Педагогические науки/2.

Проблемы подготовки специалистов по профильным курсам.

д.т.н. Ермаков С.А., к.т.н. Карев В.И., к.т.н. Хомутов В.С.

Московский Авиационный Институт

Разработка методической модели образовательного процесса по профильной подготовке студентов с применением компьютерных информационных технологий.

Статья подготовлена на основе гранта РГНФ Российской Федерации в 2012 году на разработку модели образовательного процесса и системы самообразования с самоконтролем компетенций студентов на основе применения современных информационных технологий.

Определённая правительством Р.Ф. задача модернизация страны и, в частности, машиностроения предусматривает не только переход на новые высокопроизводительные инновационные технологии проектирования и производства изделий, но также и формирование нового корпуса молодых специалистов, способных создавать в короткие сроки инновационные проектные решения. Современный уровень аппаратного, коммуникационного и программного обеспечения в технических вузах достаточен, но потенциал информационно-коммуникационных технологий как средства повышения качества подготовки специалиста в образовательной практике используется недостаточно и не играет должной роли в становлении профессиональной компетентности студентов технического вуза. Поэтому проблема модификации образовательного процесса для профильной подготовки молодых специалистов, использующей современные информационные технологии, охватывающей процесс формирования технического профиля специалиста, является актуальной и в настоящее время ещё не решена.

В основе подхода, предлагаемого авторами, к решению этой проблемы лежит разработка компетентностной модели образовательного процесса, а также алгоритмический и программный комплексы, использование которых обеспечивает профильную подготовку на основе Государственного учебного плана путём интенсификации самостоятельной работы студентов (СРС), которая в учебном плане, но практически не используется. Система организации учебного процесса должна способствовать уплотнению учебного информационного потока, т.е. должна обеспечивать усвоение студентом расширенного по сравнению с минимально необходимым объёмом информационного материала за меньшее время. Эту проблему можно решить за счёт более интенсивного использования самостоятельной работы студента, которая в настоящее время планируется в объёмах от 50% до 80% от лекционных курсов, но практически не контролируется и недостаточно используется в образовательном процессе. Разработанная в рамках Гранта РГНФ 2012 (???) компьютеризированная интерактивная система обучения и повышения компетенции студентов старших курсов при профильной подготовке в технических вузах, может быть эффективным дополнением к аудиторным занятиям в соответствии с Государственным образовательным стандартом. Такая система позволяет сокращение аудиторного времени для проработки внутри предметных и междисциплинарных связей, помощи студенту в техническом проектировании и в осознанном продвижении к достижению поставленной цели – повышению собственной компетенции и, следовательно, своей ценности, как специалиста.

Важной особенностью модифицированного учебного процесса должна быть система непрерывного автоматизированного контроля образовательных достижений студента, направленная на стимулирование расширения компетенции, формирование способности и готовности к продолжению образования и непрерывное развитие профессиональной компетентности. В такой системе студенту должно быть комфортно работать. Желательно, чтобы три - четыре раза в течение каждого семестра подсистема оценивала уровень сформированной профессиональной компетентности в целом и уровень остаточных знаний по уже изученным предметам с выдачей рекомендаций по дальнейшему образованию. Основными работами при создании такой компьютеризированной образовательной системы являются:

· Создание алгоритмов интерактивного режима работы студента на всех этапах получения профильной информации при использовании компьютерных технологий.

· Разработка структуры глобальной базы данных и наполнение её, необходимыми информационными массивами для выполнения процесса обучения в интерактивном режиме. Эта база данных должна содержать, не только информационную составляющую, так и банк тестовых заданий.

· Разработка проблемно-ориентированных программных модулей, которые необходимы для реализации образовательного процесса с применением информационных технологий, в том числе организации оперативного тестового контроля студентов.

Одним из важных компонентов повышения эффективности образовательного процесса на основе использования самостоятельной работы студентов является техническое проектирование. При изучении профильных курсов по каждому из них должен быть технический проект, а информационно методическая база по техническому проектированию должна быть компонентом компьютеризованной системы самообразования. В этом случае выделенное на самостоятельную работу студента (СРС) время используется более рационально. Используемая методическая основа разработки технического проекта создает условия для продуктивного партнерского диалога преподавателя и студента, активизации обучающегося по формированию компетенций самообразования, саморазвития, самостоятельности и инновационного поведения.

