Системна методологія прийняття рішень у безперервному навчанні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університету України

“Київський Політехнічний Інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Системна методологія прийняття рішень у безперервному навчанні

Хохлов Валентин Юрійович

Київ - 2005

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Формування нової системи освіти на етапі розвитку сучасного інформаційного суспільства -- одна з найважливіших проблем світової спільноти. Інформаційна революція, процеси глобалізації у різних сферах, бурхливий розвиток телекомунікаційних мереж дають нові можливості зі створення організаційних моделей та дидактичних теорій, розроблення нових методів навчання. Водночас скорочення життєвого циклу технологій, підвищення рівня інтелектуалізації різних аспектів практичної діяльності, зростання кількості інформації висувають якісно нові вимоги до освіти, потребують переходу до навчання протягом усього життя, впровадження концепції безперервного навчання, системних підходів, прийомів, методів активного навчання, адаптації навчальних закладів до потреб сучасного суспільства.

Останнім часом відбуваються інтеграційні процеси у системах освіти країн Європи, формування спільного європейського простору освіти та науки, відомі під загальною назвою Болонського процесу. Враховуючи пріоритетність європейської інтеграції України, важливо почати адаптацію системи освіти нашої країни до формату цього процесу. Зокрема, це потребує розроблення спільної термінологічної бази та підвищення мобільності всіх суб'єктів освітнього процесу, збільшення свободи вибору суб'єктами навчання та врахування їхніх інтересів і потреб, розроблення методів індивідуалізації навчального процесу, які дозволять поєднати переваги колективної та індивідуальної форм роботи.

Для України, крім цього, практичну значущість має також і забезпечення доступу до освітніх ресурсів мешканцям віддалених районів та малозахищеним верствам населення, які не завжди мають можливість навчатися у великих освітянських центрах. Концепція економічного розвитку нашої країни передбачає пріоритетний розвиток виробництва високотехнологічної та інноваційної продукції. Україна має значний кадровий потенціал з високоосвічених спеціалістів, але важливо підвищити рівень їхніх знань, умінь та навичок до рівня останніх досягнень науки та техніки без відриву від виробництва, у зручний час та із врахуванням індивідуальної специфіки людини. Тому основою системи безперервного навчання має стати саме дистанційна освіта, яка базується на дистанційному методі навчання.

Питанням вивчення організаційних моделей та теоретичних концепцій побудови безперервної освіти, взаємодії навчальних закладів та суб'єктів навчання, а також застосування можливостей сучасник інформаційних технологій у цій сфері присвячено праці багатьох учених, серед яких можна відзначити А. А. Андреєва, А. У. Бейтс, К. Ведемеєра, А. М. Довгялло, М. З. Згуровського, Д. Кіґана, В. Н. Кухаренко, М. Ґ. Мооре, О. Петерса, В. І. Солдаткіна, В. П. Тихомірова, В. М. Томашевського, Б. Холмберґа та інших.

Проведений аналіз робіт з тематики безперервного навчання дає підставу стверджувати, що проблеми побудови ефективної системи освіти, яка зможе адекватно задовольняти потреби сучасного суспільства, впровадження нових методів активного навчання та застосування інформаційних і телекомунікаційних технологій у процесі навчання залишаються актуальними для багатьох країн світу. Регулярне проведення конференцій, нарад експертів, здійснення національних та міжнародних проектів свідчать про збільшення масштабів досліджень у цій галузі. Найважливішими питаннями залишаються інтеграція теоретичних та практичних напрацювань, налагодження взаємодій різних закладів у рамках єдиної освітньої мережі, практичне впровадження нових методів навчання та реалізація концепції безперервної освіти. Найменше досліджені задачі математичного моделювання процесів, що відбуваються у системі освіти, індивідуалізації навчальних програм залежно від потреб конкретного суб'єкта, синтез різнорідних теоретичних моделей у єдину систему.

Звідси випливає потреба у розробленні та впровадженні таких моделей системи безперервного навчання, які дозволять реалізувати нові організаційні моделі та теоретичні концепції, передусім -- реалізувати концепцію безперервного навчання, удосконалити відповідність освітніх послуг потребам суб'єктів, розвинути нові методи активного навчання та реалізувати їх у діючих системах дистанційного навчання (СДН). Актуальним та практично важливим завданням є створення математичних моделей прийняття рішень у цій галузі та розроблення на їх основі відповідного інструментарію для суб'єктів і компонентів системи освіти на різних рівнях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами наукових досліджень Навчально-наукового комплексу “Інститут прикладного системного аналізу” в рамках тем:

· “Розробка та впровадження автоматизованої інформаційної системи підтримки прийняття рішень в управлінні проектами” (реєстраційний № 0102U000245)

· розроблення порталу “Дистанційна освіта в Україні” (UNESCO IITE)

· проект “Higher Education and Distance Learning Knowledge Base for Decision-Makers” (UNESCO IITE)

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є розроблення системної методології прийняття рішень у галузі безперервного навчання та створення на її основі відповідного інструментарію прийняття рішень.

