Адаптивная технология обучения, основанная на когнитивном научении

диссертация

Выводы по первой главе

Разработка адаптивной технологии обучения на основе когнитивной теории научения позволит повысить эффективность и качество обучения. Такая технология позволяет не просто тренировать обучаемого и контролировать его знания, но и по результатам деятельности обучаемого помогает определить, какие знания недостаточны или ошибочны и вернуть обучаемого на соответствующий раздел теории, либо дать дополнительные разъяснения. Т.е. она позволяет адаптировать процесс обучения под особенности каждого конкретного обучаемого, работающего с системой. Таким образом, каждый обучаемый проходит индивидуальный путь обучения, и получает индивидуальные знания.

Глава 2. Разработка адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

адаптивный технология обучение когнитивный

Разработка адаптивной технологии обучения вызвано рядом педагогических проблем и стремлением использовать идеализированные возможности, как всего учебного процесса, так и отдельно взятого модуля [17].

Особенностью адаптивной технологии обучения основанной на когнитивном подходе являются специфические упражнения, применяемые для развития когнитивных навыков.

Основная цель в подаче информации состоит в такой организации познавательной деятельности обучаемых, которая обеспечивала бы понимание ими изучаемой информации.

Достижение этой цели способствует определенная структура обучения: входное тестирование, изучение новой информации, упражнения, итоговое тестирование.

2.1 Обучающая система

Из всех известных на данный момент обучающих систем наиболее полно особенности организации учебного процесса отражены в модели Растригина [18]. Данная модель содержит метод подсчета результатов ответов обучаемых на тестовые задания, метод выбора тестовых заданий для предоставления обучаемому, а также модель обучаемого.

Однако данная модель не в состоянии определить начальный уровень знаний обучаемого по изучаемой дисциплине, а также не учитывает его индивидуальные характеристики. Таким образом, для повышения эффективности процесса обучения необходимо усовершенствование модели обучающей системы Растригина путем ее дополнения алгоритмом обучения, позволяющего адаптировать учебный материал к индивидуальным особенностям и текущему уровню знаний обучаемых.

Индивидуальные особенности обучаемого - характеристики, которые определяют обучаемого как индивидуума, например, индивидуальные показатели (интроверт - экстраверт), познавательные факторы и стиль обучения. Индивидуальные особенности - стабильная характеристика обучаемого, которая не изменяется вообще или изменяется в течение длительного периода времени. Индивидуальные особенности определяются специально разработанными психологическими тестами. Большинство исследователей соглашается с необходимостью моделирования и использования индивидуальных особенностей, но разногласия возникают насчет того, какие особенности могут и должны использоваться и как их использовать [19].

Учебный процесс может быть рассмотрен как процесс управления сложной технической системой [18], в которой объектом управления является обучаемый. На рис. 2.1 отображена общая схема обучающей системы Растригина.

Где в начале учебного процесса обучаемый находится в состоянии Y1. Формирователь порции обучения (ФПО) определяет порцию информации, передаваемую обучаемому для изучения на данном этапе обучения. В ходе изучения предоставленной информации обучаемый получает новые знания и переходит в состояние Y2. Для проверки усвоения материала генерируются вопросы и задачи с помощью формирователя тестов (ФТ), выполняя которые обучаемый переходит в состояние Y3. В базе данных (БД) хранится общая информация об обучаемых и учебных курсов. Алгоритм обучения обеспечивает управление процессом обучения с учетом информации из БД, цели обучения Z, ресурсов R1,R2 и модели обучаемого.

Рис. 2.1 - Общая схема обучающей системы Растригина

2.2 Модель обучаемого

Знания о каждом обучаемом представлены в виде модели обучаемого. Модель обучаемого представляет собой совокупность набора характеристик обучаемого, измеряемых во время работы системы с обучаемым и определяющей степень усвоения им знаний по изучаемой предметной области, а также методов обработки этого набора [20].

Модель обучаемого должна удовлетворять следующим требованиям [21]:

- валидность - система должна учитывать те индивидуальные особенности обучаемых, которые существенны для достижения намеченных учебных целей;

- адекватность - система должна обеспечивать соответствие модели обучаемого самому обучаемому;

- динамичность - модель обучаемого должна уточняться по мере накопления данных о нём.

Чтобы выполнить вышестоящие требования, модель обучаемого должна включать следующую информацию [20]:

- цель обучения;

- знания обучаемого в рамках изучаемого курса;

- особенности подачи учебных материалов и выбора контрольных заданий и вопросов;

- о правилах изменения модели обучаемого по результатам работы с обучаемым.

