Компьютеризированный учебник в системе военного образования
ВОЕННАЯ МЫСЛЬ № 3/1996, стр. 55-61
Компьютеризированный учебник в системе военного образования
Полковник запаса Б.И.ГЛАЗОВ,
доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ
Полковник Д.А.ЛОВЦОВ,
кандидат технических наук, доцент
ОДНОЙ из задач реформы высшего военного образования является использование новых информационных технологий.
Базовыми элементами новой информационно-педагогической технологии (НИПТ) решения дидактических задач обучения (самообучения) являются, на наш взгляд, компьютеризированные учебные пособия и учебники (КПУ), которые представляют собой экспертную информационную систему, базирующуюся на знаниях (ЭИСБЗ), обеспечивающую использование их человеком в процессе обучения. При этом работа на компьютере происходит без посредничества профессиональных программистов в целях усвоения знаний и развития умений в прикладной области.
Практика показала, что НИПТ не снижает требовании к базисным наукам, а повышает их. Поэтому подготовка преподавателей к овладению средствами современных информационных технологий приобретает особое значение.
Вопросы разработки концепций построения компьютеризированных учебников вызывают острую полемику, но вместе с тем стороны, выступающие в этом споре за и против, единодушны в одном: как элемент новизны и прогресса эти концепции имеют право на жизнь.
На наш взгляд, КПУ позволят:
полнее использовать в учебном процессе такие технические возможности современных средств электронно-вычислительной техники, как имитация реальных сложных (многоразмерных) материальных объектов (систем, физических, химических и других процессов) с образно-художественным представлением (визуализацией) на табло и экранах дисплеев анимационных (динамических) результатов имитационного моделирования и гипертекстов в реальном масштабе времени, реализация игровых форм и методов обучения (военных, командно-штабных, деловых, исследовательских, проектных, имитационных и других игр), управление процессом обучения в диалоговом человеко-машинном режиме;
автоматизировать педагогический труд при проектировании систем обучения, разработке учебных дисциплин, подготовке к занятиям и отборе материала в соответствии с поставленной задачей обучения, формировании дидактических материалов (видеограмм, кадропланов, опорных конспектов и др.);
самостоятельно тиражировать и совершенствовать имеющуюся авторскую версию КПУ путем экспериментального (на ЭВМ) анализа и проверки на практике адекватности представленных соавторами КПУ аналитических и имитационных моделей, их доработки, создания (включения в КПУ) новых и их имитационного исследования;
глубже осваивать современные средства автоматизации, вычислительной и оргтехники.
При определении подхода к созданию КПУ нами использовались принципы компьютеризированного обучения, разработка которых возможна на основе применения методов информационно-кибернетической системологии. Так, для различных схем отношений «преподаватель - слушатель» («P-S») можно проанализировать информационные потоки по каналам прямой и обратной связи и, используя принцип информационного баланса в сложных кибернетических системах, обосновать требования к психолого-педагогическому и организационно-методическому видам обеспечения процесса обучения.
Для анализа информационных взаимодействий между элементами контура «преподаватель - слушатель» рассмотрим три варианта его структурного построения (рис.1). Первый, имея взаимодействие по прямой и обратной ветвям, соответствует традиционной ситуации отсутствия каких-либо технических средств (ТС) обучения. Во втором варианте при взаимодействии Р и S учитывается наличие обладающей определенными свойствами технической подсистемы информационного обмена. В третьем учитывается наличие компьютеризированного учебника в составе технических средств, которые составляют компонент среды С, обеспечивающей достижение целей обучения (образования) S.
Взаимодействие в варианте с КПУ можно представить в виде контура автоматизированного обучения 5с помощью инвариантной к предмету обучения структуры (рис.2). Основными ее элементами являются:
подсистема сбора и преобразования информации от подсистемы So степени усвоения учебного материала - 1;
подсистема оценивания (текущего и этапного) степени усвоения учебного материала подсистемой S - 2;
подсистема идентификации слушателя как объекта обучения в узком и широком смысле (в узком - распознавание конкретной ситуации типа «вопрос - ответ», в широком - присвоение данному слушателю определенного рейтинга, заложенного в компьютеризированный учебник для адаптации процесса обучения под конкретного слушателя с индивидуальным уровнем подготовки) - 3;
подсистема принятия управляющего решения по организации процесса обучения на основе функционирования 2-й и 3-й подсистем - 4;
Рис. 1. Варианты построения контура взаимодействия «преподаватель - слушатель»
подсистема централизованной координации и организации процесса обучения в соответствии с целью X (в качестве данной системы может рассматриваться преподаватель или специально организованная программная среда) - 5;
подсистема информационного обмена, функционирующая на всех этапах процесса обучения с использованием данного компьютеризированного средства - 6.