Для досягнення мети дослідження було поставлено та вирішено такі основні задачі:

1. Створити системну методологію прийняття рішень у процесі безперервного навчання, яка дозволить реалізувати нові теоретичні концепції та використовувати існуючі програмні засоби.

2. Розробити моделі структури системи безперервного навчання та навести функціональний опис її компонент.

3. Запропонувати механізми взаємодії підсистем та елементів системи безперервного навчання.

4. Розробити математичні моделі й алгоритми прийняття рішень у системі безперервного навчання на різних ієрархічних рівнях.

5. На підставі розроблених моделей та алгоритмів створити відповідне програмне забезпечення та бази даних.

Об'єкт дослідження -- процес безперервного навчання.

Предмет дослідження -- механізми прийняття рішень та взаємодії компонентів у системі безперервного навчання.

Методи дослідження. Основні методи дослідження загальної задачі -- методи системного аналізу та математичного моделювання. Методи системного аналізу використовуються для раціональної декомпозиції цілей функціонування системи, виділення структурних взаємозв'язків та поведінки її елементів, а також агрегування розглянутих окремо підсистем у єдину систему, опису структурних зв'язків між ними у рамках цієї системи, поєднання математичних моделей, створення спільних інтерфейсів та єдиних механізмів передачі даних. Метод математичного моделювання використовується для створення моделей окремих компонентів і процесів у системі освіти, які були виділені у результаті попереднього аналізу.

Оскільки предметна галузь задачі є неформалізована та слабко структурована, то для розроблення математичної моделі використовується апарат нечітких множин. Для визначення стратегії поведінки різних суб'єктів системи безперервного навчання використовуються методи прийняття рішень, зокрема метод нечіткої логіки та метод штрафних і бар'єрних функцій. Для вирішення задачі пошуку індивідуальної програми навчання використовується метод динамічного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі розв'язання задач відповідно до мети роботи отримано такі результати:

1. Побудовано нову системну методологію прийняття рішень у безперервному навчанні на основі обґрунтованого використання системного підходу до розв'язання методологічних задач.

2. Уперше на основі системної методології розроблено модель інформаційних взаємодій суб'єктів та компонентів системи безперервного навчання, запропоновано схему реалізації концепції безперервного навчання, здійснено функціональний опис нових компонентів системи (центрів освітньої та професійної орієнтації, єдиного каталогу інформації).

3. Уперше розроблено модель раціонального компромісу цілей суб'єктів навчання, навчальних закладів та агентів ринку праці для прийняття рішень у безперервному навчанні, яка дозволяє враховувати інтереси, потреби та минулий досвід суб'єктів навчання, можливості навчальних закладів та поточний попит на ринку праці.

4. Удосконалено концепцію створення оболонок СДН, яка відрізняється від відомих тим, що в ній присутні інтерфейси для взаємодії з іншими компонентами системи безперервного навчання.

5. Розроблено нову модель індивідуалізації процесу навчання з урахуванням потреб суб'єкта, яка дозволяє оптимізувати послідовність вивчення курсу на підставі вихідних даних (особистих потреб, позиціонування на ринку праці, минулого досвіду навчання).

Практичне значення одержаних результатів. Практична значущість одержаних результатів полягає в такому:

- запропоновані моделі інформаційної взаємодій та раціонального компромісу дозволяють побудувати механізми спільної роботи навчальних закладів у різних режимах та налагодити обмін даними про можливості, послуги навчання та трансфери кредитів Кредити -- це одиниці виміру досвіду навчання, які показують обсяг виконаної суб'єктом навчальної роботи та результати навчання. між ними у рамках Болонського процесу;

- запропонована модель оболонки СДН дає підґрунтя для розроблення програмного забезпечення через застосування описаної структури та функціонального призначення підсистем, інтерфейсів взаємодії, вхідних та вихідних потоків даних;

- розроблено алгоритми прийняття рішень для визначення стратегії поведінки різних суб'єктів системи освіти, описано схему застосування цих рішень на практиці; реалізована на базі технології Java із використанням СУБД MySQL система підтримки прийняття рішень дозволяє суб'єктам навчання визначати стратегію свого навчання шляхом пошуку курсу або спеціальності, яка щонайкраще відповідає їхнім потребам, а також формує вхідні дані для подальшої індивідуалізації процесу навчання;

- розроблено алгоритми індивідуалізації процесу навчання на основі оптимізації структури курсу та відповідне програмне забезпечення за технологією веб-програмування PHP.

