ЛУГАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Тараса Шевченка

Пінькас Валентина Григоріївна

УДК 371.2:004:378.661

КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ В МЕДИЧНОМУ УНІВЕРСИТЕТІ

13.00.04 – теорія і методика професійної освіти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата педагогічних наук

Луганськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луганському державному педагогічному університеті імені Тараса Шевченка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат педагогічних наук, доцент ІЛЬЧЕНКО Валерій Іванович, докторант кафедри педагогіки Луганського державного педагогічного університету імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти – доктор педагогічних наук, професор ПІДЛАСИЙ Іван Павлович, професор кафедри педагогіки Черкаського державного університету.–

кандидат педагогічних наук, доцент ПАНЧЕНКО Любов Феліксівна, доцент кафедри інформатики та обчислювальної техніки Луганського державного педагогічного університету імені Тараса Шевченка.

Провідна установа – Харківський державний педагогічний університет імені Г.С. Сковороди Міністерства освіти і науки України, кафедра педагогіки.

Захист відбудеться “17” жовтня 2001 р. о 9 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.053.01 у Луганському державному педагогічному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 91011, м. Луганськ, вул. Оборонна, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Луганського державного педагогічного університету імені Тараса Шевченка (91011, м. Луганськ, вул. Оборонна, 2).

Автореферат розісланий “15” вересня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л. Л. Бутенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Освіта, як основа духовного, соціального та економічного розвитку суспільства, займає пріоритетні позиції в загальнодержавній політиці України. Особливо це стосується системи підготовки висококваліфікованих медичних кадрів, від яких залежить рівень надання населенню медичної допомоги та її якість. Сучасний стан реформування медичної освіти вимагає нового інформаційно–методичного забезпечення. Сьогодні гостро стоїть проблема відбору, систематизації, накопичення та передачі знань, формування вмінь та навичок, а тому зростає роль інтелектуальних комп’ютерних систем у підготовці майбутніх лікарів.

Покращання якості професійної підготовки студентів–медиків тісно пов’язане з підвищенням ефективності педагогічної системи вищого медичного закладу освіти. Одним із засобів поліпшення функціонування педагогічної системи є комп’ютерне моделювання навчального процесу, яке дозволяє знайти його оптимальний для даних умов варіант.

Проблема комп’ютерного моделювання навчального процесу у вищій школі ще далека від свого вирішення. Оскільки педагог прагне оптимізувати свою діяльність у повсякденній практиці, то він змушений шукати та впроваджувати педагогічні інновації для підтримки свого професіоналізму на належному рівні. Теоретичного прогнозування результатів педагогічних інновацій недостатньо, а тому їх впровадження в навчальний процес вимагає обережності як з гуманістичних, так і з матеріальних міркувань. Звідси випливає необхідність розробки такого інструментального засобу, який дозволив би здійснювати проведення та перевірку результатів педагогічного експерименту без втручання в реальний навчальний процес.

У традиційному навчальному процесі, керуючи навчально-пізнавальною діяльністю, викладач здійснює кібернетичний підхід до навчання без ефективного зворотного зв’язку. Ця обставина зумовлена тим, що в традиційній педагогіці переробка нечітких (неоднозначних, неточних, ненадійних) знань викладача та студента не може бути проконтрольована в реальному масштабі часу.

В сучасних умовах особливої актуальності також набуває проблема прогнозування розвитку педагогічної системи вищої школи.

Використання ідей кібернетики, сучасних інформаційних технологій та науково–обґрунтованих підходів до управління навчальним процесом є важливою передумовою вирішення цих проблем. Розв’язати їх, на наш погляд, можливо тільки у віртуальному режимі з використанням комп’ютерного імітаційного моделювання. Комп’ютерну імітаційну модель навчального процесу ми розглядаємо як імітаційну систему навчального процесу (ІСНП), яку актуально та доцільно розробити та створити для оптимального дублювання реальних ситуацій процесу навчання в довільному масштабі часу.

Формалізація описаної ситуації являє собою математичну модель навчального процесу. Наявність такої моделі забезпечує кібернетичний підхід до розв’язання педагогічних проблем з комп’ютерною реалізацією.

