Источник http://cnit.ssau.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. академика С.П.Королева

А.В. Соловов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
УЧЕБНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 

Учебное пособие

 

 

 

Рекомендовано Государственным
комитетом Российской Федерации
по высшему образованию
к изданию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара 1995

Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. Самара: СГАУ, 1995. 138с.
В работе рассмотрена технология создания (методика проектирования и инструментальная среда для автоматизации подготовки) комплексов методических и программно-информационных средств компьютерной поддержки процесса обучения.
Работа ориентирована на преподавателей, аспирантов и студентов, изучающих курсы по информационным технологиям обучения, а также может быть использована в качестве методического руководства при разработке компьютерных систем учебного назначения.
Табл. 3. Ил. 66. Библиогр.: 72 назв.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Проектирование комплексов автоматизированных дидактических средств
1.1. Исходная концепция
1.2. Целевые показатели
1.3. Отбор и структурирование учебного материала
1.4. Модель содержания учебного материала
1.5. Модель освоения учебного материала
1.6. Определение состава комплекса
1.7. Основные этапы проектирования учебных комплексов
2. Проектирование автоматизированных учебных курсов
2.1. Предварительные замечания
2.2. Психологические механизмы усвоения знаний

2.3. Элементы управления в сценариях обучающих программ
2.4. Состав типового фрагмента АУК
2.5. Тесты
2.6. Сценарии АУК
2.7. Основные этапы проектирования АУК
3. Сценарии инженерных тренажеров
3.1. Двойственный характер компьютеризации инженерной подготовки
3.2. Дидактический анализ АУК и учебных ППП
3.3. Принципы построения сценариев тренажеров на основе ППП
3.4. Примеры сценариев тренажеров
4. Когнитивная компьютерная графика в инженерной подготовке
4.1. Дуализм человеческого мышления
4.2. Иллюстративная и когнитивная функции компьютерной графики
4.3. Задачи когнитивной компьютерной графики
4.4. Исходные предпосылки алгоритмов визуализации
4.5. Сплошные цветографические изображения
4.6. Линии равного уровня
4.7. Точечные изображения
4.8. Полигональные сети
4.9. Изображения в виде ориентированных отрезков переменной длины
4.10.Изображения в виде коротких ориентированных отрезков постоянной длины
4.11.Изображения в виде ориентированных решеток
4.12.Управление изображениями
4.13.Оценка эффективности
5. Инструментальная среда системы КАДИС
5.1. Общее описание
5.2. Интерфейс учащихся
5.3. Некоторые особенности подготовки АУК
5.4. Подготовка графических иллюстраций, анимационных вставок, аудио- и видеофрагментов
5.5. Интерфейс преподавателей-разработчиков
5.6. Подготовка гипертекста
5.7. Интерфейс преподавателей-пользователей
5.8. Функции администратора САПР АУК
6. Проблемно-ориентированные комплексы системы КАДИС
7. Распространение и применение информационных технологий обучения
7.1. Информационные технологии обучения как учебная дисциплина
7.2. Об опыте применения информационных технологий обучения
Заключение
Библиографический список
Приложение. Рекомендации по поддержанию и эксплуатации программно-информационного обеспечения САПР АУК

ВВЕДЕНИЕ

Систематические исследования в области компьютерной поддержки процесса обучения имеют более чем 30-летнюю историю. За этот период в США, Канаде, Англии, Франции, Японии, России и ряде других стран было разработано большое количество компьютерных систем учебного назначения, ориентированных на различные типы ЭВМ. Детальный обзор аппаратных и программно-информационных средств поддержки учебного процесса, созданных до начала 80-х гг., приведен в справочнике [1], а описание более поздних разработок можно найти в периодических обзорных выпусках российского научно-исследовательского института высшего образования (НИИ ВО) или в выпускаемых этим же институтом каталогах программных средств учебного назначения, например в [2-5].

Сферы применения компьютерных средств поддержки процесса обучения гораздо шире, чем только учебные заведения. Это крупные промышленные предприятия, военные и гражданские организации, ведущие самостоятельную подготовку и переподготовку кадров [6]. Кроме того, в цивилизованных странах становится уже стандартом снабжать новые сложные машины и технологии компьютерными обучающими системами, облегчающими и ускоряющими процесс их освоения и внедрения [7]. За рубежом разработку "мягкого" компьютерного продукта учебного назначения (методических и программно-информационных средств) считают весьма дорогостоящим делом в силу его высокой наукоемкости и необходимости совместной работы высококвалифицированных специалистов: психологов, преподавателей-предметников, компьютерных дизайнеров. Несмотря на это, многие зарубежные крупные фирмы финансируют проекты создания компьютерных учебных систем в учебных заведениях и ведут собственные разработки в этой области [3].

В методологическом плане разработка и использование компьютерных средств поддержки обучения, в первую очередь - "мягкого" продукта, с самого начала развивались по двум направлениям, слабо связанным между собой. Первое направление опирается в своей основе на идеи программированного обучения [8]. В его рамках разрабатываются и эксплуатируются автоматизированные обучающие системы (АОС) по различным учебным дисциплинам. Ядром АОС являются так называемые авторские системы, позволяющие преподавателю-разработчику вводить свой учебный материал в базу данных и программировать с помощью специальных авторских языков или других средств алгоритмы его изучения. Характерными представителями АОС, построенных на алгоритмах программированного обучения, длительное время являлись: за рубежом система PLATO, в нашей стране семейство АОС ВУЗ [1]. С начала 90-х годов в России и странах СНГ распространяются инструментальные среды для создания компьютерных курсов на ПЭВМ типа IBM PC зарубежного (Private Tutor, LinkWay, Costoc) и отечественного производства: АДОНИС, АСОК, УРОК и др. [9].

Второе направление компьютеризации обучения является как бы вторичным приложением "мягкого" продукта компьютеризации различных отраслей человеческой деятельности (науки, техники, экономики и др.). Это отдельные программы, пакеты программ, элементы автоматизированных систем (АСУ, САПР, АСНИ, АСУП и др.), предназначенные для автоматизации трудоемких расчетов, оптимизации, исследования свойств объектов и процессов на математических моделях и т.п. Применение таких программных систем в учебном процессе носит более массовый характер, чем использование универсальных АОС, как в нашей стране, так и за рубежом [10], но, в силу своей разобщенности в содержательном плане и отсутствия единой дидактической платформы, менее известно, систематизировано и обобщено в научно-методической литературе. Среди многочисленных работ в нашей стране по адаптации отраслевых программных разработок для целей обучения определенной системностью и попытками дидактических и технических обобщений выделяются работы по созданию учебно-исследовательских САПР и АСНИ [11 - 13].

С начала 80-х годов интенсивно развивается новое направление в компьютеризации обучения - интеллектуальные обучающие системы (ИОС), основанные на работах в области искусственного интеллекта [6]. Существенной частью ИОС являются модели обучаемого, процесса обучения, предметной области, на основе которых для каждого обучаемого может строиться рациональная стратегия обучения. Базы знаний ИОС могут содержать наряду с формализованными знаниями экспертные знания в предметных областях и в сфере обучения [14]. Работы в области создания ИОС безусловно перспективны, но находятся пока на стадии лабораторных исследований и, несмотря на некоторые примеры успешного применения [15], на уровень массовой технологии еще не вышли.

"Персональная революция" 80-х гг. [16] принесла в сферу обучения не только новые технические, но и дидактические возможности. Это доступность ПЭВМ, простота диалогового общения и, конечно же, графика. Применение графических иллюстраций в учебных компьютерных системах позволяет не только увеличить скорость передачи информации обучаемому и повысить уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление. А на рынке компьютерных технологий появляются еще более перспективные для целей профессиональной подготовки технические и программные новинки. Это оптические внешние запоминающие устройства на компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) с большими объемами памяти (сотни мегабайт), инструментальные программные средства гипертекста, мульти- и гипермедиа [17, 18], системы "виртуальной реальности" [19].

Компьютер, снабженный техническими средствами мультимедиа, позволяет широко использовать дидактические возможности графики и звука. С помощью систем гипертекста можно создавать перекрестные ссылки в массивах текстовой информации, что облегчает поиск нужной информации по ключевым словам, выделенным в тексте. Системы гипермедиа позволяют связать друг с другом не только фрагменты текста, но и графику, оцифрованную речь, звукозаписи, фотографии, мультфильмы, видеоклипы и т.п.

Использование таких систем позволяет создавать и широко тиражировать на лазерных компакт-дисках "электронные" руководства, справочники, книги, энциклопедии.

Развитие информационных телекоммуникационных сетей дает новый импульс системам дистанционного обучения, обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты [20].

Новые аппаратные и программные средства, наращивающие возможности компьютера, переход в разряд анахронизма понимания его роли как вычислителя постепенно привели к вытеснению термина "компьютерные технологии" термином "информационные технологии". Под этим термином понимают процессы накопления, обработки, представления и использования информации с помощью электронных средств. Так, суть информатизации образования определяют как создание условий учащимся для свободного доступа к большим объемам активной информации в базах данных, базах знаний, электронных архивах, справочниках, энциклопедиях [21].

Следуя этой терминологии, можно определить информационные технологии обучения (ИТО) как совокупность электронных средств и способов их функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности. В состав электронных средств входят аппаратные, программные и информационные компоненты, способы применения которых указываются в методическом обеспечении ИТО.

Впечатляющий прогресс в развитии аппаратных и инструментальных программных средств ИТО предоставляет хорошие технические возможности для реализации различных дидактических идей. Однако, как показывает анализ отечественных и зарубежных компьютерных систем учебного назначения, ряд из них по своим дидактическим характеристикам нельзя назвать даже удовлетворительными [22 - 24]. Дело в том, что уровень качества "мягкого" продукта учебного назначения закладывается на этапе его проектирования при подготовке учебного материала для наполнения баз данных АОС и электронных учебников, при создании сценариев учебной работы с компьютерными системами моделирующего типа, при разработке задач и упражнений и т.п.

К сожалению, методические аспекты ИТО отстают от развития технических средств. Да это и неудивительно, поскольку в методическом плане ИТО интегрируют знания таких разнородных наук, как психология, педагогика, математика, кибернетика, информатика. Разработка средств ИТО для поддержки профессионального образования осложняется еще и необходимостью хорошо знать содержание предметной области и учитывать присущую ей специфику обучения. Именно отставание в разработке методологических проблем, "нетехнологичность" имеющихся методик являются одними из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями ИТО.

В данной работе рассматриваются методические аспекты технологии создания "мягкого" продукта учебного назначения, положенные в основу системы Комплексов Автоматизированных ДИдактических Средств (системы КАДИС), разрабатанной и развиваемой в центре новых информационных технологий при Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ).

В работе обобщаются опыт и результаты многолетних исследований по компьютерной поддержке инженерной подготовки. Эти исследования были начаты автором в конце 70-х гг. на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов СГАУ при активном содействии и помощи заведующего кафедрой профессора В.А. Комарова. На протяжении ряда лет вместе с автором работали А.А. Черепашков, С.В. Мрыкин, А.Г. Колпащиков, В.М. Гульнев, Г.Ю. Пряничников, которые внесли большой вклад в становление и реализацию многих методических идей. В последние, трудные для вузов годы эти исследования поддерживал проректор СГАУ по учебной работе профессор Ф.В. Гречников. Трудно переоценить помощь многочисленных коллег-преподавателей СГАУ и других вузов, слушателей ФПКП, студентов СГАУ, которые не только доброжелательно относились к различным новациям, вносимым в учебный процесс, но и принимали активное участие в их внедрении и обсуждении результатов. Автор благодарен также Н.А. Валиулиной, В.В. Горбатенко, В.Т. Мищуку, Л.А. Мустафиной за помощь в написании и подготовке рукописи пособия к изданию.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ДИДАКТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

1.1. Исходная концепция

Рост интереса к сущности научного знания в условиях информатизации общества привел к выявлению его неоднородности. В ходе исследований по проблемам методологии науки было предложено различать явные и неявные знания [25]. В дальнейшем в связи с активизацией исследований проблем искусственного интеллекта, в частности их нового направления - экспертных систем, эти вариации знания были названы артикулируемыми и неартикулируемыми [26].

Артикулируемая часть знания относительно легко поддается превращению в информацию, которая является удобным средством передачи знаний [27]. Она может быть передана от учителя к ученику с помощью учебных текстов и графических изображений, заранее подготовленных и хранящихся на каком-либо носителе, например на бумаге, на магнитном или оптическом диске.
Неартикулируемая часть знания представляет собой тот неосязаемый, но очень важный личностный компонент знания, который принято называть опытом, интуицией и т. п. Эта часть знания охватывает умения, навыки, интуитивные образы и другие формы личностного опыта, которые не могут быть переданы непосредственно от учителя к ученику. Они могут быть "добыты" учеником лишь в ходе самостоятельной учебной деятельности по решению практических задач.

Будем называть компьютерные системы для поддержки процесса обучения артикулируемой части знания декларативными. К их числу могут быть отнесены "электронные" книги, базы данных и другие компьютерные средства, позволяющие накапливать, хранить и передавать информацию учебного назначения, причем не только в виде текстов, но и в форме графических, аудио- и видеоиллюстраций.
Компьютерные системы для поддержки процесса освоения неартикулируемой части знания будем называть процедурными. Эти системы не содержат овеществленное знание в виде информации. Они построены на основе математических моделей, которые позволяют обучаемому в ходе детерминированного или свободного учебного исследования получать (добывать) знания о свойствах изучаемых объектов или процессов.
Не следует отождествлять понятие артикулируемой и неартикулируемой частей знания с понятием соответственно формализованных и неформализованных знаний. Нередко и неформализованные знания можно представить в овеществленном виде, например, в виде описания эвристических правил, и передать их ученику с помощью систем декларативного типа.

Необходимо отметить также, что разделение знания на две части, артикулируемую и неартикулируемую, весьма условно. Знание по своей сути неделимо. В диалогах Платона Сократ говорит Федру: "Глуп и тот, кто надеется запечатлеть в письменах свое знание, и тот, кто потом вознамерится извлечь его оттуда нетронутым и годным к употреблению". Поэтому правильнее говорить о тех или иных аспектах знания как неделимого целого. В определенной мере можно считать условным и деление компьютерных систем поддержки процесса обучения на декларативные и процедурные. Можно говорить лишь о более высокой степени детерминированности знаний и процессов их изучения в одних системах и неопределенности знаний и свободы процесса их освоения в других.
Однако данная классификация знаний и учебных компьютерных систем оказалась весьма полезной и была положена в основу концепции построения и применения системы Комплексов Автоматизированных ДИдактических Средств (КАДИС). Типовой комплекс системы КАДИС состоит из учебного пособия, автоматизированных учебных курсов (АУК), тренажеров и учебных пакетов прикладных программ (ППП).
Учебное пособие содержит теоретические материалы по теме в виде учебного текста и графических иллюстраций к нему, рекомендации для преподавателей (как учить с помощью комплекса) и для учащихся (как учиться с помощью комплекса), сборники задач для тренажеров и учебных ППП.

Термин АУК введен разработчиками и пользователями авторских систем универсальных АОС, см. например [28]. Здесь и далее будем называть этим термином определенным образом подготовленные знания (структурированную информацию и систему упражнений для ее осмысления и закрепления), сценарии учебной работы и реализующие их программы для ЭВМ, предназначенные для самостоятельного изучения учебного материала с помощью компьютера. Основное назначение АУК в системе КАДИС - осмысление и закрепление теоретического материала, контроль знаний по изучаемой теме. АУК содержит не только информационную часть, но и программные средства, позволяющие проводить обучение и контроль по сценариям, заданным преподавателем, разработчиком АУК.

Тренажеры комплексов системы КАДИС предназначаются для формирования и развития практических умений и навыков, развития интуиции и творческих способностей, ускоренного накопления профессионального опыта. Обучение на тренажерах ведется в ходе решения специально подобранных задач с использованием математических моделей изучаемых объектов и процессов в режиме управляемого детерминированного исследования.

 Учебные ППП, в состав которых могут входить элементы систем автоматизации профессиональной деятельности (САПР, ЭС, АСНИ и т.п.) используются для решения учащимися различных задач по тематике комплекса, возникающих, например, в ходе курсового или дипломного проектирования. Процесс учебной работы проходит при этом в режиме свободного учебного исследования и близок по своему характеру к профессиональной деятельности специалиста.

Рациональная, дидактически обоснованная последовательность усвоения учебного материала предполагает следующий порядок работы с комплексами системы КАДИС:

изучение теоретического материала по пособию;

осмысление и закрепление теории с помощью АУК;

приобретение и развитие практических умений, ускоренное накопление профессионального опыта на тренажерах;

решение задач по тематике комплекса с помощью ППП.

Таким образом, различным компьютерным средствам поддержки процесса обучения в системе КАДИС определена своя дидактическая ниша в соответствии с их возможностями.
Комплексы системы КАДИС представляют собой своеобразные компьютерные учебники, которые могут разрабатываться по темам учебных дисциплин, по учебным дисциплинам, по отдельным отраслям знаний. Физически каждый комплекс упаковывается в специальной книге-обложке, в карманах которой размещают учебное пособие, дискеты с АУК, тренажерами, учебными ППП. Такая упаковка удобна для хранения, транспортировки, презентации, тиражирования комплекса.

Комплексный подход, принятый в системе КАДИС, обладает рядом преимуществ организационно-методического характера. Перечислим некоторые из них.

Исследования, проводимые в различных подразделениях учебного заведения, ставятся на единую методологическую платформу при сохранении индивидуальных особенностей, присущих отдельным разработкам.

Разработчики методических и программно-информационных средств по конкретным учебным дисциплинам ориентируются на создание не отдельных фрагментов, а комплексов, обеспечивающих полноценную проработку учебного материала от теории до применения в нетиповых задачах.

Появляется потребность и возможность создавать инвариантные к предметной области инструментальные средства общего назначения.

Все комплексы оформляются в едином виде, удобном для применения, транспортировки, хранения, презентации и тиражирования.

Важная роль при проектировании учебных комплексов отводится показателям, определяющим дидактические цели. Рассмотрим эти показатели.

1.2. Целевые показатели

В педагогике (в литературе и обычной практике средней и высшей школы) много говорят о показателях, но в большинстве случаев дальше словесных формулировок типа "знания, умения, навыки" дело не идет. Среди относительно немногих работ, где дидактические показатели формулируются в количественном виде, выделяются своей системностью и логичностью исследования В. П. Беспалько [29]. Система дидактических показателей, предложенная им, принята в данной работе. Классифицируем эти показатели по группам.

Показатели уровня представления учебного материала. Различают четыре формы представления учебного материала, которые соответствуют различным ступеням абстракции в описании

 

Феноменологическая (описательная) ступень, на которой с использованием обычного естественного языка лишь описывают, констатируют факты, явления, процессы. Иногда дают их классификацию.

Аналитико-синтетическое описание (ступень качественных теорий), в котором на естественно-логическом языке излагают теорию частных явлений, что создает предпосылки для предсказания исходов явлений и процессов на качественном уровне.

Математическое описание (ступень количественных теорий), в котором на математическом языке излагают теорию частных явлений. Применение математических моделей создает при этом возможность для прогнозирования исходов явлений и процессов на количественном уровне.

Аксиоматическое описание, в котором формулируют законы, обладающие междисциплинарной общностью. Примеры таких описаний можно встретить в кибернетике, философии, теории систем.

Принято обозначать уровень представления (иногда его называют уровнем научности) коэффициентом . Он может принимать значения . Иногда вводят и так называемый коэффициент научности , где - уровень представления учебного материала; - уровень развития науки по теме проектируемого комплекса.

Очевидно, что .

Показатели уровня усвоения учебного материала. Эти показатели классифицируют глубину проникновения и качество владения учащимися учебным материалом. Такая классификация позволяет четко формулировать дидактические цели при проектировании учебного комплекса и на их основе определять его состав. Дело в том, что часть элементов знания учащийся должен уметь применять при решении задач (для этого необходимы тренажеры, учебные ППП), а с какими-то элементами ему достаточно лишь познакомиться (для этого достаточно учебного пособия и АУК).

Различают пять уровней усвоения учебного материала:

“Нулевой” уровень (Понимание) - это такой уровень, при котором учащийся способен понимать, т.е. осмысленно воспринимать новую для него информацию. Строго говоря, этот уровень нельзя называть уровнем усвоения учебного материала по изучаемой теме. Фактически речь идет о предшествующей подготовке учащегося, которая дает ему возможность понимать новый для него учебный материал. Условно деятельность учащегося на "нулевом" уровне называют Пониманием.

Первый уровень (Опознание) - это узнавание изучаемых объектов и процессов при повторном восприятии ранее усвоенной информации о них или действий с ними, например, выделение изучаемого объекта из ряда предъявленных различных объектов. Условно деятельность первого уровня называют Опознанием, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-знакомства.

Второй уровень (Воспроизведение) - это воспроизведение усвоенных ранее знаний от буквальной копии до применения в типовых ситуациях. Примеры: воспроизведение информации по памяти; решение типовых задач (по усвоенному ранее образцу). Деятельность второго уровня условно называют Воспроизведением, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-копии.

Третий уровень (Применение) - это такой уровень усвоения информации, при котором учащийся способен самостоятельно воспроизводить и преобразовывать усвоенную информацию для обсуждения известных объектов и применения ее в разнообразных нетиповых (реальных) ситуациях. При этом учащийся способен генерировать субъективно новую (новую для него) информацию об изучаемых объектах и действиях с ними. Примеры: решение нетиповых задач, выбор подходящего алгоритма из набора ранее изученных алгоритмов для решения конкретной задачи. Деятельность третьего уровня условно называют Применением, а знания, лежащие в ее основе, - Знания-умения.

Четвертый уровень (Творческая деятельность) - это такой уровень владения учебным материалом темы, при котором учащийся способен создавать объективно новую информацию (ранее неизвестную никому).

Принято обозначать уровень усвоения учебного материала коэффициентом . Он может принимать значения в соответствии с нумерацией уровней, приведенной выше.

Для измерения степени владения учебным материалом на каждом уровне используют коэффициент

,

где - количество правильно выполненных существенных операций в процессе тестирования;

- суммарное (общее) количество существенных операций в тесте или батарее тестов. Под существенными понимают те операции, которые выполняются на проверяемом уровне . Операции, принадлежащие к более низкому уровню, в число существенных не входят.

