Концептуальні моделі комп'ютерних навчальних программThree conceptual models of the computer scholastic programs are considered. The first is founded on use the information approach and is oriented on building of the CBI programs. Rests are founded on idea of ​​the artificial intelligence. It Is Described main variants and generalized structures of the models. It is shown that forerunner in realization more simply; however, realiza¬tion of the knowledge-based computer scholastic pro¬grams provides the more qualitative process of the edu¬cation.

Анотація наукової статті з комп'ютерних та інформаційних наук, автор наукової роботи - Кручинін В. В.


Область наук:
  • Комп'ютер та інформатика
  • Рік видавництва: 2005
    Журнал: Вісник Томського державного педагогічного університету

    Наукова стаття на тему 'Концептуальні моделі комп'ютерних навчальних програм'

    Текст наукової роботи на тему «Концептуальні моделі комп'ютерних навчальних програм»

    ?УДК 378.016: 004

    В. В. Кручинін

    КОНЦЕПТУАЛЬНІ МОДЕЛІ КОМП'ЮТЕРНИХ НАВЧАЛЬНИХ ПРОГРАМ

    Томський державний університет систем управління та радіоелектроніки

    1. Модель кадрової комп'ютерної навчальної програми

    Навчальна інформація в комп'ютерній навчальній програмі може бути пред'явлена ​​хто навчається тільки фрагментарно. Его пов'язано з тим, що термінал комп'ютера має конкретні розміри і параметри відображення інформації. Тому один з підходів до побудови КУП полягає в тому, що вся навчальна інформація розбивається на порції, кожна з яких може вміститися на екрані комп'ютера. Цю порцію стали називати кадром. Спочатку кадр був статичний, тобто заздалегідь готувалося комп'ютерне подання навчальної інформації і далі, при необхідності, ця інформація просто виводилася на екран терміналу, при цьому розміри кадру заздалегідь були фіксовані. В даний час поняття кадру стало складнішим [1]:

    1) навчальна інформація, призначена для відображення, попередньо синтезується (наприклад, збирається з деякого тексту і малюнка або фотографії, причому комп'ютерне подання для тексту, малюнка і фотографії може бути по-різному);

    2) відображення кадру проводиться в вікно, яке може мати різне розташування і розміри:

    3) спосіб появи кадру у вікні може бути різним;

    4) для мультимедійних і гіпермедійних КУП можливо звукове оформлення (наприклад, кадр з'являється з деяким звуком, після появи кадру може бути чутна мова диктора, що дає пояснення або читає текст кадру).

    Тепер про кадрі можна говорити як про деяку програму або акті деякого загального сценарію зі збору, формуванню і пред'явленню навчальної інформації. Зазвичай кадри, що містять тільки навчальну інформацію, називалися інформаційними кадрами, а кадри,

    містять питання, - контрольними кадрами. Якщо в кадрі крім текстової навчальної інформації використовується звуковий супровід і / або відеоінформація, то кажуть, що дана КУП використовує засоби мультимедіа.

    При роботі навчальної програми даного класу кадри послідовно пред'являються хто навчається. Процес зміни кадрів назвемо перегортання. Перегортання може бути організовано:

    1) під керуванням КУП;

    2) за вказівкою якого навчають;

    3) використовується змішана стратегія.

    У першому випадку КУП пред'являє хто навчається поточний кадр, і далі, КУП заздалегідь знає, який кадр пред'явити такий, а від того, якого навчають потрібно повідомити КУП, що він прочитав цей кадр (або відповів на питання в даному контрольному кадрі) і чекає пред'явлення наступного. Така організація характерна для різноманітних тестових програм, наприклад для екзаменаторів.

    У другому випадку, кого навчають самому пропонується здійснювати процес перегортання. При цьому-КУП надає можливість вибору наступного кадру. Наприклад, в найпростішому випадку це може бути перегортання в прямому і зворотному напрямку. Така організація характерна для різноманітних комп'ютерних довідників, енциклопедій, інформаційної частини комп'ютерних підручників, тобто в КУП. що складаються з інформаційних кадрів.