Модель обучаемого позволяет организовать гибкое управление процессом обучения. Адаптивное обучение может содержать несколько вариантов изложения одного и того же материала. Решение о продолжении обучения по одному из вариантов принимается на основании значений параметров модели обучаемого.

Адаптивная технология обучения, основанная на когнитивном научении, базируется на работе высших психических функций: восприятия, мышления, памяти. Исходя из этого, были выбраны следующие параметры модели обучаемого:

? доминирующий тип восприятия;

? уровень знаний обучаемого.

При разработке адаптивной технологии обучения необходимо учитывать тип восприятия обучаемого, так как кто-то из обучаемых является визуалом (лучше воспринимает информацию в виде изображений), другие - аудиалы, которые воспринимают информацию на слух, третьи - кинестетики, воспринимающие большую часть информации через другие ощущения (обоняние, осязание и др.) и с помощью движений [22]. Для третьей категории обучаемых применение обучающих систем является наиболее проблемным вопросом, т.к. современные средства вычислительной техники не позволяют в полной мере удовлетворить особенности их восприятия, поэтому при разработке адаптивной технологии обучения данный тип восприятия не учитывается.

Для определения доминирующего канала восприятия информации используется тест С. Ефремцева [23]. Зная доминирующий канал восприятия информации обучаемого, можно повысить степень запоминания изученного материала. Для визуалистов таким компонентом, под компонентом подразумевается любой ресурс технологии обучения, является презентация, а для аудистов - аудиолекция. Иногда тестируемый оказывается и аудистом, и визуалистом (не выявлен ярко выраженный тип восприятия) в таком случае будем использовать компонент мультимедийная презентация, включающая в себя и презентацию, и аудиолекцию.

Под уровнем знаний понимается текущий уровень знаний обучаемого, который должен измеряться обучающей системой во время процесса обучения [24].

Для реализации модели обучаемого будем использовать стереотипную и сетевую оверлейную модели. Тип восприятия представим стереотипной моделью. В стереотипной модели выбирается набор характеристик (критериев), отражающих индивидуальность обучаемого. Величина критерия для конкретного обучаемого определяется при помощи некоторой оценочной функции, которая строится в связи со знаниями предметной области. Когда по всем критериям достигнут переход к значениям, соответствующим какому-то стереотипу, система относит обучаемого к этому стереотипу.

Знания обучаемого представим сетевой оверлейной моделью, представляющая собой граф, узлы которого соответствуют понятиям и/или умениям, а дуги - отношениям между ними. Каждому узлу и дуге сопоставляется некоторая величина или набор величин, характеризующих степень владения обучаемым данным понятием или умением, причем допускается наследование величин [25].

Учебный материал представим вершинами графа (рис. 2.2), а отношения ребрами. Выделены три типа отношений: иерархические (потомок, предок), просмотровые (вперед, назад), семантические (ассоциативные). В соответствии с иерархическими отношениями структурным компонентам присваиваются индексы, которые используются для идентификации и адресации этих компонентов. На множестве одного иерархического уровня определяются отношения, служащие для описания порядка предъявления их обучаемому. Эти отношения называются просмотровыми последовательностями. Семантические отношения связывают структурные компоненты, обладающие смысловой корреляцией. Эти отношения называются гиперсвязями [26].

Рис. 2.2 - Иерархия учебного материала (УМ). Типы отношений: 1 - иерархические; 2 - просмотр последовательности; 3 - семантические

2.3 Алгоритм обучения

В начале учебного процесса (рис. 2.3) обучаемому предлагается вводный материал для ознакомления с учебным курсом. Под вводным материалом понимается модуль «Введение», в котором содержатся общие сведения об изучаемом учебном курсе, а также видеолекция, которая содержит в себе презентацию и видео.

Затем обучаемый проходит тест на выявление доминирующего типа восприятия (аудиал или визуал), который состоит из 36 вопросов, на которые последовательно нужно ответить да или нет.

Весь учебный материал разбит на модули, под модулем понимается глава (лекция) учебного курса. Каждая глава состоит из разделов и подразделов. Для каждого модуля, разрабатывается две его версии: упрощенно-поверхностная и детализированная.

При переходе к изучаемому модулю обучаемый проходит входное тестирование, которое позволяет определить уровень его знаний по новой теме (некоторая часть обучаемых к началу обучения уже обладает необходимыми знаниями, навыками и умениями).