По рекомендациям, данным в работе [29], при следует продолжать обучение (управлять процессом учения). При наступает период самоорганизации, и процесс учения может быть свободным (неуправляемым).

Степень автоматизации усвоения. Этот показатель характеризует умения как навыки в овладении осваиваемыми способами деятельности, что иногда требуется в процессе обучения. Можно измерять степень автоматизации усвоения коэффициентом

,

где - время выполнения теста профессионалом;

- время выполнения теста учащимся.

Осознанность как показатель качества усвоения. Осознанность учебной деятельности всегда высоко ценилась преподавателями. Под осознанностью обычно понимают умение обосновать выбор способа действия и его план - ориентировочную основу деятельности.

Различают три степени осознанности .

. Учащийся обосновывает свой выбор, опираясь на информацию изучаемой дисциплины.

align=justify. Учащийся обосновывает свой выбор, опираясь на информацию не только изучаемой, но и какой-либо смежной дисциплины.

. Учащийся обосновывает свой выбор с привлечением информации из различных дисциплин с широким использованием междисциплинарных связей.

Сложность учебного материала. Это понятие относительное. Оно связано с уровнем представления учебного материала . Если учащийся владеет аппаратом изложения материала на данном уровне (например логикой на 2-м уровне, математическим аппаратом - на 3-м), то изложение материала ему не кажется сложным, и наоборот. Так, человек с гуманитарной подготовкой, не владеющий математическим аппаратом, какой бы он ни был "сообразительный", не поймет изложение технической науки на 3-м уровне. Принцип от простого к сложному означает движение в ходе обучения от низшего уровня () к высшему ().

Трудность учебного материала. Это также понятие относительное. Оно связано с уровнями усвоения учебного материала. Чем выше уровень усвоения , тем выше трудность. При этом важна также преемственность в усвоении. Если учащийся владеет материалом на первом уровне, то переход к освоению на втором уровне ему труден, но доступен. Если же ставится задача сразу перейти от первого уровня усвоения к третьему, например после прочтения учебного пособия - к решению нетиповых задач, то это более высокая степень трудности, которая может оказаться недоступной. В процессе обучения в зависимости от выбранного целевого показателя по необходимо сначала организовать учебную деятельность на уровне , затем - и т.д. Именно поэтому в системе КАДИС предусмотрена следующая последовательность применения различных компонент учебных комплексов: учебное пособие (), АУК (), тренажеры (), ППП ().

Одной из распространенных педагогических ошибок является ситуация, когда на экзамене "требовательный" преподаватель хочет, чтобы студенты решали нетиповые задачи лишь по материалам лекционных занятий, не организовав предварительно процесс обучения не только на третьем, но и на втором и первом уровнях усвоения. Дело в том, что потенциал лекции вовсе не гарантирует усвоение учебного материала на первом уровне [29].

Следует, однако, заметить, что жесткая линейная структура процесса движения от низших по уровней к высшим не всегда психологически оправдана. Представьте, что вам необходимо овладеть некоей теорией, применение которой в практических задачах вы увидите только на заключительном этапе обучения. Естественно, что процесс изучения теории на уровнях не будет осознанно мотивирован. Поэтому для создания внутренней мотивации к изучению теоретического материала на уровнях полезно иногда дать обучаемым возможность в начале обучения попробовать порешать практические задачи на уровне . (Вспомните модный некогда в педагогике высшей школы прием, называемый "созданием проблемной ситуации").

1.3. Отбор и структурирование учебного материала

На начальном этапе проектирования комплекса системы КАДИС планируемый для изучения учебный материал разбивают на отдельные учебные элементы (УЭ). Под УЭ понимают объекты, явления, понятия, методы деятельности, отобранные из соответствующей науки и внесенные в программу учебной дисциплины или раздела учебной дисциплины для их изучения.

Совокупность УЭ представляют в виде структурной схемы - древовидного графа, который называют графом содержания учебного материала и строят по иерархическому принципу. Узлами (вершинами) графа являются УЭ, ребрами - иерархические связи между ними. При построении графа соблюдают правила построения иерархических древовидных структур:

• граф имеет только один корень, один УЭ - название темы;
• отсутствуют отдельные (висячие) вершины, не связанные с вышестоящими УЭ, кроме корня;
• связь осуществляется только сверху - вниз;
• нижестоящий УЭ может быть связан только с одним вышестоящим УЭ;
• группировка УЭ на одном уровне осуществляется по какому-либо общему признаку (общему основанию);
• вышестоящие УЭ не должны быть связаны менее чем с двумя нижестоящими УЭ.

Параллельно с построением графа составляют таблицу УЭ, в которую вносят наименования УЭ (табл. 1.1). Можно рекомендовать следующую технологию практической работы. Берут два листа бумаги. На одном листе строят граф (сверху - вниз), на другом - последовательно вписывают строки таблицы УЭ. Аналогом этого процесса является составление оглавления учебного пособия, когда его содержание предварительно дробят на главы, параграфы и т.д. Однако при построении графа содержания учебного материала, в отличие от составления оглавления, нет нужды заботиться о последовательности изложения УЭ. Важно отобразить лишь иерархическую структуру учебного материала. В качестве примера на рис. 1.6 приведен граф содержания фрагмента учебного материала данного раздела (см. также табл. 1.1).

1.4. Модель содержания учебного материала

После структурирования и отбора содержания учебного материала формулируют требования по уровню представления , уровню усвоения , степени автоматизации (если это необходимо), уровню осознанности . При этом в таблице УЭ по каждому показателю заполняют две колонки. В первой колонке указывают "стартовый" показатель, который предположительно был получен в результате предшествующего обучения по другим дисциплинам или темам. Во второй колонке указывается "финишный" показатель, который должен быть достигнут в результате обучения по разрабатываемой теме. Учебный элемент вносят в таблицу и, следовательно, планируют его изучение, лишь когда необходимо повысить хотя бы один из показателей. Таким образом устанавливают четкую преемственность и взаимосвязь различных учебных дисциплин или отдельных тем в одной учебной дисциплине. В приведенном выше примере (см. табл. 1.1) начальные показатели соответствуют предполагаемой педагогической квалификации преподавателя технического вуза; конечные показатели отражают квалификацию, необходимую для проектирования и разработки учебных комплексов в системе КАДИС.

 

Рис. 1.6. Пример графа содержания учебного материала

Будем называть совокупность графа содержания и таблицы учебных элементов моделью содержания учебного материала темы. Такая модель позволяет:

• четко определить содержание учебного материала и цели обучения;
• представить содержание в наглядном и обозримом виде;
• привлечь экспертов для обсуждения полноты содержания и целевых показателей уже на начальной стадии проектирования;
• обеспечить четкую преемственность учебных дисциплин;
• перейти к машинным формам представления модели содержания;
• определить состав учебного комплекса;
• сформировать системное (целостное) представление содержания учебного материала как у разработчиков, так и у пользователей комплекса (преподавателей и учащихся);
• сформулировать требования к типу, количеству и последовательности упражнений для осмысления и закрепления теоретического материала.

1.5. Модель освоения учебного материала

Модель содержания учебного материала не содержит ответов на вопросы, в какой последовательности должны изучаться УЭ и каковы логические связи между ними. Эти вопросы рассматриваются при формировании модели освоения учебного материала. Будем иллюстрировать построение этой модели на фрагменте материала данного раздела (см. рис. 1.6 и табл. 1.1).

В состав модели освоения входят матрицы отношений очередности и логических связей УЭ, последовательность изучения УЭ, граф логических связей УЭ (рис. 1.7). Построение модели производят в четыре этапа:

• формирование матрицы отношений очередности УЭ;
• обработка матрицы отношений очередности и построение последовательности изучения учебного материала в виде списка УЭ;
• формирование матрицы логических связей УЭ;
• построение графа логических связей УЭ.

Первый и третий этапы являются неформальными и выполняются на основе анализа учебного материала. Матрицы отношений очередности и логических связей УЭ являются квадратными. Размер матриц равен количеству УЭ. Сначала строят ячейки матриц и нумеруют их строки и столбцы в соответствии с возрастанием УЭ (см. рис. 1.1, а и б). Далее построчно заполняют ячейки матриц нулями и единицами.

 

Рис. 1.1. Пример модели освоения учебного материала:

   (а - матрица отношений очередности УЭ      б - матрица логических связей УЭ      в - последовательность изучения УЭ      г - граф логических связей)

При заполнении ячеек матрицы отношений очередности анализируют простое бинарное отношение очередности между двумя УЭ. Единицу ставят в ячейку, если УЭ, указанный в номере строки, должен изучаться после УЭ, указанного в номере столбца. Противоположное отношение очередности обозначают нулем или оставляют соответствующую ячейку матрицы пустой. Все ячейки главной диагонали матрицы отношений очередности заполняют единицами. Ячейки матрицы, симметричные относительно главной диагонали, должны иметь противоположные отношения (0 или 1). Поэтому неформальный анализ парных отношений очередности можно проводить лишь для левого нижнего или для правого верхнего треугольника матрицы, заполняя ее оставшуюся часть формально на основе свойства антисимметрии.
При заполнении матрицы логических связей УЭ ставят единицу в ячейку, если учебный материал УЭ, указанного в номере строки, логически связан с учебным материалом УЭ, указанного в номере столбца. Составление матрицы логических связей удобно вести на основе матрицы отношений очередности путем исключения единиц из тех ячеек, для которых отсутствуют логические, опорные связи между элементами (см. рис. 1.1, а и б).

Процесс заполнения матриц целесообразно вести, имея перед глазами таблицу УЭ и тексты с учебным материалом по всем УЭ, если они есть. Анализ содержания учебного материала позволяет более объективно выявлять парные отношения очередности и логические связи между УЭ.
Проанализируем в качестве примера некоторые ячейки матриц на рис. 1.1, а и б. Так, единица во второй позиции 3-й строки обеих матриц означает, что 3-й УЭ опирается на 2-й УЭ и учебный материал по модели освоения должен излагаться и изучаться после изложения и изучения понятия модели содержания (см. табл. 1.1). Учебный материал 3-го УЭ непосредственно не опирается на понятие целевых показателей в 7-м УЭ (0 в ячейке 3-7 матрицы логических связей), но, поскольку 7-й УЭ входит в понятие модели содержания 2-го УЭ, во временной последовательности изучения учебного материала 3-й УЭ должен рассматриваться позже 7-го (единица в соответствующей ячейке матрицы отношений очередности).

Не для всех УЭ может быть очевиден выбор последовательности: от общего - к частному или наоборот. Например, понятие проектирования учебных комплексов (УЭ номер 1 в рассматриваемом примере) может излагаться не как обобщение-резюме в п. 1.7 данного раздела, а как общее понятие с перечнем всех этапов проектирования в начале раздела после п. 1.1. В принципе, с точки зрения логики изложения, безразлична очередность рассмотрения УЭ под номерами 7, 8, 9. Поэтому на вид матриц отношений очередности и логических связей, а, следовательно, в дальнейшем и на форму представления учебного материала оказывают влияние не только объективные, но и субъективные факторы: вкусы разработчика комплекса, его привычки, интуитивные представления, склад мышления и т.п. Это естественная ситуация и, конечно же, бояться или стесняться ее не следует.

Последовательность изучения УЭ в пошаговой процедуре обучения определяют в процессе формальной обработки матрицы отношений очередности, суммируя коэффициенты каждой строки матрицы. Полученные суммы записывают в колонке справа от матрицы (см. рис. 1.1, а). Величины сумм указывают порядковые номера соответствующих УЭ в списке последовательности изучения учебного материала (рис. 1.1, в).
Логические связи УЭ отображают для наглядности в виде ориентированного графа (рис. 1.1, г). Строят граф по матрице логических связей УЭ, которая является для него транспонированной матрицей смежности [30]. Целесообразно располагать этот граф под списком последовательности УЭ, сохраняя указанный в списке порядок освоения учебного материала.
Ребра графа логических связей указывают на опорные связи между УЭ. Так, ребра, связывающие УЭ номер 2 с УЭ под номерами 5 и 6 (см. рис. 1.1, г), указывают, что для освоения понятия модели содержания учебного материала в той форме, в которой это понятие вводится в данном разделе пособия, необходимо иметь представление о понятиях графа содержания и таблицы учебных элементов.
Модель освоения учебного материала комплекса определяет последовательность его изложения в учебном пособии, варианты траекторий его освоения в АУК, логические связи при построении гипертекста.

1.6. Определение состава комплекса

Состав комплекса определяют в процессе его проектирования на основе модели содержания учебного материала, руководствуясь, прежде всего, показателем . Напомним, что в соответствии с дидактическими рекомендациями [29] обучение должно проходить последовательно по уровням усвоения: сначала на уровне , затем и т.д. В системе КАДИС предусмотрена следующая последовательность применения различных составляющих учебных комплексов: учебное пособие, АУК, тренажеры, ППП.

Учебное пособие является обязательным компонентом комплекса. Его учебный потенциал при обычном чтении текста . В учебное пособие входят учебные тексты с графическими иллюстрациями, рекомендации по применению комплекса для преподавателей и учащихся, описание и набор задач для тренажеров и учебных ППП. Структуру и содержание учебных текстов определяют граф содержания и перечень УЭ, вид описания - значения , , . Рекомендации по применению содержат возможные схемы использования комплекса (на аудиторных занятиях, при самоподготовке, при самостоятельном изучении темы и т.п.), инструкции по эксплуатации и поддержанию программно-информационного обеспечения. Описание задач включает формулировку и описание типовых задач, сборники задач для обеспечения многовариантной учебной работы, рекомендации по модификации и расширению сборников задач.
Обязательным компонентом учебного комплекса является также АУК или набор автоматизированных курсов. Напомним, что АУК включает структурированную информацию и систему упражнений для осмысления и закрепления учебного материала после изучения пособия. Тип упражнений, разрабатываемых для АУК, в существенной мере определяют показатели и , хотя и также оказывают влияние на форму и содержание упражнений. Необходимо иметь в виду, что возможности АУК, особенно для технических дисциплин, ограничены преимущественно репродуктивным типом обучения из-за отсутствия в инструментальных авторских системах средств для математического моделирования. Поэтому целесообразно планировать АУК в основном для осмысления и запоминания теории на уровне . Подготовке АУК посвящен раздел 2 данной работы.

Тренажеры не являются обязательными компонентами комплекса. Они необходимы только для тех учебных элементов, для которых требования по целевым показателям и не могут быть выполнены с помощью АУК (). Комплекс может содержать несколько тренажеров. Основное их назначение - формирование и развитие практических умений и навыков, ускоренное накопление профессионального опыта . Тренажеры основаны на математическом моделировании объектов и процессов, для них пока не существует универсальных инструментальных средств. Поэтому процесс разработки тренажеров - это весьма трудоемкое дело. Однако их обучающий потенциал весьма высок (). Иногда тренажеры используют и для развития творческих способностей, профессиональной интуиции (). Общие принципы проектирования сценариев тренажеров обсуждаются в разделе 3 данной работы.

Особое место в учебном комплексе занимают учебные ППП. Диапазон их применения достаточно велик: от решения типовых задач по данной дисциплине (, ) до поисковых междисциплинарных исследований (,). Нередко требуемый диапазон по целевым показателям , , может быть удовлетворен и без учебных ППП - с помощью АУК и тренажеров. Однако в ходе курсового и дипломного проектирования, когда общая задача имеет комплексный характер и решается с помощью декомпозиции на ряд частных задач, относящихся к различным темам и дисциплинам, возникает потребность в компьютерных средствах решения этих частных задач. Поэтому целесообразно иметь в составе учебных комплексов учебные ППП, которые позволяли бы (в отличие от тренажеров, имеющих заранее подобранный набор задач) решать задачи по теме комплекса, сформулированные самим обучаемым.
Опираясь на высказанные соображения, в ходе проектирования учебного комплекса заполняют последние четыре столбца таблицы УЭ (см. табл. 1.1), составляют перечень компонент комплекса, формулируют общие требования к его отдельным компонентам, определяют класс задач для тренажеров и учебных ППП.

В приведенном выше примере (см. табл. 1.1) в последних четырех столбцах таблицы УЭ указано знаком , какие требуются типовые средства системы КАДИС для поддержки процесса освоения каждого УЭ. В настоящее время учебный материал данного примера подкреплен в системе КАДИС учебным комплексом, состоящим из учебного пособия, АУК и учебной версии инструментальной среды для создания комплексов, которую в контексте данного изложения можно трактовать как учебный ППП. Отсутствие тренажера частично компенсируется упражнениями АУК, которые позволяют для данного учебного материала выходить на уровень.

1.7. Основные этапы проектирования учебных комплексов

Резюмируя рассмотренный выше учебный материал, можно выделить следующие этапы проектирования учебных комплексов.

1. Построение модели содержания учебного материала.
2. Формирование модели освоения учебного материала.
3. Определение состава комплекса.
4. Написание рукописи учебного пособия.
5. Подготовка АУК.
6. Разработка сценариев для тренажеров.

Построение сценариев и алгоритмов для учебных пакетов прикладных программ.

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ УЧЕБНЫХ КУРСОВ

2.1. Предварительные замечания

С позиций педагогической психологии объектом обучения является психика. Один из краеугольных законов этой науки говорит, что психика проявляется, формируется и развивается только в деятельности. Исходя из этого обучение определяют как управление познавательной деятельностью учащихся с целью формирования у них определенных знаний, умений и навыков, развития личностных качеств.

В соответствии с данным ранее определением (см. п. 1.1) АУК является программно-информационной системой, состоящей из программ для ЭВМ, реализующих сценарии учебной деятельности, и определенным образом подготовленных знаний (структурированной информации и системы упражнений для ее осмысления и закрепления). Отсюда следуют ключевые проблемы проектирования АУК: подготовка информационного описания теоретического материала (учебных текстов, эскизов, графических иллюстраций, сценариев демонстрационно-иллюстрирующих программ и анимаций и т.п.), создание упражнений для активизации процесса усвоения теории, разработка сценариев (алгоритмов управления) для организации эффективной целенаправленной познавательной деятельности учащихся.

Для разработки АУК используют специальные инструментальные программные средства, называемые иногда авторскими системами. Степень совершенства той или иной авторской системы определяется сервисными возможностями по вводу, редактированию, компоновке текстовой части учебного материала, наличием шрифтов для математической символики, использованием графики, типами упражнений (с множественным выбором, с числовым ответом, с конструируемым ответом), включением элементов гипертекста, мультимедиа и т.п. Однако все эти "ухищрения" создателей авторских систем предоставляют разработчикам АУК лишь потенциальные возможности для реализации их дидактических идей. Проектирование АУК ведется за "столом" и является своего рода искусством, вследствие чего АУК, подготовленные разными авторами даже в одной авторской среде, могут существенно отличаться по их дидактической эффективности. В данном разделе рассматривается ряд методических предложений, позволяющих перевести процесс проектирования АУК, естественно не в полной мере, из сферы искусства и дидактических фантазий преподавателей-разработчиков на более обоснованную системно-технологичную платформу, обеспечивая тем самым повышение качества и производительности разработки компьютерных курсов.

2.2. Психологические механизмы усвоения знаний

При разработке сценариев учебной работы целесообразно учитывать психологические закономерности усвоения знаний, установленные в педагогической психологии и позволяющие повысить эффективность процесса обучения. Рассмотрим некоторые наиболее известные и "технологичные" теории усвоения.

Бихевиористская теория обучения. В бихевиоризме (от лат. behavior - поведение) не рассматриваются внутренние процессы человеческого мышления. Изучается поведение, которое трактуется как сумма реакций на какие-либо ситуации. Один из основоположников бихевиоризма Э. Л. Торндайк (1874-1948) считал, что обучение человека должно строиться на базе чисто механических, а не сознательных принципов. Поэтому он пытался описать обучение человека с помощью простых правил, справедливых одновременно и для животных. Среди этих правил выделим два закона, послуживших платформой для дальнейшего развития теории обучения.
Первый из них, названный законом тренировки, говорит о том, что, чем чаще повторяется определенная реакция на ситуацию, тем прочнее связь между ними, а прекращение тренировки (повторения) приводит к ослаблению этой связи.

Второй закон был назван законом эффекта : если связь между ситуацией и реакцией сопровождается состоянием удовлетворенности (удовольствия) индивида, то прочность этой связи возрастает и наоборот: прочность связи уменьшается, если результат действия приводит к состоянию неудовлетворенности. Опираясь на эти законы, последователь Торндайка Б. Ф. Скиннер разработал в начале 50-х годов весьма технологичную методику обучения, названную в дальнейшем линейным программированием [31]. В основу своей методики Скиннер положил универсальную формулу

где - ситуация;

- реакция;

- подкрепление.

учебный материал Скиннер предлагал разбивать на мелкие дозы, каждая из которых должна содержать одну ситуацию. Ситуации должны быть настолько простыми (что почти автоматически обеспечивалось малостью доз учебного материала), чтобы реакции на них практически всегда были правильными. По мнению Скиннера, правильное выполнение учебного задания уже само по себе является положительным подкреплением и приводит учащегося в состояние удовлетворенности.

В текстах программированных учебных пособий Скиннера содержались пропуски (ситуации) - один пропуск на фразу из 2-3 строк. Пропущенные слова располагали на полях страницы. Учащийся, изучая такое пособие, сначала закрывал поля, читал текст, вставляя пропущенные слова, и сразу же проверял себя, открывая ответы. Тексты учебных пособий были написаны таким образом, чтобы в процессе их чтения обеспечивалось многократное повторение всех существенных элементов учебного материала.

Применение программированных пособий Скиннера в профессионально-технических училищах США оказалось успешным: существенно сократилось время обучения, повысилась квалификация обучаемых рабочих. Однако здесь же обнаружились и недостатки методики линейного программирования:

• нудность и механистичность программированных текстов;
• отсутствие системности, целостности в восприятии учебного материала (большое количество мелких доз не способствует обобщениям);
• правильность выполнения простых заданий является положительным подкреплением лишь на первых порах чтения пособия, в дальнейшем правильное выполнение простых ситуаций уже не приносит чувства удовлетворенности;
• отсутствие адаптации (все ученики выполняют одну и ту же программу, идут по одной линии).