Структура контура не зависит от учебной дисциплины, видов занятий и в этом смысле является инвариантной к объекту обучения в условиях информационной неопределенности этого процесса. Используя такую базу, легко обосновать вид многоконтурной структуры многоуровневого иерархического обучения с учетом необходимых взаимодействий между преподавателями (школами).
Рис. 2. Инвариантная структура обучения
Для формализации данных мы воспользовались свойством иерархической аддитивности информации, после чего определили выражения для информационных неопределенностей трех вариантов контура Р - S в энтропийном виде.
Не раскрывая весь математический аппарат формализации, представим в общем виде конечное информационное равенство для контуров:
где у - учебная информация, определяющая объем знаний, умений и навыков, которые необходимо передать слушателю в процессе обучения в соответствии с учебной программой;
k - доступная преподавателям осведомляющая информация, отражающая глубину усвоения слушателем знаний, а также умений и навыков их применения.
Из анализа полученных информационных неопределенностей и соответствующих равенств вариантов контура «P-S» можно сделать следующие выводы.
Первый. В закрытой SPC-системе (слушатель - преподаватель - среда) при идеальном внешнем SP/C- или С/РС-взаимодействии количество информации, передаваемой от SP в среду С и из среды С в 57*, одинаково:
Назовем это равенство уравнением баланса для внешних SP/C-взаимодействий в закрытых ЗРС-системах, имеющим смысл закона информационных отношений, накладывающего ограничения на способ и количество информации во взаимодействиях объектов - систем со средой.
Второй. В открытых (для взаимодействия со средой С) идеально организованных ^г-системах должно выполняться равенство
т.е. небаланс внешнего информационного взаимодействия (SP - С) равен небалансу (несовершенству) внутренних взаимодействий S-Р. Эти равенства получены без каких-либо ограничений на природу системы и алгоритмы ее функционирования. Поэтому они могут рассматриваться как универсальные для любых совокупностей элементов, образующих кибернетические системы. В частности, энтропийные и информационные формы записей уравнений информационного баланса можно использовать и для иерархических многоконтурных моделей кибернетической системы обучения, где будут учтены такие организационные уровни ввуза, как предметно-методические комиссии, кафедры, факультеты и ввуз в целом.
Требование информационного баланса реализовать непросто, поэтому более приемлемым является условие управляемости и наблюдаемости в кибернетической системе
т.е. количество сообщаемой S учебной I У информации, образующей знания обучаемого и среды (с КПУ), не может превышать количество контрольной информации I k, осведомляющей преподавателя и среду (с КПУ) о глубине усвоения учебной информации.
Это условие можно поставить определяющим для исходных требований к контролю знаний слушателей, вытекающих из необходимой полноты преподавания учебного материала, когда возрастающий объем информации I У обусловливает необходимость привлечения и эффективного использования в процессе обучения средств электронно-вычислительной техники с соответствующим программным обеспечением. При этом очевидно: КПУ должен дать пользователям новые удобства по сравнению с традиционными средствами автоматизации процесса обучения.
Определив концепцию построения КПУ, мы предлагаем общую его характеристику (рис.3), выраженную особенностями его содержания (алгоритмов) и структуры.
Рис. 3. Общая характеристика компьютеризированного учебника
На практике КПУ сначала «проектируется и рисуется на бумаге», при этом его содержание в значительной степени оказывается зависимым от знаний, умений и навыков разработчиков. Процесс разработки КПУ следует организовать так, чтобы одновременно с его созданием можно было использовать реализуемую ЭИСБЗ как развивающуюся информационную систему. При этом в качестве первого этапа представляется целесообразным принять создание тезауруса предметной области с библиографией и включением в него неалгоритмических (декларативных) знаний, взятых из текста учебника, и процедурных знаний, носителями которых являются эксперты, в том числе преподаватели. По нашему мнению, тезаурус КПУ следует дополнить листом основного содержания (ЛОС) в виде последовательности доз обучения, а содержание КПУ представить в виде либо концептуального фрейма минимального описания, либо главного меню. Первым приближением обеих форм представления может рассматриваться оглавление КПУ.
В качестве примера рассмотрим оглавление проекта КПУ по учебной дисциплине «Системная информатика с приложением в космонавтике». Выделим в системной информатике два основных направления - общесистемное и прикладное. К общесистемному отнесем методологические основы системной информатики и информационные системы общего назначения, к прикладному - космические информационные и информационно-кибернетические системы. В соответствии со сказанным проект КПУ по системной информатике включает три части: системологические основы информатики; информационные системы общего назначения; космическую системную информатику. Каждая часть состоит из разделов, разделы - из глав (тем), темы - из параграфов и подпараграфов (учебных вопросов).