Особистий внесок здобувача. Участь автора в одержанні наукових та практичних результатів, що викладені в дисертаційній роботі, полягає у побудові ієрархії системи безперервного навчання, розробці моделі інформаційних взаємодій, структурної побудови та функціонального навантаження підсистем, формалізованого опису інформаційних потоків, розробці механізму прийняття рішень для визначення стратегії поведінки суб'єктів системи освіти, структури оболонки СДН, функціонального опису їх компонентів та інтерфейсів системи. Здобувачем запропоновано модель системи безперервного навчання зі зворотним зв'язком, проведено аналіз цілей її агентів, розроблено схему взаємодії навчальних закладів у процесі надання послуг, створено математичну модель пошуку раціонального компромісу цілей та індивідуалізації процесу навчання, реалізовано програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень щодо вибору варіанту навчання та модуля індивідуалізації процесу навчання. Робота є результатом самостійних досліджень автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені, повідомлені й одержали схвалення на міжнародних і національних науково-практичних конференціях: 10^th European Congress and Trade Fair for Education and Information Technology “LEARNTEC'2002” (Karlsruhe, Німеччина, 2002), IV Міжнародна конференція “Role of Universities in the Future Information Society” (Київ, 2000), міжнародна науково-практична конференція “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології” (Чернівці, 2004), IV та V міжнародні науково-практичні конференції “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2002-2003), міжнародна конференція “Автоматика-2001” (Одеса, 2001), I та ІІ національні науково-практичні конференції “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 1999-2000).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 4 статтях наукових фахових журналів, 3 статтях у працях міжнародних конференцій, 5 тезах доповідей міжнародних та національних конференцій, усього в 12 наукових працях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 170 найменувань, 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 155 сторінок. Додатки займають 9 сторінок. Робота містить 15 рисунків, 4 таблиці.

Основний зміст роботи

безперервний навчання дистанційний інформаційний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі дослідження, методи дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, описано структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі наводиться огляд сучасного стану досліджень у галузі безперервного навчання. Зокрема, розглянуто та проаналізовано питання сутності й історії безперервного навчання, співвідношення у ньому дистанційної та заочної форм навчання; організаційних моделей та педагогічних теорій, які становлять фундамент безперервного навчання; існуючих моделей, дидактичних методів і прийомів, а також інформаційних комп'ютерних та телекомунікаційних технологій у безперервному навчанні.

Зазначено, що хоча досить багато робіт з цієї галузі присвячено організаційним моделям, педагогічним теоріям і дидактичним аспектам безперервного навчання або ж використанню інформаційних комп'ютерних технологій, аналізу їх дидактичних характеристик, телекомунікаційних аспектів реалізації електронних курсів тощо, але бракує практичної реалізації пропонованих концепцій, інтеграції окремих рішень у єдину систему, яка поєднує багато навчальних закладів.

Розглянуто ряд наукових робіт, у яких запропоновано математичні моделі та методи для вирішення окремих завдань у галузі безперервного навчання. Зроблено висновок про їх недостатність та потребу у більш широкій формалізації цієї галузі, яка неможлива без створення методологічної бази як підґрунтя для подальших розроблень.

Проаналізовано сучасний стан та особливості безперервного навчання та дистанційної освіти в Україні та зроблено висновки про необхідність розвитку методології у цієї галузі на основі системного підходу. Розглянуто розробки вітчизняних установ, що працюють у цій сфері.

Зроблено загальний висновок про те, що основними недоліками у галузі безперервного навчання є недостатній розвиток системної методології, відсутність єдиного понятійного апарату різних суб'єктів системи освіти та механізмів обміну інформацією. Це зумовлює недостатність взаємодії навчальних закладів, ускладнює врахування потреб населення у сфері освіти та ситуації на ринку праці, стримує впровадження методів активного навчання та індивідуалізації навчального процесу. На підставі зроблених висновків обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та поставлені задачі дослідження.

У другому розділі викладено основні концептуальні засади пропонованого системного підходу до розв'язання актуальних завдань безперервного навчання та обґрунтовано застосування саме системної методології. Виділено три категорії суб'єктів, які беруть участь у інформаційній взаємодії із системою освіти: суб'єкти навчання, навчальні заклади та агенти ринку праці. Для означення окремого представника однієї з цих категорій використовується термін агент.

Згідно із запропонованим підходом у предметній галузі дослідження запропоновано розрізняти такі ієрархічні рівні: рівень освіти країни в цілому, рівень систем освіти, рівень систем навчання, рівень структурних компонентів систем навчання. Для кожного з цих рівнів показано особливості взаємодії агентів та описано задачі, які вирішуються на цьому рівні. На прикладі показана відмінність цілей агентів на рівні освіти (наприклад, успішне позиціонування суб'єкта навчання на ринку праці) та на рівні навчання (засвоєння знань, формування умінь та навичок). Зроблено висновок про необхідність формалізації та декомпозиції цілей, розгляду задач на кожному рівні, створення правил переходу між рівнями та механізмів конкретизації цілей для переходу на нижчі рівні.