На основании уровня знаний обучаемого подбирается наиболее подходящий для изучения учебный материал:

а) упрощенно-поверхностная версия модуля (если уровень подготовки обучаемого был выше среднего);

б) детализированная версия модуля, если его знания оказались недостаточными.

После изучения соответствующего учебного материала, исходя из тестирования на выявление доминирующего типа восприятия, подбирается компонент для повторения и запоминания изученного материала в виде презентации для визуалистов, в виде аудиолекции для аудистов, а для аудистов и визуалистов в виде мультимедийной презентации.

Рис. 2.3 - Общая схема алгоритма обучения

Затем обучаемый приступает к упражнениям по изучаемому модулю, разработанные для развития когнитивных навыков. Умения и навыки в когнитивной области хорошо описаны и структурированы в таксономии Блума, поэтому при составлении упражнений за основу возьмем данную таксономию. Таксономия - систематизация целей обучения, в основе которой лежит последовательность уровней усвоения учебного материала [27].

Таксономия Блума - это классификация по шести различным уровням, категориям навыков (табл. 2.1). Список когнитивных навыков иерархически организован, начиная с самого простого, припоминания знания, до наиболее комплексного, состоящего в выработке суждений о ценности и значимости той или иной идеи [28].

Таблица 2.1 - Таксономия Блума

Навык

Определение

Ключевые слова

Знание

Припоминание информации

Определять, описывать, называть, маркировать, узнавать, воспроизводить, следовать

Понимание

Понимать значение, перефразировать главную мысль

Обобщать, преобразовывать, защищать, перефразировать, интерпретировать, давать примеры.

Применение

Использовать информацию или концепцию в новой ситуации

Выстраивать, воздавать, конструировать, моделировать, предсказывать, готовить

Анализ

Разделять информацию или концепции на части для лучшего понимания

Сравнить/противопоставить, разбить, выделить, отобрать, разграничить

Синтез

Соединить идеи для создания чего-то нового

Группировать, обобщать, реконструировать

Оценка

Делать суждения относительно ценности

Оценивать, критиковать, судить, оправдывать, оспаривать, поддерживать

Измерение когнитивных процессов Таксономии Блума (табл. 2.2) включает в себя - от простейших к наиболее сложным: помнить, понимать, применять, анализировать, оценивать, и создавать.

Таблица 2.2 - Измерение когнитивных процессов

Когнитивный процесс

Примеры

Помнить - Извлекать необходимую информацию из памяти

Узнавание

• Найти предметы, имеющие форму равнобедренного треугольника, вокруг вас.

• Ответить на любой вопрос альтернативного или множественного выбора.

Припоминание

• Назвать трех английских писательниц девятнадцатого века.

• Воспроизвести химическую формулу четыреххлористого углерода.

Понимать - Создавать значения на базе учебных материалов или опыта

Приведение примеров

• Найти пример текста, написанного по принципу потока сознания.

Классификация

• Выбрать типы правления в современных африканских странах.

• Соотнести животных с их видами.

Умозаключение

• Догадайтесь о значении незнакомого термина из контекста.

• Решите, какое число должно стоять следующим в числовой последовательности.

Применять - Использовать процедуру

Исполнение

• Добавьте двухразрядные числа.

• Прочитайте вслух абзац на иностранном языке.

Применение

• Отредактируйте фрагмент текста

Анализировать - Вычленять из понятия несколько частей и описывать то, как части соотносятся с целым

Дифференциация

• Вычленить существенную и несущественную информацию в математической задаче.

Организация

• Рассортировать книги по категориям.

Анализировать - Вычленять из понятия несколько частей и описывать то, как части соотносятся с целым

Оценивать - делать суждения, основанные на критериях и стандартах

Проверка

• Прослушайте политическое выступление и отметьте противоречия в ней.

Критика

• Выберите наилучший способ для решения комплексной математической проблемы.

Создать - соединить части, чтобы появилось что-то новое, и определить компоненты новой структуры.

Генерация

• Предложите пути улучшения этнических отношений с помощью предложенных критериев.

• Предложите набор альтернатив ископаемому топливу, которые позволят решить ряд экономических и экологических проблем.

Планирование

• Создайте раскадровку для мультимедийной презентации о насекомых.

• Разработайте план исследовательской работы по взглядам Марка Твена на религию.