    У змішаній стратегії при перегляді інформаційної частини КУП кого навчають дається можливість самому гортати, а в контрольній частині перегортання здійснює КУП.

    Після того як вся навчальна інформація представлена ​​у вигляді кадрів, необхідно провести зв'язування всієї сукупності кадрів в деяке ціле. Розглянемо структури і механізми зв'язування кадрів.

    Механізм зв'язування може бути внутрішнім і зовнішнім. При внутрішньому зв'язуванні в самому кадрі містяться посилання на інші кадри. При зовнішньому зв'язуванні в КУП задаються

    деякі структури, в яких є посилання на відповідні кадри, а самі кадри ніяких посилань не мають.

    У загальному випадку зовнішні структури можна розділити на наступні класи;

    1) лінійні;

    2) ієрархічні;

    3) мережеві;

    4) змішані.

    Для лінійних структур характерна жорстка послідовність зміни кадрів. Перегортання, як правило, здійснюється тільки в прямому або зворотному порядках. Таку КУП можна представити у вигляді лінійного двохзв'язной списку.

    Ієрархічні структури дозволяють організувати перегортання більш гнучко. Весь навчальний матеріал розбивається на теми, теми на підтеми, підтеми на розділи і т.д. Кожен кадр, відповідний темі або підтеми, має спеціальний механізм обрання або переходу від даної теми до заданої підтеми, а також механізм повернення з нижчестоящого в ієрархії кадру до відповідного вищестоящого кад-РУ Ієрархічні структури дозволяють досить швидко знаходити необхідний кадр.

    Мережеві структури дозволяють організувати перегортання ще гнучкіше, ніж ієрархічні. В даному випадку механізми переходу і повернення організовані на смисловий пов'язаності тексту. Якщо в тексті даного кадру є терміни або поняття, які пояснюються в інших кадрах, то можна здійснити перехід від кадру, в якому зустрівся деякий термін, до кадру, в якому дано його визначення.

    Така організація навчального матеріалу отримала назву гіпертексту [2, 3]. Гіпертекстова організація навчального матеріалу в даний час отримала загальне визнання. Почасти це пов'язано з тим, що в основі глобальної комп'ютерної мережі Інтернет також лежить гіпертекстова технологія організації інформації. Розглянемо докладніше організацію гіпертекстової КУП.

    Вся навчальна інформація розбивається на сторінки (кадри). В кожній сторінці виділяються слова і словосполучення, пояснення яких даються на інших сторінках. Крім того, можна явно задати посилання на інші сторінки. Наприклад, «приклад вирішення даного завдання показаний на сторінці 45». Таким чином, формується деякий безліч посилань від даної сторінки до інших. Зазвичай перегортання в гіпертекстових КУП організовано на основі меню.

    Всі номери повинні бути явно виділені в тексті даної сторінки, і той, якого навчають для переходу на необхідну сторінку клацає мишкою на необхідної посиланням. При цьому на екрані з'являється вікно з вказаною за посиланням сторінкою. Інше використання мережевої структури може бути при завданні послідовності вивчення навчального матеріалу. Тобто спочатку задається деяка підмножина кадрів, які необхідно переглянути (або вивчити) в першу чергу, далі, в залежності від результатів навчання (це можна перевірити за допомогою тестів), дається можливість вивчати наступне підмножина кадрів і т.д.

    Якщо гіпертекстова КУП використовує засоби мультимедіа [4, 5], то кажуть про гіпермедіа КУП [6]. Якщо все сторінки гипермедийной КУП уявити вузлами, а середу посилань представити у вигляді дуг зі стрілками, то можна записати орієнтований граф. У загальному випадку цей орієнтований граф може мати петлі. До недоліків КУП з гіпертекстової організацією відноситься те, що посилання, як правило, організовуються внутрішні і тому не можна змінювати середу посилань. Тобто якщо з якої-небудь причини необхідно скоротити навчальний матеріал, то необхідно прибрати досить велика кількість посилань.

