На главную страницу

ДИДАКТИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ КАДИС

Соловов Александр Васильевич, к.т.н., доцент

телефон (846-2) 34-72-78/факс,

Самара, Самарский государственный аэрокосмический университет

(Статья опубликована в сборнике статей "Индустрия образования". Выпуск 6. - М.: МГИУ, 2002. С-54-64)

Введение. Термин "Электронное обучение" используется в России еще сравнительно редко. Однако в странах Северной Америки и Западной Европы аналоги этого термина (Electronic Learning, Electronic Tutoring или сокращенные E-learning, E-tutoring) в последние годы применяются очень широко. Они интегрируют ряд терминологических понятий в сфере применения современных ИКТ (Информационных и Коммуникационных Технологий) в образовании, таких как мультимедиа, обучение на основе web-технологий, онлайн-обучение и т.п. Постепенно эти термины вытесняют термин Distance Learning - аналог широко известного и модного ныне в России термина "Дистанционное обучение (ДО)". Связано это с применением ИКТ в современных системах ДО и с широким внедрением технологий ДО в традиционных университетах. Таким образом, стираются грани между обучением на расстоянии и непосредственно внутри университетских кампусов. И эту интеграцию дистанционной и традиционной организации учебного процесса более адекватно отражает термин "Электронное обучение".
Глобальной, общей проблемой электронного обучения является создание и эффективное использование информационно-образовательной среды на основе ИКТ. В дидактическом плане существуют три наиболее важных частных проблемы разработки и использования такой среды:
        1) организация самостоятельной когнитивной деятельности обучающихся;
        2) организация индивидуальной поддержки учебной деятельности каждого обучающегося преподавателями;
        3) организация групповой учебной работы обучающихся (дискуссий, совместной работы над проектами и т.п.).
Система КАДИС (система Комплексов Автоматизированных ДИдактических Средств), предназначена для решения первой из этих проблем. Эта система разработана и развивается в Центре новых информационных технологий Самарского государственного аэрокосмического университета (ЦНИТ СГАУ) с начала 90-х годов [1]. В ее состав входят теоретические основы электронных средств поддержки обучения, технология их подготовки и учебные проблемно-ориентированные комплексы. В данной статье рассматриваются концептуальные основы системы КАДИС, технологические средства и учебные комплексы, разработанные по подпрограмме "Информационные технологии в образовании" программы Министерства образования РФ "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" в 2001-2002 гг.

Психолого-педагогическая модель системы КАДИС. В развитии электронных средств поддержки самостоятельной когнитивной деятельности можно выделить следующие компоненты:

  • АОС, учебное ТВ - 70-е годы;
  • учебные ППП (САПР, АСНИ и т.п.) - 80-е годы;
  • электронные учебники - 90-е годы;
  • виртуальные учебные лаборатории - 2000-е годы.

Каждый из этих компонентов обеспечивает поддержку лишь какого-либо одного этапа когнитивной деятельности. В системе КАДИС реализуется комплексный подход, основанный на создании и использовании учебных мультимедиа комплексов (УМК), обеспечивающих поддержку на всех основных этапах когнитивной деятельности.
В основу психолого-педагогической модели УМК КАДИС положено условное разделение совокупности усваиваемых знаний, умений, навыков (ЗУН) на две части: артикулируемую и неартикулируемую. Артикулируемая часть ЗУН может быть представлена в виде информации и передана обучающимся с помощью компонентов УМК декларативного типа. Неартикулируемая часть ЗУН представляет собой различные формы личностного опыта (умения, интуицию, навыки), которые могут быть сформированы у обучающихся в ходе их самостоятельной деятельности по решению учебных задач при поддержке компонентов УМК процедурного типа (рис. 1).
Различные компоненты УМК могут быть объединены, исходя из их дидактического потенциала, в четыре группы.
Первая группа включает средства декларативного типа - печатные материалы (которые могут быть представлены и в виде обычных компьютерных файлов), аудио- и видеокассеты. Дидактический потенциал этих компонентов УМК - первоначальное знакомство с учебным материалом (его восприятие).
Вторая группа компонентов учебного комплекса также относится к средствам декларативного типа. Это электронные учебники и тестовые компьютерные системы, основные дидактические функции которых - осмысление, закрепление и контроль знаний.


Рис. 1. Структура психолого-педагогической модели УМК КАДИС

В третью группу компонентов УМК могут входить интеллектуальные тренажеры, виртуальные лаборатории и другие подобные компьютерные системы, отличительными особенностями которых являются математические модели изучаемых объектов или процессов и дидактический интерфейс, поддерживающий учащихся при решении специально подобранных учебных задач в режиме управляемого детерменированного исследования. Основное дидактическое назначение этих средств поддержки обучения - формирование и развитие неартикулируемой части ЗУН (профессионально-ориентированных умений, навыков, интуиции).
Четвертую группу составляют компьютерные системы автоматизации профессиональной деятельности или их учебные аналоги: пакеты прикладных программ, CALS-системы и т.п. Они могут использоваться обучающимися для решения различных задач по изучаемой теме, возникающих, например, в ходе курсового или дипломного проектирования. Процесс учебной работы проходит при этом в режиме свободного исследования и близок по своему характеру к профессиональной деятельности специалиста.
Анализируя рассмотренные группы компонентов УМК с позиций одного из ведущих дидактических принципов - принципа активности и самостоятельности обучающихся, можно выделить ряд элементов, требующих от обучающихся самостоятельных осознанных актов в ходе учебной деятельности:

  • в первой группе - это самостоятельный выбор обучающимися учебного материала;
  • во второй группе - выбор учебного материала и режимов учебной работы, ответы на вопросы и выполнение упражнений, управление мультимедиа иллюстрациями (flash, vrml, видео, аудио);
  • в третьей группе - выбор заданий из сборника, генерация эвристических решений, выбор алгоритмов и настройка их параметров, анализ результатов и корректировка решений и т.п.;
  • в четвертой группе - формулировка задач и планирование этапов их решения, построение математических моделей, выбор и настройка алгоритмов, анализ результатов, корректировка математических моделей, переформулировка исходных условий и формулировок задач и т.п.

Таким образом, роль и значимость активных элементов учебной деятельности возрастает от первой группы к четвертой, как в количественном, так и в качественном отношении. При этом функциональное назначение классифицированных групп УМК четко соответствует психологически обоснованной последовательности этапов познавательной деятельности:

  • восприятие;
  • осмысление и фиксация знаний;
  • формирование личностного опыта (умений, навыков, профессионально-ориентированной интуиции);
  • проектно-исследовательская, поисковая учебная деятельность.

Важно также подчеркнуть, что в рассмотренной классификации реализуются и другие основополагающие дидактические принципы, такие как доступность, систематичность и последовательность, преемственность, наглядность, прочность, связь теории с практикой, профессиональная направленность обучения, индивидуальный подход к обучаемому.

Методика дидактического проектирования УМК КАДИС. Эта методика состоит из следующих этапов:
        1) построение модели содержания учебного материала, определяющей его структуру и целевые показатели процесса обучения;
        2) формирование модели освоения учебного материала, определяющей навигацию по нему;
        3) формирование состава комплекса;
        4) подготовку текстов и эскизов иллюстраций учебного пособия;
        5) подготовку текстов, эскизов графических иллюстраций, контрольных вопросов, сценариев анимаций и видеоклипов для электронного учебника;
        6) построение сценариев дидактических интерфейсов тренажеров, автоматизированных лабораторных практикумов и учебных пакетов прикладных программ.

Не останавливаясь на содержании каждого этапа (детально они рассматриваются в [2, 3]) отметим, что ключевыми компонентами методики являются модель содержания и модель освоения учебного материала.
Построение модели содержания представляет собой способ структуризации учебного материала, основанный на разбиении его на учебные элементы и наглядном представлении его структуры в виде иерархического графа. В состав модели содержания входит также таблица учебных элементов, в которой для каждого элемента формулируются требования (целевые дидактические показатели) по его представлению и усвоению. Модель содержания учебного материала позволяет уже на начальной стадии проектирования УМК:

  • 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;
  • определить состав УМК;
  • сформировать системное (целостное) представление содержания учебного материала как у разработчиков, так и у пользователей УМК (преподавателей и учащихся);
  • сформулировать требования к типу, количеству и последовательности упражнений для осмысления и закрепления теоретического материала.

Модель освоения учебного материала определяет последовательность изучения его учебных элементов и логические связи между ними. В состав модели освоения входят матрицы отношений очередности и логических связей учебных элементов, последовательность их изучения, граф логических связей учебных элементов. Модель освоения учебного материала определяет дидактически обоснованную последовательность его изложения, варианты траекторий его освоения, логические связи при построении гипертекстов.

Технологические средства. Компьютерная подготовка различных компонентов учебных комплексов системы КАДИС (учебных текстов, контрольных вопросов, графических иллюстраций, анимаций, аудио- и видеоклипов, компьютерных программ и других видов учебных материалов) ведется с помощью типовых программных средств общего назначения, входящих в состав операционных систем MS DOS или Windows 9X/2000. Объединение этих компонентов в мультимедийные учебные комплексы осуществляется с помощью специальной педагогической инструментальной программной среды (оболочки) системы КАДИС, имеющей свободно тиражируемые в Интернет версии для MS DOS и Windows 9X/2000 [4].
Педагогический инструментарий КАДИС для Windows состоит из 4-х подсистем: Проигрыватель УМК, Формирование УМК, Тестовая подсистема, Онлайновый конвертор. Подсистема Проигрыватель УМК используется для работы учащихся с готовыми учебными комплексами. Подсистема Формирование УМК позволяет преподавателям готовить (собирать и компоновать различные электронные компоненты учебного материала) или вносить изменения в уже готовые УМК. Тестовая подсистема предназначена для подготовки компьютерных тестов и проведения контрольного тестирования по ним. Она может использоваться локально или подключаться вместе с тестами к УМК. Онлайновый конвертор позволяет автоматически конвертировать УМК в онлайновую форму для размещения в Интернет/интранет.
Отличительными особенностями инструментария системы КАДИС являются его четкая дидактическая основа, простота и доступность в использовании, возможность создавать системы поддержки обучения различного уровня от простейших компьютерных тестов для контроля знаний до многокомпонентных мультимедийных комплексов, обеспечивающих поддержку обучения от первого знакомства с учебным материалом до решения учебных задач исследовательского характера.
Еще один важный отличительный аспект системы КАДИС - открытость учебных материалов. Все мультимедиа объекты УМК открыты и доступны в общепринятых форматах. Это позволяет пользователям УМК КАДИС (преподавателям и учащимся) использовать фрагменты учебных текстов, графику, анимацию, видео для своих собственных методических и учебных разработок.

Объектно-ориентированный подход к описанию сценариев электронного обучения. Педагогические инструментальные средства системы КАДИС использует большое количество преподавателей-разработчиков и преподавателей-пользователей УМК. Этот инструментарий постоянно совершенствуется и развивается с учетом новых дидактических задач и появляющихся новых технологических возможностей электронной техники [4]. Участие в этой работе людей с разной компьютерной подготовкой требует четкой спецификации программного обеспечения, особенно при описании сценариев подготовки и эксплуатации УМК.
В процессе длительной эволюции системы КАДИС и предшествующей ей учебной САПР ПРОСК [5] уже использовался формализованный подход к проектированию и документированию программных систем, разработанный фирмой IBM и известный под аббревиатурой HIPO (Hierarchy, Input, Process, Output). Однако эта методика явно устарела и, самое главное, она ориентирована на описание программного обеспечения, а не сценариев работы с ним. Применение для этой цели обычных текстовых описаний с иллюстрациями в виде экранных форм громоздко и ненаглядно. Такие описания трудно структурировать с точки зрения иерархии, они мало пригодны для обсуждений и внесения изменений.
В последние годы в системе КАДИС используется объектно-ориентированный подход к описанию сценариев на основе Унифицированного языка моделирования UML (The Unified Modeling Language). Этот язык принят в 1997 году консорциумом ведущих компьютерных фирм мира в качестве стандарта графического языка для проектирования, создания, визуализации и документирования систем, в которых большая роль принадлежит программному обеспечению [6]. В настоящее время UML поддерживается многими объектно-ориентированными средствами разработки. Для описания сценариев электронного обучения в системе КАДИС применяется следующая иерархия диаграмм UML [7].
        1. Диаграмма вариантов использования первого уровня. Она отражает работу трех основных категорий пользователей электронных средств поддержки обучения: учащихся, преподавателей и разработчиков.
        2. Диаграммы вариантов использования второго уровня. Они отражают работу с электронными средствами поддержки обучения каждой категории пользователей (рис. 2).


Рис. 2. Пример диаграммы вариантов использования УМК КАДИС для категории "Обучающийся"

        3. Диаграммы взаимодействия объектов (компонентов электронных средств обучения) и пользователей для каждого, или нескольких в совокупности вариантов использования.
        4. Диаграммы деятельности, которые показывают последовательность действий при выполнении какого-либо конкретного варианта использования. Эти диаграммы в существенной мере напоминают традиционные блок-схемы.
        5. Спецификация вариантов использования - текстовое описание последовательности действий и взаимодействия объектов при выполнении какого-либо конкретного варианта использования с иллюстрациями в виде экранных форм.

Типовые экранные формы. Работа с УМК КАДИС обычно начинается с заставки (титула) комплекса, на которой размещаются кнопки установки комплекса на компьютер (для офф-лайновых, размещаемых на CD ROM УМК) и кнопки основных содержательных частей комплекса.
Типовая экранная форма основных частей УМК, выбираемых по кнопкам на его титуле, представлена на рис. 3. (Здесь показан фрагмент УМК для поддержки творческого саморазвития молодежи в науке и технике [8]). Экран компьютера делится на два основных окна. В левом (более узком по вертикали) окне размещается оглавление выбранной части УМК, в правом - тексты ее разделов. Навигация осуществляется перемещением курсора "мыши" по оглавлению. При активизации пункта оглавления щелчком "мыши" в правое окно загружается текст соответствующего раздела. Таким образом, даже при детальной структуризации учебного материала обеспечивается целостность его восприятия. В тексте могут быть определены гиперссылки (обычно выделяют цветом и подчеркивают) на различные мультимедиа объекты (поясняющие тексты, графические иллюстрации, анимации, аудио- и видеоклипы, подключаемые программы и т.п.). При активизации ссылки соответствующий объект загружается в дополнительное окно. Число таких окон практически не ограничено. Окна можно перемещать по экрану, уменьшать-увеличивать, сворачивать-разворачивать, запускать-останавливать (например, проигрывание видеоклипов) и выполнять ряд других манипуляций, типовых для Windows и его приложений.


Рис. 3. Пример типовой экранной формы УМК КАДИС [8]

Заметим, что возможность управлять мультимедиа объектами активизирует учебную деятельность учащихся. Учащийся может передвигать иллюстрации по экрану, размещая в наиболее удобном для него месте, компоновать их вместе с текстом, закрывать и вновь открывать, прочитывать текст, параллельно рассматривая нужные ему иллюстрации и т.п. Таким образом, создаются предпосылки для наиболее удобного, причем индивидуально для каждого учащегося, восприятия учебной информации.
Для закрепления изученного материала используют разделы с контрольными вопросами. При неправильном ответе можно ознакомиться с правильным ответом, теоретическим материалом по данному вопросу и кратким комментарием.
При работе с каждой частью УМК отдельно можно просмотреть графические иллюстрации, анимации, видеоклипы, поработать с какими-либо подключенными программами, не отыскивая ссылки на них внутри учебных текстов. В этом случае используются списки ссылок для каждой части УМК в пунктах главного меню Программы и Иллюстрации.
Пункт меню Глоссарий позволяет просмотреть определения основных терминов и понятий и теорию по ним, поисковая система дает возможность отыскать необходимые учебные тексты по любому ключевому слову.
Учебно-технологический комплекс системы КАДИС. Этот комплекс предназначен для поддержки курса по электронным технологиям обучения. Основная ориентация курса - разработка и применение методических и программно-информационных средств электронного обучения. Целевые группы обучающихся, на которых ориентирован курс: менеджеры учебных заведений; преподаватели-разработчики; преподаватели-тьюторы; студенты вузов.
Курс построен по модульному принципу и состоит из 11 модулей.
        1. Почему электронное обучение является технологической основой образования 21-го века?
        2. Как дидактически правильно спроектировать комплекс электронных средств поддержки обучения по своей учебной дисциплине?
        3. Как спроектировать электронный учебник, каковы его возможности и ограничения?
        4. Зачем нужны виртуальные лаборатории и как их разрабатывать?
        5. Как готовить учебные мультимедиа материалы на компьютере: тексты, графику, анимацию, видео, аудио? (По выбору).
        6. Как подготовить мультимедиа презентацию для лекции? (По выбору).
        7. Освоение Интернет (по выбору).
        8. Как, не владея программированием, скомпоновать учебный мультимедиа комплекс для CD ROM или Интернет/интранет?
        9. Как спроектировать и подготовить на компьютере тесты для автоматизированного контроля знаний?
        10. Какие существуют средства дистанционного взаимодействия преподавателей и учащихся и как их применять в учебном процессе?
        11. Как проводить экспертизу и оценку качества электронных средств обучения? (По выбору).

Учебно-технологический комплекс по курсу состоит из следующих компонентов:

  • печатных материалов;
  • электронных мультимедийных учебных пособий (версии на CD ROM и в Интернет);
  • педагогического программного инструментария КАДИС и дополнительных программных средств для проектной работы (на CD ROM и в Интернет);
  • примеров-образцов электронных средств поддержки обучения (на CD ROM и в Интернет).

Самостоятельная учебная деятельность обучающихся включает практически в каждом модуле курса следующие виды учебной работы:

  • изучение учебных текстов с иллюстрациями;
  • знакомство с примерами методических и программно-информационных средств по различным учебным дисциплинам;
  • компьютерный тренинг по теории и самоконтроль знаний;
  • освоение приемов работы с инструментальными программными средствами;
  • выполнение практических заданий по тематике педагогической специализации обучающихся.

Выбор индивидуальной траектории изучения курса осуществляется посредством индивидуального набора модулей курса и дифференцированием по уровню усвоения учебного материала каждого модуля. Примерные объемы типовых программ обучения:

  • знакомство с учебным материалом и тренинг по теории (менеджеры 15-20 ч., преподаватели-тьюторы 20-30 ч., преподаватели-разработчики 30-40 ч.);
  • выполнение практических заданий (менеджеры 20-30 ч., тьюторы 30-40 ч., разработчики 60-100 ч.).

Заключение. Учебно-технологический комплекс системы КАДИС размещен для свободного доступа в Интернет на сервер ЦНИТ СГАУ (http://cnit.ssau.ru). Технология КАДИС используется в нескольких десятках учебных заведений РФ. На ее основе разработано несколько сотен учебных комплексов по различным учебным дисциплинам, количество пользователей которых составляет, по приблизительным оценкам, несколько десятков тысяч человек.

Литература
1. Соловов А.В., Гречников Ф.В. Организационно-методические принципы построения и применения программно-информационных средств учебного назначения // Совершенствование подготовки специалистов аэрокосмического профиля: Тезисы докладов Республиканской научно-методической конференции. - Самара: СГАУ, 1992. - С. 78-79.
2. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие, СГАУ, Самара, 1995. - 140 с. (см. также http://www.informika.ru/text/inftech/edu/design/ или http://cnit.ssau.ru/kadis/posob/index.htm).
3. Краснова Г.А., Соловов А.В., Беляев М.И. Технологии создания электронных обучающих средств. - М.: МГИУ, 2001. - 223 с.
4. Соловов А.В., Меньшикова А.А., Пряничников Г.Ю. Педагогические инструментальные средства системы КАДИС. - Самара: ЦНИТ СГАУ, http://cnit.ssau.ru/kadis/index.htm, 1998-2002. - 6 Мбайт.
5. Учебная САПР силовых конструкций ПРОСК / Соловов А.В., Черепашков А.А., Мрыкин С.В. и др. - Куйбышев: КуАИ, 1987. - 22 с.
6. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер с англ. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 432 с.
7. Меньшикова А.А., Соловов А.В. Объектно-ориентированные модели сценариев электронных средств поддержки обучения // Телематика 2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СпбГИТМО, М.: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. - с. 231-232.
8. Пиявский С.А., Соловов А.В., Пиявский Б.С. Автоматизированный учебный комплекс для поддержки исследовательской работы молодежи / Педагогический процесс как культурная деятельность: Тезисы Международной научно-практической конференции. - Самара: СИПКРО, 2002. - С. 105-111.