Согласно табл. 2.2 для разработки упражнений, развивающие такие когнитивные навыки как знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценка, следует применить следующие методики:

· методика «Расставьте в правильном порядке»;

· методика «Множественного выбора»;

· методика «Вставьте нужное слово»;

· методика «Сравнение понятий»;

· методика «Логика связей»;

· составление простого и развёрнутого плана изученного материала;

· составление карты понятий;

· составление или дополнение граф-схемы;

· методика «Аналогии»;

· методика «Исключение лишнего»;

· методика «Поиск существенных признаков»;

· методика «Обобщение»;

· поиск оценочных суждений;

· поиск логических ошибок;

· поиск недостающих исходных суждений;

· сравнительный анализ текстов;

· задания на перекодирование информации;

· завершение умозаключений;

· планирование и проведение наблюдения;

· планирование и проведение эксперимента.

Обучаемый выполняет несколько раз упражнения, что требует неоднократного изучения и логического анализа. В результате такой многократной логической переработки достигается понимание учебного материала. Одним из следствий этого процесса является непроизвольное сохранение материала в долговременной памяти и её упорядочивание в соответствии с законами изучаемой предметной области.

Помимо входного тестирования для учебных модулей, разрабатывается итоговое тестирование, которое позволяет вернуть обучаемого к началу раздела модуля, при котором выявлен недостаточный уровень знаний, полученный в ходе изучения модуля. А если результаты итогового тестирования достаточны, то обучаемый переходит к изучению следующего модуля.

Выводы по второй главе

Разработана адаптивная технология обучения на основе когнитивного научения с моделью обучаемого. Определены общие требования, предъявляемые к модели обучаемого. Модель обучаемого включает два параметра, это доминирующий тип восприятия и уровень знаний обучаемого. Разработан алгоритм обучения, позволяющий адаптировать учебный материал исходя из начального уровня знаний обучаемого, а также учитывает доминирующий тип восприятия обучаемого.

Глава 3. Реализация адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

3.1 Выбор системы управления обучением и средств для реализации адаптивной технологии обучения

Наиболее популярными системами электронного обучения являются системы управления обучением (Learning Management System). К основным критериям выбора LMS, можно отнести следующие [29]:

· функциональность. Обозначает наличие в системе набора функций различного уровня, таких как форумы, чаты, анализ активности обучаемых, управление курсами и обучаемыми, а также другие;

· надежность. Этот параметр характеризует удобство администрирования и простоту обновления контента на базе существующих шаблонов. Удобство управление и защита от внешних воздействий существенно влияют на отношение пользователей к системе и эффективности ее использования;

· стабильность. Означает степень устойчивости работы системы по отношению к различным режимам работы и степени активности пользователей;

· стоимость. Складывается из стоимости самой системы а также из затрат на ее внедрение, разработку курсов и сопровождение;

· наличие или отсутствие ограничений по количеству лицензий на слушателей (обучаемых);

· наличие средств разработки контента. Встроенный редактор учебного контента не только облегчает разработку курсов, но и позволяет интегрировать в едином представлении образовательные материалы различного назначения;

· поддержка SCORM. Стандарт SCORM является международной основой обмена электронными курсами и отсутствие в системе его поддержки снижает мобильность и не позволяет создавать переносимые курсы;

· система проверки знаний. Позволяет в режиме онлайн оценить знания обучаемых. Обычно такая система включает в себя тесты, задания и контроль активности обучаемых на форумах;

· удобство использования. При выборе новой системы необходимо обеспечить удобство ее использования. Это важный параметр, поскольку потенциальные обучаемые никогда не станут использовать технологию, которая кажется громоздкой или создает трудности при навигации. Технология обучения должна быть интуитивно понятной. В учебном курсе должно быть просто найти меню помощи, должно быть легко переходить от одного раздела к другому.

· модульность. В современных системах электронного обучения курс может представлять собой набор микромодулей или блоков учебного материала, которые могут быть использованы в других курсах.

· обеспечение доступа. Обучаемые не должны иметь препятствий для доступа к учебной программе, связанных их расположением во времени и пространстве, а также с возможными факторами, ограничивающими возможности обучаемых.

Согласно [29], для реализации адаптивной технологии обучения наиболее приемлемой является LMS Moodle (модульная объектно-ориентированная динамическая учебная среда). Для использования Moodle достаточно иметь любой web-браузер, что делает использование этой учебной среды удобной как для преподавателей, так и для обучаемых.