Значительная часть этих недостатков была устранена в предложенной Н. А. Краудером [32] схеме разветвленного программирования (рис. 2.1). Краудер предложил увеличить дозу информации (,на рис. 2.1) с 2-3 строк у Скиннера до примерно половины страницы. Типовая ситуация (задание) у Краудера состояла из вопроса () и трех вариантов ответов: - правильный ответ, - неточный ответ, - неправильный ответ. При неточном ответе учащийся отправлялся к корректирующей информации (), при неправильном - ему давалось разъяснение, помощь (). При правильном ответе учащийся получал положительное подкрепление () и переходил к следующей дозе информации (). Таким образом, схема разветвленного программирования имела три пути: для сильных, средних и слабых учащихся.

 

Рис. 2.1. Схема разветвленного программирования

Несмотря на острую критику за принципиальное невмешательство в мышление учащегося (бихевиористы управляют лишь его поведением), бихевиористская теория обучения получила широкое распространение и была реализована в ряде технических обучающих устройств [1]. И в настоящее время универсальная схема этой теории (ситуацияреакцияподкрепление) в ее линейной или разветвленной форме является стержневым фрагментом многих компьютерных обучающих программ.

Ассоциативно-рефлекторная теория усвоения. Ассоциацию в данной теории определяют как связь между психическими явлениями, при наличии которой актуализация одного явления вызывает появление другого. Таким образом, обучение в ассоциативно-рефлекторной теории трактуется как установление связей между различными элементами знания [33]. Связи принято делить на внешние и внутренние. Внешние связи дают чисто механическое заучивание. Например, правило для запоминания цветового спектра: "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан". Внутренние же, логические связи позволяют из одних элементов знания получать (выводить) другие элементы.

Необходимыми условиями для применения ассоциативно-рефлекторной теории усвоения являются наличие у обучаемых определенного фундамента знаний и владение ими логическими операциями, позволяющими связывать между собой ранее изученные и новые элементы знания. Методику ассоциативно-рефлекторного обучения можно представить в виде схемы из шести следующих этапов.

1. Актуализация ранее усвоенных элементов знания (контроль, напоминание).
2. Установление связей между ранее усвоенными и новыми элементами знания.
3. Фиксация и осмысление новых элементов знания.
4. Закрепление новых знаний.
5. Обобщение ранее усвоенных и новых элементов знания в единую систему.
6. Закрепление обобщенного знания.

При конкретной реализации этой схемы в глобальном сценарии учебной работы с обучающей программой локальные сценарии каждого этапа могут быть построены на основе универсальной бихевиористской формулы (2.1).

Теория поэтапного формирования умственных действий. Основы этой теории были заложены П.Я. Гальпериным [34] и в дальнейшем были развиты в работах Н.Ф. Талызиной [35] и других его последователей. В соответствии с этой теорией процесс обучения целесообразно планировать в виде схемы, состоящей из шести следующих этапов.

1. Создание мотивации для изучения учебного материала.
2. Формирование ориентировочной основы деятельности, например, изучение общей структуры учебного материала.
3. Материальная или материализованная форма деятельности. На этом этапе организуется учебная деятельность непосредственно с изучаемыми материальными объектами или с их заменителями: макетами, чертежами, схемами и т.п.
4. Абстрагированная от материальных объектов внешнеречевая деятельность. Это может быть не только проговаривание вслух, но письмо.
5. Абстрагированная деятельность, протекающая в форме внутренней речи (внешняя речь про себя).
6. Учебная деятельность, протекающая в абстрагированной свернутой, умственной форме.

Концепция алгоритмизации. Основная сфера применения этой теории усвоения - изучение алгоритмов решения задач [36]. Технологическая схема учебной работы по этой теории состоит из пяти этапов.

1. Осознание области применения усваиваемых способов.
2. Ознакомление с алгоритмом решения задачи в целом.
3. Учебная деятельность по алгоритму с внешней опорой (алгоритм перед глазами).
4. Учебная деятельность по алгоритму с эпизодической внешней опорой (алгоритма перед глазами нет, но есть возможность заглянуть в его описание).
5. Учебная деятельность по алгоритму без внешней опоры.

Рекомендации по применению психологических теорий усвоения. При проектировании глобального сценария АУК целесообразно планировать в начале учебной работы создание у обучаемых мотивации, знакомство с общей структурой учебного материала АУК (теории алгоритмизации или поэтапного формирования умственных действий), напоминание, если это необходимо, ранее изученного материала (ассоциативно-рефлекторная теория). При разработке локальных сценариев (последовательности выполнения упражнений в ходе изучения отдельных учебных элементов) сначала планируются к выполнению упражнения со схемами, чертежами и другими графическими иллюстрациями (материализованная форма деятельности), а следом за ними - более абстрактные упражнения. Сценарии каждого упражнения целесообразно планировать в соответствии с универсальной бихевиористской формулой (2.1). Учитывая дробный, порционный характер процедуры обучения с помощью АУК, необходимо также предусматривать в глобальном сценарии промежуточные и завершающий обобщающие этапы.

2.3. Элементы управления в сценариях обучающих программ

 

В соответствии с постулатами общей теории управления в любых циклических замкнутых системах управления, в том числе и в педагогических, должны быть реализованы следующие функции:

1. формирование целей управления;
2. установление исходного состояния объекта управления;
3. определение программы воздействий, предусматривающей основные переходные состояния объекта управления;
4. систематический сбор информации обратной связи;
5. переработка информации обратной связи с целью выработки и реализации корректирующих воздействий.

Остановимся более подробно на особенностях понятия обратной связи, присущих педагогическим системам. Обратную связь (ОС) в триаде "Педагог - Обучающая программа - Обучаемый" можно разделить на два вида: внешняя и внутренняя ОС (рис. 2.2).

Внутренняя ОС - это информация, которая поступает от обучающей программы к ученику в ответ на его действия при выполнении упражнений. Она предназначена для самокоррекции учеником своей учебной деятельности. Понятие внутренней ОС имеет исключительно важное значение для автоматизации процесса обучения. Внутренняя ОС дает возможность ученику сделать осознанный вывод об успешности или ошибочности учебной деятельности. Она побуждает ученика к рефлексии, является стимулом к дальнейшим действиям, помогает оценить и скорректировать результаты учебной деятельности. Различают консультирующую и результативную внутреннюю ОС. Консультация может быть разной: помощь, разъяснение, подсказка, наталкивание и т.п. Результативная ОС также может быть различной: от "верно - неверно" до демонстрации правильного результата или способа действия.

Рис. 2.2. Схема взаимодействия в триаде "Педагог - АУК - Обучаемый"

Информация внешней ОС в рассматриваемой триаде (см. рис. 2.2) поступает к педагогу и используется им для коррекции деятельности ученика и обучающей программы.

 

2.4. Состав типового фрагмента АУК

На начальном этапе проектирования АУК декомпозируют его на отдельные фрагменты. Каждый фрагмент соответствует одному УЭ. Расположение фрагментов и их логические связи соответствуют модели освоения учебного материала. Несколько дополнительных фрагментов в начале АУК должны быть посвящены созданию мотивации и общей ориентировки в учебном материале. В конце АУК, учитывая дробный характер пошаговой процедуры программированного обучения, должны быть обобщающие фрагменты.

В состав типового фрагмента АУК могут входить его название, информационный блок, блоки упражнений и комментариев к ним.

Информационный блок (ИБ) содержит теоретический материал, изложенный на заданном для рассматриваемого УЭ уровне представления . Что помещать в ИБ? Здесь могут быть разные подходы, отличающиеся объемом информации.

1. ИБ содержит только наименование УЭ, по которому далее следуют упражнения. Предполагается, что информация по данному УЭ изложена в пособии, учебнике.
2. ИБ содержит краткий реферат (напоминание) информации по УЭ, изложенной в полном объеме на бумажном носителе.
3. ИБ содержит всю информацию по данному УЭ, заменяя либо дублируя бумажный носитель.

Выбор того или иного подхода определяется конкретными обстоятельствами: наличием доступного учебного пособия, содержанием учебного материала, вкусами преподавателя, возможностями инструментальных средств для подготовки АУК, объемом учебного материала, назначением АУК и т.п.

Информационный блок состоит из страниц. Страницами могут быть текстовые и графические экраны, анимационные ролики, видеоклипы, демонстрационные расчетные программы и т.п. Удобно, когда информационный блок содержит 3-5 страниц. Тогда их можно “перелистывать” вперед и назад, осмысливая представленную на них информацию. Напомним, что форма представления информации определяется целевым показателем .

При подготовке информационных блоков целесообразно планировать применение технологий гипертекста, мульти- и гипермедиа. Инструментальные средства гипертекста позволяют разработчику АУК помечать, подсвечивая каким-либо определенным цветом, отдельные ключевые слова или сочетания и связывать их с фрагментами текста в других ИБ, где дается детальное описание этих понятий. Если учащемуся непонятен помеченный термин в тексте, то достаточно подвести к нему курсор, нажать определенную клавишу и получить на экране более подробную информацию по нему, а затем вернуться к исходному тексту. Таким образом осуществляется произвольная навигация по всему тексту, причем каждый учащийся выбирает подходящий для него путь самостоятельно. Заметим, что при подготовке гипертекста необходимо опираться на модель освоения учебного материала - матрицу и граф логических связей между учебными элементами (см. п.1.5).

Технология мультимедиа позволяет оживить текст, сопроводить его графическими иллюстрациями (статическими и динамическими), фотографиями, видеоклипами, фрагментами аудиоинформации. Сочетание технологий гипертекста и мультимедиа получило название гипермедиа [17,18]. При этом появляется возможность связывать с помеченными терминами не только элементы текста, но и графические иллюстрации, анимационные ролики, фрагменты оцифрованной аудио- и видеоинформации.

Применение таких технологий существенно активизирует учебную информацию, делает ее по сравнению с представлением на бумажном носителе более наглядной для восприятия и удобной для усвоения.

Блок упражнений типового фрагмента АУК должен содержать упражнения по каждому уровню усвоения от до . Для каждого уровня необходимо не менее 2-5 упражнений, чтобы обеспечить усвоение с .

Различают тренирующие и контрольные упражнения. Первые используют для осмысления и закрепления информации, с которой учащийся знакомится на лекции, в учебнике, в информационном блоке АУК, вторые - для диагностики и измерения , , , в начале и в конце работы учащегося с АУК. Тренирующие упражнения неразрывно связаны с комментариями, являющимися информацией обратной связи (см. п. 2.3). Упражнения, не сопровождаемые внутренней ОС, являются контрольными.

Подготовка упражнений - это наиболее трудоемкое дело в создании АУК, требующее высокого педагогического мастерства от преподавателя-разработчика. Для каждого УЭ необходимо придумать не только подходящие задания для его усвоения, но и определенным образом расположить и ранжировать их, выбрать форму упражнений (с выборочным, числовым, конструируемым ответами), подготовить эталоны ответов и предусмотреть типовые ошибки. Виды упражнений по каждому уровню усвоения рассматриваются далее в п. 2.5.

Блок комментариев может содержать различные виды информации внутренней ОС для реакций на действия учащихся при выполнении упражнений - от простейших (верно, неверно, неточно) до подробных разъяснений типовых ошибок. Нередко в комментариях используют соответствующие страницы или набор страниц информационного блока.

 

2.5. Тесты

При проектировании АУК значительная часть работы приходится на создание тестов. Они используются в тренирующих и контрольных упражнениях. Тренирующее упражнение - это тест, обязательно сопровождаемый внутренней ОС. Контрольное упражнение - это тоже тест, но уже не сопровождаемый внутренней ОС. Различают тесты для оценки качеств личности, умственных способностей, специальных способностей, тесты достижений. Будем рассматривать только тесты достижений.

Структура теста : Тест = задание + эталон.

Если в тесте отсутствует эталон, то оценка правильности теста подвержена иллюзиям глазомера и субъективным суждениям. А без оценки правильности выполнения теста невозможно провести диагностику и измерение при контроле, сформировать внутреннюю ОС при обучении.

Выделяют пять общих требований к тестам [37]:

• валидность;
• определенность (общепонятность);
• простота;
• однозначность;
• надежность.

Валидность теста - это адекватность. Различают содержательную и функциональную валидность: первая - это соответствие теста содержанию контролируемого учебного материала, вторая - соответствие теста оцениваемому уровню деятельности (в контексте данной работы ).

Выполнение требования определенности (общедоступности) теста необходимо не только для понимания каждым учеником того, что он должен выполнить, но и для исключения правильных ответов, отличающихся от эталона.

Требование простоты теста означает, что тест должен иметь одно задание одного уровня, т.е. не должен быть комплексным и состоять из нескольких заданий разного уровня по . Необходимо отличать понятие "комплексный тест" от понятия "трудный тест". Трудность теста принято характеризовать числом операций , которое надо выполнить в тесте: - первая группа трудности; - вторая группа трудности. Не следует также смешивать понятия простоты-комплексности и легкости-трудности с понятием сложности, которое, напомним, определяется уровнем абстракции .

Однозначность определяют как одинаковость оценки качества выполнения теста разными экспертами. Для выполнения этого требования тест должен иметь эталон. Для измерения степени правильности используют коэффициент

где - количество правильно выполненных существенных операций в тесте или батарее тестов;

- общее количество существенных операций в тесте или батарее тестов.

Существенными считают те операции в тесте, которые выполняются на проверяемом уровне усвоения . Операции, принадлежащие к более низкому уровню по , в число существенных не входят. При считают, что деятельность на данном уровне усвоена.

Понятие надежности тестирования определяют как вероятность правильного измерения величины . Количественный показатель надежности . Требование надежности заключается в обеспечении устойчивости результатов многократного тестирования одного и того же испытуемого. Надежность теста или батареи тестов растет с увеличением количества существенных операций . Так, для при вероятность правильного измерения (надежность теста) ; при ; [29].

Тесты первого уровня. Напомним (см. п. 1.2), что деятельность первого уровня (опознание, ) - это репродуктивная деятельность с помощью (с внешней опорой). В приведенных ниже примерах (табл. 2.1) внешней опорой являются представленные явно сами объекты, по которым задаются вопросы. Здесь и ниже рассматриваются, в основном, примеры тестов по программированию как наиболее инвариантной для потенциальных читателей отрасли знаний.

Таблица 2.1.

Тесты второго уровня. Напомним, что деятельность второго уровня (воспроизведение, ) - это воспроизведение ранее усвоенной информации по памяти от буквальной копии до применения в типовых ситуациях (табл. 2.2).

Таблица 2.2.

Примеры тестов второго уровня

Тесты третьего уровня. При достижении третьего уровня усвоения материала () учащийся способен самостоятельно воспроизводить и преобразовывать усвоенную информацию для обсуждения известных фактов и продуцирования о них субъективно новой информации (новой для него), а также для применения ее в разнообразных нетиповых, реальных ситуациях. Строго говоря, ряд нетиповых задач может быть в процессе обучения переведен в разряд типовых. Однако могут быть учебные задачи, которые по своей природе всегда остаются нетиповыми, сколько бы мы ни упражнялись в их решении, например, формулировка проектной задачи в терминах математического программирования. Учащийся изучил объект проектирования, владеет математическими методами оптимизации. Если объект достаточно сложен, то его проектирование распадается на ряд разнообразных частных проектных задач. Рассмотреть все возможные ситуации в ходе обучения, т.е. перевести их в разряд типовых, зачастую невозможно ввиду их многообразия. Поэтому декомпозиция общей задачи на частные, приведение частных задач к стандартному виду, используемому в оптимизации, является практически всегда нетиповой ситуацией ().

Необходимо различать тип и форму теста. Тип теста будем связывать с уровнем усвоения: опознание, различение, классификация - типы тестов первого уровня; тесты подстановки, конструктивные тесты, типовые задачи - типы тестов второго уровня; нетиповые задачи - тесты третьего уровня. Тип теста определяется характером внутренней мыслительной деятельности, которую должен выполнить учащийся при решении теста.

Форма теста определяет его внешнее представление. Современные инструментальные среды для создания АУК позволяют строить тесты с выборочными, числовыми, конструируемыми ответами. На практике чаще всего применяют тесты с выборочными ответами. Они проще в подготовке (не нужно создавать множество эталонов правильных ответов, обеспечить полноту которого крайне затруднительно) и, что самое главное, проще в использовании. В тестах с выборочными ответами учащиеся основные усилия затрачивают на выполнение задания, а не на набор ответов.

Нередко преподаватели связывают тесты с выборочными ответами только с первым уровнем усвоения (опознание, различение, классификация). К сожалению, это достаточно широко распространенное дидактическое заблуждение является результатом поверхностного суждения. Для определения типа теста важна не его форма, а вид мыслительной деятельности, которую выполняет учащийся при решении теста. Если учащийся анализирует представленные варианты ответов, выполняя операции опознания, различения или классификации, то это тест первого уровня. Если же учащийся сначала конструирует ответ, вспоминая раннее усвоенную информацию либо применяя ее для решения типовой или нетиповой задачи, и лишь после этого выбирает ответ из представленных вариантов, то это тест соответственно второго или третьего уровня усвоения. Причем, если число вариантов ответов больше трех (5-9), то вероятность угадывания невелика.

 

2.6. Сценарии АУК

Рассмотренные выше психологические механизмы усвоения и принципы управления могут быть реализованы в сценариях АУК самым различным образом. Каждый фрагмент АУК может иметь свой сценарий (рис. 2.3). Однако обычно в АУК используют одну или несколько типовых схем (рис. 2.4). Выбор той или иной схемы зависит от назначения АУК, особенностей учебного материала, вкусов преподавателя, возможностей инструментальной среды для подготовки АУК и ряда других факторов. Так, инструментальная среда системы КАДИС позволяет реализовать порядка 10 различных сценариев. При этом разработчику АУК не нужно проектировать какие-нибудь схемы, достаточно лишь заполнить информационную часть АУК и указать логические глобальные связи между фрагментами АУК и локальные связи между различными блоками внутри фрагментов АУК. В дальнейшем при эксплуатации АУК выбор того или иного сценария учебной работы производят в зависимости от конкретных целей применения АУК.

Рис. 2.3. Пример неунифицированного сценария фрагмента АУК

Рис. 2.4. Пример унифицированного сценария фрагмента АУК

Чрезвычайно важно в процессе проектирования информационной части АУК и при разработке сценариев соблюдать последовательность по уровням усвоения (см. рис. 1.5). Сначала должны выполняться упражнения (УПР) на первом уровне, . Лишь после их успешного выполнения () могут выполняться упражнения на втором уровне и т.д. (см. рис. 2.3, 2.4). Здесь тоже возможны варианты. Продвижение вверх по может осуществляться внутри каждого фрагмента АУК, либо сначала идет освоение всех УЭ на уровне , затем на уровне и т.д.

Важное значение имеет также последовательность выполнения упражнений внутри фрагментов АУК на каждом уровне усвоения. Целесообразно создавать разнообразные упражнения в зависимости от реализуемого психологического механизма усвоения. Например, при использовании теории поэтапного формирования умственных действий сначала необходимо планировать упражнения с графическими иллюстрациями (материализованная форма деятельности), а затем - в более абстрактном символьном виде, соответствующем речевой и умственной форме деятельности. Несколько фрагментов в начале АУК должны быть посвящены созданию мотивации и общей ориентировки в учебном материале. Здесь может оказаться полезной модель содержания учебного материала. В конце АУК, учитывая дробный характер пошаговой процедуры обучения, должны быть обобщающие фрагменты. Здесь также можно использовать модель содержания учебного материала для формирования у обучаемого системного представления о теме. Включение модели содержания учебного материала в состав иллюстративных материалов АУК способствует рефлексии обучаемого, т.е. побуждает его анализировать не только конкретный учебный материал, но и способы его изучения.

Порядок расположения фрагментов АУК в глобальном сценарии определяется моделью освоения учебного материала. При этом необходимо учитывать не только последовательность изучения УЭ, указанную в модели, но и логические связи между УЭ, позволяющие, в случае необходимости, вернуться к ранее пройденным опорным УЭ, не проходя всю ранее изученную последовательность.

 

2.7. Основные этапы проектирования АУК

Резюмируя рассмотренный выше учебный материал можно рекомендовать следующую последовательность проектирования АУК.

1. Разработка модели содержания учебного материала АУК. Строят на основе модели содержания всего комплекса. Дело в том, что учебный комплекс может включать набор из нескольких АУК. При этом разбиение учебного материала на УЭ проводят исходя из рекомендуемых размеров информационных блоков (3-5 страниц).
2. Разработка модели освоения учебного материала АУК. За основу принимают модель всего комплекса.
3. Разработка содержания ИБ. Для каждого УЭ готовят учебные тексты, эскизы графических иллюстраций, сценарии анимационных вставок и т.п. Здесь же готовят ИБ для мотивационных, вводных и обобщающих фрагментов АУК.
4. Формирование последовательности ИБ. Располагают их в соответствии с моделью освоения учебного материала и с учетом мотивационных, вводных и обобщающих ИБ.
5. Выбор структуры АУК. Возможные варианты: глобальная многослойная структура, при реализации которой все УЭ осваиваются на уровне , затем на уровне и т.д.; локальная многослойная структура, в которой продвижение вверх по осуществляется внутри каждого фрагмента АУК.
6. Разработка упражнений и кадров обратной связи к ним. Для каждого ИБ готовят не менее 2-5 упражнений на каждом уровне усвоения , предусмотренном в модели содержания учебного материала. Типы упражнений выбирают в соответствии с уровнем усвоения (см. п. 2.5) и выбранным психологическим механизмом усвоения (см. п. 2.2). Последовательность выполнения упражнений планируют также с учетом выбранной теории усвоения. Форму упражнений определяют на основе возможностей используемой инструментальной среды.

Таковы основные этапы проектирования АУК. Естественно, что ориентация на конкретные инструментальные среды для разработки АУК будет вносить какие-либо изменения, но они вряд ли будут принципиальны в дидактическом плане. Например, если инструментальная среда располагает гипертекстовыми возможностями, то они могут быть достаточно просто учтены в проекте АУК на этапе 2-4.

