь) с учетом уровня, достигнутого данным учеником. Тем самым реализуется дифференцированный подход к учащимся, который “…предусматривает не снижение сложности и объема знаний для слабоуспевающих, а прежде всего усиление текущей помощи им…”[9, с.122]. При этом ученик избегает экстремальных ситуаций и его уровень постепенно растет.

Второй блок, программы ДКТТ, отслеживает процесс выполнения заданий учеником, записывает в память машины информацию о результатах работы ученика и по заданным правилам делает компьютерный анализ процесса обучения. Этот блок, по сути, является центром управления идущей от ученика информации и реализует принцип обратной связи. Обратная связь необходима для управления, контроля и диагностики процесса тестирования на основе ДКТТ.

Вопрос о том, какая информация должна считываться компьютером при выполнении задания, зависит от тех целей, которые ставит разработчик ДКТТ. Самая примитивная информация, это информация о том, правильно или неправильно выполнено очередное задание. Количественно эта информация может быть выражена, например, так: правильно – 1, неправильно – 0. Информация накапливается в памяти машины в специальном файле, и поскольку тренажер подразумевает несколько сеансов работы с ним, то она позволяет отследить динамику процесса обучения в зависимости от номера сеанса. В ходе тестирования эта информация в обязательном порядке должна сообщаться ученику, причем не в конце работы с тренажером, а непосредственно после каждого задания.

Для повышения диагностических возможностей ДКТТ, ставится задача отследить характер и типы ошибок, которые допускает ученик при выполнении текущего задания, а также время выполнения каждой операции и суммарное время, затраченное на задание. Объем считываемой информации резко возрастает, но вместе с тем у ДКТТ появляются не только контролирующие, но и диагностические возможности.

Понятно, что типы ошибок должны быть строго определены, как количественно, так и качественно. Например, в ДКТТ по теме «Преобразование квадратичной функции» (9 класс) число возможных ошибок – 5, и все они математически строго идентифицируются. Получение и накопление такой информации позволяет ученику поставить диагноз, где, на каком этапе он совершает ошибки и, соответственно, принять меры к их недопущению в следующих заданиях.

Для учителя подобного рода информация позволит провести диагностику не только конкретным ученикам, но и выявить слабые места в собственной методике. Собственные субъективные представления об эффективности или неэффективности тех или иных методик и методических приемов заменяются при работе с ДКТТ на объективные компьютерные измерения и анализ. Это позволит учителю осознанно управлять учебным процессом.

Другой целью получения информации может быть психолого-педагогическое исследование процесса решения задач. Для этих целей компьютер позволяет записывать наиболее полную информацию, включая компьютерную запись всех операций, производимых учеником, с хронометражем времени и фиксацией типов ошибок. В этом случае учитель или педагог-исследователь может после окончания работы ученика с ДКТТ просмотреть и исследовать полную запись всех преобразований, которые выполнял ученик. Компьютер позволяет в определенной мере отразить «траекторию» мыслительного процесса ученика при выполнении задания.

На наш взгляд, для оперативного управления, контроля и диагностик такая подробная информация ученику не нужна, а вот учителю или педагогу-методисту эта информация позволит не только выявить особенности процесса выполнения заданий тренажера, но и более дифференцированно подойти к обучению учеников. Например, выявить скорость обучаемости учеников алгоритмам и т.д. Это позволит ввести объективные критерии для реализации методологии дифференцированного подхода к процессу обучения и идеологии личностно-ориентированного обучения.

Деятельностный характер работы с заданиями тренажеров обусловлен их внутренней идеологией, которая основана на принципах компьютерного моделирования алгебраических объектов по заданным свойствам либо на извлечении информации о свойствах алгебраических моделей из наблюдений за ними. Как мы уже говорили, абстрактная информация, представленная в наглядном, образном виде, лучше проходит через семантический фильтр и эффективнее встраивается в систему ассоциирующих образов правого головного мозга.

Большое значение имеет то, что компьютер позволяет ученику манипулировать алгебраическими объектами или конструировать те или иные ситуации, создавая тем самым собственный алгебраический «мир». Эффект компьютерной виртуальности здесь отсутствует из-за абстрактного характера алгебры. Алгебраический «мир» – это мир, придуманный воображением и мыслью человека. Он по сути своей виртуален, хотя и отражает свойства материальных объектов и процессов.

Заложенный в адаптационном ДКТТ [7] принцип бесконфликтности в процессе обучения, формирования как можно более гладкой, без больших скачков траектории учебного процесса, на наш взгляд, принижает роль отклонений от нормы. Всякая ошибка, неспособность решить стандартную задачу есть отклонение от нормы, и именно оно дает тревожный управляющий сигнал ученику. В ДКТТ без адаптации таких сигналов может быть целая серия, и это – для ученика уже не досадная случайность, а «система отклонений». С другой стороны, если ДКТТ позволяет уйти от тупиковых ситуаций, увеличить частоту оказания помощи и понизить планку требований до приемлемого уровня, то это, безусловно, достоинствоДКТТ.

Очень существенно то, что адаптационные ДКТТ обладают более объективными диагностическими возможностями, так как адаптация, или приспособление к существующему уровню знаний и умений ученика, позволяет точнее определить этот уровень.

Библиографический список


  1. Абдеев Р.Ф. Философия информационной цивилизации. – М., 1994. – С. 335,

  2. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. – М.: Советское радио, 1968. –С. 314.

  3. П.Я. Гальперин. Введение в психологию. – М.: Изд-во МГУ, 1976. – С. 150.

  4. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний. Психологические основы. – М.: МГУ, 1984.

  5. Дьячук П. П., Лариков Е.В., Пак Н.И. Нелинейные технологии в динамических тестовых заданиях по математике // Современное образование. – №3. – 2001. – С.102-105.

  6. Дьячук П.П., Лариков Е.В. Применение компьютерных технологий обучения в средней школе. –Красноярск: Изд-во КГПУ, 1996. – С. 167.

  7. Захаров А.Н., Матюшкин А.М. Проблемы адаптивных систем обучения // Кибернетика и проблемы обучения: Сб. переводов / Под ред. А.Н. Захарова, А.М. Матюшкина. – М.: Прогресс, 1970.

  8. Мордкович А.Г. Алгебра 9 кл.: Методическое пособие для учителя. – М.: Изд-во Мнемозина, 2002. – С. 80.

  9. Бабанский Ю.К. Методы обучения в современной образовательной школе. – М.: Просвещение, 1985. – 208 С.