Розроблено модель системи безперервного навчання, у якій визначено структурні елементи, їх функціональне призначення, зв'язки й інформаційні потоки, описано поведінку системи в процесі функціонування. Основою запропонованої моделі є наявність у ній зворотного зв'язку, що дозволяє реалізувати на практиці концепцію безперервного навчання, додавши процесу здобуття освіти ітераційний динамічний характер (рис. 1). Наведено визначення термінів “ситуація прийняття рішень у процесі отримання освіти”, “стратегія навчання у процесі отримання освіти”, “досвід навчання”, “динамічна корекція стратегії навчання”. Визначення стратегії навчання розширено на процес здобуття освіти; під нею розуміємо таку послідовність прийнятих суб'єктом навчання рішень, яка дозволяє йому досягти поставленої в даний момент загальної мети здобуття освіти, тобто задовольнити свої потреби у цієї галузі. На кожній ітерації процесу здобуття освіти суб'єкт підвищує свій рівень знань, умінь та навичок шляхом навчання згідно з виробленою стратегією. Таким чином, він крок за кроком наближується до задоволення своїх потреб. Сутність динамічної корекції стратегії полягає у тому, що на кожній ітерації враховується зміна цілей чи професії суб'єкта, можливостей навчальних закладів та поточної ситуації на ринку праці (наприклад, попиту на фахівців). Слід зазначити, що такий підхід дозволяє не тільки вдосконалювати рівень знань, вмінь та навичок з однієї спеціальності, але й розширяти діапазон спеціальностей, здобувати знання у нових для суб'єкта галузях.

Проведено інформаційний аналіз системи безперервного навчання. Наведено інформаційний опис агентів на цьому рівні ієрархії, виділено наявну та потрібну інформацію, визначено вхідні, вихідні та внутрішні потоки інформацій у системі. На підставі аналізу інтересів агентів зроблено висновок про те, що інформаційні потоки різних агентів містять інформацію, яка потрібна для задоволення інформаційних потреб інших агентів. Тому в системі мають бути передбачені такі компоненти, які роблять аналіз цих потоків і генерацію за його результатами нових потоків, що містять потрібні іншим агентам і підсистемам дані. Також виділені зворотні зв'язки в процесі безперервного навчання, головний з яких -- це використання минулого досвіду навчання (який показує досягнутий рівень знань, вмінь та навичок) при визначенні майбутньої стратегії навчання.

Описано функції, які мають реалізовувати компоненти системи безперервного навчання. На підставі цього запропоновано включити до її складу такі підсистеми: центри освітньої і професійної орієнтації, послуги навчання, єдиний каталог інформації, організації, які координують і забезпечують (рис. 2). Для кожної підсистеми наведено перелік завдань, які вона вирішує, та функцій, які вона реалізує. Наприклад, центри освітньої і професійної орієнтації відповідають за вироблення та корекцію стратегії навчання суб'єкта і забезпечують дистанційні курси вхідною інформацією у єдиному форматі. Наявність централізованого сховища даних -- Єдиного каталогу інформації -- дає змогу зберігати та видавати споживачам дані про досвід навчання суб'єктів, що є узагальненням систем трансферту кредитів (наприклад, ECTS) -- дуже важливого механізму Болонського процесу. Детально розписано інформаційні взаємодії під час створення та доставляння навчальних ресурсів. Відокремлено три ролі навчальних закладів:

1) провайдери навчальних матеріалів, які розробляють зміст курсу, здійснюють його підтримку й відновлення, забезпечення завданнями для окремих слухачів і груп, а також даними для підсистем перевірки знань;

2) провайдери навчальних засобів, які розробляють навчальні програмні засоби, включаючи програмне забезпечення курсу, засоби доставки, зворотного зв'язку і комунікаційної підтримки;

3) клієнтські навчальні заклади, які здійснюють підтримку суб'єктів навчання, надають їм доступ до навчальних ресурсів дистанційної освіти, впроваджують дистанційні курси у свої програми навчання.

Це дає змогу ефективніше використовувати наявні ресурси навчальних закладів, реалізовувати різні організаційні моделі безперервного навчання та забезпечувати мешканців віддалених місць якісними послугами у сфері освіти.

Для узгодження цілей агентів на різних рівнях ієрархії системи освіти запропоновано механізм раціонального компромісу цілей. Потребу у пошуці компромісу обґрунтовано аналізом наявної та потрібної агентам для прийняття рішень інформації та їх цільової характеристики. Сутність пропонованого підходу полягає в тому, що різнорідні відомості, якими володіють агенти, збираються разом, приводяться до єдиної термінологічної бази і слугують надалі підставою для прийняття рішень у таких ситуаціях:

1) визначення або корегування стратегії навчання;

2) визначення або корегування стратегії пропозиції послуг навчальним закладом;

3) визначення індивідуальної програми навчання студента за курсом;

4) визначення стратегії поведінки на ринку праці його агентами;

5) пошук фахівців для заповнення наявних вакансій.

