Информационные технологии обучения

II Международный конгресс ЮНЕСКО "Образование и информатика" (1996) стратегическим ресурсом в образовании объявил информационные технологии.

Компьютер, телекоммуникационные и сетевые средства существенно изменяют способы освоения и усвоения информации, открывают новые возможности для интеграции различных действий, тем самым способствуют достижению социально значимых и актуальных в современный период развития общества целей обучения.

Информационные технологии обучения (ИТО) определяют как совокупность электронных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности.

В качестве классификационных признаков программно-технических средств (ПТС), используемых в образовании, можно выделить:

• дидактическую направленность;

• программную реализацию;

• техническую реализацию;

• предметную область применения.

Классификация по дидактической направленности

В литературе встречается несколько подходов к классификации компонентов программно-аппаратных комплексов по дидактической направленности. Например, предлагается прежде всего классифицировать знания, передаваемые обучающимся с помощью компьютера, следующим образом. Во-первых, существовало деление знаний на явные и неявные. В дальнейшем, с развитием исследований в области искусственного интеллекта, эти знания стали называться артикулируемыми и неартикулируемыми.

Артикулируемая часть знаний - это знания, которые легко структурируются и могут быть переданы обучающемуся с помощью порций информации (текстовой, графической, видео и т.д.).

Неартикулируемая часть знаний представляет собой компонент знания, основанный на опыте, интуиции и т.п. Эта часть знания охватывает умения, навыки, интуитивные образы и другие части человеческого опыта, которые не могут быть переданы обучающемуся непосредственно, а "добываются" им в ходе самостоятельной познавательной деятельности при решении практических задач. Опираясь на такую классификацию знаний, можно классифицировать образовательные программно-аппаратные комплексы. Технологии, положенные в основу этих комплексов и применяемые для поддержки процесса обучения артикулируемой части знаний, являются декларативными. К ним целесообразно отнести:

• компьютерные учебники;

• учебные базы данных;

• тестовые и контролирующие программы и другие компьютерные средства, позволяющие хранить, передавать и проверять правильность усвоения обучающимся информации учебного назначения.

Технологии, применяемые при создании программно-аппаратных комплексов, поддерживающих процесс освоения неартикулируемой части знаний, являются процедурными. Компьютерные информационные технологии (КИТ) этого класса не содержат и не проверяют знания в виде порций информации. Они построены на основе различных моделей. В этом случае к КИТ этого класса относятся:

• пакеты прикладных программ (ППП);

• компьютерные тренажеры (КТ);

• лабораторные практикумы;

• программы деловых игр;

• экспертно-обучающие системы (ЭОС) и другие компьютерные средства, которые позволяют обучающемуся в ходе учебного исследования получать (добывать) знания по изучаемой предметной области.

Приведенная классификация по признаку декларативных и процедурных технологий является, как и любая другая, условной. Один и тот же образовательный программно-аппаратный комплекс может быть использован по первой или второй технологии в зависимости от применяемой методики. Например, лабораторный практикум может быть снабжен гибкими инструкциями, что и в какой последовательности выполнять. В этом случае обучающийся получает готовую информацию о процессе и соответственно получает декларативные знания. Если же учебная задача поставлена таким образом, что обучающемуся необходимо для ее решения провести исследование, то этот же программно-аппаратный комплекс позволяет получить некоторую порцию процедурных знаний.

Возможен и другой подход к классификации ПТС по дидактической направленности. В этом случае современные компьютерные технологии обучения также делятся на два класса:

• системы программированного обучения (СПО);

Педагогическое проектирование и педагогические технологии 239

• интеллектуальные системы обучения (ИСО). Технология программированного обучения предполагает получение обучающимся порций информации (текстовой, графической, видео - все зависит от технических возможностей) в определенной последовательности и обеспечивает контроль за усвоением в точках учебного курса, определенных преподавателем.

Интеллектуальные системы обучения отличаются такими особенностями, как адаптация к знаниям и особенностям учащегося, гибкость процесса обучения, выбор оптимального учебного воздействия, определение причин ошибок учащегося. Для реализации этих особенностей ИСО применяются методы и технологии искусственного интеллекта.

Структура ИСО содержит общие и специальные знания трех классов:

• о предметной области;

• о стратегии обучения;

• об учащемся (модель обучающегося).

В интеллектуальных системах обучения эти знания представлены в соответствующих базах знаний с помощью различных методов и средств. При этом в модели обучающегося выделяются три компонента, каждый из которых включает процедурную и декларативную составляющую:

• база знаний обучающегося;

• диагностика его знаний и выполняемых заданий;

• алгоритм формирования новых заданий.

Модель обучающегося постоянно обновляется в ходе обучения в соответствии с изменениями отражаемых ею характеристик обучаемого.

Деление технологий разработки программно-аппаратных комплексов на СПО и ИСО не может быть строгим, так как системы одного класса могут включать в себя и элементы другого.

Для реализации ИСО используются следующие средства:

• экспертные системы;

• гипертекстовые системы;

• системы мультимедиа;

• программы деловых игр;

• динамическая графика и анимация.

Приведенное выше разделение технологий компьютерного обучения на процедурные и декларативные, а также на СПО и ИСО вытекает из деления целей обучения на два класса: • обучение навыкам использования конкретных методов в практической деятельности, получение и систематизация различных фактических данных;

• обучение анализу информации, ее систематизации, творчеству, исследованиям.

Системы второго класса позволяют проектировать учебные курсы, значительно более сложные, чем системы первого класса. Именно с их помощью можно научить процессам проведения синтеза, анализа, аналогии, сравнения, дедукции, индукции и т.п. Оба класса технологий взаимно дополняют друг друга, поэтому в целом ряде случаев неверным является отказ от систем первого класса в пользу систем второго класса.

Классификация по способу программной реализации

По способу программной реализации программно-аппаратные комплексы можно разделить на три класса:

• созданные с помощью прямого программирования на языке высокого уровня;

• созданные с использованием средств объектного программирования;

• созданные с помощью инструментальных авторских систем (ИАС).

Это деление также не является достаточно строгим, так как большинство авторских оболочек имеет выход в среду прямого программирования. Это объясняется тем, что универсальные, а тем более специализированные инструментальные оболочки, обычно не реализуют многие функции, необходимые для создания образовательных программно-аппаратных комплексов по типу процедурной реализации дидактической составляющей. Например, они не имеют средств для математического моделирования объектов.

Классификация по целевому назначению

По принципам организации процесса обучения инструментальные авторские системы (ИАС) разделяются на интеллектуальные и традиционные.

Интеллектуальные ИАС опираются на последние достижения в области искусственного интеллекта и являются, безусловно, передовыми для разработки прикладных компьютерных учебных программ (КУП), нацеленных на проблемно-ориентированный подход к обучению.

Традиционные ИАС в зависимости от наличия в них тех или иных функциональных возможностей целесообразно разделять на универсальные и специализированные.

Педагогическое проектирование и педагогические технологии 241

Универсальные ИАС должны обеспечивать следующие функциональные возможности:

• ввод н анализ ответов;

• формирование логической структуры КУП;

• поддержку и формирование текстового и графического материала;

• обеспечение динамики изображений;

• математическое моделирование с визуализацией результатов;

• организацию гипертекстовых структур;

• сбор и обработку статистической информации;

• формирование рейтинговой оценки уровня знаний;

• возможность работы в локальной вычислительной сети;

• функционирование КУП в автономном режиме.

В настоящее время существуют десятки как зарубежных, так и отечественных универсальных ИАС. В последние годы в связи с развитием технических возможностей для создания программно-аппаратных комплексов на основе технологий мультимедиа к функциональным возможностям универсальных ИАС добавились еще две: звуковое сопровождение и поддержка видеоизображения.

Специализированные ИАС компьютерных учебных программ в зависимости от их целевого назначения целесообразно разделять на следующие типы:

• гипертекстовое и гипермедиа ИАС;

• моделирующие ИАС;

• ИАС для контроля знаний и педагогического тестирования;

• ИАС для организации лекционного сопровождения.

1) Гипертекстовые и гипермедиа ИАС характеризуются следующими возможностями:

• работа с такими фрагментами, как текст, графика, звук и видео;

• наличие различных способов поиска информации (по ключевым словам и "горячим точкам" экрана, по функциональным кнопкам, по темам в многооконном режиме, по графическим картам узлов и связей);

• многооконный режим работы;

• различные способы навигации (наличие стандартных маршрутов и возможность фильтрации материала);

• наличие механизма "закладок";

• внесение и сохранение комментариев;

• построение новых гипертекстовых структур с множественной интерпретацией материала (сбор и сохранение рефератов и конспектов);

• организация взаимодействия с внешней средой (подключение моделирующих программ и т.д.).

2) Моделирующие ИАС используются для разработки программ моделирования процессов и объектов различной физической природы, а также создания различных компьютерных тренажеров (КТ), в том числе в реальном масштабе времени, и должны обеспечивать следующие функциональные возможности:

• моделирование процессов, описанных алгоритмически, а также системами математических уравнений и неравенств;

• обеспечение различных сценариев моделирования (кроме жестких, т.е. сценариев с возможностью управления действиями учащегося и самой моделью);

• поддержку интерактивного режима разработки модели с коррекцией действий разработчика;

• применение различных процедур (рекурсивных, итерационных и т.д.);

• наличие библиотеки готовых форм индикаторов и датчиков;

• обеспечение работы в реальном масштабе времени;

• возможность подключения к реальным аппаратным средствам;

• наличие достаточного количества переменных и спецфункций.

3) Поскольку конечной целью контроля и тестирования является определение и научное измерение степени усвоения учебного материала и овладения необходимыми знаниями, умениями и навыками, специализированные АИС должны поддерживать следующие функциональные возможности:

• широкий набор способов предъявления заданий (случайный выбор, генерация заданий по шаблонам и т.д.);

• полный набор способов анализа и ввода ответов;

• гибкость в способах выставления оценки уровня учебных достижений обучающегося;

• сбор и обработку индивидуальной и групповой статистической информации о результатах контроля;

• возможность работы в локальной вычислительной сети

Педагогическое проектирование и педагогические технологии 243

с целью автоматического сбора информации о ходе контроля и его результатах со всех компьютеров одновременно.

Для создания педагогических тестов, которые представляют собой совокупность взаимосвязанных заданий возрастающей сложности, позволяющих надежно и валидно оценить знания и другие интересующие педагога характеристики личности, необходимо выполнение ряда дополнительных требований. К таким требованиям относятся:

• возможность составления тестовых заданий всех известных типов (открытых, с выборочным ответом, на установление соответствия, контролируемых, включая и контролируемое конструирование графических изображений);

• возможность создания адаптационных тестов, в которых выбор следующего задания определяется в зависимости от результата выполнения предыдущего;

• наличие средств анализа педагогического теста на валидность;

• наличие в АИС инструкции для преподавателя в виде спецификации теста, включающей в себя общее описание, пример тестового задания, характеристику формы и содержания задании, характеристику ответов и т.д.;

• необходимость средств сбора статистики прохождения теста учебными группами для интерпретации тестовых баллов с учетом нормативно-ориентированного подхода (сравнение отдельных учебных достижений обучающихся) и критериально-ориентированного (степень овладения обучающимся необходимого учебного материала).

4) Сопровождение лекционного материала. АИС, используемые для этих целей, должны поддерживать следующие функциональные возможности:

• создание и подключение динамических изображений;

• создание собственной и подключение качественной статической графики (считываемой с помощью сканера или созданной в других графических редакторах);

• оформление текста разнообразными стилями;

• звуковое сопровождение материала.

Характеристика и способы использования автоматизированных систем обучения в подготовке

специалистов в вузе

Проведенная классификация базовых средств НИТ, предназначенных для использования в учебном процессе, позволяет сформулировать принципы создания и использования автоматизированных средств обучения в процессе подготовки специалистов в вузе.

Эффективность использования средств НИТ в учебном процессе во многом зависит от успешности решения задач методического характера, связанных с информационным содержанием и способом использования АОС в учебном процессе. В связи с этим целесообразно рассматривать АОС, используемые в конкретной учебной программе (определяемой предметным содержанием, целями и задачами обучения), как программно-методические комплексы (ПМК). В данном случае под ПМК понимается совокупность программно-технических средств и реализованных с их использованием методов (методик) обучения, предназначенных для решения конкретных задач учебного процесса.

Можно выделить следующие основные виды ПМК:

• поддержки лекционного курса;

• моделирования процесса или явления;

• моделирования функционирования технической системы (обучение ее использованию и (или) управлению);

• тестовые и контролирующие ПМК;

• электронный учебник;

• сборники и генераторы задач;

• справочные информационные системы;

• игровые учебные программы;

• интегрированные обучающие системы;

• экспертные интегрированные ПМК.

Существует тесная взаимосвязь между существующими методами обучения (педагогическими приемами) и методическим содержанием и педагогическим назначением ПМК того или иного типа.

Современные возможности НИТ, ориентированные на максимальную унификацию, на уровне программного и технического обеспечения, позволяют создавать ПМК обучения как совокупность учебных фрагментов, объединенных алгоритмическими средствами, задающими траекторию обучения. Для иллюстрации технологии создания ПМК рассмотрим характеристики и принципы создания основных ПМК с точки зрения использования возможностей базовых НИТ.

Основные типы ПМК и их взаимосвязь с методами обучения

1) ПМК поддержки лекционного курса. Процесс создания презентационных роликов для сопровождения лекционного занятия представляет собой последовательное создание иллюстративных фрагментов, состав которых определяется целевым назначением занятия (рис. 6.3). В качестве фрагментов, применяемых в процессе лекции, могут быть использованы текстовые материалы, статические и динамические изображения, аудио- и видео фрагменты, контрольные задания и т.д. Соответственно в состав ПМК должны входить программно-технические средства, позволяющие эффективно подготавливать необходимые материалы (сканеры, средства подготовки видеоизображений, графические редакторы, средства анимационной графики). Для сборки презентационного ролика используются как авторские, так и стандартные программные средства. Для эффективного отображения лекционного материала необходимо применять специализированные мультимедийные средства отображения информации: теле-, видеоаппаратуру, видеопроекторы. Особый интерес представляет вариант реализации ПМК поддержки лекционного курса, обеспечивающего обратную связь с обучаемыми в процессе проведения занятия. 2) ПМК моделирования процесса или явления. ПМК подобного типа находят свое применение при изучении предметных областей и оборудования, реальное изучение которых осложнено либо в результате опасности и сложности (соответственно стоимости), либо из-за ограничений временного характера, не позволяющих за время обучения получить характеристики реальных объектов (рис. 6.4). Другой особенностью использования подобных ПМК является тот факт, что изучение и исследование математических или имитационных моделей реальных объектов позволяет в лучшей степени усвоить характеристики и принцип функционирования реальных процессов и явлений. Создание ПМК подобного типа требует тщательного анализа используемых для моделирования моделей с точки зрения их адекватности (так как использование для обучения моделей не обладающих таким свойством может привести к отрицательным результатам). Методический аспект использования ПМК моделирования заключается в необходимости предварительном планировании экспериментов с моделью и определением способов и методов исследования и интерпретации результатов, обеспечивающих максимальный эффект обучения. Программная реализация моделей возможна как с использованием стандартных научно-технических пакетов (MathCad, MatLab), так и авторских программ, реализующих модели, или с использованием систем моделирования (GPSS, MicroSaint). Область использования: изучение процессов или явлений, для которых реальное изучение (или изучение на физической модели) осложнено (стоимость, опасность и т.д.); изучение процессов в ускоренном масштабе времени (экономика, экология и т.д.).

Ограничения: сложность достижения достаточной адекватности для сложных объектов и процессов.

3) Тестовые и контролирующие ПМК. Основным назначением ПМК подобного типа является реализация функции контроля усвоения знаний на различных этапах обучения (от текущего контроля до итоговой оценки готовности обучаемого). Созданию ПМК должны предшествовать следующие этапы разработки, определяющие специфику контроля, зависящую от целей контроля и особенностей предметной области:

• формирование тестовых заданий и вопросов, обеспечивающих надежную оценку;

• выбор алгоритма опроса и способов предъявления заданий обучаемому;

• выбор метода обработки статистических данных оценивания;

• определение системы правил, обеспечивающих принятие решений об уровне знаний.

Существует большое количество подходов и методов решения перечисленных задач.

Наиболее эффективным средством для реализации ПМК данного типа является технология баз данных (рис. 6.5).

4) Электронные учебники. Создание электронных учебников является задачей, методически сходной с задачей создания обычного, хорошего учебника, т.е. включающего в свой состав не только теоретические разделы, но и практические примеры, задачи, методические рекомендации по изучению дисциплины. Исходя из этого электронный учебник по существу представляет собой интегрированный ПМК (рис. 6.6), включающий в свой состав ПМК различных типов.

5) Экспертные ПМК. Под экспертными ПМК понимают комплексы, реализующие режим адаптивного обучения, т.е. в отличие от принципов программированного обучения, предполагающих заданную траекторию изучения материала, экспертные ПМК ориентированы на контекстное изучение материала. Контекст изучения определяется не только уровнем усвояемости, но и целевыми установками обучаемого. Реализация подобных ПМК трудоемка и основана на использовании принципов искусственного интеллекта и технологий экспертных систем.