Общая структура модели образовательного процесса по профильным дисциплинам может быть представлена в виде схемы, показанной на рис.1.

Рис.1.

Пример схемы модифицированного образовательного процесса по одной из профильных дисциплин подготовки студентов старших курсов

В показанной на рис.1 модели образовательного процесса с интерактивной компьютеризованной системой самообразования и контроля компетенции студента возможно реализовать общие современные тенденции развития наиболее прогрессивных педагогических школ. В том числе, такие востребованные современным обществом особенности профессионального образования, как инновационность, интерактивность, а также индивидуализацию процесса подготовки студентов с учётом их индивидуальных свойств и способностей. При этом, более эффективно используются такие дидактические компоненты общей методической системы формирования профессиональной компетентности, как целеполагание, информационные и коммуникационные ресурсы для обеспечения всех видов аудиторных занятий. Указанные выше обстоятельства обуславливают реальную возможность включения студентов в активную самостоятельную работу, как в аудиторных занятиях, так и внеаудиторных занятий. Принятая в проекте концепция профильной подготовки студентов реализуется путём непрерывной и перманентно расширяющейся области знаний, которая определяется спектром тестов системы самооценки компетенции и остаточных знаний студентов в интерактивном режиме. Упрощённая структурная схема модели образовательного процесса профильного курса показана рис.2. Показанный на этом рисунке процесс изучения профильной дисциплины насыщен техническим проектированием, а также изучением методов и технологий оптимального проектирования, что имеет большое значение в инновационных технических разработках. Следует отметить, что последний аспект в традиционных учебных курсах технического проектирования практически отсутствует.

Рис.2.

Схема взаимодействия студента и преподавателя в процессе изучения профильного учебного курса с использованием компьютеризированной системы

Для каждой изучаемой темы, формируется ансамбль тестовых заданий различной сложности: от простейших, которые проверяют уровень усвоения предыдущего курса до вопросов, ответы на которые могут продемонстрировать отличное понимание студентом сути изучаемого предмета и требующих демонстрации им практических навыков. Этот индивидуальный учебный план изучения модифицируется непрерывно по результатам обратной связи, поступающей от студента в процессе его тестирования. Параметрами являются установленные преподавателем минимальные стандарты, цели студента и его ответы на предоставленные вопросы. Вначале процесса самообразования от студента требуется указать желаемый уровень глубины изучения данного курса. Это позволяет убрать из выборки чересчур сложные темы и вопросы, если студенту необходимо только общее знакомство с предметом. Если же, наоборот, студент хочет досконально изучить предмет, то указание максимальной глубины изучения позволит сформировать план на основе всех имеющихся материалов и наиболее сложных вопросов. Преподаватель очерчивает рамки возможных вариантов работы над курсом и определяет, каким образом можно оценить знания студента, претендующего на определённую полноту знаний.

Базовый список тестовых заданий - вопросов формируется на основании случайной выборки из всех возможных вопросов, соответствующих изучаемой теме. Количество вопросов, которые задаются в рамках одной тестовой сессии фиксировано. В этот список всегда попадают несколько обязательных вопросов и вопросы различной сложности: от минимальной до максимальной сложности.

Существует два режима работы системы — последовательное изучение курса и экзамен. В зависимости от того, в каком режиме находится система, разными будут алгоритмы дальнейших действий.

Наиболее простой режим экзамена — он предназначен для проверки усвоения студентом курса (или его части).

В случае режима самостоятельного изучения курса алгоритм работы интерактивной системы несколько усложняется — каждый следующий шаг в нём зависит от результатов тестирования студента на предыдущем этапе. В этом случае выборка следующего тестового задания вопроса должна зависеть от ответов студента: если студент успешно отвечает на все вопросы, то их уровень сложности постепенно повышается и при достаточно успешных ответах предлагаются дальнейшие темы для изучения. Если же студент начинает давать неправильные ответы, то интерактивная система понижает сложность (чтобы убедиться, что базовый материал усвоен правильно). При отсутствии правильных ответов и на простые вопросы интерактивная система рекомендует студенту перейти к изучению базового курса, либо составляет список рекомендаций для изучения неусвоенных тем. Таким образом, интерактивная система быстро проведёт студента через все хорошо освоенные им темы и сосредоточит его внимание на проблемных темах. Когда студент закончит работу с системой в режиме изучения курса, он сможет проверить себя, запустив её в режиме экзамена.