 

3. СЦЕНАРИИ ИНЖЕНЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

 

В состав типового комплекса системы КАДИС наряду с традиционными средствами компьютерной поддержки процесса обучения АУК и ППП могут быть включены также программно-информационные системы, называемые тренажерами (см. п.1). Идея тренажеров и принципы их построения были сформулированы в процессе многолетних исследований по компьютеризации обучения в техническом вузе [38-46], поэтому изложение данного раздела будем вести применительно к инженерной подготовке. Вдумчивый читатель сумеет интерпретировать рассматриваемые методические предложения к своей сфере деятельности.

3.1. Двойственный характер компьютеризации инженерной подготовки

Основными направлениями инженерной деятельности являются проектирование, изготовление и эксплуатация приборов, машин, строительных сооружений и других технических объектов [47]. Широкое использование вычислительной техники (ВТ) во всех этих сферах деятельности современного инженера предъявляет к его профессиональной квалификации ряд дополнительных требований, заключающихся в овладении новыми информационными технологиями инженерного труда.

Однако сущность инженерной квалификации остается прежней и заключается не только и даже не столько во владении формализованными методами решения инженерных задач, сколько в развитой интуиции, так называемом инженерном чутье, опирающемся на знание фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов и умение глубоко анализировать эти свойства. Такие профессиональные качества всегда ценились в инженере, а к настоящему времени их роль, в связи с широким внедрением ВТ в промышленности, в строительстве, на транспорте, еще более возросла. Чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования. Чтобы принимать технически грамотные решения при работе с САПР или другими человеко-компьютерными комплексами, необходимо уметь правильно воспринимать и осмысливать результаты вычислений, учитывать трудно формализуемые факторы, всегда имеющиеся в инженерной деятельности.

Важную роль на протяжении всей учебы в техническом вузе играют многочисленные задания и учебные проекты с большим объемом вычислительной работы. Так, например, при подготовке инженера по самолетостроению трудоемкость 12 курсовых работ и проектов составляет 1300 ч, т.е. около 15% общего бюджета учебного времени студента [45]. Поэтому значительные усилия в области компьютеризации учебного процесса в техническом вузе направляются на автоматизацию трудоемких или, как их иногда называют, "рутинных" учебных работ. В ряде случаев эта автоматизация создает предпосылки для более глубокого изучения свойств технических объектов на математических моделях, проведения в учебном процессе параметрических исследований и оптимизации. Более того, развитие новых информационных технологий в некоторых инженерных дисциплинах достигло такого высокого уровня, что позволяет, как бы это ни звучало парадоксально, перенести акцент в обучении с освоения формализованных методов инженерного труда на углубленное изучение физических закономерностей. Так, появление и развитие в механике твердого деформированного тела метода конечных элементов, разработка на его основе универсальных программных комплексов, постепенно переходящих в разряд стандартных сертифицированных программных средств, поставляемых вместе с компьютерами, заставляет по-новому взглянуть на содержание таких классических и существенно формализованных инженерных дисциплин, как сопротивление материалов и строительная механика, перенести акцент в их изучении с многочисленных частных "формульных" методик расчета внутренних усилий в конструкциях на "физику" силового взаимодействия и общие закономерности.

Но при всей несомненной полезности автоматизация инженерного труда в учебных задачах не всегда приводит к повышению качества собственно инженерной подготовки. Студенты порой не получают в полном объеме даже тех знаний свойств технических объектов, которые им давало традиционное докомпьютерное обучение. К тому же относительная легкость получения результата с применением ЭВМ снижает интерес к самому результату. Так, целеустремленный поиск путем ряда проб оптимального или рационального решения в проектных задачах гораздо интересней и поучительней для будущего инженера, чем получение только одного оптимального проекта, который нельзя улучшить и не с чем сравнить.

Плохую услугу инженерной подготовке иногда оказывает и скрытность вычислительных процессов, выполняемых на ЭВМ. Многие вычисления, которые мы нередко объявляем рутинной работой, обладают большим обучающим эффектом, так как позволяют проследить и понять связь значений варьируемых переменных технического объекта с его характеристиками.

Любопытным примером двойственного влияния компьютеризации обучения (позитивного и негативного) на инженерную подготовку является применение САПР. Эксплуатация САПР в промышленности приводит, как показывают наблюдения, к ускоренному расслоению инженеров, пользователей этих систем, на две группы [43]. Первая, к сожалению, меньшая группа инженеров быстро повышает свою квалификацию в предметной области благодаря заинтересованному анализу машинных расчетов. При большом количестве вариантов проекта такой анализ позволяет выявить основные закономерности изменения характеристик проекта от варьируемых проектных переменных и способствует тем самым быстрому и глубокому изучению свойств объектов проектирования. Для этой группы инженеров САПР является не только решателем задач, но и своеобразным интеллектуальным тренажером, способствующим ускоренному накоплению профессионального опыта.

Квалификация второй группы пользователей, в основном из молодых специалистов, развивается интенсивно в престижной сфере овладения сложными техническими и программными средствами САПР. При этом осваиваются преимущественно формализованные методы и средства автоматизированного проектирования, а анализ результатов расчетов оказывается на втором плане, вследствие чего профессиональный опыт в предметной области, несмотря на большое количество решаемых задач, накапливается медленно, и инженер порой перерождается в своего рода инженера-оператора ЭВМ.

Следовательно, применительно к предметной области САПР обладают как обучающими, так и противоположными свойствами. Причем, применение САПР в учебном процессе приводит к такому же расслоению студентов, но с еще более малочисленной группой, проявляющей склонность к анализу результатов расчетов. Именно это обстоятельство и является в ряде случаев причиной осторожного отношения преподавателей инженерных дисциплин к использованию ВТ в учебном процессе. Опытные конструкторы высказывают опасение, что компьютеризация обучения может негативно повлиять на развитие таких важных инженерных качеств, как интуиция, конструкторское мышление, способность к глубокому анализу свойств объектов проектирования. Традиционная же методика развития этих инженерных качеств, основанная на учебном проектировании без привлечения ЭВМ, в силу ее недостаточной интенсивности и малой престижности, уже не удовлетворяет современным требованиям.

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что, наряду с освоением будущими инженерами новых информационных технологий, в ходе компьютеризации обучения необходимо не только сохранить, но и с помощью средств ВТ усилить инженерную подготовку в конкретной предметной области, опирающуюся на знание и понимание фундаментальных физических принципов построения и функционирования технических объектов и процессов.

 

3.2. Дидактический анализ АУК и учебных ППП

Универсальные авторские системы для подготовки АУК практически не имеют средств для математического моделирования объектов и процессов, для выполнения расчетных и проектных работ. Поэтому возможности применения АУК в технических дисциплинах ограничиваются в основном этапом репродуктивного обучения (), в ходе которого учащиеся осваивают артикулируемую часть знания, подготовленную в виде информации, проходят контроль и производят коррекцию усвоения информации, предварительно изученной по учебнику, учебному пособию или конспекту лекций.

Чаще всего компьютерную поддержку учебного процесса в технических дисциплинах осуществляют только с помощью пакетов прикладных программ. Это либо промышленные разработки, либо их учебные копии. Учебные ППП имеют обычно ряд упрощений по сравнению с их промышленными аналогами, обусловленных в основном экономическими соображениями. Учитывая двойственный характер компьютеризации обучения, о котором говорилось выше, во многих разработках делаются попытки усилить обучающий потенциал учебных ППП и ослабить их негативное влияние. Но эти попытки нередко не имеют четкой психолого-педагогической основы и носят преимущественно полуэмпирический характер. Поэтому большое количество учебных ППП, за небольшим исключением действительно удачных разработок, порой не удовлетворяют по своим дидактическим характеристикам даже самих разработчиков. По данным, приведенным в работах [22, 23], число учебных программ, которые нельзя назвать даже удовлетворительными с дидактической точки зрения, составляет 80-95% от их общего количества.

В большинстве случаев сценарии работы студентов с учебными ППП копируют технологию аналогичных инженерных работ. Обучающие функции в этих сценариях реализуются преподавателем. Рассмотрим общую схему таких сценариев (рис. 3.1).

На начальном этапе работы с ППП обучаемый уясняет задачу и разрабатывает варианты ее решения: генерирует проекты в проектно-конструкторских задачах, выдвигает гипотезы в учебном исследовании. Здесь же выбираются математическая модель объекта или процесса и соответствующая программа из пакета, готовятся исходные данные для расчета. Этот этап очень важен с точки зрения инженерной подготовки. Он позволяет обучаемому применить накопленные ранее знания, проявить творческие способности и интуицию. На данном этапе вполне допустимы неэффективные и даже ошибочные решения. Человеку свойственно учиться на своем опыте. Важно только, чтобы в ходе дальнейшей учебной деятельности допущенные ошибки были вскрыты, проанализированы и исправлены.

 

Рис. 3.1.Схема теплового сценария учебной работы с ППП.

При использовании промышленных ППП дидактический потенциал начального этапа работы с ППП не всегда удается реализовать в полной мере. Трудоемкость подготовки исходных данных в промышленных ППП, вычислительные затраты на расчет нередко таковы, что в рамках массового учебного процесса можно позволить обучаемому произвести лишь однократный расчет. Поэтому неэффективные решения и ошибки корректируются в ходе предшествующей расчету консультации-проверки преподавателя, что лишает обучаемого возможности проведения по-настоящему самостоятельного исследования.

Во многих учебных ППП обычно предусматривается возможность проведения повторных расчетов, следовательно, корректировки, вносимые преподавателем в ходе консультации-проверки, могут быть ограничены лишь явными ошибками.

Следующий этап работы с ППП включает ввод исходных данных, собственно расчет и вывод результатов расчета. Эта работа выполняется в диалоговом или пакетном режимах взаимодействия обучаемого с ЭВМ. Обучение на этом этапе ограничивается освоением техники работы с компьютером (что, безусловно, важно для современного инженера), но не затрагивает сущности инженерной подготовки.

Основная учебная деятельность, имеющая исключительно важное значение для инженерной подготовки, выполняется на этапах анализа результатов расчета, выбора рационального решения, корректировки ранее принятых решений. Но выполнение этой деятельности () вызывает, как правило, у студентов значительные затруднения, так как они не обладают еще достаточной квалификацией. В лучшем случае они освоили теоретический материал на уровне воспроизведения (). Поэтому на этапах осмысливания результатов расчета как при работе с промышленными ППП, так и со многими учебными ППП, требуется существенная помощь преподавателя. Это и усиление мотивации к критическому анализу результатов, и выделение каких-либо особенностей, разъяснение, оценка принятых решений и т.д.

Однако в условиях реального учебного процесса в технических вузах количество консультаций преподавателя ограничено небольшим числом, причем консультации могут быть значительно отдалены по времени от получения результатов расчета. Нередко обучаемый имеет возможность проконсультироваться у преподавателя тогда, когда он уже сам слабо помнит, какие решения принимались на этапе подготовки к расчету. Кроме того, помощь преподавателя не всегда может быть полной. Например, оценить эффективность проектного решения преподаватель, даже опытный, может только качественно, поскольку количественные параметры оптимального решения могут быть неизвестны даже в учебных задачах.

Указанные недостатки (неоперативность, малая интенсивность и неполнота помощи преподавателя) порой приводят к тому, что студент, получив распечатку результатов, вкладывает ее в отчет о лабораторной работе, пояснительную записку к курсовому проекту, не утруждая себя серьезным анализом. В итоге на защите подобных учебных работ можно слышать бездумные ответы типа: "Так посчитала ЭВМ". Заметим, что именно это обстоятельство и является в ряде случаев причиной, мягко говоря, осторожного отношения преподавателей к использованию вычислительной техники в инженерной подготовке.

Таким образом, значительный учебный потенциал ППП, заключающийся в возможности изучать свойства различных объектов и процессов с помощью математического моделирования и вычислительных экспериментов, во многих случаях оказывается нереализованным, поскольку осмысленная учебная работа с ППП требует определенной инженерной квалификации, которой студенты в большинстве своем еще не обладают.

Подводя итог анализу дидактических возможностей АУК и ППП, сделаем краткие выводы:

1) АУК позволяют освоить учебный материал на уровне ;

2) познавательный потенциал ППП гораздо выше ();

3) при использовании в учебном процессе АУК и ППП возникает пробел (разрыв) в логике обучения, который необходимо заполнить;

4) предлагается заполнить этот пробел с помощью специальных обучающих программ, создаваемых на основе ППП и называемых тренажерами.

3.3. Принципы построения сценариев тренажеров
на основе ППП

Первый принцип - организация циклического, замкнутого управления познавательной деятельностью учащихся. Этот фундаментальный принцип общей теории управления уже обсуждался в данной работе в п. 2. Рассмотрим его применительно к тренажерам.

Напомним, что циклической, замкнутой системой управления называют систему с обратными связями. В педагогических системах ОС делят на внутреннюю и внешнюю. Информация внутренней ОС поступает к обучаемому и используется им для самокоррекции своей деятельности (см. рис. 2.2). Информация внешней ОС поступает к педагогу и используется им для коррекции деятельности обучаемого и обучающей программы.

Понятие внутренней ОС имеет исключительно важное значение для построения тренажеров на основе ППП. Внутренняя ОС призвана частично заменить помощь преподавателя на этапах анализа результатов и принятия решений. Работая с учебным ППП, обучаемый должен оперативно получать информацию о правильности (или эффективности) своих действий. Строго говоря, результаты расчета сами по себе являются основной информацией внутренней ОС. Но, как уже отмечалось выше, их анализ не всегда доступен обучаемому. Необходимо давать ему дополнительную информацию, которая бы стимулировала и помогала проводить вдумчивое изучение результатов расчета.

Простейшим дополнительным сообщением, которое, как показывает опыт, стимулирует интерес к анализу результатов расчета, является сообщение об оценке действий, выполненных обучаемым на этапе подготовки к расчету. Это может быть оценка правильности выдвинутой гипотезы в учебном исследовании, оценка эффективности проектного решения, оценка качества построения математической модели и т.п. Кроме оценки, обучаемому может предоставляться и определенная вспомогательная информация для анализа и коррекции принятых решений. Степень развернутости этой информации, помогающей обучаемому принимать рациональные решения, определяется результатами оценки его деятельности (рис. 3.2).

Выделим ряд общих требований к внутренней ОС: оперативность, наглядность, вариантность по степени оказания помощи, продуктивно-творческий характер вспомогательной информации, дружественная форма человеко-машинного диалога.

Существенный вклад в реализацию этих требований вносит применение в тренажерах интерактивной машинной графики. Известно, что скорость восприятия информации, представленной в графическом виде, на несколько порядков выше, чем скорость чтения и осмысления символьных данных. Говорят, что инженеры мыслят образами. Поэтому применение машинной графики, особенно интерактивной, заметно интенсифицирует и повышает качество познавательной деятельности (см. п. 4).

Рис .3.2. Схема сценария тренажера, построенного на основе ППП.

Построение тренажеров на основе ППП дает возможность формировать вспомогательную внутреннюю ОС продуктивно- творческого характера, т.е. не в виде готовых подсказок, а в виде такой информации об изучаемых объектах или процессах (преимущественно в наглядной графической форме), которая побуждала бы обучаемого к размышлению и рефлексии. Эта возможность появляется за счет математического моделирования, обеспечивающего высокую степень полноты и достоверности получаемых данных об изучаемых объектах или процессах.

При проектировании сценариев тренажеров для изучения технических объектов или процессов целесообразно использовать так называемые коэффициенты чувствительности, которые представляют собой частные производные какой-либо важной характеристики объекта или процесса по различным параметрам. Коэффициенты чувствительности являются сами по себе внутренней ОС высокого дидактического качества. Анализ коэффициентов чувствительности в ходе работы на тренажере позволяет выявить активные и пассивные параметры, исследовать их влияние на характеристики изучаемого объекта или процесса.

Требование дружественной формы человеко-машинного диалога предполагает естественность языка диалога, наличие ободряющих реплик в лексиконе ЭВМ, быстрый отклик на запрос обучаемого (не более 2-3 секунд задержки), наличие подсказок по технике ведения диалога. Словом, задачи могут быть сложными и трудными, но общение с ЭВМ должно быть простым и приятным для обучаемого. Следует избегать фамильярности в репликах ЭВМ. "Живость" в положительных или отрицательных оценках, конечно, разнообразит диалог, но может неадекватно восприниматься разными людьми. Лучший способ сохранить хорошие отношения между тренажером и обучаемыми - это корректность и определенная "дистанция" в репликах ЭВМ.

Информация внешней ОС необходима преподавателю для анализа самостоятельной работы обучаемых и коррекции всего процесса обучения. Вовсе не обязательно, чтобы она была оперативной. Анализ информации внешней ОС может быть отсроченным, а коррекция по его результатам может проводиться в ходе групповых и индивидуальных консультаций, в процессе формирования банка учебных задач, последовательности их предъявления обучаемым, при совершенствовании тренажеров. Внешняя ОС должна предоставлять преподавателю возможность получать объективную количественную оценку учебной деятельности каждого ученика и статистику по учебной работе всей группы. Преподаватель должен иметь возможность анализировать не только итоговую оценку, но и путь, по которому продвигался обучаемый в ходе решения учебной задачи. Такой анализ позволит оказывать более дифференцированную помощь при проведении индивидуальных консультаций.

Второй принцип - обязательное эвристическое решение задач, предлагаемых при работе с тренажером, с последующим сопоставлением результатов с машинным вариантом решения. Проиллюстрируем этот принцип схемой типового сценария тренажера для проектировщиков. Эвристическое проектирование предполагает диалог с ЭВМ: обучаемый генерирует варианты проекта, а ЭВМ проводит анализ предлагаемых вариантов и оценивает их по выбранному критерию эффективности. Заметим, что при "ручных" расчетах проанализировать много вариантов проекта невозможно. Быстрая же качественная оценка, не говоря уже о количественной, недоступна порой даже опытному педагогу-проектировщику. Применение ЭВМ позволяет автоматизировать трудоемкие рутинные вычисления и оставить за обучаемым только те функции, которые требуют интеллекта, т.е. функции осмысления результатов и принятия решений. Количество анализируемых вариантов проекта резко увеличивается и вместе с тем увеличивается объем накопленных знаний об объекте проектирования при неизменном времени обучения.

Нередко рациональное проектное решение может быть получено и с помощью машинной оптимизации, например, с использованием методов нелинейного программирования. Однако и в этом случае эвристическое проектирование должно предшествовать машинной оптимизации. В ходе диалога обучаемого с ЭВМ целесообразно предоставлять ему сначала лишь информацию о величине критерия эффективности оптимального проекта, чтобы активизировать процесс решения проектной задачи, а полную машинную оптимизацию давать возможность использовать лишь после выполнения определенного числа попыток эвристического проектирования. Такая последовательность учебной работы позволяет обучаемым проявить свои творческие способности и в полной мере оценить достоинства, а порой и недостатки машинной оптимизации.

На завершающем этапе тренажа проектировщика целесообразно планировать анализ наиболее интересных и поучительных проектных задач рассматриваемого класса. Для этой цели в тренажере формируют специальный архив. По каждой задаче в архиве хранят ее исходные данные и оптимальные решения в виде, допускающем различные формы представления результатов. Архив может содержать также комментарии опытного преподавателя-проектировщика, которые могут предъявляться обучаемому по его запросу. Анализ оптимальных решений из архива, подкрепляемый комментариями опытного преподавателя, позволяет закрепить и усилить учебный эффект предшествующего самостоятельного проектирования.

Третий принцип - создание соревновательных ситуаций для активизации познавательной деятельности. Схема рассмотренного выше сценария учебного проектирования позволяет легко ввести соревновательные и, следовательно, игровые элементы. Это может быть соревнование либо на получение наиболее рационального проекта при выдаче одинаковых заданий всем обучаемым, либо на достижение минимальной относительной разницы в критериях эффективности между эвристическими и оптимальными машинными решениями при выдаче различных заданий. Причем при второй форме соревнования обучаемые непосредственно состязаются с ЭВМ, что, как показывают наблюдения, является психологически более щадящим и более привлекательным для большинства обучаемых, чем прямое состязание друг с другом.

Конечно, не всегда соревновательная ситуация сама просится в сценарий тренажера, как в проектных задачах. Следовательно, ее необходимо придумать. Типовая соревновательная ситуация предполагает наличие какого-либо простого критерия оценки решения задачи и некоторого его конечного значения, к которому должен стремиться обучаемый в процессе решения задачи. Даже такой простой игровой элемент удивительно стимулирует учебную работу. Автор неоднократно был свидетелем, как не только студенты и аспиранты, но и весьма солидные по возрасту слушатели факультетов повышения квалификации инженеров и преподавателей настолько увлекались "играми" на тренажерах, описанных в п. 3.4, что забывали о времени и прочих заботах.

В заключение отметим, что общие принципы, рассмотренные выше, не охватывают, конечно же, всей совокупности методических способов и приемов построения сценариев эффективных тренажеров. Многое в них определяет специфика предметной области. Но именно в "чужой" сфере деятельности можно нередко "подсмотреть" что-то действительно новое, необычное. Поэтому перейдем к примерам.

3.4. Примеры сценариев тренажеров

Рассмотрим сценарии некоторых тренажеров учебных комплексов системы КАДИС, общее описание которых дано в разделе 5.

Пример 1 - сценарий тренажера комплекса БАЛКА, предназначенного для изучения методов анализа и построения эпюр перерезывающих сил и изгибающих моментов при плоско-поперечном изгибе балок в курсе сопротивления материалов [48]. Учебная работа с тренажером предусматривает решение задач двух типов: определение правильных эпюр при заданных нагрузках (прямые задачи) и реконструкция нагрузок для заданных эпюр (обратные задачи). Учебную работу с тренажером начинают с выбора режима: решение прямых или обратных задач. Далее регистрируют фамилию и выбирают задачу из базы данных. Решение прямых задач заключается в определении правильных эпюр из пяти вариантов, показываемых на экране (рис. 3.3). При решении обратных задач обучаемый, пользуясь мышью или клавиатурой, выбирает и расставляет нагрузки, соответствующие, по его мнению, заданным эпюрам (рис. 3.4). В любой момент диалога обучаемый может запросить помощь теоретического характера - 10 коротких общих рекомендаций-советов по анализу эпюр (см. рис. 3.3). Он может выбрать и другие виды помощи - от простейшей подсказки до демонстрации правильного решения задачи.