Структуру КПУ можно представить описанием его внешних связей и внутренней организации.
Внешние связи могут быть представлены указанием базисных дисциплин и тем, на основе которых строится данная учебная дисциплина, а также формируемых дисциплин и тем, обеспечиваемых учебной дисциплиной (учебником). При этом первые образуют входы, а вторые - выходы учебника и следуют из его целевого назначения. Например, для КПУ по системной информатике базисными дисциплинами являются высшая математика, теория информации, физика, теория систем и др., а формируемыми - вычислительные системы, автоматизированные системы управления, радиотехнические системы и др.
Внутренняя организация КПУ предполагает деление его на составные части, разделы, темы (главы), параграфы и подпараграфы. При этом каждую часть можно представить инвариантной структурой. Применительно к теме (главе) между параграфами образуются характерные связи, на которых создается структура; во вступлении формулируются цель темы и входные контрольные вопросы, приводятся практические примеры, называются рассматриваемые вопросы и перечисляется литература по теме; в заключении подводятся итоги темы, формируются выходные контрольные вопросы и даются рекомендации по организации самостоятельной работы.
Таким образом, создаваемые компьютеризированные учебники должны иметь, как правило, фрагментарно-модульную структуру, определяемую пунктами главного меню соответствующего программного продукта. Функциональные фрагменты компьютеризированного учебника (вступление, основная содержательная часть, структуризованная в разделы, темы, параграфы, подпараграфы; графическая часть - рисунки, диаграммы, таблицы, графики; заключение; литература; задачи и практические примеры; контрольные вопросы и тесты знаний; «записная книжка» и др.) выполняются в виде конструктивно законченных программных модулей, имеющих относительно самостоятельное значение. Это дает возможность пользователю-программисту самостоятельно расширять функциональные возможности фрагментов компьютеризированного учебника согласно их целевому назначению.
Как показали результаты педагогических экспериментов, проводимых в Военной академии им.Ф.Э.Дзержинского, КПУ способствует более глубокому усвоению знаний, умений и навыков слушателей, активизирует их творческую работу по использованию и проектированию объектов новой техники, способствует привитию навыков в этой работе, позволяет намного быстрее овладеть искусством управленческой деятельности.
Результаты анализа, полученные в ходе эксперимента по сравнительной проверке эффективности обучения (по спецкурсу) традиционного и нового (с применением КПУ) для учебного отделения, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты анализа, полученные в ходе эксперимента по сравнительной проверке эффективности изобретательской деятельности в процессе обучения по традиционной технологии и с применением КПУ в двух различных учебных отделениях - инженеров-руководителей и инженеров-исследователей соответственно, представлены в табл.2.
Таблица 2
Данные, приведенные в табл.2, убедительно свидетельствуют о целесообразности использования КПУ и в творческом процессе создания образцов новой техники.
По мнению авторов, компьютеризированный учебник открывает перед преподавателем новые возможности, связанные с организацией учебного процесса, а перед обучающимися - с развитием творческих способностей. Первый практический опыт применения КПУ по различным учебным дисциплинам показал множество преимуществ КПУ перед традиционными учебниками как в обеспечении обратной связи «обучаемый - преподаватель» для постоянного творческого совершенствования КПУ, так и в значительном сокращении времени на изучение дисциплин, создании (за счет анимационных иллюстраций) иллюзии постоянного присутствия педагога рядом с обучаемым и «оживления» страниц учебника-книги (это особенно важно для заочников, «экстерников» и пропустивших плановые занятия), а также дружеского настроя у обучающихся (в трудный момент «машина нам поможет»), в индивидуализации обучения за счет отбора каждым обучаемым желательного учебного материала из КПУ и изменения последовательности его изучения с учетом своих индивидуальных психофизиологических особенностей, возможности возврата по необходимости к трудным вопросам и самоконтроле при выборе и решении задач различной степени трудности.
Глазов Б.И. Методологические основы информационно-кибернетической системотехники. - М.: ВА им. Ф.Э.Дзержинского, 1992.
Глазов Б.И., Ловцов Д.А., Сухов А.В., Михайлов С.Н. Концептуальные основы создания компьютеризированных учебников// Компьютерная технология обучения в академии. - М.: ВА им.Ф.Э.Дзержинского, 1994. - С.38-44, 118-120.