Поскольку интерактивная система имеет для каждого студента индивидуальный раздел базы данных то у студента и у преподавателя имеется возможность получить полный отчёт о ходе изучения курса и оценить прогресс в изучении профильного курса. На рис.3 и рис.4 показаны окна дисплея с примером выдачи студенту результатов его тестирования. На рис.5 показано диалоговое окно на дисплее со статистическими данными по процессу изучения курса. По горизонтальной оси показаны даты сессий тестирования студента при изучении разделов курса. По вертикальной оси отложены количества успешных и неуспешных ответов на тестовые задания с указанием затрат времени на тестирование в минутах.

Выбор раздела курса

Рис.3.

Вид диалогового окна во время работы студента в процессе самостоятельного изучения курса и самопроверки по определенным темам профильного предмета.

Рис.4.

Пример диалогового окна при окончании проверки (или самопроверки) компетенции студента в системе самостоятельного обучения и автоматизированного контроля.

Рис.5

Статистические оценки усвоения профильного курса в разработанном образовательном процессе компьютеризированного самообучения.

Одной из проблем компьютерного тестирования заключается в получении и интерпретации ответа испытуемого при помощи ПК. Формирование оценки студенту на основе выбора варианта или вводом числа/слова имеют главный недостаток — их количество ограничено и через некоторое время ответы становятся известны всем студентам. Решением является возможность параметризации вопросов и интерпретация ответов, представленных в виде аналитических выражений, что даст возможность генерировать уникальную пару вопрос-ответ. Второй плюс такого подхода — это возможность создавать вопросы, которые для своего ответа требуют активных практических действий студента: например, возможно сформировать модель в системе математического моделирования и использовать для её реализации случайные параметры. В качестве задания можно попросить студента проделать какие-то действия с этой моделью и получить при её помощи некое значение. Это значение затем может быть введено в систему и она сможет сравнить это значение с ожидаемым, проделав аналогичные вычисления внутри. Этим исключается существование одинаковых ответов. По этому принципу в системе реализован метод проверки введённых аналитических выражений на правильность. При проверке аналитических выражений предлагается вычислять введённые выражения и сравнивать полученный численный ответ с ожидаемым ответом. В качестве синтаксиса выражений используется стандартная инфиксная запись, широко принятая в различных компьютерных программах, например matlab, mathcad и многих других. Для интерпретации такой записи выражений программно в системе используются возможности JavaScript-движка [??], предоставляемые библиотекой Qt [??]. Каждый вопрос, содержащий требование о вводе аналитического выражения, предоставляет список переменных, которые могут в нём использоваться. На вход алгоритма, проверяющего правильность введённого студентом аналитического выражения, подаётся следующая информация: правильное аналитическое выражение из теста; выражение, введённое студентом; список переменных, указанных в тесте. Для вычисления каждого из двух выражений (правильного и введённого) списку переменных из вопроса будут назначены случайные значения из диапазона, определённого автором вопроса. Выражение, введённое испытуемым, будет считаться правильным, если его значение совпадёт со значением, полученным при вычислении правильного ответа с заданной точностью. Такой метод исключает возможность запомнить заранее и ввести правильный численный ответ.

Заключение.

Разработанная интерактивная система содержит алгоритмы формирования учебного процесса по локальным профильным предметам в соответствии с учебным планом. Разработанная система позволяет оценить степень усвоения студентом отдельных разделов курса и курса в целом, как студенту, так и преподавателю; организовать самостоятельное изучение курса студентами при помощи компьютера; повысить эффективность технического проектирования по профильному курсу использованием специализированной базы данных.

Список литературы.

1. С.А. Ермаков. Концептуальная модель самостоятельной работы студента для повышения профессиональной компетенции молодых специалистов приводных специальностей. Труды VIII Всероссийской юбилейной конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», изд. МАИ г. Москва 2010г.

2. В.И. Карев, В.С. Хомутов «Программное обеспечение системы самостоятельной работы студентов приводных специальностей на основе современных компьютерных технологий». Труды VIII Всероссийской юбилейной конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», изд. МАИ г. Москва 2010.