 

Рис. 3.3. Фрагмент решения прямой задачи на тренажере комплекса БАЛКА.

Сообщение о неверном решении обратной задачи дополняется выводом эпюр под введенные обучаемым нагрузки с наложением на заданные условия (см. рис. 3.4). Это простейший пример вспомогательной информации внутренней ОС продуктивно-творческого характера. Сопоставляя заданные и полученные эпюры, обучаемый может самостоятельно, обращаясь, при необходимости, к указанной выше помощи теоретического характера, проанализировать свое решение и попытаться исправить допущенные ошибки.

Основные данные о ходе учебной работы: фамилии и номера групп обучаемых, номера задач, количество обращений за помощью, число попыток решения задачи и результат решения автоматически фиксируются в базе данных тренажера и используются преподавателем в качестве информации внешней ОС для анализа самостоятельной работы студентов и управления процессом обучения (рис. 3.5). Преподаватель может также легко и быстро пополнять сборник задач, модернизируя уже имеющиеся задачи или вводя новые (рис. 3.6).

Рис 3.4. Фрагмент решения обратной задачи на тренажере комплекса БАЛКА.....- исходные эпюры:----эпюры для введенных нагрузок.

Рис.3.5. Статистика по учебной работе тренажера комплекса БАЛКА.

Рис.3.6. Ввод новой задачи в базу данных тренажера комплекса БАЛКА.

Пример 2 - сценарий тренажера комплекса СТРУКТУРА, предназначенного для изучения методов проектирования структур механических конструкций [49]. Формулировка типовых задач, решаемых на тренажере, выглядит следующим образом. Считаются заданными нагрузки, условия опирания и границы плоской области, в которую должна быть вписана конструкция. Требуется найти рациональную с точки зрения минимума массы силовую схему (структуру) плоской конструкции. В качестве примера здесь рассматривается задача о проектировании силовой схемы конструкции мостового крана с двумя вариантами ( и ) нагружения стрелы (рис. 3.7).

Деятельность по решению подобных задач в существенной мере основана на неартикулируемой части знания (см. п.1). Поэтому главная учебная цель данного тренажера - изучение рациональных путей передачи усилий в конструкциях, ускоренное накопление соответствующего конструкторского опыта и развитие на его основе профессиональной интуиции - умения предвосхитить и спрогнозировать рациональные пути передачи внутренних усилий в конструкциях, что всегда отличало хорошего конструктора.

Рис.3.7. Пример типовой задачи тренажера комплекса СТРУКТУРА .

Самостоятельная работа обучаемого с тренажером состоит из семи этапов. На первом этапе он вводит свою фамилию, номер группы и номер задачи. Условия задачи считываются из базы данных тренажера и высвечиваются на экране (см. рис. 3.7).

На втором этапе обучаемый конструирует на основе эвристических соображений, используя курсор, управляемый мышью или клавиатурой, рациональный, по его мнению, вариант структуры ферменной конструкции (рис. 3.8).

На третьем этапе производится расчет напряженного и деформированного состояния выбранного варианта фермы и производится оценка его эффективности. Для оценки эффективности вычисляются и выводятся на экран следующие показатели: масса предлагаемого варианта силовой схемы; ее отклонение в % от массы теоретически оптимальной конструкции; разница в % с ранее полученной наилучшей фермой, хранящейся в архиве сборника задач.

Теоретически оптимальная конструкция (ТОК) является своеобразным идеалом в решении задачи. Ее получают для каждой задачи из сборника с помощью специальных алгоритмов, реализованных в учебном ППП комплекса СТРУКТУРА. Результаты расчета ТОК записывают в архив решений сборника задач при его заполнении. Наилучшая ферма - это лучшее решение, полученное предшественниками обучаемого. Обновление лучших решений по каждой задаче производится автоматически.

Рис.3.8. Фрагмент эвристического конструирования ферменной конструкции.

Такая оценка предлагаемого варианта конструкции создает на третьем этапе работы с тренажером своеобразную соревновательную ситуацию, которая усиливает мотивацию к дальнейшей учебной работе.

На четвертом этапе обучаемый анализирует деформированное и напряженное состояние фермы, выделяет нагруженные и слабо работающие элементы (рис. 3.9, 3.10). Заметим, что высокий учебный потенциал этого этапа реализуется за счет усиления мотивации к анализу на этапе оценки эффективности конструкции. На основе анализа силовой работы фермы обучаемый может скорректировать предлагаемый вариант или предложить какой-либо новый вариант фермы. Исчерпав возможности эвристического проектирования, обучаемый может выбрать по меню подсказку и перейти к пятому или шестому этапу работы.

На пятом этапе проводится анализ чувствительности координат узлов фермы (рис. 3.11). Годографы коэффициентов чувствительности показывают здесь предпочтительные направления смещений узлов ферменной конструкции. На основе этого анализа выявляются не только наиболее рациональные направления смещения узлов, но и оценивается вся совокупность возможных решений, что чрезвычайно важно для обучения.

Рис.3.9. Деформированное состояние фермы под нагрузкой

Рис.3.10. Распределение внутренних усилий в ферме

На шестом этапе проводится анализ силовой работы ТОК (рис. 3.12, 3.13). Этот анализ позволяет обучаемому выявить рациональные пути передачи усилий в проектной области, что также весьма ценно для обучения. Заметим, что реализации весьма высокого учебного потенциала пятого и шестого этапов в существенной мере способствует этап эвристического проектирования силовой схемы, поскольку лишь после эвристического проектирования создается мотивация к осознанному и целенаправленному анализу путей улучшения конструкций. После анализа коэффициентов чувствительности и анализа ТОК обучаемый может еще раз попытаться улучшить структуру конструкции, т. е. еще раз повторить все этапы работы на тренажере. На заключительном, седьмом этапе тренажа обучаемый может посмотреть ранее полученную наилучшую ферму из архива сборника задач и в дальнейшем попытаться улучшить уже этот вариант структуры (рис. 3.14). Таким образом, в ходе самостоятельной работы обучаемого с тренажером предусматривается многократное прохождение цикла эвристического синтеза, машинных расчетов, анализа и осмысливания результатов. При этом необходимость целенаправленного улучшения проектных решений создает мотивацию для углубленного изучения силовой работы теоретически оптимальной конструкции. После завершения индивидуальной самостоятельной работы обучаемых проводится групповое занятие, на котором преподаватель демонстрирует, сопровождая необходимыми комментариями, теоретически оптимальные конструкции из архива поучительных и интересных задач.

Рис.3.11. Годограф коэффициентов чувствительности в одном из узлов фермы.

Рис. 3.12. Распределение материала в теоретически оптимальной конструкции

Рис. 3.13. Распределение усилий в теоретически оптимальной конструкции.

Рис.3.14. Лучшая ферма из архива тренажера

Пример 3 - сценарий тренажера комплекса ОПТИМИЗАЦИЯ, предназначенного для освоения математических методов оптимизации [50]. В качестве типовых оптимизационных задач в этом тренажере используются задачи по проектированию рационального положения опор балочных конструкций. Заданными считаются геометрические размеры балки, схема нагружения, тип и некоторое исходное положение опор балки. Жесткость балки по ее длине предполагается постоянной. Требуется расположить опоры таким образом, чтобы пик изгибающего момента имел минимальное значение (рис. 3.15).

Формулировка таких задач физически проста и понятна инженеру. Но с математической точки зрения эти задачи обладают даже при двух варьируемых переменных спектром интересных особенностей (нелинейным характером изменения целевых функций, многоэкстремальностью, наличием "оврагов"), которые позволяют проводить исследования сильных и слабых сторон различных алгоритмов оптимизации (рис. 3.16). Сборник задач тренажера содержит более 50 балок с различными условиями опирания и нагружения и может легко модифицироваться и расширяться.

В сценарии учебной работы с тренажером можно выделить пять этапов. Первый этап - эвристическое проектирование положения опор балки. Обучаемый с помощью курсора, управляемого "мышью" или клавиатурой, расставляет опоры балки, стремясь уменьшить пик изгибающего момента (рис. 3.17). Своеобразным стимулом, вносящим также соревновательный элемент в учебную работу, является отклонение от оптимума, выводимое в правый верхний угол экрана после каждой попытки эвристического проектирования. В качестве вспомогательной информации внутренней ОС обучаемый может также использовать эпюры перерезывающих сил и изгибающих моментов (рис. 3.18). Анализ физических закономерностей задачи может сделать эвристический поиск более целенаправленным. Так, в рассматриваемом примере оптимум достигается, когда величины изгибающих моментов на опорах и в середине пролета между опорами достигнут в процессе оптимизации одинаковых значений.

Рис.3.15. Пример типовой задачи тренажера комплекса ОПТИМИЗАЦИЯ.

Рис. 3.16. Трехмерное изображения поверхности целевой функции.

Рис. 3.17. Фрагмент эвристического проектирования положения опор балки

На втором этапе учебной работы обучаемый изучает характер изменения целевой функции для решаемой задачи по линиям равного уровня (ЛРУ) и трехмерному изображению ее поверхности (см. рис. 3.16). Мотивация и интерес к такому изучению создаются естественным образом в ходе предшествующего этапа эвристического проектирования.

На третьем этапе обучаемый работает с той же балкой, что и на предыдущих этапах, но решает задачу оптимизации уже с использованием математических методов. Набор программ оптимизации тренажера включает алгоритмы из разных семейств поисковых методов: метод статистических испытаний Монте-Карло, сканирование по сетке, покоординатная оптимизация, градиентный метод наискорейшего спуска, метод конфигураций Хука-Дживса, метод деформируемого многогранника Нелдера-Мида. Выбрав алгоритм, обучаемый производит настройку его параметров, тип и количество которых (4-7) определяются спецификой алгоритма (рис. 3.19). Все алгоритмы реализованы таким образом, чтобы эффективность их работы существенно зависела от параметров настройки. Чем лучше обучаемый знает свойства алгоритма, тем быстрее он подберет рациональные величины параметров настройки и тем эффективнее будет поиск. В любой момент диалога обучаемый может получить помощь теоретического характера и посмотреть на экране дисплея в "окне" помощи краткое описание любого алгоритма (рис. 3.20). В процессе оптимизации на экран дисплея выводятся графическое изображение балки с меняющимся положением опор и протокол оптимизации, в котором содержится текущее положение опор и величина целевой функции. Обучаемый может прервать работу алгоритма оптимизации практически в любой момент времени для коррекции параметров настройки, смены алгоритма, анализа промежуточных результатов оптимизации. На этапе анализа обучаемому предоставляется вспомогательная информация внутренней ОС с различной степенью развернутости. Это могут быть эпюры силовых факторов в балке (см. рис. 3.18), траектория поисковой точки в области изменения проектных переменных (рис. 3.21). Геометрия этих траекторий позволяет обучаемому судить о характере изменения целевой функции и о поведении выбранного алгоритма в зоне поиска. Более детальный анализ обучаемый может провести по траекториям поисковой точки, наложенным на линии равного уровня функции цели (рис. 3.22). Сопоставляя эти траектории с характером изменения целевой функции, он может проанализировать специфику работы каждого алгоритма, выявить ошибки, допущенные в процессе его настройки.

Рис.3.18. Анализ физических особенностей задачи оптимизации.

Рис.3.19. Настройка алгоритмов оптимизации

Оценка эффективности поиска производится с помощью специального критерия, который позволяет сравнивать между собой результаты решения различных задач, исследовать поведение различных алгоритмов, влияние параметров настройки на эффективность алгоритмов [38, 44].

На четвертом этапе проводят контрольное тестирование. Обучаемые получают новые задачи и решают их с помощью алгоритмов оптимизации в течение фиксированного промежутка времени. В процессе решения доступны все виды помощи, кроме линий равного уровня и трехмерного изображения поверхности целевой функции. Оценивают контрольный тест по величине критерия эффективности.

Пятый этап - свободное исследование алгоритмов оптимизации. Обучаемые могут выбирать любые балки из сборника задач, вводить свои задачи, причем число варьируемых опор может достигать пяти. Накопленный на предыдущих этапах опыт стимулирует интерес к такому исследованию и позволяет достаточно квалифицированно планировать проведение вычислительных экспериментов.

Рис. 3.20. Фрагмент теоретической помощи

Рис.3.21. Траектории различных поисковых алгоритмов на линиях сетки координат проектных переменных

Рис. 3.22. Траектории поисковых алгоритмов на линиях равного уровня целевой функции.

Информация внешней ОС - фамилия и номер группы обучаемого, номера решаемых им задач, критерий эффективности поиска (который может трактоваться как критерий уровня обученности), количество обращений за помощью (описанию алгоритмов, линиям равного уровня) - автоматически фиксируется на диске и может использоваться преподавателем для управления процессом обучения. При необходимости преподаватель может проанализировать ход самостоятельной работы обучаемого, визуализировав на экране линии равного уровня целевой функции с траекториями поиска (см. рис. 3.22), которые сохраняются во временном архиве базы данных тренажера.

 

4. КОГНИТИВНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА В ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКЕ

 

Появление и развитие средств интерактивной компьютерной графики (ИКГ) открывает для сферы обучения принципиально новые графические возможности, благодаря которым учащиеся могут в процессе анализа изображений динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности. Эти и ряд других возможностей ИКГ слабо еще осознаны педагогами, в том числе и разработчиками информационных технологий обучения, что не позволяет в полной мере использовать учебный потенциал ИКГ. Дело в том, что применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление.

Воздействие ИКГ на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного в работе [51] когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой. В данном разделе рассматриваются роль и место когнитивной компьютерной графики в инженерной подготовке, обсуждается ряд известных и предлагаются новые более когнитивные способы графического отображения полей физических параметров, описываются алгоритмы построения соответствующих изображений и приводятся результаты сопоставления рассмотренных способов визуализации с позиций их когнитивной эффективности.

4.1. Дуализм человеческого мышления

Человеческое сознание использует два механизма мышления [52]. Один из них позволяет работать с абстрактными цепочками символов, с текстами и т.п. Этот механизм мышления обычно называют символическим, алгебраическим или логическим. Второй механизм мышления обеспечивает работу с чувственными образами и представлениями об этих образах. Его называют образным, геометрическим, интуитивным и т.п. Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление - с правым полушарием.
Основные различия в работе полушарий головного мозга человека обнаружил американский ученый Р. Сперри, который однажды в лечебных целях рискнул рассечь межполушарные связи у больных эпилепсией [53]. Человек, у которого было "отключено" правое полушарие, а "работало" левое, сохранял способность к речевому общению, правильно реагировал на слова, цифры и другие условные знаки, но часто оказывался беспомощным, когда требовалось что-то сделать с предметами материального мира или их изображениями. Когда же работало одно "правое" полушарие, пациент легко справлялся с такими задачами, хорошо разбирался с произведениями живописи, в мелодиях и интонациях речи, ориентировался в пространстве, но терял способность понимать сложные речевые конструкции и совершенно не мог сколько-нибудь связно говорить.
Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в этом мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Естественно-языковая речь, мышление словами, рационально-логические процедуры переработки информации и т.п. - все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей и открытий и т.п. Весь тот сложный механизм образного мышления, который нередко определяют одним термином "интуиция", и является правополушарной областью деятельности мозга.

Нередко правополушарное мышление связывают с деятельностью в искусстве. Иногда это мышление даже называют художественным. Однако и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления. Любопытны высказывания крупных ученых о роли интуиции в научной деятельности. "Подлинной ценностью, - говорил А. Эйнштейн [54], - является, в сущности, только интуиция. Для меня не подлежит сомнению, что наше мышление протекает, в основном, минуя символы (слова) и к тому же бессознательно". И в другом месте: "Ни один ученый не мыслит формулами" [55].

Даже такая абстрактная формализованная область науки, как математика, в существенной мере использует правополушарное мышление. "Вы должны догадаться о математической теореме прежде, чем вы ее докажите; вы должны догадаться об идее доказательства прежде, чем вы его проведете в деталях" [56]. А. Пуанкаре высказывается еще более определенно: " ... для того, чтобы создать арифметику, как и для того, чтобы создать геометрию или какую бы то ни было науку, нужно нечто другое чем чистая логика. Для обозначения этого другого у нас нет иного слова, кроме слова "интуиция" [57].

Различие между двумя механизмами мышления можно проиллюстрировать принципами составления связного текста из отдельных элементов информации: левополушарное мышление из этих элементов создает однозначный контекст, т.е. из всех бесчисленных связей между предметами и явлениями оно активно выбирает только некоторые, наиболее существенные для данной конкретной задачи [58]. Правополушарное же мышление создает многозначный контекст, благодаря одновременному схватыванию практически всех признаков и связей одного или многих явлений. Иными словами логико-знаковое мышление вносит в картину мира некоторую искусственность, тогда как образное мышление обеспечивает естественную непосредственность восприятия мира таким, каков он есть.

Человеческое мышление и человеческое поведение обусловлено совместной работой обоих полушарий человеческого мозга. В одних ситуациях преобладает логический компонент мышления, в других - интуитивный. По мнению психологов все люди делятся на три группы: с преобладающим "левополушарным" мышлением, с "правополушарным", со смешанным мышлением. Это разделение генетически предопределено, и существуют специальные тесты для определения склонности к тому или иному типу мышления [58].

Описанные выше фундаментальные различия между лево- и правополушарной стратегией переработки информации имеют прямое отношение к формированию различных способностей. Так, для научного творчества, т.е. для преодоления традиционных представлений, необходимо восприятие мира во всей его целостности, что предполагает развитие способностей к организации многозначного контекста (образного мышления). И действительно, существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, монотонная работа. Люди же, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы "закрепощены" собственным формально-логическим мышлением. Отсюда ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным рассудочностью, чтобы не иссякал творческий потенциал человека.

В разработке интеллектуальных систем, как отмечает Д.А. Поспелов, имеет место "левополушарный крен" [52]. Еще в большей, по-видимому, степени такой "левополушарный крен" характерен и для современного образования, в том числе для используемых в нем компьютерных методов и средств. Явление это не такое уж безобидное. Негативное влияние компьютеризации инженерной подготовки, о котором говорилось выше (см. п. 3.1), во многом объясняется слабым воздействием используемых компьютерных систем на интуитивный, образный механизм мышления.

В связи с этим четкое выделение неявных, подсознательных компонент знания позволяет также четко ставить задачу их освоения, формулировать соответствующие требования к методам и средствам обучения, в том числе и к методам компьютерной графики.

4.2. Иллюстративная и когнитивная функции компьютерной графики

В настоящее время интерактивная компьютерная графика - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. Так, в научных исследованиях, в том числе и в фундаментальных, характерный для начального этапа акцент на иллюстративной функции ИКГ все более смещается в сторону использования тех возможностей ИКГ, которые позволяют активизировать "... свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами" [59]. В связи с этим начинают четко различать две функции ИКГ: иллюстративную и когнитивную [51].

Иллюстративная функция ИКГ позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная же функция ИКГ состоит в том, чтобы с помощью некоего ИКГ-изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Основная идея различий иллюстративной и когнитивной функций ИКГ, выделенная в работе [51] при описании использования ИКГ в научных исследованиях, хорошо вписывается в классификацию знаний и компьютерных систем учебного назначения (см. п. 1.1). Иллюстративные функции ИКГ реализуются в учебных системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными, аудио- и видеоиллюстрациями (рис. 4.1). Когнитивная же функция ИКГ проявляется в системах процедурного типа, когда учащиеся "добывают" знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов и процессов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему. Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Рис. 4.1. Концептуальное различие между когнитивной и иллюстративной функциями компьютерной графики

Роль ИКГ в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно ИКГ-изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно также, что ИКГ-изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не "вкладывались" преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом, иллюстративная по замыслу функция ИКГ-изображения превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция ИКГ-изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах превращается в функцию иллюстративную для уже "открытого" и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта.

Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения, делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функции компьютерной графики и позволяют более четко формулировать дидактические задачи ИКГ-изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

4.3. Задачи когнитивной компьютерной графики

В предисловии к работе [51] известный специалист в области искусственного интеллекта Д. А. Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики. Первой задачей является создание таких моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для логического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление. Вторая задача - визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания. Третья - поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин.

Разработчики систем инженерного анализа, автоматизированного проектирования и учебных компьютерных систем процедурного типа имеют дело со второй из описанных здесь задач когнитивной графики, когда знания о техническом объекте, полученные в ходе исследований на многомерных математических моделях и представленные в обычной символьно-цифровой форме, становятся недоступными для анализа человеком из-за большого объема информации. Рассмотрим далее ряд способов отображения полей физических характеристик технических объектов и алгоритмы построения соответствующих изображений, обладающих высоким когнитивным потенциалом.

4.4. Исходные предпосылки алгоритмов визуализации

Будем считать, что набор стандартных графических функций, которые используют программисты при разработке учебных прикладных программ, позволяет высвечивать на экране дисплея точку, указав ее координаты и цвет, проводить отрезок прямой линии, указав его цвет и координаты концов, осуществлять геометрические преобразования координат и преобразования проецирования.

Будем также считать, что изображаемое поле физических характеристик представлено в виде дискретных значений в узлах плоской сети элементов (ПСЭ) треугольной или четырехугольной формы. Эта сеть может отображать или все поле, либо его фрагмент, например, сечение трехмерного поля плоскостью. Заметим, что такая форма представления параметров естественна для ряда численных сеточных методов, например, широко используемый в САПР метод конечных элементов предполагает сеточную аппроксимацию.

Итак, на входе прикладных графических программ, реализующих рассматриваемые ниже алгоритмы, должно быть топологическое и геометрическое описание ПСЭ со значениями отображаемых характеристик в узлах сети. Топологию сети удобно хранить в виде матрицы, в каждой строке которой указан номер элемента ПСЭ и номера окружающих его узлов. Геометрическое описание ПСЭ - это матрица, в строках которой указаны координаты узлов сети.

В зависимости от способа визуализации будем использовать два вида аппроксимации отображаемых параметров в пределах элемента ПСЭ: постоянную и билинейную. Для постоянной аппроксимации в пределах четырехугольного элемента ПСЭ величина изображаемого параметра , где - величины параметров в узлах сети, окружающих элемент ПСЭ.