    Застосування змішаних структур дозволяє використовувати переваги кожної з описаних вище. Наприклад, внутрішнє середовище посилань можна організувати як гіпертекст (тобто перехід від кадру до кадру по посиланнях); зовнішню структуру задати у вигляді дерева, яке добре описує структуру навчального матеріалу, а у вигляді лінійного списку можна задати послідовність кадрів, які навчають, переглянув в даний момент. Причому механізм переходу між кадрами включає:

    1) перехід по гіпертекстових посиланнях;

    2) переходи по ієрархії тем;

    3) переходи по відношенню «сусідній кадр» (варіант продовження або повернення);

    4) повернення за списком переглянутих кадрів (з історії проходження навчального матеріалу).

    Таким чином, модель комп'ютерної навчальної програми, засновану на кадрах, можна уявити п'ятіркою {I, <3, V, С, Р}.

    I - Безліч інформаційних кадрів.

    <3 - Безліч контрольних кадрів.

    V - Безліч зв'язків.

    З - Вид управління.

    Р - Протокол.

    2. Модель інтелектуальної комп'ютерної

    навчальної програми навчання рішенню завдань

    Комп'ютерні навчальні програми, призначені для навчання рішенню завдань, відносяться до класу систем штучного інтелекту. В основі цих програм лежить деяка модель знань і відповідна база знань. Для вирішення завдань з деякої предметної області база знань повинна містити:

    1) прийоми, правила, закони, які використовуються в даній предметній області;

    2) методи представлення завдань;

    3) загальні правила пошуку рішення задач.

    Основними функціями КУП навчання рішенню завдань є наступні:

    - генерація конкретного завдання;

    - рішення задачі;

    . аналіз ходу виконання завдання, виконуваного учнем;

    - видача рекомендацій і порад при вирішенні завдання;

    - підсумковий аналіз рішення:

    - планування ходу навчання;

    - ведення протоколів і статистики.

    Тоді процес навчання за допомогою подібної навчальної програми може виглядати так [1]: спочатку на екрані з'являється деяка задача, якого навчають, може їй дати раду самостійно або за допомогою програми, при цьому він повинен вказувати (або вводити кожен крок). Паралельно програма вирішує цю задачу самостійно. Якщо той, якого навчають вказує 'невірний крок, то програма може вказати на помилку і дати деяку рекомендацію. Якщо той, якого навчають не може вказати наступного кроку, то він може попросити допомогу. Програма при цьому може дати деяку рекомендацію або підказати конкретний крок. Після введення остаточного рішення програма робить аналіз всього рішення, отриманого учнем, шляхом порівняння його з власним. При цьому робиться висновок про правильність рішення і видаються деякі коментарі з приводу знайденого рішення.

    Процес навчання може бути ітеративним, тобто хто навчається може бути запропонована деяка послідовність завдань, або з наперед заданими параметрами, або програма сама визначає параметри наступного завдання в залежності від рішення попередніх завдань. Крім того, програма може вести протоколи і різну статистику, наприклад, час вирішення завдань і т.д.

    Розглянемо узагальнену структуру такої

    КУП (рис, 1):

    ]. База знань - призначена для зберігання в формалізованому вигляді знань про дану предметної області, перш за все це: способи подання завдань; прийоми, правила і закони, які використовуються в даній предметній області; методи пошуку рішення задач.

    2. Планувальник - модуль КУП, Котра виробляє процес планування навчання, ґрунтуючись на використанні бази знань, можливо, на підставі попереднього тестування (наприклад, на підставі коефіцієнта інтелекту і т.д.) і конкретної інформації, накопиченої в процесі навчання (це помилки і успіхи учня, можливо, його наміри і уявлення). При цьому планувальник ініціює параметри для генератора завдань.