Moodle - система управления курсами, также известная как виртуальная обучающая среда. Представляет собой свободное (распространяющееся по лицензии GNU GPL) веб-приложение, предоставляющее возможность создавать сайты для электронного обучения [30]. Важным преимуществом данной системы является то, что она распространяется в открытом исходном коде, а также позволяет адаптировать ее под специфику задач, которые должны быть решены с ее помощью, т.е. позволяет на ее основе сгенерировать собственную систему с требуемыми функциональными возможностями:

- определять уровень знаний обучаемого;

- адаптировать учебный материал под конкретного обучаемого.

При разработке адаптивной технологии обучения используются такие средства как:

- HTML (HyperText Markup Language) - язык создания гипертекстовых документов в среде Интернет. HTML является основным инструментом для разработки компонентов.

- JS (JavaScript) - прототипно-ориентированный сценарный язык программирования. Предназначен для реализации такого компонента как тесты.

- XML (eXtensible Markup Language) - это способ разметки документов, предназначенный для формирования в документах какой-либо структуры и определения отношений между различными элементами этой структуры.

- CSS (Cascading Style Sheets) - формальный язык описания внешнего вида документа, написанного с использованием языка разметки. Преимущественно используется как средство описания, оформления внешнего вида HTML-страниц.

- Notepad++ - свободный текстовый редактор с открытым исходным кодом с подсветкой синтаксиса большого количества языков программирования и разметки.

3.2 Выбор стандарта для реализации компонентов адаптивной технологии обучения

Стандарт - это формат, утвержденный признанным институтом стандартизации. Существуют стандарты для языков программирования, операционных систем, форматов представления данных, протоколов связи, электронных интерфейсов и т.д.

Наличие стандартов важно для любого пользователя информационных технологий, так как именно благодаря стандартизации каждый пользователь может комбинировать оборудование и программы различных производителей в соответствии со своими индивидуальными потребностями. Если единый стандарт отсутствует, то пользователь должен ограничиваться устройствами и программами лишь одного производителя. Стандартизации подлежат как оборудование, так и программное обеспечение, в частности, программы, используемые в электронном обучении [31].

К наиболее распространенным стандартам в сфере электронного обучения относятся следующие:

- IMS - Instructional Management Systems (Системы организации обучения);

- IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers (Институт электротехники и электроники);

- AICC - Airline Industry Computer Based Training Committee (Международный комитет по компьютерному обучению в авиации);

- ADL - Advanced Distributed Learning (Продвинутое распределенное обучение);

- ARIADNE (Консорциум АРИАДНА);

- SCORM - Sharable Content Object Reference Model (Модель обмена учебными материалами).

LMS Moodle позволяет представить учебный материал в двух стандартах SCORM и IMS.

SCORM - международный стандарт, разработанный для систем дистанционного обучения. SCORM позволяет обеспечить совместимость компонентов и возможность их многократного использования: учебный материал представлен отдельными небольшими блоками, которые могут включаться в разные учебные курсы и использоваться системой дистанционного обучения независимо от того, кем, где и с помощью каких средств они были созданы [32].

Совместимость учебных средств и систем обеспечивается применением специального стандарта IMS, основанного на языке разметки XML. IMS описывает структуру данных, которые могут быть использованы для обмена информацией. Стандарт определяет функции описания и комплексирования учебных материалов, в том числе отдельных курсов и наборов пособий, поддерживающих концепции IMS.

SCORM в Moodle является учебным элементом, а IMS - ресурсом. В упрощенном варианте - ресурсы - это теоретический материал, а элементы - практический материал. Поэтому для реализации компонентов адаптивной технологии обучения будем использовать стандарт IMS.

IMS-пакет - это архивный файл с расширением ZIP. IMS Content Package - это пакет ресурсов, составленный в соответствии со спецификацией, что позволяет использовать его в различных системах электронного обучения [33]. IMS представляет собой набор информационных ресурсов, подготовленный и «упакованный», в виде папки c HTML-страницами, сопровожденный описанием (манифестом). Манифест представляет собой иерархическое описание структуры со ссылками на файлы учебного материала. Каждый учебный компонент, который может использоваться самостоятельно, имеет свой манифест.

3.3 Реализация компонентов адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении

Одним из этапов реализации адаптивной технологии обучения, основанной на когнитивном научении является разработка компонентов технологии, таких как вводный материал, тесты, модули, презентации, аудиолекции, мультимедийные презентации, упражнения. Такие компоненты данной технологии обучения были разработаны по курсам «Моделирование систем» и «Английский язык - 3».

Делись добром ;)