Для билинейной аппроксимации введем безразмерные координаты и и вспомогательный квадрат (рис. 4.2). Соответствующее преобразование координат и изображаемого параметра осуществляется по формуле, аналогичной так называемым функциям формы в методе конечных элементов [60]:

(4.1)

Рис. 4.2. Трансформация произвольного четырехугольника во вспомогательный квадрат.

Рассмотрим последовательно 7 способов отображения физических характеристик: 4 способа - для визуализации скалярных полей и 3 способа - для отображения векторных характеристик, таких как напряженность или магнитная индукция электромагнитного поля, линии тока в аэрогидродинамике, распределение усилий или армирующего набора в силовых конструкциях. Будем иллюстрировать рассматриваемые способы фрагментами графического диалога, ведущегося в тренажерах и учебных ППП системы КАДИС.

4.5. Сплошные цветографические изображения

Суть этого способа визуализации заключается в том, что внутренняя область ПСЭ закрашивается в различные цвета, соответствующие определенным интервалам величины изображаемого параметра. Обычно используется цветовая гамма, в которой по мере убывания величины параметра цвета меняются от теплых (красного и желтого) к холодным (синему и фиолетовому). Изображение строится по элементам ПСЭ. Алгоритмы закраски элемента базируются либо на идее построчного сканирования по вспомогательному квадрату с шагом, соответствующим размерам элемента растровой сетки дисплея, и окраской этих элементов, называемых пикселями или пэлами [61], в соответствии с выражением (4.1), либо на идее растрового сканирования вдоль оси и построения цветных отрезков вдоль оси . Во втором алгоритме цвет отрезка определяется интервалом , а координаты концов отрезка находятся из (4.1) для фиксированных значений и границ заданных интервалов . Переход цветовой палитры через границы элементов ПСЭ происходит плавно, поскольку аппроксимирующая функция (4.1) линейна вдоль сторон четырехугольников ПСЭ, что обеспечивает непрерывность поверхности отображаемого параметра.

Для монохромных дисплеев по таким алгоритмам могут строиться тоновые изображения (рис.4.3).

 Рис 4.3. Тоновое изображение оптимального распределения материала в пластине под нагрузкой [49].

4.6. Линии равного уровня

Построение линий равного уровня (ЛРУ) осуществляется по элементам ПСЭ. Два следующих алгоритма основаны так же, как и алгоритмы закраски, на сканировании по сетке вспомогательного квадрата, шаг которой соответствует растру дисплея. В одном из этих алгоритмов на линиях сетки сканирования, параллельных оси , отыскиваются точки с заданными значениями уровней изображаемого параметра. Точки с равными значениями параметра на соседних линиях сканирования соединяются отрезками прямых линий, если между этими точками нет "впадины" или "возвышения" билинейной поверхности (4.1). Построенные отрезки, удлиняясь в процессе сканирования, образуют семейство ЛРУ на каждом элементе ПСЭ. В другом алгоритме задаются не значения уровней, а интервалы величин, образующие ряд "полос" заданного уровня. Построение ЛРУ осуществляется закраской полос. Толщина ЛРУ на экране дисплея зависит от заданной ширины интервала и от характера изменения отображаемой поверхности. В обоих алгоритмах стыковка ЛРУ на границах элементов ПСЭ происходит естественным образом, поскольку аппроксимирующая функция (4.1) линейна вдоль сторон четырехугольников ПСЭ (см. рис. 3.22).

4.7. Точечные изображения

Поле каждого элемента ПСЭ на экране дисплея заполняется светящимися точками. Плотность расположения точек соответствует величине отображаемого параметра. Заполнение участков ПСЭ с постоянной плотностью (это может быть поле всего четырехугольника или его части) осуществляется с помощью датчика случайных чисел (ДСЧ). Такое заполнение сглаживает разрывы отображаемой поверхности даже при постоянной аппроксимации параметра в пределах одного элемента ПСЭ (рис. 4.4). Перед построением точечного изображения отыскивается максимальное значение , которому ставится в соответствие плотность заполнения точек, равная 80-90% от плотности сплошной закраски. По этому пределу нормируется в дальнейшем плотность заполнения точек на каждом четырехугольнике ПСЭ. При построении изображения на элементе ПСЭ вспомогательный квадрат предварительно разбивается осями и на четверти, поскольку стандартные ДСЧ оперируют числами в интервале [0,1]. В пределах каждой четверти плотность точек считается постоянной. Координаты точек и определяются с помощью ДСЧ, преобразуются по формуле (4.1) в координаты и и далее переводятся в экранную систему координат. Цвет точек определяется по заданным цветовым интервалам с использованием выражения (4.1).

Рис. 4.4. Точечное изображение оптимального распределения материала в пластине под нагрузкой [49].

4.8. Полигональные сети

 Изображение выводится на дисплей в виде центральной проекции поверхности отображаемого параметра. Поверхность аппроксимируется сетью треугольников и четырехугольников с прямыми сторонами. Такую сеть принято называть полигональной [61]. Простейшая полигональная сеть может быть получена отображением ПСЭ на параметрическую поверхность (рис. 4.5). Наглядность изображения в существенной мере зависит от выбора положения точки зрения наблюдателя при центральном проецировании и от наличия или отсутствия невидимых участков поверхности. Построение полигональных сетей по заданным ПСЭ не представляет трудностей и не требует больших вычислительных затрат. Соответствующий алгоритм сводится к обычным геометрическим преобразованиям координат и преобразованиям проецирования узловых точек базовой ПСЭ и параметрической поверхности, которые затем соединяются отрезками прямых линий. Однако анализ видимости линий существенно увеличивает вычислительные затраты, иногда на два - три порядка [61].

 Рис. 4.5. Полигональная сеть поверхности целевой функции [50].

4.9. Изображения в виде ориентированных отрезков переменной длины

Этот способ применяется для отображения векторных характеристик, например, силовых потоков [49]. Для него используется постоянный закон аппроксимации параметров в пределах элемента ПСЭ. Ориентированные отрезки изображаются в центрах элементов, их длины в выбранном масштабе соответствуют величинам параметров (рис. 4.6). Перед построением изображения вычисляется из соображений наглядности максимальная длина отрезка, относительно которой нормируются в дальнейшем отрезки на всех элементах. Изображение строится по элементам ПСЭ. В центре четырехугольника помещается местная прямоугольная система координат, одна из осей которой ориентируется в направлении изображаемого параметра. Далее в координатах местной системы определяются концевые точки отрезка так, чтобы его середина совпала с центром элемента, производится преобразование полученных координат в общую систему и проводится прямая линия, соединяющая концевые точки отрезка.

Рис 4.6. Распределение усилий в пластине, представленное в виде ориентированных отрезков переменной длины [49].

4.10. Изображения в виде коротких ориентированных отрезков постоянной длины

Этот способ визуализации также предназначен для отображения векторных характеристик. После каждого элемента ПСЭ заполняется с помощью ДСЧ короткими ориентированными отрезками постоянной длины. Плотность расположения отрезков соответствует величине изображаемого параметра (рис. 4.7). Перед построением изображения вычисляется из соображений наглядности максимальная плотность отрезков, относительно которой нормируется плотность отрезков на всех элементах ПСЭ. В центре четырехугольного элемента ПСЭ помещается прямоугольная местная система координат, одна из осей которой ориентирована в направлении изображаемого параметра. Координаты средних точек отрезков определяются с помощью ДСЧ так, как это делается при построении точечных изображений. В дальнейшем построение каждого отрезка производится так же, как в предыдущем алгоритме.

Рис 4.7. Распределение усилий в пластине, представленное в виде коротких ориентированных отрезков постоянной длины [49].

4.11. Изображения в виде ориентированных решеток

Для этого способа визуализации так же, как и для двух предыдущих способов, используется постоянная аппроксимация по элементам ПСЭ. Поле элемента заполняется решеткой в виде одного или двух семейств однонаправленных линий, плотность и ориентация которых соответствуют величинам и ориентациям изображаемых характеристик (рис. 4.8). Для идентификации семейства используется цвет. Построение изображения производится на основе тех же алгоритмических идей, что и в предыдущих двух способах: определяется предельная плотность решетки; на каждом элементе строится прямоугольная местная система координат; внутри элементов проводятся отрезки прямых линий, концы которых располагаются на сторонах элементов.

Рис. 4.8. Распределение усилий в пластине, представленное в виде ориентированных решеток [49].

4.12. Управление изображениями

В процессе анализа результатов расчетов пользователь прикладной программы должен иметь возможность выбрать способ изображения и настроить его для достижения наибольшей наглядности. При настройке изображения можно выбирать: цветовую гамму (количество, вид и последовательность используемых цветов); количество уровней для построения ЛРУ; положение точки зрения наблюдателя и вид центрального проецирования для полигональных сетей; длину коротких ориентированных отрезков; коэффициент контрастирования.

Контрастирование изображений можно применять для более четкого выделения закономерностей в распределении изображаемых параметров, при этом разница между большими и малыми величинами искусственно завышается. Контрастирование осуществляется с помощью следующей зависимости: , где - номер узла ПСЭ; - максимальное значение параметра в узлах ПСЭ; и - величины параметра до и после контрастирования соответственно; - коэффициент контрастирования ().

Для удобства пользователя в программах настройки изображения целесообразно использовать принцип умолчания: если пользователь не хочет управлять изображением, то все необходимые параметры алгоритмов визуализации принимаются по умолчанию равными среднестатическим значениям.

4.13. Оценка эффективности

 Для выработки рекомендаций по рациональному использованию рассмотренных выше способов графического отображения была проведена их сравнительная оценка применительно к задачам проектирования силовых конструкций. Оценка проводилась по комплексному критерию , где - количество частных критериев; - оценка по частному критерию, ; - весовой коэффициент, учитывающий значимость соответствующего критерия, .
В качестве частных критериев использовались 8 показателей, характеризующих следующие аспекты рассматриваемых способов: адекватность целям и содержанию проектирования силовых конструкций; адекватность методикам обучения, реализованным в учебных прикладных программах; естественность и доступность для восприятия человеком; удобство для анализа качественных закономерностей распределения параметров; эстетическая привлекательность; простота управления построением изображения; быстрота формирования изображения; алгоритмическая простота.
Исследование проводилось с помощью экспертных оценок метода Дельфи [62]. В качестве экспертов привлекались преподаватели вузов и инженеры, разработчики и пользователи учебной и промышленной САПР силовых конструкций [41, 63]. Результаты исследований показывают, что при интерактивном проектировании силовых конструкций для отображения скалярных характеристик целесообразно использовать точечные изображения, а для отображения векторных полей - ориентированные решетки (рис. 4.9). Более детально результаты и методика исследования описаны в работе [42].

Рис 4.9. Результаты исследований эффективности различных способов визуализации:
а - скалярные изображения; б - векторные изображения.

5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СРЕДА СИСТЕМЫ КАДИС

 

В данном разделе рассматриваются инструментальные средства, разработанные в системе КАДИС для подготовки и эксплуатации учебных комплексов. Одна из первых версий инструментальной среды получила название системы автоматизированного проектирования автоматизированных учебных курсов (САПР АУК) [64]. В дальнейшем, несмотря на расширение ее функций от разработки АУК до подготовки целостных комплексов, включающих набор АУК, тренажеров, учебных ППП, это название было сохранено.

Учебную версию инструментальной среды можно получить на WWW-сервере ЦНИТ СГАУ

5.1.  Общее описание

В состав САПР АУК входят следующие компоненты: данное учебное пособие, АУК для освоения и закрепления методики проектирования учебных комплексов, программные средства, информационное обеспечение.
Информационное обеспечение САПР АУК включает базы данных двух типов: базы данных с учебным материалом и журнал. Учебный материал содержит для каждого АУК блоки информации, упражнения, словарь терминов и понятий с их синонимами и определениями, условия вызова подключаемых программ (тренажеров, учебных ППП и т.п.). В журнале накапливается статистика по работе учащихся со всеми АУК.
Программные средства САПР АУК реализуют четыре вида интерфейсов: учащихся, преподавателей-пользователей и преподавателей-разработчиков учебных комплексов, администратора САПР АУК. Структурно все программы также можно разделить на четыре основные части: "проигрыватель" учебных комплексов, обеспечивающий работу учащихся и преподавателей-пользователей; инструментальную оболочку, позволяющую преподавателям-разработчикам наполнять базу данных учебных комплексов; набор программных утилит, реализующих некоторые дополнительные функции в работе преподавателей-разработчиков; утилиты администратора САПР АУК (прил.).

5.2.  Интерфейс учащихся

 Программные средства интерфейса учащихся реализуют следующие виды учебной работы: просмотр теории в АУК, тренаж по теории с использованием упражнений АУК, контроль, работу со словарем терминов и понятий, работу с подключаемыми к АУК другими компонентами комплекса: тренажерами, учебными ППП и т.п.
Режим просмотра теории заключается в предъявлении учащемуся страниц информации в виде текстовых и графических экранов, мультипликационных вставок, видеоклипов, демонстрационно-иллюстрирующих программ. Учащийся имеет возможность перелистывать страницы информации вперед или назад, смотреть теорию с начала или с конца, отыскивать нужный раздел по оглавлению (рис. 5.1.).

Рис. 5.1. Оглавление информационного блока АУК

В этом режиме используются элементы технологии гипермедиа. По помеченному термину учебного текста учащийся может получить его определение (рис. 5.2), посмотреть связанные с ним страницы любого типа (текстового, графического и др.). В ходе работы с гипертекстом автоматически формируется история навигации, с помощью которой учащийся может вернуться на любой этап просмотра теории (рис. 5.3). В любой момент просмотр теории может быть прерван по желанию учащегося.

Рис. 5.3. История навигации по гипертексту

Режим тренажа по теории предусматривает предъявление учащемуся упражнений (вопросов и задач с выборочными ответами, задач с числовым ответом, вопросов и задач с конструируемыми ответами). После выполнения каждого упражнения следует сообщение о правильности его выполнения, и учащемуся предоставляется возможность посмотреть соответствующие данному упражнению комментарии (объяснения типовых ошибок и т.п.). Роль комментариев могут выполнять и страницы информации (рис. 5.4). Режим тренажа может быть полным и выборочным. В полном тренаже могут быть предъявлены все упражнения АУК в том порядке, в каком они были подготовлены его разработчиком. Выборочный тренаж предусматривает выборку упражнений с использованием элементов случайности. Количество упражнений в выборке задает учащийся.

Рис. 5.4. Фрагмент тренажа по теории

Основная цель тренажа - осмысление и закрепление теоретического материала, изученного (прочитанного) в пособии или при работе с АУК в режиме просмотра теории. В ходе тренажа автоматически ведется измерение качества выполнения упражнений и подсчитывается текущее значение показателя уровня усвоения. Тренаж может быть прерван по желанию учащегося либо принудительно, если текущее значение показателя уровня усвоения будет меньше пороговой величины, заданной преподавателем (разработчиком или пользователем АУК). Это сделано, чтобы исключить возможность работы для тех учащихся, кто предварительно не знакомился с учебным материалом. После окончания тренажа выдается его итоговая оценка в обычной четырехбалльной шкале (неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично), соответствующая рекомендованным интервалам (см. рис. 1.4).

Режим контроля может быть двух видов: по вопросам и по билетам. Контроль по вопросам предусматривает случайную выборку заданного количества контрольных вопросов и задач из всей совокупности упражнений АУК. Набор упражнений в билетах формируется преподавателем (разработчиком или преподавателем АУК). Выборка билетов для контроля производится случайным образом. Итоговая оценка выдается в четырехбалльной шкале. Учащийся может проанализировать протокол контроля, посмотреть формулировку любого задания, данный им ответ и правильный ответ (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Протокол контроля

Словарь терминов и понятий позволяет учащемуся не только в наглядном и обозримом виде проанализировать основные термины, но и посмотреть их краткие определения, синонимы, экраны с соответствующей теорией, пройти выборочно (по термину) тренаж по теории или контроль (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Словарь терминов и понятий

Для работы с входящими в состав комплекса программами (тренажерами, учебными ППП и т.п.) учащийся выбирает соответствующий пункт главного меню после пункта "Словарь" (рис. 5.7). В момент загрузки программы для ее работы высвобождается практически вся оперативная память ЭВМ. После отработки вызываемой программы производится возврат в головное меню комплекса.

Рис. 5.7. Меню режимов работы учащихся

5.3. Некоторые особенности подготовки АУК

Основные этапы подготовки АУК и последовательность их выполнения учащимися указаны в п. 2.7. Ниже рассмотрим содержание некоторых этапов более детально применительно к инструментальной среде системы КАДИС. Сначала обсудим третий этап - подготовку содержания информационных блоков.

Ведущей частью ИБ обычно является текст. Его размещают на текстовых страницах - экранах. Поле текстового экрана имеет размер 19 строк по 70 символов. При подготовке текста можно использовать арабские цифры, кириллицу, латинский алфавит, т.е. те символы, которые имеются на обычной клавиатуре ПЭВМ. Для каждого АУК можно сформировать библиотеку из 20 спецсимволов (под- и надстрочные символы, греческие буквы и т.п.). При подготовке текста можно планировать выделение его фрагментов различными цветами: фон, либо сам текст.

Параллельно с подготовкой текста готовят эскизы графических иллюстраций (статическая графика, располагаемая на одном или нескольких экранах), сценарии анимационных вставок и видеоклипов, содержание аудиофрагментов, планируют использование демонстрационных программ.

Все эти элементы - страницы информации - целесообразно нумеровать в соответствии с типом страницы, например: текстовые страницы - ST1, ST2, ST3, ...; графические экраны - SG1, SG2, SG3, ...; анимационные вставки - SAN1, SAN2, SAN3, ... и т.д.

На следующем (четвертом) этапе подготовки АУК (см. п. 2.7) формируют последовательность расположения страниц информации для режима просмотра теории. Опираясь на модель освоения материала (см. п. 1.5), записывают последовательность номеров страниц информации, например: ST1, SG1, SG2, ST2, SAN1, ST3, SG3 и т.д.

При подготовке упражнений на шестом этапе необходимо иметь в виду, что их основная форма в САПР АУК - тесты с выборочными ответами. Тестовое задание размещают на текстовом поле размером 6 строк по 70 символов. Варианты ответов (до 10) готовят так, чтобы не превысить максимальный размер поля для каждого ответа - 9 строк по 70 символов. Особенности записи текстов вопросов и ответов такие же, как и при подготовке текстовых страниц ИБ (использование кириллицы, арабских цифр, спецсимволов, цветовых пометок).

Тексты тестового задания и(или) ответов могут быть дополнены графическим дополнением - графическим экраном, на котором размещают иллюстрацию вопроса и(или) вариантов ответов.

С каждым упражнением могут быть связаны комментарии, которые при работе с АУК предъявляются в режиме тренажа по теории. Комментарии могут содержать теоретический материал по данному вопросу, разбор решения содержащейся в тесте задачи и т.п. Комментарии к каждому тесту могут располагаться на одном текстовом экране и(или) на нескольких (до 27) графических экранах.

Обычно тесты готовят по теоретическому материалу, содержащемуся в информационных блоках. Существенная особенность САПР АУК заключается в том, что текстовая или графическая страница (экран) ИБ должна быть связана хотя бы с одним тестом. Поэтому в качестве комментариев к тестам часто используют страницы ИБ.

При подготовке тестов удобно их записывать следующим образом. Сначала пишут идентификатор теста, например: B1, далее текст вопроса и под ним - варианты ответов с оценками. Если необходимо, отдельно готовят эскиз графического дополнения и идентифицируют его, например: GRD1. Если в качестве комментариев не планируют к использованию страницы ИБ, то также отдельно готовят текст и(или) эскизы соответственно текстового и(или) графических экранов, идентифицируя их, например: TK1, GK1, GK2 и т.д.

Завершая подготовку теста, записывают после ответов с оценками идентификаторы связанных с ним графического дополнения, текстового и графических комментариев, например: GRD1, ST1, SG1, SG2 или GRD1, TK1, GK1, SG3.

Заметим, что один и тот же элемент ИБ (текстовая или графическая страница), одно и то же графическое дополнение могут быть связаны с различными тестами.

Инструментальная среда системы КАДИС предусматривает в качестве одного из основных режимов работу со словарем терминов и понятий (см. п. 5.2.). Поэтому после разработки упражнений готовят словарь. Термины в словаре целесообразно располагать в последовательности, определяемой моделью освоения учебного материала. Их количество - не более 256. Каждый термин может состоять из нескольких слов, размещаемых на одной строке длиной не более 60 символов. После каждого термина указывают список страниц информации, которые логически связаны с этим термином, например: ST1, ST2, SG1, ST3 и т.д., не более 200 ссылок. Необходимо иметь в виду, что в процессе работы САПР АУК связанные с термином страницы информации "потянут" за собой тесты, для которых они являются комментариями. Именно эти тесты и будут предъявляться в тренаже или контроле по выбранному в словаре термину.

После подготовки словаря формируют таблицу характеристик АУК. Она состоит из трех частей: общих характеристик, характеристик контроля и тренажа. Общие характеристики включают уникальное имя АУК (не более 8 символов), общее количество упражнений в АУК (не более 200), пароль ввода-изменения АУК из набора любых символов в количестве от 6 до 15 (без пароля доступ к АУК возможен только в режимах работы учащегося), максимальное время для выполнения одного контрольного упражнения (от 1 до 999 сек.), идентификатор текущего режима контроля (ФЧВ или ПВЧ).

В данной таблице указываются характеристики только одного вида контроля - по вопросам. Характеристики контроля по билетам указываются при компоновке билетов. Возможны две схемы контроля по вопросам: контроль с фиксированным числом вопросов в наборе (ФЧВ) и контроль с переменным числом вопросов (ПЧВ).

При контроле по схеме ФЧВ каждому учащемуся, независимо от качества его ответов, предъявляется определенное количество контрольных упражнений в наборе, созданном случайным образом из всей совокупности упражнений АУК. Исходными данными для контроля с ФЧВ являются четыре числа: Q - количество вопросов в наборе, E - минимальное количество баллов для оценки "отлично", G - минимальное количество баллов для оценки "хорошо", S - для оценки "удовлетворительно".