    3. Генератор завдання - модуль КУП, призначений для отримання конкретного завдання. Генератор завдання - це текстовий конструктор, який, грунтуючись на параметрах, зазначених планувальником (наприклад, коефіцієнт складності), формулює деяку задачу. При цьому він використовує базу знань.

    4. Аналізатор кроку - модуль КУП, який робить аналіз чергового кроку учня, записує результат аналізу в базу знань і видає відповідні коментарі. Наприклад, «Молодець, правильно» або «Невірно, використовуй те-то і те-то» і т.п.

    5. Модуль інтерфейсу |- призначений для організації взаємодії між учнем і КУП. Він організовує введення чергового кроку рішення, виробляє висновок різноманітних повідомлень, які формують інші модулі. Одним з можливих режимів роботи модуля є діалогове побудова завдання.

    6. Вирішувач - модуль КУП, призначений для вирішення конкретного завдання, отриманої генератором.

    7. Порадник - модуль КУП, призначений для допомоги в процесі пошуку рішення задачі. За запитом учня видається деяка рекомендація, наприклад: «Спробуй використовувати правило ...», або це може бути явне вказівку, наприклад: «Використовуй таку-то формулу». У своїй роботі даний модуль також використовує базу знань і послідовність кроків, отриману від того, якого навчають.

    8. Аналізатор рішення - модуль КУП, який виробляє підсумковий аналіз рішення якого навчають, порівнюючи його з рішенням, отриманим

    вирішувачів. Заздалегідь передбачається, що вирішувач завжди вірно вирішує завдання. На підставі порівняння виставляється деяка підсумкова оцінка, і ця підсумкова оцінка передається планувальником, який визначає тип і параметри наступного завдання.

    9. Модуль статистики - забезпечує ведення протоколів і накопичення різноманітних статистичних даних.

    Таким чином, модель інтелектуальної комп'ютерної навчальної програми можна уявити шісткою {ВК, МЬ, С, Р, А}:

    ВК - база знань; МЬ - модель учня; 8 - вирішувач; З - генератор; Р - планувальник; А - аналізатор.

    Мал. 1. Узагальнена структура системи для навчання рішенню завдань

    3. Модель інтелектуальної системи контролю знань

    Комп'ютерний прийом іспитів стає важливим елементом сучасних освітніх технологій. Практика використання таких програм показала [7-11]:

    1. Існуючі типи КУП зазвичай містять обмежену безліч питань (не "більше 100-200 питань). Основним недоліком комп'ютерного прийому іспиту є те, що через деякий час після використання тесту студенти готують шпаргалки на всі питання тесту. Его призводить до того, що після нетривалого використання викладач змушений змінювати тест (міняти послідовність питань, змінювати їх форму і т.д.), що вимагає додаткових витрат часу і зусиль викладача.

    2. Створення програми досить трудомісткий процес, що вимагає істотних витрат часу. Природно, що отримання питань вимагає від викладача-методиста чималих витрат часу, до того ж програмування тесту вимагає значних витрат часу, уваги і певних навичок від програміста.

    3. Практично в будь-якому тесті є питання, сформульовані некоректно (у середньому

    2% від загальної кількості питань). Ця проблема виникає, в основному, з двох причин. По-перше, багатьом викладачам досить складно сформулювати питання по темі, які легко представимо в комп'ютерному вигляді. І наступне важливе причиною є те, що учні не завжди коректно вводять відповідь (використовують неприпустимі символи).

    Для того щоб використання комп'ютерних іспитів було ефективним, необхідно, щоб тестуючі програми відповідали певним вимогам. По-перше, для того щоб тест об'єктивно оцінював знання, необхідно, щоб він містив достатню кількість питань по всьому курсу або предмету. Причому бажано, щоб питання були різних рівнів складності. По-друге, для підвищення ефективності тестування необхідно формувати послідовність питань для кожного тестованого індивідуально, залежно від відповідей, отриманих на попередні питання тесту. При цьому, природно, потрібно враховувати рівень складності

    питань. Можливий варіант, коли перед основним тестуванням проводиться мінітест, спрямований на виявлення психологічних особливостей сприйняття тестованого.