Питання математичного моделювання в педагогіці з подальшою обробкою інформації на ЕОМ знайшли відображення в дослідженнях Р. Аткінсона (R.Atkinson), С.Архангельського, Л.Ітельсона, В.Міхєєва, А.Свиридова, Дж.Стенлі (J.Stenly), Й.Турбовича.

Оптимізації навчального процесу присвячені роботи по: програмованому навчанню (А.Берг, В.Беспалько, П.Гальперін, О.Довгялло, Л.Ітельсон, Н.Краудер (N.Krauder), Є.Машбиць, У.К.Річмонд (W.Kennenth Richmond), Б.Скіннер (B.Scinner), Н.Тализіна, К.Ющенко); використанню пакетів прикладних програм для комп’ютерного навчання (В.Карпов, Н.Тализіна, О.Савєльєв); комп’ютерізації в сфері освіти ( Г.Атанов, М.Бурда, Б.Гершунський, О.Івахненко, Г.Козлакова, Т.Корнілова, Є.Машбиць, І.Підласий); вивченню ефективності управління навчальним процесом (А.Алексюк, С.Архангельський, Ю.Бабанський, А.Берг, В.Беспалько, Н.Кузьміна, У.Морріс (W.Morris), Н.Нікандров, В.Полонський, Н.Тализіна, В.Якунін).

Проблема оптимізації навчально–виховного процесу вищого медичного закладу освіти шляхом інтеграції комп’ютерної техніки в методику оволодіння знаннями та практичними навичками досліджується не лише вченими–педагогами, а й фахівцями в галузі медицини, кібернетики, інформатики, математики, техніки. В їх роботах висвітлюється: обґрунтування загальної концепції впровадження сучасних комп’ютерних технологій в навчальний процес (В.Запорожан, Л.Ковальчук, В.Пащенко); питання обробки медичної інформації та використання математичного моделювання у навчальному процесі вищих медичних закладів освіти (В.Власов, В.Дяков, О.Мінцер, О.Чалий, І.Хаїмзон); застосування комп’ютера при вивченні спеціальних дисциплін (Г.Венгер, С.Єпішова, В.Нахапнюк); нові форми навчання та контролю знань студентів-медиків (І.Булах, Л.Коровіна, Л.Наумов, Л.Чеканов).

В дисертаційних дослідженнях останніх років розглядаються різні аспекти застосування нових інформаційних технологій у навчальному процесі вищої школи, а саме: роль нових інформаційних технологій в професійній підготовці студентів (М.Головань, В.Гриценко, Ю.Жук, І.Пустиннікова); формування вмінь застосовувати сучасні інформаційні технології у майбутній професійній діяльності (В.Дудка, Л.Панченко); методика вивчення експертних систем (Н.Балик) та педагогічні умови їх створення і застосування (А.Підласий); управління навчально–пізнавальною діяльністю студентів за допомогою комп’ютера (І.Синельник). Процес підготовки студентів у вищих медичних закладах освіти із застосуванням нових методів навчання і виховання також висвітлено в дисертаційних дослідженнях (І.Булах, Т.Дем’янчук, Я.Кміт).

Втім, як свідчить аналіз наукової літератури, в педагогіці вищої школи, в тому числі і медичної, немає чіткої наукової теорії оптимізації педагогічної системи, яка б базувалася на системному підході та математичному моделюванні педагогічних процесів. Нерідко інтуїтивно, без наукового обґрунтування, математичного доведення або обчислювального експерименту робляться висновки; по окремим випадкам та по мінімуму інформації приймаються рішення; відсутній інструмент для об’єктивної перевірки педагогічного експерименту; спостерігається суб’єктивне трактування ситуацій у навчальному процесі медичного університету; мають місце розходження між наявністю знань та відсутністю навичок та вмінь для вирішення професійно-орієнтованих задач у студентів-медиків, відсутні формалізовані алгоритми навчання та неперервного контролю знань.

У педагогіці відсутня інформація про імітаційні моделі навчального процесу, які базуються на детермінованому підході. За допомогою таких моделей, сполучаючи штучний та природний інтелект, можна оптимізувати поточні цілі навчання.

Вказані недоліки педагогічної теорії та практики породжують протиріччя: між досягненнями сучасної кібернетики, змінами в суспільстві, пов’язаними з використанням інформаційних технологій, та консервативним процесом навчання у вищих навчальних закладах, в тому числі й у медичному університеті; між необхідністю формування готовності студента до вирішення професійно-орієнтованих задач та недостатнім використанням імітаційного моделювання у навчальному процесі медичного університету для їх розв’язання; між наявністю інноваційних процесів у педагогіці та відсутністю інструменту для об’єктивної та своєчасної перевірки ефективності нововведень; між накопиченим педагогічним досвідом та відсутністю можливості його автоматичного зберігання, ідентичного відтворення та використання; між постійно зростаючим у сучасних умовах інформаційним навантаженням на педагога та відсутністю автоматичного засобу, що виконує рутинну роботу; між необхідністю оцінювання професійного рівня педагога та відсутністю об’єктивного інструменту для його реалізації.

Ці протиріччя обумовлюють необхідність дослідження таких проблем:

-

-

Необхідність вирішення вказаних проблем зумовила вибір теми дисертаційного дослідження: “Комп’ютерне моделювання навчального процесу в медичному університеті”.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконане в рамках комплексної теми “Формування духовної культури учнівської молоді”, яка розробляється на кафедрі педагогіки Луганського державного педагогічного університету імені Тараса Шевченка під керівництвом члена-кореспондента АПН України, доктора педагогічних наук, професора Г.Шевченко та відповідно до тематичного плану науково–дослідницької роботи кафедри медичної кібернетики, біофізики та медапаратури Луганського державного медичного університету “Розробка і створення системи програмно–алгоритмічного забезпечення ЕОМ навчального процесу по реалізації структури учбової програми з курсу “Біомедична кібернетика, обчислювальна техніка і медична інформатика” в безперервній підготовці студентів медичних вузів МОЗ України з першого по шостий курс включно” (№ 0195U028670).

Об’єкт дослідження- навчальний процес у медичному університеті.

Предмет дослідження – комп’ютерне імітаційне моделювання навчального процесу в медичному університеті.

Мета дослідження – теоретичне обґрунтування проблеми побудови, умов функціонування комп’ютерної імітаційної моделі навчального процесу студентів–медиків та перевірка її роботи по оптимальному управлінню навчанням на модельній задачі.

Гіпотеза дослідження: навчальний процес у медичному університеті буде ефективним за умов:

-

-

-

Мета та гіпотеза дослідження зумовили такі завдання:

1.

2.

3.

4.

5.

Методологічну і теоретичну основу дисертаційного дослідження становлять: концепція управління навчально–пізнавальною діяльністю (А.Берг, У.Морріс (W.Morris), Н.Тализіна, В.Якунін); загальні принципи імітаційного моделювання (О.Вавілов, Д.Феррарі (D.Ferrary), А.Цвіркун, Р.Шеннон (R.Shennon)); імітаційне моделювання в педагогіці (Б.Койшибаєв, Л.Кудрявцев, Я.Мікк, Д.Матрос, М.Моісєєв, Л.Растрігін), зокрема, в педагогічному процесі вищих медичних навчальних закладів освіти (Л.Наумов); математичне моделювання на комп’ютері при вивченні окремих предметів у навчанні студентів–медиків (О.Мінцер, О.Чалий, І. Хаїмзон); методологія побудови експертних систем та дослідження в області штучного інтелекту (В.Глушков, О.Кузнєцов, Ж.Л.Лорьєр (Zh. L.Lorier), К.Нейлор (Chris Naylor), Г.Поспєлов, В.Сафонов, Дж.Сімонс (J.Simons)); концепція гуманізації освіти (С.Гончаренко, В.Сухомлинський); концепція використання інформаційних технологій в освіті (Г.Атанов, Б.Гершунський, М.Жалдак, Є.Машбиць, І.Підласий), зокрема, в процесі підготовки студентів–медиків (В.Запорожан, Л.Ковальчук, В.Пащенко, О.Чалий, І.Хаїмзон); концепція інформатизації освіти, змісту наскрізної освіти з інформатики та обчислювальної техніки (В.Биков, Я.Вовк, М.Жалдак) та перспективи розвитку вищої медичної освіти в Україні (Ю.Вороненко, І.Вітенко, О.Коцарєв).

У дисертаційній роботі використаний комплекс методів дослідження: теоретичні – вивчення психолого–педагогічної літератури, а також праць з кібернетики, інформатики, математики, техніки і узагальнення інформації для визначення теоретико–методологічних основ дослідження; моделювання при визначенні структури та умов функціонування імітаційної системи навчального процесу; системний підхід при її побудові та відборі навчального матеріалу; емпіричні – спостереження, вивчення навчальних програм, документів обліку успішності студентів; метод експертних оцінок; педагогічний експеримент з метою реалізації імітаційного підходу до навчального процесу; аналізу і синтезу в процесі представлення даних; методи математичної статистики в обробці даних експерименту; моделювання при розробці математичної моделі процесу накопичення знань студентами та виборі математичної моделі навчального процесу; експеримент по перевірці роботи імітаційної системи навчального процесу на модельній задачі з використанням чисельних методів оптимізації та розв’язування систем диференціальних рівнянь.

Наукова новизна дослідження полягає у тому, що:

-

-

-

-

Практичне значення дослідження полягає в тому, що доведення існування вирішення проблеми адекватного комп’ютерного моделювання навчального процесу в медичному університеті дозволяє створити імітаційну систему навчального процесу, яка забезпечує оптимальне управління цим процесом та може бути використана як у вищих медичних закладах освіти, так і в інших освітніх закладах при відповідному наповненні. Комп’ютерне імітаційне моделювання використовується при розв’язанні професійно-орієнтованих задач студентами в процесі вивчення медінформатики, а розроблене програмне забезпечення в проведенні автоматизованого моніторингу навчального процесу в Луганському державному медичному університеті.

У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок дисертанта полягає: у визначенні інтелектуальної системи для використання її у навчанні студентів–медиків та практиці лікаря; в розробці та реалізації на комп’ютері навчальних задач робочої програми; виборі модельної задачі та перевірці на ній роботи основних блоків імітаційної системи навчального процесу; у визначенні імітаційного підходу до вирішення професійних юридичних проблем.

Апробація результатів дослідження здійснювалась під час обговорення на: Всеукраїнських науково–практичній та науково-методичних конференціях: “Інновації в сучасному педагогічному процесі: теорія та практика” (Луганськ, 1999), “Сучасні проблеми підготовки фахівців у вищих медичних та фармацевтичних навчальних закладах України” (Луганськ, 2000), “Застосування комп’ютерної техніки в учбовому процесі медичних та фармацевтичних вузів МОЗ України” (Полтава, 1993), Українських науково–практичній та науково–методичній конференціях: “Застосування математичних методів та обчислювальної техніки в медико–біологічних дослідженнях” (Київ, 1993), “Комп’ютерні програми навчального призначення з хімії” (Донецьк, 1995), міжвузівській науково–практичній конференції “Комп’ютерні технології, фізичні методи діагностики і лікування” (Луганськ, 1999), на засіданнях кафедри педагогіки Луганського державного педагогічного університету імені Тараса Шевченка та кафедри медичної кібернетики, біофізики та медапаратури Луганського державного медичного університету.

За матеріалами дослідження опубліковано 13 робіт, з них 7 - у наукових фахових виданнях, із них 6 – одноособові (6 у збірниках наукових праць, 2 у фахових журналах, 1 - у збірнику матеріалів конференції, 4 - у збірниках тез науково–практичних та науково-методичних конференцій).

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, двох розділів, висновків, списку використаних джерел ( 224 найменування), 7 додатків на 36 сторінках, 1 таблиці та 23 малюнків. Повний текст роботи складає 200 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано вибір теми дослідження, її актуальність, зазначено зв’язок роботи з науковими програмами та темами, визначено об’єкт, мету, предмет, завдання, методологічні та теоретичні основи, методи дослідження, розкрито його наукову новизну, практичну значущість, наведено дані про апробацію результатів дослідження.

У першому розділі “Комп’ютерне імітаційне моделювання навчального процесу в медичному університеті як психолого–педагогічна проблема” аналізується стан проблеми використання імітаційного моделювання в педагогіці, розкривається сутність, структура та функції ІСНП.

Теоретичний аналіз педагогічної літератури показав, що в педагогічній науці переважно використовуються статистичні методи обробки результатів досліджень, математичні моделі явищ та процесів при вивченні окремих предметів. Проведено аналіз позитивних та негативних сторін програмованого навчання, розглянуто експертні системи з точки зору їх використання в педагогіці. Прогностичні методи, імітаційне моделювання та експертні системи для вирішення задач педагогіки застосовуються надто рідко.

Використання імітаційного моделювання в педагогіці базується на застосуванні стохастичних моделей навчального процесу. Відомості про неперервні моделі навчального процесу в літературі відсутні.

Питання імітації функцій педагога розглянуті частково як реалізація навчальних та контролюючих програм. Причому, навчання часто побудоване на переносі в пам’ять комп’ютера підручника, а контроль – чиста фіксація вірних та невірних відповідей.

В педагогіці, як і в медицині, проведення експериментів з тими, хто навчається, пов’язане з великим ризиком. Імітаційний підхід до навчального процесу позбавляє від цього ризику.

Імітаційне моделювання є одним із засобів поліпшення професійної підготовки студентів–медиків, оскільки методи традиційного навчання не забезпечують зменшення розходження між наявністю знань та відсутністю вмінь вирішувати професійно-орієнтовані задачі. Тому доцільне навчання на імітаційних моделях, які максимально наближають реальну ситуацію та сприяють формуванню в студента як професійної кваліфікації, так і почуття відповідальності за хворого. Працюючи з імітаційною моделлю, студент може навчатися методом "спроб та помилок", не спричиняючи при цьому хворому ніякої шкоди.

Впровадження методів імітації вимагає сучасної комп’ютерної техніки для проведення якісних імітаційних експериментів. Потрібен такий інструмент для перевірки нововведень, який би не заважав традиційному навчальному процесові і не руйнував його, підказуючи вирішення проблеми. Звідси випливає доцільність використання кібернетичного підходу до вирішення педагогічних проблем та необхідність створення ІСНП як альтернативи традиційному навчальному процесові. Таким чином, з’являється конкуренція штучного інтелекту природному (реальному педагогічному процесові).

ІСНП – це математичні моделі + алгоритми + програми, наділені елементами штучного інтелекту, які еволюціонують та розвиваються, адаптуючись до реальної ситуації. Як інструменти для побудови ІСНП, використовуються імітаційне моделювання та конфігураційне управління, адаптовані до педагогічної системи. ІСНП моделює будь–який педагогічний процес, тобто ІСНП – це імітація будь–якої педагогічної системи у віртуальному режимі. Швидке реагування на негативну ситуацію можливе тільки з використанням комп’ютера через обчислювальний експеримент. Миттєва реакція по даних на моделі дозволяє одержати результати по прийняттю рішень в стислий час.

Кількісний аспект оцінки діяльності учасників навчального процесу дозволяє формалізувати математичне програмування (планування). В ІСНП використовується саме цей метод оптимізації, оскільки він науково обґрунтований, перевірений на практиці та надійний і забезпечує вирішення задачі пошуку оптимального варіанту навчального процесу.

ІСНП включає сприйняття інформації, планування, самонавчання та мову алгебри логіки. Структура ІСНП передбачає наявність моделі процесу навчання, моделі прийняття рішень, діалогової підсистеми.

Оцінка продуктивності ІСНП, а також діяльності учасників навчального процесу представлена індексами продуктивності (продуктивність, реактивність, використання), які виражаються в кількісних показниках.

В розділі розглянуто проблему формалізації навчального процесу, сформульовано пряму та зворотну задачі його математичного моделювання, приведено метод вирішення формалізованої задачі.

Описані можливі режими роботи ІСНП :

а) як засобу навчання при проведенні лекцій, практичних та лабораторних занять (практичних занять на комп’ютері);

б) як інструменту в руках викладача для проведення науково–педагогічних досліджень, підготовки до проведення занять, підвищення професійного рівня (ділові ігри);

в) автоматичний режим роботи ІСНП, що використовується для псевдоекспериментального вивчення навчального процесу з допомогою комп’ютера та вирішення задач оптимального управління цим процесом.

Визначено критерій рівня імітації навчального процесу. Таким критерієм є ступінь наближення до нуля цільової функції, яка являє собою різницю між рівнем знань, що відповідає вимогам навчальної програми, та реальним рівнем знань того, хто навчається.

У другому розділі “Алгоритмізація імітаційного моделювання навчального процесу в медичному університеті” обґрунтовано зміст та логічну структуру навчального курсу, викладено методику експерименту, приведено його результати та здійснено їх аналіз, представлена квазідетермінована модель навчального процесу, описані основні блоки ІСНП та продемонстровано її роботу по управлінню навчальним процесом на модельній задачі.

В основу вивчення курсу медінформатики покладено імітаційний підхід. Метою практичних та лабораторних занять є вивчення принципів побудови алгоритмів та методики постановки задач медицини для розв’язання їх на комп’ютері, математичних моделей, які є формалізацією біомедичних процесів. Основою вивчення та прийняття рішення є обчислювальний експеримент. Саме на цьому курсі досліджувались проблеми, пов’язані з оптимізацією навчального процесу. Відбір навчального матеріалу базується на системному підході. Імітаційний підхід дозволяє вирішувати задачі медицини, імітуючи досліджувані ситуації на комп’ютері без втручання в реальний процес. Це дає можливість студентові виробити оптимальне рішення в певній ситуації, захистивши себе від випадкових помилкових рішень. Завдяки сучасним комп’ютерним технологіям імітація актуальних задач медицини можлива не тільки кількісно, але й з використанням графіки, різних звукових та візуальних ефектів.

Педагогічний експеримент проводився на кафедрі медичної кібернетики, біофізики та медапаратури Луганського державного медичного університету в процесі вивчення медичної інформатики студентами другого та шостого курсів лікувального та педіатричного факультетів. Кількість студентів на курсі 300–380.

На першому етапі досліджувався процес накопичення знань студентами з використанням кібернетичних принципів до аналізу, узагальнення та представлення даних. Метою проведення декомпозиції емпіричних даних було створення автономних блоків, таких як лекція, вправи на практичному занятті, лабораторна робота. Описані ситуації для найпростішої імітації досліджуваного процесу, показано можливість повного вирівнювання знань на кінець вивчення курсу.

Обробку емпіричних даних було здійснено методом локального згладжування та одержано результати, що відображають процес накопичення знань студентами в залежності від часу та різних методів навчання. Результати даного дослідження приведені на рис. 1. Також показаний рівень знань студентів на момент закінчення університету, оскільки він є одним із критеріїв якості навчання.

В даному експерименті виконанням робочої програми по різним варіантам, в залежності від підготовки студента та викладача, продемонстровано автоматизоване управління навчанням. Процес навчання реалізується лекцією, практичним закріпленням та остаточно лабораторною роботою. Контроль знань – розв’язання конкретних задач, придбання вмінь та навичок по дисципліні, яка вивчається, реалізується через індивідуальне завдання та самостійну роботу. Бальна система оцінок поставлена у відповідність декомпозиції задачі (на n підзадач 2n виходів). Облік складності підзадач здійснюється ваговими коефіцієнтами.

Результати, які відображають залежність рівня підготовки студентів від рівня професійної підготовки викладача (рис. 2), одержані відносно ідеального рівня, прийнятого за одиницю.

Дослідження показали, що нестабільність процесу накопичення знань обумовлюють причини:

-

-

-

В процесі обробки даних проводився автоматичний пошук емпіричної нелінійної функції: ті ділянки кривої, які мали значення похідної набагато більше нуля, автоматично зрівнювались з першими членами розкладу в ряд елементарних функцій. Такою залежністю в даному випадку виявилась нелінійна регресія:

f(t) = a + bect ,

де а – бал, який характеризує рівень знань студента в початковий момент часу;

b – швидкість засвоєння знань;

c – коефіцієнт, який відображає той факт, що рівень знань має межу, яка визначається якістю читання лекцій, складністю практичних та лабораторних робіт.

В результаті, апроксимуючою функцією процесу навчання в 90% випадків нами була одержана логістична крива. Цим самим знайдено можливість використання неперервної математичної моделі в педагогіці. Неперервні математичні моделі - це і є усереднені показники якості засвоєння знань.

Потреба в усереднених, згладжених даних та в обробці великої кількості інформації, яка має “протиріччя”, наявність у даних похибки, яку неможливо усунути, привела до необхідності імітації навчального процесу, що в свою чергу передбачає його формалізацію.

В процесі формалізації навчального процесу як квазідетермінованого, можна застосовувати апарат математичного програмування (планування). В цьому випадку розв'язання задач оптимального управління навчальним процесом забезпечують чисельні методи оптимізації.

На цьому етапі дослідження ми скористалися універсальністю кібернетичної думки, яка через аналогію зіставляє об’єкти різної природи. Результат формалізації навчального процесу – узагальнена диференціальна модель Мальтуса (1798). Більш точною моделлю навчального процесу є модель Лоткі–Вольтерра (відома в біології як двохвидова модель розвитку популяцій). Такий висновок зроблено на основі використання принципу аналогії, який дозволив скористатися відомою математичною моделлю, а властивість масовості алгоритму дозволила їх ідентифікувати.

В роботі моделі зустрічаються випадки, коли студент знаходить роз’вязок задачі, який невідомий викладачеві. Зробивши аналіз ситуації по крокам, установлено, що, імітуючи функції викладача, можна записати задачу математичного програмування навіть у випадку зміни рівня його знань.

Дослідження проводились у рамках імітаційного моделювання з дотриманням принципів цього підходу. Проте, частковий характер ситуації та реальний масштаб часу вимагають проводити такого роду дослідження з використанням ІСНП. Це обумовлено необхідністю миттєвої реакції по даних, одержаних через зворотний зв’язок на моделі.

ІСНП повинна створюватись, спираючись на методологію управління проектуванням програмного продукту, а такий проект потребує матеріальних затрат. Тому робота основних блоків ІСНП перевірялась на модельній задачі. На рис.3 представлені результати роботи імітаційної моделі.

Мобільним аналогом навчального процесу є задача “Вірус”, в якій збережені та задіяні основні принципи дослідження в ІСНП. Суть задачі – управління процесом лікування групи хворих на імітаційній моделі. Використовуючи сучасні чисельні методи, вдалося досягти бажаної ефективності – стовідсоткового врятування хворих. Висока швидкість моделюючих процесів дозволила використати метод “спроб та помилок” без нанесення шкоди здоров’ю пацієнта.

Робота модельної задачі відтворює функціонування досліджуваного навчального процесу. Управління полягає в тому, що ІСНП підводить студента до потрібного рівня підготовки, керуючи формуванням та видачею задач, базуючись на роботі модуля їх автоматичної генерації. Неперервно спостерігаючи за роботою студента автоматично, здійснюється мінімізація відхилення його рівня знань від рівня, заданого навчальною програмою, тобто розв’язується задача математичного програмування. Конфігураційне управління забезпечує повторення досвіду (в разі необхідності повернення в попередній стан).

При дослідженні основних блоків, які входять в ІСНП, показаний принцип автоматичної генерації завдань. Його робота проілюстрована на деяких задачах робочої програми. Запропоновано та обґрунтовано спосіб неперервного автоматичного спостереження за виконанням студентом календарного плану з розмитими границями. Розпаралелювання спостережень моделюється, базуючись на задачі підрахунку сум ряду Грегорі. Таким чином, ця модельна задача знімає проблеми пошуку інформації при конфігураційному управлінні та автоматичному моніторинзі за кожним учасником навчального процесу.

Педагогічний експеримент, проведений в автоматизованому режимі, показав потребу в автоматичному засобі для управління навчальним процесом, яким і є ІСНП. Окрім забезпечення основних дидактичних принципів навчання, ІСНП створює атмосферу психологічного комфорту для студента при роботі з нею.

У дисертації наведене теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в доведенні того, що навчальний процес у медичному університеті є квазідетермінованим та запропонована його математична модель.

Проблему комп’ютерного моделювання навчального процесу в медичному університеті пропонується розв’язати шляхом розробки ІСНП, яка вирішує задачі оптимального управління навчанням студентів-медиків, оскільки вони зводяться до задач імітаційного моделювання квазідетермінованих процесів і формалізуються у вигляді математичного програмування.

Аналіз проблеми та отриманих результатів роботи дозволили сформулювати такі висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

Виконане дослідження не вичерпує всіх аспектів поставленої проблеми. Перспективним є питання організації моніторингу у всіх споріднених вищих навчальних закладах галузі та створення ІСНП.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДБИТО У ПУБЛІКАЦІЯХ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.  

11.

12.  

13.  

Пінькас В.Г. Комп’ютерне моделювання навчального процесу в медичному університеті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук за спеціальністю 13.00.04 – теорія і методика професійної освіти - Луганський державний педагогічний університет імені Тараса Шевченка, Луганськ, 2001.

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню проблеми комп'ютерного моделювання навчального процесу в медичному університеті. Виявлено умови для оптимізації діяльності педагога по реалізації кібернетичного підходу. Обґрунтовано необхідність побудови та застосування імітаційної системи навчального процесу (ІСНП) з метою вирішення задач оптимізації педагогічної системи. Доведено, що навчальний процес в медичному університеті є квазідетермінованим процесом та запропонована його математична модель. Здійснено автоматизований моніторинг за роботою студента та викладача в навчальному процесі на основі кібернетичного підходу та виявлено потребу в його автоматичному моніторинзі. Експериментально перевірено основні принципи роботи ІСНП на модельній задачі, ефективність окремих її модулів показано на задачах робочої програми. Доведено існування вирішення проблеми адекватного комп’ютерного моделювання навчального процесу медичного університету з метою вирішення задач оптимального управління цим процесом.

Ключові слова: імітаційне моделювання, ІСНП, навчальний процес у медичному університеті, моніторинг, квазідетермінована модель.

Пинькас В.Г. Компьютерное моделирование учебного процесса в медицинском университете. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук по специальности 13.00.04 –теория и методика профессионального образования. – Луганский государственный педагогический университет имени Тараса Шевченко, Луганск, 2001.

Диссертация посвящена рассмотрению проблемы компьютерного моделирования учебного процесса в медицинском университете. Выявлено, что в традиционном педагогическом процессе нечеткие знания педагога и обучаемого могут быть проконтролированы в сжатом масштабе времени только в виртуальном режиме с использованием компьютера. В результате создаются условия для оптимизации деятельности педагога по реализации кибернетического подхода. Обоснована целесообразность применения имитационного подхода к процессу обучения и необходимость создания имитационной системы учебного процесса (ИСУП) как альтернативы существующему традиционному учебному процессу.

С помощью имитационного моделирования и конфигурационного управления, являющихся инструментом для построения ИСУП, создается конкуренция искусственного интеллекта естественному. Основываясь на системно-структурном анализе, представлена ее структура, функции. Проанализированы режимы работы ИСУП: как средства обучения при проведении практических и лабораторных работ; как инструмента в руках педагога для проведения научно-педагогических исследований, подготовки к проведению занятий, повышения профессионального уровня; как средства псевдоэкспериментального изучения учебного процесса с помощью компьютера и решения задач оптимального управления этим процессом.

Доказано, что учебный процесс по своей природе является квазидетерминированным и описывается непрерывной функцией, выражающей зависимость накопления знаний от времени. Выявленная возможность использования континуальной (непрерывной) математики, позволяет решать вопросы оптимизации и управления обучением, поскольку они сводятся к задачам имитационного моделирования квазидетерминированных процессов. Методы математического программирования в данном случае обеспечивают выбор оптимального варианта учебного процесса.

Предложена непрерывная математическая модель учебного процесса, которая качественно отражает процесс накопления знаний, полученная на основе принципа аналогии и свойства массовости алгоритма.

Найдено решение задачи проверки эффективности педагогического эксперимента, базирующееся на использовании имитационного моделирования. Особенность этого подхода в том, что эксперимент проверяется с помощью компьютера без вмешательства в учебный процесс.

Путем экспериментального исследования осуществлен мониторинг учебного процесса на кафедре медицинского университета в автоматизированном режиме. Основываясь на полученных результатах, сделан вывод о необходимости глобального автоматического мониторинга за учебным процессом вузов отрасли. Такой мониторинг позволяет накапливать и использовать педагогический опыт, а также иметь достоверную информацию для оперативного текущего управления этим процессом.

Проверены основные принципы работы ИСУП на модельной задаче. Осуществлена проверка работоспособности основных модулей, задействованных в ИСУП, таких как автоматическая выдача заданий и непрерывное наблюдение за выполнением студентом календарного плана. Работоспособность этих модулей продемонстрирована на отдельных задачах рабочей программы. Осуществление теоретико-экспериментального исследования позволило сформулировать условия, которые создает применение ИСУП в учебном процессе.

Экспериментальное исследование показало, что ответы на многие вопросы управления учебным процессом дает решение задач имитационного моделирования этого процесса с использованием методов математического программирования с ограничениями.

Доказано существование решения проблемы адекватного компьютерного моделирования учебного процесса в медицинском университете с целью решения задач его оптимального