Алгоритм контроля с ФЧВ, реализованный в САПР АУК, можно представить в виде ориентированного графа, состоящего из 5 вершин (рис. 5.8). Начальная вершина этого графа соответствует собственно контролю - получению набора Q вопросов, вводу ответов на каждый вопрос и анализу набранного суммарного количества баллов B. Напомним, что ответ на каждый вопрос оценивается количественно в соответствии со степенью его правильности от 0 до 5 баллов. Конечные вершины графа - это различные исходы (результаты) контроля, соответствующие общепринятым оценкам (2,3,4,5).

Рис. 5.8. Граф алгоритма контроля с ФЧВ

В соответствии с ранее приведенными рекомендациями по оценке результатов контроля (см. рис. 1.4) величины E, G, S можно принимать соответственно равными значениям 4,5Q; 4Q; 3,5Q с округлением до ближайшего целого числа.

При контроле с ПЧВ заранее известно лишь начальное минимальное количество контрольных упражнений в наборах, предъявляемых учащимся. Если ответы учащихся неверны, то к этому минимуму добавляются дополнительные вопросы, также выбираемые из всей совокупности упражнений АУК. Их количество (максимум 3) зависит от степени правильности ответов - чем хуже отвечает учащийся, тем больше он получает вопросов. Такая схема контроля поощряет, с одной стороны, учащихся, которые сразу отвечают безукоризненно. С другой стороны, она напоминает опрос преподавателя, который, предоставляя учащемуся возможность сгладить впечатление от ранее сделанной ошибки, задает дополнительные вопросы.

Исходными данными для контроля с ПЧВ являются две характеристики: - минимальное число вопросов в наборе, - минимальное суммарное число баллов для получения оценки "отлично" при ответе на вопросов (обычно принимается равным 4,5).

Алгоритм контроля с ПЧВ можно представить в виде ориентированного графа, состоящего из 8 вершин (рис. 5.9). Начальная вершина этого графа соответствует получению набора контрольных упражнений, вводу ответов и анализу набранного количества баллов . В остальных трех вершинах верхнего уровня добавляется по одному вопросу, вводится ответ и анализируется набранное количество баллов (, , ). Вершины нижнего уровня - это различные исходы (результаты) контроля, соответствующие общепринятым оценкам 5, 4, 3, 2.

Рис. 5.9. Граф алгоритма контроля с ПЧВ

Характеристики режима тренажа по теории состоят из двух чисел. Первое - это минимальное количество упражнений, которое может быть задано в выборочном тренаже и после которого может быть осуществлен принудительный выход из тренажа (см. п. 5.2). Второе число - это пороговая величина текущего уровня усвоения (см. пп. 1.2 и 5.2), принадлежащая интервалу [0, 0.7]. , где Q - количество выполненных упражнений, B - количество набранных баллов. Если при работе с АУК становится меньше , то осуществляется принудительный выход из тренажа.

На завершающемся этапе подготовки АУК формируют, если необходимо, билеты для контроля. Напомним, что контроль по вопросам предусматривает случайную выборку вопросов из всей совокупности тестов АУК. При этом нет гарантии, что эта выборка охватывает все разделы контролируемого материала. Поэтому в САПР АУК предусмотрен еще и контроль по билетам.

Билеты формируют в виде таблицы, в которой указывают номера билетов и номера входящих в каждый билет вопросов. Количество вопросов во всех билетах должно быть одинаковым. В дополнение к таблице записывают: количество баллов для оценок "отлично", "хорошо", "удовлетворительно" (аналогично контролю с ФЧВ) и ограничение на время ответа (в секундах) на билет.

На бумаге следует подготовить также и название АУК. Оно обычно состоит из собственно наименования АУК, информации об авторах, организации и даты разработки АУК. Название должно быть размещено на текстовом поле размером 5 строк по 70 символов. При подготовке названия могут быть использованы, как и при подготовке страниц информации, кириллица, латиница, цифры, спецсимволы, выделение цветом.

5.4. Подготовка графических иллюстраций, анимационных вставок, аудио- и видеофрагментов

Графические экраны для информационных блоков, комментариев и дополнений к текстам готовятся с помощью графического редактора САПР АУК (см. прил.) или любого другого графического пакета. На выходе необходимо получить графический файл в формате PCX. Если используемый пакет не выводит изображение в формате PCX, его можно "перехватить" на экране с помощью специальных утилит (см. прил.). САПР АУК может подключать графические файлы не только в формате PCX, но и в более компактном (в 5-6 раз меньшем по объему) собственном формате с расширением имен графических файлов SQZ. Для перевода графических файлов из формата PCX в формат SQZ можно использовать графический редактор САПР АУК или специальную утилиту (см. прил.).
Анимационные вставки могут быть подготовлены с помощью графических пакетов фирмы AutoDesk (Animator Pro, 3D Studio). САПР АУК имеет встроенные средства для их демонстрации. Анимационные вставки, подготовленные в других графических пакетах, подключаются к АУК вместе с программами для демонстрации как команды DOS.

Для подготовки и исполнения аудиофрагментов в компьютере должна быть установлена звуковая карта для оцифровывания звука, подключены микрофон и аудиосистема для усиления и воспроизведения звука. В комплект поставки звуковых карт обычно входят программы для записи и воспроизведения звука. Используя их, можно записать аудиофрагмент либо через микрофон, либо переписать его с аудиомагнитофона через линейный вход звуковой карты. Подключение к АУК осуществляется как команда DOS. Например, для проигрывания звукового файла voice.voc программой vplay.exe строка команды DOS будет иметь следующий вид: vplay.exe voice.voc /q.
Видеофрагменты могут быть введены с видеокамеры, видеомагнитофона или телевизора. Для оцифровывания видеоинформации в компьютере должна быть установлена видео-карта. Часто встречающийся формат записываемых файлов имеет расширение AVI. Однако он очень громоздок и занимает большой объем на жестком диске. Можно сжать видеофайл примерно в 10 раз, переведя его в формат MPEG. Подключение этих файлов к АУК осуществляется вместе с программами для их демонстрации как команды DOS. Например, для демонстрации MPEG-файла можно использовать Video Player for DOS фирмы Hing Technology Corporation and Perfomance Concepts Inc. Заметим, что для демонстрации оцифрованных видеофрагментов не требуется специальное оборудование.
Видеофрагменты можно конвертировать в формат анимационных вставок фирмы Autodesk с расширением имен файлов FLI и подключать к АУК без программ для их демонстрации. При этом подключаемый фрагмент можно редактировать с помощью графических пакетов Animator, Animator PRO, 3D Studio. Рассмотрим схему действий для получения видеофрагмента в формате FLI.

1. Оцифровывание видеоинформации с помощью видеокарты и получение AVI-файла.

2. Запись AVI-файла в DIB-последовательность с помощью программы Videdit из пакета Video for Windows.
3. Конвертация DIB-последовательности в формат TGA с помощью конвертора Alchemy: alchemy -a -8 file1.dib, alchemy -a -8 file2.dib и т.д.

4. Сбор TGA-файлов в FLI-файл с помощью программы DTA из пакета Dave`s .TGA Animation Program.
Возможен также более короткий путь для конвертирования AVI-файлов в формат FLI с помощью программы Videoman из пакета Picture Man 3.0 Pro.

5.5. Интерфейс преподавателей-разработчиков

Преподаватели-разработчики при работе с базами данных АУК могут использовать разнообразные функции САПР АУК: создание, пополнение, просмотр, редактирование, печать и т.п. (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Меню подготовки АУК

Создание базы данных АУК по пункту головного меню "Создать новый АУК" начинают с ввода названия и таблицы характеристик АУК. Далее последовательно вводят упражнения: тестовые задания, варианты ответов, оценки к ответам. При вводе упражнений набирают связанные с ними текстовые страницы информации или тексты комментариев, подключают подготовленные ранее файлы графических комментариев и графических дополнений. При этом подключаемые графические файлы должны находиться в той же директории, в которой создается АУК. Для набора текстов в вопросах, ответах, комментариях используется специальный текстовый редактор, реализующий, кроме обычных функций по подготовке текста, дополнительные функции: набор спецсимволов (рис. 5.11),выделение фона цветом, выделение цветом текста, выбор текста из обычного текстового файла (формат ASCII),выбор в качестве заготовки ранее набранного теста и др. Описание этих функций можно посмотреть в командах редактора, нажав клавиши CTRL+F1.

Рис. 5.11. Редактирование спецсимволов

Если процесс создания базы данных АУК прерывается, то продолжение работы осуществляется при выборе пункта головного меню "Пополнение" (см. рис. 5.10). При этом предварительно необходимо "Открыть АУК (для дополнений)", выбрать его имя из набора АУК и ввести пароль.

Пункт меню "Формирование теории" позволяет ввести последовательность просмотра страниц информации (рис. 5.12). В любое место последовательности может быть добавлена команда DOS - любая допустимая командная строка, приводящая к выполнению внешней программы. Таким образом, можно включить в режим просмотра теории любую демонстрационную программу.

Рис. 5.12. Ввод последовательности страниц информации для просмотра теории

"Компоновка нового АУК" позволяет собрать новый курс, просматривая уже существующие АУК и выбирая подходящие упражнения, соответствующие им комментарии и страницы информации.

"Копирование АУК" позволяет перенести все файлы АУК на другой диск: жесткий или гибкий. При этом анализируется наличие свободного места на диске, обеспечивается полнота переноса базы данных АУК.

По пункту меню "Созд./Изм. комплекса" к сформированному АУК подключают внешние программы (тренажеры, ППП, и т.п.). При этом формируют строки головного меню режимов работы учащихся (см. рис. 5.7), указывают код доступа к программе (рис. 5.13). Например код Т4КЗ означает, что программа будет загружена при выборе соответствующего пункта, если учащийся прошел тренаж с оценкой "хорошо" или "контроль" с оценкой "удовлетворительно". В качестве подключаемой программы может быть проигрыватель АУК с каким-либо конкретным курсом, что позволяет создавать "лестницу" АУК для разных уровней усвоения учебного материала.

Рис. 5.13. Подключение программ

Остальные пункты меню подготовки АУК (см. рис. 5.10) очевидны и расшифровки не требуют.

Отметим только, что САПР АУК имеет многочисленные клавиатурные подсказки, располагаемые в нижней строке экрана, и обширную информацию контекстно-зависимой помощи (по клавише F1), что позволяет освоить работу в режимах разработчика АУК без специальной подготовки.

5.6. Подготовка гипертекста

Одна из версий САПР АУК позволяет реализовать режим просмотра теории в форме гипертекста (см. прил.). Его подготовка имеет следующие особенности.

Текстовые страницы информации могут набираться не только в ходе ввода упражнений, но и в режиме формирования теории. При этом связь их с какими-либо тестами необязательна. В принципе в АУК вообще могут отсутствовать упражнения, в этом случае работа учащихся возможна только в режиме просмотра теории.

Имеется возможность подготовить оглавление и просматривать теорию по его разделам (см. рис 5.1.).

Пометка терминов в текстовой части учебной информации производится автоматически с использованием словаря, поэтому при его подготовке окаймляют знаками & ту часть термина, которая является существенной для выделения в тексте (рис. 5.14.).

Рис. 5.14. Подготовка словаря для гипертекста

С каждым термином словаря могут быть связаны его синонимы, также выделяемые в тексте, и краткие (на 5 строк по 70 символов) определения (см. рис. 5.2.).

5.7. Интерфейс преподавателей-пользователей

 Преподаватели, использующие комплексы системы КАДИС на учебных занятиях, чаще всего работают с журналом САПР АУК. Каждая запись журнала содержит фамилию и номер группы учащегося, имя АУК, дату работы, режим работы (фиксируется тренаж и контроль), итоговую оценку и протокол работы, включающий номера упражнений, которые выполнял учащийся, номера ответов, которые он вводил, и количество баллов, полученное за каждый ответ (рис 5.15.).

Рис. 5.15. Структура журнала

Программы работы с журналом реализуют функции сортировки (по АУК, учебным группам, режимам, датам, учащимся), чистки и печати журнала, сбора статистики по учебной работе (рис. 5.16.).Анализ статистических данных позволяет преподавателю выявить "легкий" и "трудный" для усвоения учебный материал и ввести необходимые коррективы в процесс обучения.

Рис. 5.16. Анализ статистики по учебной работе

Если учебная работа ведется не в сетевом классе, то с помощью специальных утилит (см. прил.) можно собрать и проанализировать совместно журналы с разных ПЭВМ.

В зависимости от целей применения учебного комплекса и контингента учащихся преподаватель-пользователь может оперативно изменять характеристики контроля и тренажа, формировать контрольные билеты. Варьируя этими параметрами, можно установить необходимые вид и форму контроля, ужесточить или смягчить требования к уровню подготовки учащихся для контроля и тренажа (см. п. 5.5).

5.8. Функции администратора САПР АУК

Основными функциями администратора САПР АУК являются:

• поддержание инструментальной среды, баз данных АУК и учебных комплексов;
• инсталляция САПР АУК в виде различных версий, отличающихся по составу, по виду защиты и т.п. Все эти функции реализуются с помощью специальных утилит САПР АУК (см. прил.).

6. ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ СИСТЕМЫ КАДИС

Технология разработки компьютерных средств поддержки обучения (методика проектирования и инструментальная среда системы КАДИС), рассмотренная выше, используется на многих кафедрах СГАУ и в ряде других учебных заведений. По ней разработано несколько десятков учебных комплексов по различным учебным дисциплинам.

Рекламные ролики по некоторым из них можно получить с WWW-сервера ЦНИТ СГАУ.
Дадим краткое описание некоторых из них.

БАЛКА - комплекс по анализу и построению эпюр балок. Предназначен для компьютерной поддержки соответствующего раздела курса сопротивления материалов. Включает в свой состав учебное пособие [48], АУК, тренажер и программу расчета эпюр балок (см.рис. 3.3 - 3.6). СТРУКТУРА - комплекс по методам проектирования силовых схем механических конструкций. Предназначен для поддержки курсов по САПР,проектированию механических конструкций, сопротивлению материалов. Состоит из учебного пособия [49], АУК, тренажера и пакета программ поиска структур плоских конструкций (см.рис. 3.7 - 3.14).

ОПТИМИЗАЦИЯ - комплекс по математическим методам оптимального проектирования. Предназначен для поддержки курсов по САПР. Состоит из учебного пособия [50], набора АУК и тренажера (см.рис. 3.15 - 3.22).

СПЛАЙН - комплекс по освоению методов интерполяции и аппроксимации в геометрическом моделировании. Предназначен для поддержки курсов по САПР и геометрическому моделированию. Состоит из учебного пособия [65], АУК и тренажера по сплайн-интерполяции (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Фрагмент работы тренажера комплекса СПЛАЙН

ДВУТАВР - комплекс по изучению закономерностей силовой работы тонкостенных конструкций. Предназначен для поддержки курсов по сопротивлению материалов и проектированию механических конструкций в авиа-, судо- и автомобилестроении. Включает в состав учебное пособие [66], АУК, тренажер (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Фрагмент работы тренажера комплекса ДВУТАВР

СОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ - комплекс по химии полимеров. Предназначен для компьютерной поддержки вузовских курсов по органической химии. Состоит из учебного пособия [67], набора АУК и расчетных программ (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Фрагмент работы комплекса СОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

ЗУБРОЛ - комплекс по деталям машин. Предназначен для компьютерной поддержки курсов по теории механизмов и деталям машин. Ориентирован на типовую учебную литературу по этим дисциплинам. Содержит набор АУК и расчетных программ по различным разделам этих курсов (рис. 6.4).

Рис.6.4. Фрагмент работы комплекса ЗУБРОЛ

Комплекс по металловедению и термообработке. Предназначен для поддержки соответствующих курсов в техническом вузе. Включает набор АУК и демонстрационных программ (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Фрагмент работы АУК по металловедению

Комплекс по механической обработке машиностроительных деталей [68]. Предназначен для поддержки курсов по технологии производства машиностроительных деталей. Включает несколько учебных пособий,  набор АУК и расчетных программ (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Фрагмент работы комплекса по механической обработке деталей

Комплекс по обработке металлов давлением [69]. Предназначен для поддержки соответствующих курсов в технических вузах. Включает учебные пособия, набор АУК и расчетных программ (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Фрагмент работы АУК по обработке металлов давлением

Комплекс по сварке металлов. Предназначен для поддержки соответствующих курсов. Состоит из учебного пособия [70], АУК и расчетной программы.

Комплекс по атлетической гимнастике. Предназначен для поддержки курсов по валеологии. Состоит из учебного пособия [71] и набора АУК (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Фрагмент работы комплекса по атлетической гимнастике

Комплекс по математике для абитуриентов вузов. Предназначен для поддержки подготовки школьников к вступительным экзаменам в вузы. Включает программу вступительных экзаменов и набор АУК по различным темам.

Описанные комплексы имеют вид товарных продуктов и распространяются на коммерческих условиях. По каждому комплексу подготовлены рекламные ролики, распространяемые свободно на дискетах или по каналам телекоммуникаций.

7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБУЧЕНИЯ

7.1. Информационные технологии обучения как учебная дисциплина
Успешное распространение, интенсивное развитие и грамотное использование ИТО в значительной мере зависят от решения вопросов подготовки преподавательских кадров в этой области. В процессе разработки и развития технологии системы КАДИС, ее апробации на различных конференциях, на факультете повышения квалификации преподавателей, в ходе внедрения в различных учебных заведениях постепенно сложился учебный курс по ИТО.
Курс состоит из следующих разделов:

1. необходимость, ретроспектива, современное состояние и перспективы развития ИТО;
2. психологические аспекты ИТО;
3. дидактико-кибернетические аспекты ИТО;
4. математическое моделирование процессов обучения;
5. проектирование комплексов автоматизированных дидактических средств;
6. методика разработки автоматизированных учебных курсов;
7. принципы построения сценариев тренажеров и учебных пакетов прикладных программ;
8. инструментальные программные среды ИТО.

Примерный объем курса: лекции - 24 часа, лабораторные работы - 24 часа, курсовая работа по проектированию учебного комплекса. По курсу подготовлен учебный комплекс, в состав которого входят: данное учебное пособие, набор АУК по различным разделам учебного материала, учебная версия инструментальной среды системы КАДИС, отличающаяся от рабочей версии лишь некоторыми количественными параметрами и распространяемая свободно.

Опыт чтения этого курса для преподавателей и аспирантов вузов Самарской области показывает, что живой интерес к его изучению проявляют не только преподаватели, но и аспиранты, в большинстве своем вчерашние студенты. Сначала этот интерес стимулируется практическим результатом, который надо получить в ходе выполнения курсовой работы. Привлекают также образцы учебных комплексов, технический аспект работы с инструментальными программными средствами, обладающими развитым комфортным интерфейсом. В ходе выполнения курсовой работы естественным образом приходит интерес и к психолого-педагогическим аспектам ИТО, без знания которых затруднительно выполнить работу с высоким качеством.

Анализ содержания курса и его значимости для профессиональной подготовки специалистов позволяет ставить вопрос о включении курса по ИТО в учебные планы специальностей высшего образования, причем не только гуманитарных и естественнонаучных, но и технических направлений. Изучение ИТО вносит элементы гуманизации в высшее образование. В курсе синтезируются знания не только абстрактных наук, таких как математика, кибернетика, информатика, но и наук о человеке: психологии, педагогики, физиологии, социологии. Полученные знания понадобятся будущим специалистам, в потенциале руководителям различных подразделений на предприятиях и в организациях, квалифицированно решать вопросы подготовки и переподготовки кадров. К тому же, компьютерные обучающие системы становятся обязательным элементом при внедрении новых сложных машин и технологий. Поэтому их разработчики должны знать принципы создания и использования ИТО.

Важно подчеркнуть, что изучение ИТО уже на этапе общеобразовательной подготовки способствует рефлексии познавательной деятельности, ориентирует учащихся на использование ИТО и на последующих этапах вузовского и послевузовского образования.

 

7.2. Об опыте применения информационных технологий обучения

Организационно-методические вопросы применения ИТО становятся в настоящее время, наряду с вопросами разработки этих технологий, весьма актуальными для многих учебных заведений. Не претендуя на широкие обобщения, обсудим эти вопросы на примере нашего курса по основам САПР для инженеров-механиков по самолетостроению.

Курс изучается в течение двух семестров. Его объем составляет порядка 90 часов. По курсу проводится обширный лабораторный практикум, выполняется курсовая работа. Итоговый контроль осуществляется в форме зачета после первого семестра, защиты курсовой работы и экзамена в конце второго семестра.

Компьютерные средства поддержки курса прошли длительную эволюцию в течение 18 лет от промышленной САПР механических конструкций для ЕС ЭВМ [72], учебно-исследовательской САПР для малых ЭВМ СМ-4 и микроЭВМ ДВК-3 [41] до учебных комплексов системы КАДИС для ПЭВМ IBM PC. В настоящее время курс подкрепляет набор из полутора десятков учебных комплексов, охватывающих практически все разделы учебного материала. Объем изданной учебно-методической литературы составляет 40 печатных листов, объем программно-информационного обеспечения (АУК, тренажеров, ППП) - более 10 Мбайт в плотной упаковке. Некоторые из этих комплексов описаны в п.6.

Лекционная часть курса относительна невелика. Лекции читаются только установочного и обзорного характера. Особое внимание уделяется системному анализу взаимосвязей отдельных элементов знаний как внутри курса, так и с другими отраслями знаний. В лекциях обычно не рассматривается конкретная информация по отдельным разделам, с ней студенты знакомятся по учебным пособиям.

Основную часть аудиторного и внеаудиторного времени в курсе занимает лабораторный практикум. Схема типовой лабораторной работы выглядит следующим образом. Во внеаудиторное время студенты знакомятся с соответствующим теоретическим материалом по пособиям, работают с АУК вне сетки учебного расписания в компьютерных классах. Преподаватель в это время в классе не присутствует. За порядком присматривает лаборант, помощь по работе с программным обеспечением оказывают наиболее подготовленные в компьютерном плане студенты.

В начале планового учебного занятия студенты проходят на компьютерах контроль предварительной подготовки по теории. Наиболее способные и подготовленные студенты быстро и успешно проходят контроль и переходят к практической части работы. Примерно половине студентов требуется дополнительное время, чтобы “подшлифовать” теорию с помощью АУК и только после этого успешно пройти контроль. Небольшой группе слабых студентов, кроме помощи компьютеров, обычно требуются и консультации преподавателя для успешного прохождения контроля.