    Для досягнення: найбільшої ефективності проведення комп'ютерного іспиту пропонується автоматизувати процес створення питань тесту, тобто реалізувати систему проведення іспитів, побудовану на основі автоматичного генератора питань. Після детального аналізу процесу створення комп'ютерних тестів, розгляду літератури і проблем запропонована узагальнена модель системи проведення комп'ютерного іспиту (рис. 2).

    Запропонований підхід не тільки підвищує ефективність проведення комп'ютерного іспиту, а й оптимізує процес створення іспиту. У даній моделі системи процес створення тесту зводиться до створення моделі бази знань, в основі якої лежить інформація за певним курсом лекцій, предмету, темі.

    Процес проведення комп'ютерного іспиту можна описати таким чином: спочатку працює планувальник, використовуючи інформацію в налаштуваннях, можливо, використовується психологічний тест для визначення особливостей сприйняття інформації, формується загальний план проведення іспиту або, по крайней мере, визначаються параметри першого питання. Далі, використовуючи ці параметри, працює генератор питань. Цей модуль генерує сам питання, причому форми питань можуть бути найрізноманітніші і залежати від налаштувань. Крім того, генератор будує безліч правильних відповідей на дане питання. Потім сам питання подається на вхід модуля інтерфейсу, який забезпечує візуалізацію питання і введення відповіді учня. Після введення відповіді перевіряється його правильність шляхом порівняння введеного і правильної відповіді. Коли задано достатню для визначення рівня знань учня кількість питань, виставляється оцінка. Для отримання оцінки визначається кількість правильних відповідей на питання кожного рівня складності, тобто проводиться порівняння моделі знань учня і еталонної моделі знань.

    Таким чином, модель комп'ютерної навчальної програми для проведення іспиту буде п'ятірка {ВК, МЦ С, Р, А}.

    В К - База знань.

    МЬ - Модель учня.

    З - Генератор.

    Р - Планувальник.

    А ..- Аналізатор.

    Оцінюючи описані вище моделі, можна стверджувати, що:

    1) модель кадрової комп'ютерної навчальної програми є найбільш простий, однак вона має ряд істотних недоліків (відсутність гнучкості, статичний характер моделі, відсутність моделі учня);

    2) такі дві моделі досить схожі один на одного (наявність бази знань, генератора, моделі учня, аналізатора), однак внутрішній зміст елементів моделей істотно відрізняється;

    3) істотним елементом, що впливає па характер моделі, є генератор, який присутній в другій і третій моделі.

    Модуль редагування бази знань

    СІ і "" ' "' '' '|А

    Опис налаштувань База знань Еталоннаі модель

    до

    планувальник

    Генератор питання

    ,-г ^ С *

    Модель знань учня. \ \ \ В про п р про з Правильний про т в е р

    Модуль інтерфейсу \ Аналізатор відповіді

    \

    Модуль сервісу \ Аналізатор мод їли знань учня

    с- *

    Допомога | Оцінка І Протокол

    Мал. 2. Узагальнена структура системи проведення іспиту

    С. П. Куксенко, Т. Р. Газізов Методи рішення в задачах обчислювальної електродинаміки

    література

    1, Кручинін В, В, Розробка комп'ютерних навчальних програм. Tci '-; k, 1998..

    2, Полікахін А.В. Гіпертекст: сутність, стан, проблеми, перспективи / О.В. Полікахін, О.Ю, Совин. М., 1993.