Розв'язок загальних задач щодо прийняття рішень, який знайдено з використанням математичних методів та який враховує цілі й інтереси різних агентів, назвемо раціональним компромісом цілей. Відповідно до запропонованої структури системи дистанційної освіти, централізований збір даних від агентів системи, приведення їх до єдиної термінологічної бази та прийняття на цій основі рішень покладається на центри освітньої і професійної орієнтації. Механізм раціонального компромісу цілей проілюстровано схемою структурних взаємозв'язків цілей та можливостей агентів щодо подання інформації (рис. 3). Оскільки кожен агент оперує власними термінами (наприклад, навчальні заклади знають свої можливості та опис послуг, агенти ринку праці -- попит на спеціалістів), то потрібно приводити їх до єдиної термінологічної бази, для цього запропоновано використовувати галузі знань , у термінах яких описуються потреби і досвід навчання суб'єкта, можливості та послуги навчальних закладів, ситуація на ринку праці. Галузь знань x_i -- це досить цілісний і незалежний набір знань, умінь і навичок (наприклад, “розв'язання диференціальних рівнянь” або “аналіз фінансових ризиків”).

На підставі механізму раціонального компромісу цілей та поділу навчальних закладів за ролями у процесі навчання наведено схему взаємодії компонентів системи освіти під час процесу здобуття освіти. У цьому процесі виділено три фази: фаза прийняття рішень, фаза навчання, фаза отримання документа про освіту. Описано взаємодію центрів освітньої та професійної орієнтації, суб'єктів навчання, СДН, єдиного каталогу інформації та уповноваженої організації, яка має право видавати документи про здобуту освіту. Усе це дає змогу визначити засоби реалізації таких організаційних моделей безперервного навчання:

1. Консорціум. Консорціум організовують декілька навчальних закладів, які делегують йому частину власних повноважень. Усі пропоновані консорціумом послуги утворюють цифрову бібліотеку консорціуму. Учасники консорціуму спільно наповнюють цю бібліотеку наявними в них чи знову створюваними курсами й іншими ресурсами.

2. Франчайзинг. У цій моделі один навчальний заклад, провайдер, надає іншому навчальному закладу, клієнту, доступ до своїх ресурсів -- навчальних засобів і/або матеріалів.

3. Атестація. У найпростішому випадку один навчальний заклад засвідчує відповідність курсу іншого навчального закладу своїм вимогам і на підставі результатів навчання суб'єкта в ньому видає свій документ про здобуту освіту. Більш складною реалізацією моделі атестації є наявність незалежних уповноважених організацій, які керуються у своїй діяльності деякими стандартами. Ці організації також можуть проводити атестацію дистанційних курсів і видавати документи про освіту за результатами навчання.

На рівні систем навчання за ознакою відповідності системній методології запропоновано поділити наявні засоби на такі класи:

1) засоби, у яких не можна виділити різнорідні підсистеми і, отже, що не є системами;

2) СДН, реалізовані у вигляді з'єднаних зв'язками різнорідних підсистем для автоматизації окремих процесів навчання;

3) оболонки СДН, реалізовані у вигляді предметно-незалежних навчальних засобів, з додаванням до яких інформаційного наповнення курсу (навчальних матеріалів, завдань, питань) виходить повнофункціональна СДН.

Зроблено висновок, що найбільш повною мірою запропоновану методологію реалізовано саме в оболонках СДН, тому доцільно виконати їх аналіз та запропонувати таку модель оболонки, яка дозволить інтеграцію цієї системи до систем вищого рівня. Оскільки навчальний ресурс, що створений на базі СДН, є компонентом системи безперервного навчання і бере участь у інформаційній взаємодії, то були запропоновані чотири інтерфейси, за допомогою яких система отримує чи видає потоки даних: 1) дані про курс; 2) досвід навчання; 3) вхідні дані про суб'єкта навчання; 4) дані взаємодії СДН у процесі спільного використання ресурсів.

На підставі структурно-функціонального аналізу СДН було запропоновано структуру оболонки й описано функції її підсистем; основні підсистемі такі:

· організаційно-методична інформація;

· навчальні матеріали й інші навчальні ресурси;

· засоби організації спілкування;

· засоби моніторингу та діагностики знань;

· засоби управління структурою курсу та навчальним процесом;

· засоби управління й адміністрування СДН;

· інтерфейси СДН - мережа дистанційного навчання.

У третьому розділі запропоновано математичні моделі й алгоритми пошуку раціонального компромісу цілей для знаходженні варіанта навчання та метод індивідуалізації процесу навчання. Пропоновані моделі й алгоритми ґрунтуються на формалізованому описі таких потоків інформації у системі безперервного навчання (див. рис. 2): потреб та інтересів суб'єкта навчання S₁, цілей професійного позиціонування S₂, пропозиція послуг навчання S₃, поточного попиту на ринку праці S₄, профайлу студента Термін “профайл студента” є загальновживаним у літературі і використовується для опису набору персональних даних будь-якого суб'єкта навчання, а не лише студентів вищих навчальних закладів S₅ та минулого досвіду навчання S₆.

Оскільки предметна галузь задачі пошуку раціонального компромісу цілей неформалізована та слабко структурована, то запропоновано використовувати нечіткі множини для опису вхідної інформації. Це дає змогу задавати ступень переваги кожного елементу словесно (мала, середня, велика і т.ін.). Для опису зв'язків між сутностями предметної галузі запропоновано використовувати нечіткі відношення. Попит на фахівців на ринку праці та конкурси за ресурсами навчання запропоновано задавати у вигляді параметрів відповідних випадкових величин, оскільки їх можна обчислити за статистичними вибірками.

Ця задача з пошуку варіанта навчання має таку постановку:

Відомі напрями навчання, які цікавлять суб'єкта, -- нечітка множина , опис його потреб у вигляді ключових слів -- нечітка множина , цілі його професійного позиціонування -- нечітка множина , пропозиція послуг навчання -- множина , вхідні вимоги до послуг навчання і/чи конкурси , попит на фахівців на ринку праці -- вибіркові параметри випадкової величини , минулий досвід навчання суб'єкта -- нечітка множина . Також відомі значення функцій приналежності нечітких відношень, заданих на множинах S, K, P, C та X: , , , .

Потрібно знайти множину раціональних варіантів навчання , що відповідають інтересам і потребам суб'єкта та враховують його минулий досвід навчання, а також визначити компоненти профайлу студента:

.

Поставлена задача -- це задача досягнення нечітко визначеної цілі. Для її розв'язання використовується підхід Белмана-Заде. Універсальна множина альтернатив -- це множина послуг навчання C. Фактори, які забезпечують досягнення мети -- це потреби й інтереси суб'єкта, цілі професійного позиціонування, минулий досвід його навчання. Перспективність позиції на ринку праці та корегування ступеня переваги ресурсу відповідно до конкурсу і вхідних вимог ураховується за допомогою штрафних функцій.

Алгоритм розв'язання задачі складається з таких кроків:

1. Вибір галузей знань відповідно до потреб суб'єкта.

2. Урахування перспективності позиції на ринку праці згідно з попитом на відповідні професії.

3. Вибір ресурсу за відповідністю галузям знань.

4. Корегування ступеня переваги ресурсу відповідно до конкурсу і вхідних вимог.

Для індивідуалізації процесу навчання у структурі навчального ресурсу запропоновано виділити елементарні структурні частини -- юніти. Вивчення кожного юніту веде до здобуття певних знань, умінь та навичок. Навчальний зміст юніту запропоновано описувати у термінах галузей знань.

Структуру навчального ресурсу запропоновано подати у вигляді графу

,

де -- множина юнітів; -- матриця, кожен елемент якої відповідає перевазі переходу до юніту з юніта ; -- нечітке відношення на множинах X та Y, де виражає зв'язок між галуззю знань та юнітом . Виділено початковий юніт і завершальний юніт .

Тоді процес навчання можна описати як послідовність юнітів, які вивчаються один за одним, тобто як деякий шлях у графі CS, який задовольняє вимоги

.

Для кожного такого шляху визначимо його інтегральний показник відповідності, який характеризує те, наскільки цей шлях вивчення матеріалу курсу задовольняє потреби й інтереси суб'єкта, а також враховує минулий досвід його навчання:

.

Тоді задача пошуку індивідуальної програми навчання з курсу має таку формалізовану постановку: відомі структура курсу та профайл студента ; потрібно визначити таку послідовність вивчення курсу -- шлях у графі CS , який максимізує інтегральний показник відповідності

,

де максимум береться за множиною P усіляких шляхів у графі CS, котрі задовольняють умови .

Ця задача розв'язується за допомогою методів динамічного програмування. Алгоритм складається зі скінченої кількості ітерацій. На попередньому етапі виконується розрахунок вихідних даних, які використовуються на першій ітерації. На k-й ітерації робиться спроба подовжити на одну дугу знайдені на (k-1)-й ітерації шляхи та визначаються кращі з отриманих еквівалентних варіантів. На заключному етапі зі знайдених найкращих шляхів різної довжини обирається оптимальний. Запропоновані також способи узагальнення алгоритму на випадок використання більш складного критерію оптимізації та за наявності множини початкових і множини завершальних юнітів.

У четвертому розділі наведено поетапний опис процесу розроблення програмного забезпечення, яке реалізує запропоновані алгоритми: програмного комплексу, що служить для пошуку компромісу цілей для вибору варіанта навчання, і програмного модуля, що реалізує алгоритм індивідуалізації процесу навчання. Обґрунтовано потребу у використанні концепції відкритих систем (ISO/OSI) для створення програмного забезпечення, як базову технологію обрано найбільш поширену в Інтернеті у поточний час технологію WWW (World-Wide Web).

Для створення програмного комплексу, що служить для знаходження компромісу цілей для вибору варіанта навчання, запропоновано використовувати технологію програмування Java з базовою системою класів AWT. Це дозволяє розробити комплекс у двох варіантах: Java-аплет, який виконується в контексті веб-браузера, та самостійної Java-програми. Для інформаційного забезпечення програмного комплексу розроблено банк даних: проведено інфологічне проектування, даталогічне проектування та обґрунтований вибір СУБД. Описано ієрархію, функціональне призначення та взаємодію Java-класів створеного програмного продукту. Розроблено інтерфейс користувача, за допомогою якого можна задавати вхідні відомості, параметри алгоритму та переглядати результати обчислень, а також адміністративний інтерфейс, за допомогою якого можна додавати, змінювати чи видаляти об'єкти предметної галузі (галузі знань, напрями навчання, ключові слова, навчальні заклади, підрозділи та ресурси, позиції на ринку праці), а також встановлювати зв'язки між ними.

Програмний модуль, що реалізує алгоритм індивідуалізації процесу навчання, розроблено за технологією веб-програмування PHP. Описані інтерфейси обміну даними між модулем та іншими елементами СДН, через які модуль отримує структуру курсу і профайл студента та видає результати обчислень. Для ілюстрації роботи модуля створено веб-інтерфейс, через який можна вручну вводити дані профайлу студента та переглядати знайдену індивідуальну програму навчання і розраховані вагові коефіцієнти юнітів курсу.

Висновки

У дисертації розроблено системну методологію прийняття рішень у галузі безперервного навчання, згідно з якою побудовано моделі системи безперервного навчання та її окремих компонентів, запропоновано механізм пошуку компромісу цілей суб'єктів освітньої системи, наведено новий підхід до індивідуалізації процесу навчання.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації такі:

1. Виконаний за літературними джерелами аналіз стану досліджень у галузі безперервного навчання показує, що найбільш важливими і складними є проблеми інтеграції окремих ресурсів у єдину систему, налагодження взаємодії між ними, впровадження дидактичних моделей спільної діяльності та методів активного навчання, інтеграція національних систем освіти в рамках Болонського процесу. Недостатньо розвинена методологічна база досліджень, мала увага приділяється розробленню математичних моделей і методів у цій галузі. Тому практично важливим й актуальним завданням є розроблення системної методології в галузі безперервного навчання й створення на її основі моделей взаємодії суб'єктів освітньої системи.

2. Створено методологічну базу прийняття рішень у галузі безперервного навчання, запропоновано й обґрунтовано підхід до вирішення завдань у цій сфері з використанням системної методології, побудовано ієрархію системи безперервного навчання. Це дозволило відокремити проблеми рівня освіти від задач рівня навчання, визначити категорії суб'єктів взаємодії і розробити їх інформаційний опис.

3. Розроблено модель інформаційних взаємодій, структуру і функціональний опис компонентів системи безперервного навчання. Це дозволяє реалізувати на практиці концепцію безперервного навчання. Основою розробленої моделі є зворотний зв'язок, це дає змогу надати процесу здобуття освіти ітераційного характеру з динамічною корекцією стратегії навчання. У структурі системи безперервного навчання запропоновано нові компоненти -- центри прийняття рішень, завданням яких є узгодження цілей; єдиний каталог інформації. Це дозволяє істотно підвищити академічну мобільність суб'єктів навчання і налагодити взаємодію між навчальними закладами.

4. Розроблено модель раціонального компромісу цілей суб'єктів освітньої системи, що дозволяє під час прийняття ними рішень враховувати і погоджувати інтереси та потреби суб'єктів навчання, їхній минулий досвід навчання, можливості навчальних закладів і попит на ринку праці. Це дає змогу здійснювати динамічне корегування стратегії навчання суб'єкта, стратегії пропозиції послуг навчального закладу і сприяє розробленню бізнесів-процесів агентами ринку праці. Запропоновано підхід до формування єдиної термінологічної бази для опису ресурсів безперервного навчання і досвіду навчання, що дозволяє налагодити взаємодію навчальних закладів і організувати трансфери даних у рамках Болонського процесу.

5. На основі концепції оболонок СДН розроблено нову модель оболонки, що враховує функціонування СДН як елемента системи вищого рівня і містить опис інтерфейсів оболонок СДН для взаємодій з іншими компонентами системи безперервного навчання. У наведеній моделі основна увага приділяється впровадженню методів активного навчання і спільної роботи невеликих груп. Розроблений механізм структурування курсу на основі юнітів дозволяє на підставі даних про інтереси і потреби суб'єкта, а також його минулого досвіду навчання здійснювати індивідуалізацію процесу навчання.

6. Розроблено формалізований опис інформаційних взаємодій у системі безперервного навчання, що дозволяє одержати такі переваги:

· стандартизувати інформаційні потоки, визначати формати вхідних і вихідних даних для компонентів системи безперервного навчання;

· уніфікувати обчислювальні процедури для вирішення окремих завдань у системі безперервного навчання;

· скоротити витрати часу на розроблення і впровадження механізмів спільної роботи компонентів системи безперервного навчання.

7. Побудовано математичну модель та розроблено алгоритм пошуку раціонального компромісу цілей суб'єктів освітньої системи. Модель дає змогу знаходити для суб'єкта стратегію навчання та обирати раціональні послуги навчання на підставі врахування його інтересів, потреб та минулого досвіду навчання, для навчального закладу -- обирати стратегію надання послуг навчання на підставі попиту на такі послуги, для агентів ринку праці -- прогнозувати майбутню пропозицію на цьому ринку, обумовлену поточним розподілом студентів за курсами та спеціальностями навчання. Розроблений алгоритм також дозволяє обчислити компоненти профайлу студента, використовувані для формалізованого опису його потреб.

8. Розроблено модель індивідуалізації та алгоритм визначення індивідуальної програми навчання. Це дає змогу краще враховувати потреби й інтереси суб'єкта, його минулий досвід навчання у процесі вивчення матеріалу курсу.

9. Створено прикладне програмне забезпечення, у якому реалізовано розроблені теоретичні концепції і механізми:

· на базі технології Java із застосуванням СУБД MySQL створено програмний комплекс пошуку раціонального варіанта навчання, який дозволяє враховувати інтереси і потреби суб'єкта навчання та попит на фахівців на ринку праці для вибору спеціальності або курсу навчання, а також обчислювати компоненти профайлу студента, які надалі використовуються для індивідуалізації навчання;

· на базі технології веб-програмування PHP створено програмний модуль визначення індивідуальної програми навчання, який використовує обчислені компоненти профайлу студента, що містять формалізований опис його інтересів і потреб, та подання структури курсу у вигляді юнітів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Панкратова Н. Д., Хохлов В. Ю. Построение модели дистанционного образования на основе системной методологии // Системні дослідження та інформаційні технології. -- 2002. -- № 3. -- С. 85-98.

2. Панкратова Н. Д., Хохлов В. Ю. Рациональный компромисс целей субъектов дистанционного образования // Системні дослідження та інформаційні технології. -- 2003. -- № 4. -- С. 44-59.

3. Хохлов В. Ю. Методика індивідуалізації процесу навчання по дистанційному курсу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. -- 2004. -- № 2. -- С. 24-30.

4. Хохлов В. Ю. Розробка математичної моделі пошуку раціонального варіанту навчання // Системні дослідження та інформаційні технології. -- 2005. -- № 1. -- С. 69-76.

5. Pankratova N., Khokhlov V. Development of the Distance Education on the System Methodology Basis // Proceedings of 10^th European Congress and Trade Fair for Education and Information Technology LEARNTEC 2002. -- Karlsruher, 2002. -- P. 275-283.

6. Pankratova N., Khokhlov V. The Development of Distance Education in Ukraine // Proceedings of the 4^th International Conference “Role of Universities in the Future Information Society - RUFIS-2000”. -- Kiev: NTUU “KPI”, 2000. -- P. 116-121.

7. Хохлов В. Ю. Системы принятия решений в дистанционном образовании // Міжнар. наук.-практ. конф. “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології” (Чернівці, 2004): Тези доп. -- Чернівці: Рута, 2004. -- С. 38-39.

8. Хохлов В. Ю. Современное состояние и тенденции развития дистанционного обучения // V Міжнар. наук.-практ. конф. “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2003): Тези доп. -- К.: НТУУ “КПІ”, 2003. -- С. 211.

9. Хохлов В. Ю. Задача согласования интересов агентов системы образования // IV Міжнар. наук.-практ. конф. “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2002): Тези доп. -- К.: Політехніка, 2002. -- С. 115.

10. Зайченко Ю. П., Хохлов В. Ю. Построение систем дистанционного обучения технической и физико-математической направленности // Матеріали Міжнар. конф. з управління “Автоматика-2001” (Одеса, 2001). -- О.: Одеський держ. політехнічний ун-т, 2001. -- С. 97-98.

11. Bakun A., Khokhlov V. Automated distance learning shell for Internet // ІІ Національна наук.-практ. конференція “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2000): Тези доп. -- К.: НТУУ “КПІ”, 2000. -- С. 125-128.

12. Хохлов В.Ю. Техническая реализация автоматизированной системы дистанционного обучения // I Нац. наук.-практ. конф. “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 1999): Тези доп. -- К.: НТУУ “КПІ”, 1999. -- С. 84-85.

Размещено на Allbest.ru