Практическая часть лабораторных занятий проводится на тренажерах. Работа на тренажерах заключается в решении специально подобранных интересных и поучительных проектных задач в режиме детерминированного (по заданному сценарию) учебного исследования (см. п. 3). Работа на тренажерах позволяет учащимся более глубоко и осмысленно изучить методы автоматизированного проектирования, развить практические умения по их использованию.
После обучения на тренажерах студенты обычно опять обращаются к теоретической части комплекса (к пособию и АУК), чтобы еще раз осмыслить теорию.

Курсовая работа выполняется с помощью учебных ППП, либо с использованием элементов промышленных САПР. При этом предварительная подготовка, полученная студентами в ходе лабораторного практикума с помощью пособий, АУК и тренажеров, позволяет проводить учебное проектирование в режиме осмысленного свободного исследования объектов и методов проектирования.
Несмотря на большой соблазн выполнять курсовую работу безбумажно, по ней оформляется пояснительная записка, готовятся плакаты для иллюстрации доклада на защите.
Большой популярностью у студентов пользуются самостоятельные занятия с учебными комплексами в процессе подготовки к зачету и экзамену. Они проводятся в компьютерном классе под наблюдением лаборантов. Студенты, имеющие ПЭВМ дома, получают, наряду с учебными пособиями, набор АУК, тренажеров и учебных ППП.

Зачет после первой и экзамен после второй части курса полностью компьютеризированы. Билеты включают контрольные вопросы и упражнения двух уровней усвоения знаний: знакомство, воспроизведение и применение в типовых ситуациях. Успешное прохождение этих двух уровней компьютерного контроля обеспечивает получение зачета после первой части курса, удовлетворительной или хорошей оценки на итоговом экзамене. Со студентами, претендующими на отличную оценку, преподавателем проводится дополнительное собеседование.
Важно подчеркнуть, что преподаватель является ключевым элементом этой интегрированной обучающей среды. Его роль сводится не только к организации самостоятельной работы студентов и к регистрации ее результатов. Освободившись от нудных функций передатчика информации, консультанта и контролера, он получает возможность для индивидуальной дополнительной работы с "лидерами" и "отстающими", проведения педагогических экспериментов, совершенствования компьютерных учебных программ и т.п.

Программу курса можно получить на WWW-сервере ЦНИТ СГАУ

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Интенсивное развитие технических средств информационных технологий обучения предоставляет лишь хорошие дидактические возможности, эффективность реализации которых в значительной мере зависит от уровня развития, дидактической обоснованности и “технологичности” методического обеспечения.

Предлагаемая в данной работе методика проектирования компьютерных средств поддержки процесса обучения позволяет поставить этот процесс на четкую системно-дидактическую платформу, перевести его из сферы искусства и дидактических фантазий отдельных преподавателей-разработчиков на твердые рельсы педагогического профессионализма в условиях массового внедрения информационных технологий обучения. Применение этой методики ориентирует разработчиков методических и программно-информационных средств поддержки учебного процесса по конкретным учебным дисциплинам на создание не отдельных фрагментов, а комплексов, обеспечивающих полноценную проработку учебного материала от знакомства с теорией до решения нетиповых задач.

Основные элементы методики проектирования учебных комплексов реализованы в инструментальной среде системы КАДИС, разработанной в Самарском государственном аэрокосмическом университете и широко используемой на кафедрах и факультете повышения квалификации преподавателей этого университета, а также в ряде других учебных заведений. Существенными особенностями инструментальной среды системы КАДИС являются четкая дидактическая основа, простота и доступность для широкого круга преподавателей. Разветвленные меню, клавиатурные подсказки, развитая система контекстной помощи, быстрый и адекватный отклик на любые действия, продуманная цветовая гамма делает общение обучаемого, преподавателя-пользователя и преподавателя-разработчика с инструментальной средой системы КАДИС удобным и приятным.

С помощью инструментальной среды системы КАДИС разработан ряд весьма эффективных в дидактическом плане учебных комплексов по отдельным разделам курсов по сопротивлению материалов, САПР, проектированию механических конструкций, механической обработке деталей, материаловедению, обработке металлов давлением, деталям машин, органической химии, математике, физическому воспитанию и др.

Рассмотренная методика может использоваться для подготовки учебных комплексов не только в системе КАДИС, но и в других инструментальных средах: АДОНИС, УРОК, COSTOC и т. п. Не вызывает сомнения и целесообразность ее применения при разработке продуктов мульти- и гипермедиа.
Интенсивное развитие информационных технологий обучения и широкие сферы их возможного применения делают целесообразным включение курса по информационным технологиям обучения в учебные планы высшего профессионального образования. Материал данной работы может послужить основой для такого курса.

Резюмируя сказанное, можно рекомендовать предлагаемую технологию создания, распространения и использования компьютерных систем учебного назначения для широкого внедрения в практику компьютеризации процесса обучения в различных учебных заведениях.
Краткое описание технологии системы КАДИС размещено на WWW-сервере ЦНИТ СГАУ  .Здесь же можно получить в виде FTP-файлов учебную версию инструментальной среды, программу курса по информационным технологиям обучения, рекламные ролики по некоторым проблемно ориентированным комплексам .

 

Библиографический список

1. Обучающие машины и комплексы: Справочник / Под общей ред. А.Я. Савельева. Киев: Вища шк., Головное изд-во. 1986. 303с.
2. Каталог программных средств учебного назначения. М.: НИИВО, 1991. 66с.
3. Цевенков Ю.М., Семенова Е.Ю. Информатизация образования в США. М., 1990. 80с. (Новые информационные технологии в образовании: Обзор. инф./НИИВО; вып. 8).
4. Цевенков Ю.М., Семенова Е.Ю. Эффективность компьютерного обучения. М., 1991. 84с. (Новые информационные технологии в образовании: Обзор. инф./НИИВО; вып. 6).
5. Коваленко В.Е., Кольцова Н.Е., Лобанов Ю.И., Ремизова Е.А., Соловов А.В. Базы знаний учебного назначения. М., 1992. 60с. (Новые информационные технологии в образовании: Обзор. инф./НИИВО; вып.2).
6. Человеческий фактор. В 6 т. Т.3. Моделирование деятельности, профессиональное обучение и отбор операторов: Пер. с англ./Холдинг Д., Голдстейн Н., Эбертс Р. и др. (Часть 2. Профессиональное обучение и отбор операторов). М.: Мир, 1991.302с.
7. Кастро К., Альфтан Т. Компьютеры во внешкольном образовании //Перспективы: вопросы образования. М: Комиссия СССР по делам ЮНЕСКО, 1991, N2, с.59-71.
8. Джордж Ф. Основы кибернетики: Пер. с англ./ Под ред. А.Л. Горелика. М.: Радио и связь, 1984. 272с.
9. Ретинская И.В., Шугрина М.В. Отечественные системы для создания компьютерных учебных курсов //Мир ПК, 1993, N7, с.55-60.
10. Новиков В.А., Селиванов А.Д., Токарева В.С. Учебно-методическое обеспечение автоматизированных обучающих систем в зарубежных странах. М., 1984. 48с. (Средства обучения в высшей и средней специальной шк.: Обзор инф./НИИВШ; Вып.5).
11. Системы автоматизированного проектирования и обучения: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: Иванов. ун-т,Иванов. энерг. ин-т, 1987. 156с.
12. ЭВМ в учебном процессе вуза: Межвуз. сб. науч. тр./ Под ред. В.Н. Врагова. Новосибирск: Новосиб. ун-т,1987. 160с.
13. Подготовка кадров в области САПР: Автоматизированные обучающие системы, учебно-исследовательские САПР и другие средства обучения: Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы за 1984-1988 гг. М.: Центральная политехническая библиотека, 1989. 71с.
14. Лобанов Ю.И., Брусиловский П.Л., Съедин В.В. Экспертно-обучающие системы. М.,1991. 56с. (Новые информационные технологии в образовании: Обзор. инф./НИИВО; вып.2).
15. Растригин Л.А., Эренштейн М.Х. Адаптивное обучение с моделью обучаемого. Рига: Зинатне, 1988.160с.
16. Громов Г.Р. Персональные вычисления - новый этап информационных технологий //Микропроцессорные средства и системы. М.: 1984. N 1. с.37-50.
17. Кирмайер М. Мультимедиа: Пер. с нем., Спб.: BHV. 1994. 192с.
18. Мультимедиа: Под ред. Петренко А.И. Киев: Торгово-издательское бюро BHV. 1994. 272с.
19. Роберт Н.В. Виртуальная реальность //Информатика и образование. 1993, N 5, с.53-56.
20. Тихонов А.Н., Иванников А.Д. Технологии дистационного обучения в России //Высшее образование в России. 1994, N3, с.3-10.
21. Христочевский С.А. Информатизация образования //Информатика и образование. 1994, N1, с.13-19.
22. Машбиц Е.Н. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. М.: Педагогика, 1988. 191с.
23. Борк А. Компьютеры в обучении: чему учит история // Информатика и образование. 1990, N5. с.110-118.
24. Кривошеев А.О. Проблемы развития компьютерных обучающих программ //Высшее образование в России. 1994, N3, с.12-20.
25. Полани М. Неявное знание. М.: Прогресс, 1984.
26. Шрейдер Ю.А. Экспертные системы.: их возможности в обучении // Вестник высш. шк., 1987, N 2, с.14-19.
27. Шапиро Э.Л. Компоненты знаний и их соотношения в сферах интеллектуальной деятельности //Вестник высш. шк., 1990, N11, с.26-31.
28. Савельев А.Я., Новиков В.А., Лобанов Ю.И. Подготовка информации для автоматизированных обучающих систем. М.: Высш. шк., 1986. 176с.
29. Беспалько В.П. Основы теории педагогических систем. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1977. 303с.
30. Кузнецов А.П., Адельсон-Вельский Т.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергоатомиздат, 1988. 480с.
31. Скиннер Б. Наука об учении и искусство обучения /В сб. "Программированное обучение за рубежом". М.: Высшая школа, 1968. с.32-46.
32. Краудер Н.А. О различиях между линейным и разветвленным программированием /В сб. "Программированное обучение за рубежом". М.: Высшая школа, 1968. с.58-67.
33. Самарин Ю.А. Очерки психологии ума. М.: Изд-во АПН РСФСР, 1962.
34. Гальперин П.Я. Введение в психологию. М.: МГУ, 1976.
35. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний. М.: МГУ, 1975.
36. Ланда Л.Н. О кибернетическом подходе к теории обучения// Вопросы философии, 1962, N 9.
37. Анастази А. Психологическое тестирование // М.: Педагогика, 1982. кн.1. 320с., кн.2. 336с.
38. Колпащиков А.Г., Мрыкин С.Г., Соловов А.В. Тренажер по методам оптимизации - подсистема учебной САПР ПРОСК. Куйбышев: Куйбыш. авиац. ин-т, 1985. 30с.
39. Мрыкин С.В., Соловов А.В. Использование учебной САПР при изучении плоско-поперечного изгиба балок //Прочность и ресурс автомобильных и дорожных конструкций: Межвуз. об. науч. тр. М.: МАДИ, 1986. с.112-119.
40. Комаров В.А., Соловов А.В. АОС и инженерная интуиция // Вест. высш. шк., 1986. N 2, с.30-33.
41. Учебная САПР силовых конструкций ПРОСК/ А.В. Соловов, А.А. Черепашков, С.В. Мрыкин, и др. Куйбышев: Куйбыш. авиац. ин-т, 1987. 22с.
42. Черепашков А.А. Тренажер для подготовки к автоматизированному проектированию структур силовых конструкций: Автореферат канд. дисс./ Куйбыш. авиац. ин-т. Куйбышев, 1987. 18с.
43. Комаров В.А., Соловов А.В. Социальные аспекты компьютеризации инженерного труда //Социальные и методологические проблемы ускорения научно-технического прогресса: Межвуз. сб. науч. тр. Дом полит. просв., Волгоград, 1987. с.10-17.
44. Соловов А.В. Критерии процесса обучения автоматизированному проектированию// Научно-методические основы вычислительной техники, автоматизированных систем управления и проектирования и автоматизированных обучающих систем в учебном aпроцессе: Тез. докл. Всесоюз. науч.-метод. конф., Рига, 1987.
45. Комаров В.А., Соловов А.В. Компьютеризация подготовки инженеров машиностроительных специальностей //ЭВМ в учебном процессе вуза: Межвуз. сб. науч. тр./ Под ред. В. Н. Врагова; Новосиб. ун-т., 1988. с.12-28.
46. Соловов А.В. Обратные связи в учебных пакетах прикладных программ// ЭВМ в учебном процессе ВУЗа: Межвуз. сб. науч. тр./ Под ред. В.Н. Врагова; Новосиб. ун-т. Новосибирск, 1988. с.39-53.
47. Горохов В.Г. Знать, чтобы делать: История инженерной профессии и ее роль в современной культуре. М: Знание, 1987. 176с.
48. Соловов А.В., Мрыкин С.В., Горбатенко В.В. Балка -комплекс по анализу и построению эпюр балок. Самара: СГАУ, 1994. 40с.
49. Соловов А.В., Черепашков А.А. Структура - комплекс по изучению методов проектирования структур механических конструкций. Самара: СГАУ, 1995. 61с.
50. Соловов А.В., Мрыкин С.В., Колпащиков А.Г. Оптимизация - комплекс по математическим методам оптимального проектирования. Самара: СГАУ, 1994. 64с.
51. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика/Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, 1991. 192с.
52. Поспелов Д.А. Фантазия или Наука. На пути к искусственному интеллекту. М.: Наука, 1982.
53. Ротенберг В. Мозг. Стратегия полушарий //Наука и жизнь. 1984. N6.
54. Энтештейн А. Физика и реальность. М.: Наука, 1965.
55. Инфельд Л. Мои воспоминания об Энштейне //Успехи физ. наук. 1. 1956. с.163.
56. Пойа Д. Математика и правдоподобные рассуждения. М.: Изд-во Иностр. лит., 1957.
57. Пункаре А. О науке. М.: Наука, 1983.
58. Щекин Г.В. Ассиметрия мозга и психологические особенности человека //Ваша тестотека. Киев: Межрегион. заочн. универс. управл.персоналом, 1992, N2, с.102-112.
59. Пилюгин В.В., Сумароков Л.Н., Фролов К.В. Машинная графика и автоматизация научных исследований //Вестник АН СССР, 1985. N10, с.50-58.
60. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.
61. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: в 2-х книгах. Кн. 1. Пер с англ. М.: Мир, 1985.
62. Многокритериальные задачи принятия решений/ Под ред. Д.М. Гвишиани, С.В. Емельянова. М.: Машиностроение, 1978.
63. РИПАК - конечно-элементная система для проектирования авиационных конструкций/ Комаров В.А., Пересыпкин В.П., Иванова Е.А. и др. //Программные продукты и системы. Калинин, 1988. N1, с.88-91.
64. Соловов А.В., Пряничников Г.Ю. Инструментальные средства для разработки автоматизированных учебных курсов в системе КАДИС/ Совершенствование подготовки специалистов аэрокосмического профиля: Тезисы докл. научно-метод. конф. Самара: СГАУ, 1992. с.78-79.
65. Мрыкин С.В., Соловов А.В. Сплайн - комплекс по методам интерполяции и аппроксимации в геометрическом моделировании. Самара: СГАУ, 1994. 31с.
66. Горбатенко В.В., Мрыкин С.В., Соловов А.В. Двутавр - комплекс по изучению закономерностей силовой работы тонкостенных конструкций. Самара: СГАУ, 1994. 14с.
67. Дерябина Г.И., Соловов А.В. Сополимеризация - комплекс по химии полимеров: Учебное пособие. Самара: СГУ, 1994. 52с.
68. Иванов Г.В. Вопросы разработки учебной САПР технологических процессов //Совершенствование подготовки специалистов аэрокосмического профиля: Тез. докл. республ. научн.-метод. конф. Самара: СГАУ, 1992. с.121.
69. Гречников Ф.В., Быков А.П., Дровянников В.Н. Разработка пакета обучающих и расчетных программ по специальности “Обработка металлов давлением” //Совершенствование подготовки специалистов аэрокосмического профиля: Тез. докл. республ. научн.-метод. конф. Самара: СГАУ, 1992. с.123.
70. Рудман М.Д., Соловов А.В. Исследование влияния параметров режима сварки на форму и размеры сварного шва. Самара: СГАУ, 994. 18с.
71. Койчев В.Н., Пономарев В.С., Гаршин В.А. Атлетическая гимнастика. Самара: СГАУ, 1994. 19с.
72. Комаров В.А., Соловов А.В. Об опыте автоматизации проектирования силовых схем крыльев. Материалы Всеросийской школы по автоматизации проектирования. М.: МФТИ, 1976. с.102-117.

Рекомендации по поддержанию и эксплуатации программно-информационного обеспечения САПР АУК

1. Хранение

Инструментальная среда хранится в следующих файлах: COURSE.#1 (355 Кб), COURSE.#2 (156 Кб) - файлы с упакованными основными программами;
COURSE.BUG (3 Кб) - ASCII-файл с описанием текущих изменений и дополнений к старым версиям САПР АУК;
DATADISK.EXE (15 Кб) - программа для изготовления дистрибутивных дисков;
INSTALL.EXE (25 Кб) - программа для установки основных программ с дистрибутивных дисков;
READ.ME - ASCII-файл с инструкциями по установке основных программ с дистрибутивных дисков;
_DISK_INF - ASCII-файл с инструкцией по изготовлению дистрибутивных дисков;
RED - директория с файлами READ.ME (0.5 Кб), GRED.EXE (115 Кб), GRED.HLP (9 Кб), GRED.LSQ (45 Кб) для работы с графическим редактором;
GIPER - директория с файлами CRS.EXE (453 Кб), PLAY_CRS.EXE (362 Кб), CRS.MSG (30 Кб) для работы с гипертекстом;
D_COURSE.EXE - файл с саморазворачивающейся демонстрационной версией основных программ;
FOR_DEMO - директория с файлами FOR_DEMO.1st (1 Кб), FOR_DEMO.EXE (57 Кб) для конвертирования АУК из формата рабочей версии в формат демонстрационной версии САПР АУК;
LOCK.EXE (8 Кб) - утилита для настройки многоуровневых АУК;
PASSWORD (1 Кб) - ASCII-файл с описанием пароля для чистки журнала;
FIND_PAS.EXE (22 Кб) - программа чтения пароля АУК.

2. Создание дистрибутивных дисков

Дистрибутивные диски предназначены для установки основных программ инструментальной среды на жесткий диск. Инструкция по созданию дистрибутивных дисков дана в файле _DISK_INF. В состав дистрибутивного диска входят файлы READ.ME (3 Кб), COURSE.#1 (355 Кб), COURSE.#2 (156 Кб), COURSE.BUG (3.5 Кб), INSTALL.EXE (25 Кб).

3. Установка

Основные программы инструментальной среды устанавливаются обычно на жесткий диск с гибких дистрибутивных дисков. Инструкция по установке дана в файле READ.ME дистрибутивного диска. Возможна установка с защитой от копирования (с привязкой к машине, к ключу на гибком диске) и без защиты. Варианты установок описаны в файле _DISK_INF и указываются при создании дистрибутивных дисков.
При установке основных программ с дистрибутивного диска на жестком диске образуются следующие файлы с основными программами:
COURSE.EXE (400 Кб) - основная программа для создания и учебной работы с АУК;
CQB_PLAY.EXE (240 Кб) - “проигрыватель” АУК (если был указан соответствующий ключ при создании дистрибутивного диска);
COURSE.HLP (60 Кб) - файл с текстами помощи;
COURSE.DOC (13 Кб) - ASCII-файл с кратким описанием инструментальной среды;
_INFO_DIR (1 Кб) - ASCII-файл с описанием состава инструментальной среды;
!REPLACE.BAT(26 Кб) - программа, которая отыскивает на всех дисках ПЭВМ старые версии инструментальной среды и заменяет их на новые;
COURSE.CFG - файл конфигурации (см. COURSE.DOC);
SWAP - директория для свопинга основных программ (см. COURSE.DOC).
Дополнительно в директорию UTIL устанавливаются файлы с утилитами САПР АУК:
JOU_SAVE.EXE (24 Кб) - программа для сбора журнала с разных ПЭВМ;
JOU_ANAL.EXE (25 Кб) - программа для анализа журнальных файлов, собранных с разных ПЭВМ;
JOU_UTIL.DOC (3 Кб) - ASCII-файл с инструкцией по работе программ сохранения и анализа журнала;
PCXGRAB.EXE (15 Кб) - программа для сохранения графического изображения в формате PCX;
SQZCONV.EXE (26 Кб) - программа для конвертирования графических файлов из формата PCX в формат SQZ;
SQZVIEW.EXE (16 Кб) - программа для просмотра графических SQZ-файлов;
PCXGRAB.DOC (9 Кб), SQZCONV.DOC (3 Кб), SQZVIEW.DOC (1 Кб) - ASCII-файлы с инструкциями по работе с одноименными программами.
Установка дополнительных программ (графического редактора, программ работы с гипертекстом и др.) осуществляется обычным образом (программы переписываются с гибких дисков на жесткий диск) без защиты от копирования.
При установке демо-версии инструментальной среды саморазворачивающийся файл D_COURSE.EXE переписывается на жесткий диск и запускается. Состав развернутых файлов аналогичен рабочей версии основных программ (см. выше). Демо-версия имеет ограничения по числу вопросов в создаваемых АУК (не более 20) и терминов в словаре (не более 6). В остальном она не отличается от рабочей версии.

4. Запуск основных программ

COURSE.EXE - подготовка и учебная работа с комплексом и журналом (при работе используются файлы COURSE.HLP, COURSE.CFG);
CQB_PLAY.EXE - учебная работа с комплексом и журналом (используются файлы COURSE.HLP, COURSE.CFG);
GRED.EXE - работа с графическим редактором (используются файлы GRED.HLP,GRED.LSQ);
CRS.EXE - подготовка и учебная работа с гипертекстом (используется файл CRS.MSG);
PLAY_CRS.EXE - учебная работа с гипертекстом (используется файл CRS.MSG).