    3, Агєєв В.М. Приклади гіпертекстових і гіпермедіа систем (огляд) II Комп'ютерні технології у вищій освіті. М., 1994,

    4, Palmer W. Agnew, Anne S. Keiierman, Jeanine Meyer. Multimedia in the Classroom Aliyn & Bacon; 1 edition, 1998.,

    5, Сваровський І.М. Аналіз технічних засобів для дистанційного навчання / І.М. Сваровський, О.Б. Журавльова II Тез. док л, науково-методичної конференції «Дистанційна освіта. Стан, проблеми, перспективи ». Томськ, 1997.,

    6, Park 0. Hypermedia: Functional Features and Research Issues II Educational Technology. 1991. August,

    7, Бондар B.A. Проблеми прийому іспитів у дистанційній освіті і нові підходи до їх вирішення / В.А, Бондар, О.Ю. Ісакова, В, В. Кручинін II Тез, док. Міжнародної методичної конф, «Нові інформаційні технології в університетській освіті !!, Кемерово, 2002.

    8, Ісакова О.Ю, Основні напрями вдосконалення контролю знань в Томському міжвузівському центрі дистанційної освіти I О.Ю, Ісакова, В.В, Кручинін II Єдина освітня інформаційне середовище: проблеми та шляхи розвитку: Матеріали

    II Всеросійської науково-практичної конф. Томськ, 2003,

    9, Ісакова О.Ю. Проблеми контролю знань в дистанційній технології та шляхи їх вирішення / О.Ю. Ісакова, В.В, Кручинін II Міжнародний конгрес конференції «Інформаційні технології в освіті»: Сбоонік праць учасників конференції. Частина V. М., 2003.

    10, Ісакова О.Ю, Досвід організації контролю знань у Томському міжвузівському центрі дистанційної освіти / О.Ю, Ісакова, В.В. Кручинін, А.Ф. Уваров II Тез, доп. Міжнародній науково-методичної конф, «Інноваційні технології організації навчання в технічному вузі: на шляху до нової якості освіти», Пенза, 2004,

    11, Ісакова О.Ю, Автоматизація синтезу питань в комп'ютерних навчальних програмах I О.Ю. Ісакова, В, В, Кручинін // Доповіді III науково-практичної конф. «Сучасні засоби та системи автоматизації - гарантія високої ефективності виробництва», Томськ, 2002

    УДК 519.612: 537.8

    С. П. Куксенко, Т.Р, Газізов

    МЕТОДИ РІШЕННЯ СЛАР В ЗАДАЧАХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ електродинаміки

    Томський державний університет систем управління та радіоелектроніки

    Вступ

    Необхідність у вирішенні системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) виникає при використанні широкого класу моделей і підходів, що використовуються при автоматизований ном проектуванні радіоелектронної апаратури. Зокрема, рішення задач випромінювання або розсіювання електромагнітної хвилі складними об'єктами, які є одними з основних завдань електромагнітної теорії, може бути отримано за допомогою інтегральних рівнянь, що зводяться методом моментів до СЛАР з щільними матрицями [1, с. 5-19].

    При комп'ютерному моделюванні основні обчислювальні витрати складаються з суми витрат на формування матриці і витрат безпосередньо на рішення СЛАР. Отже. вибір найбільш ефективного способу вирішення СЛАР дозволить знизити загальні витрати часу. Слід відмітати, що

    в більшості публікацій за рішенням СЛАР великої порядку розглядаються розріджені матриці. Тому розробка і дослідження нових математичних методів і підходів для вирішення СЛАР з щільними матрицями дуже актуальні. У відомих авторам публікаціях, [2, р. 158-178; 3-4] не наведено порівняння наявних методів вирішення СЛАР в додатку до вищеописаних завдань.

    Мета даної роботи ~ порівняння методів вирішення СЛАР.

    Розглядається питання про рішення системи виду

    а! | х! + А 1 з т 2 + | • '~ г а \ д< х и Ред: '

    а-цХI аггХг + • •• + ​​атнХі ~~ Ьг>

    , (])

    . а N и х і + а N и х і + ||| + а а * х >| "Ь и * чи інакше, векторно-матричного рівняння Ах = Ь, (1а)

    де Ь - вектор вільних членів, х - вектор невідомих (вектор-рішення) розміру М,


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити