НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ім. Г. Є. ПУХОВА

РАДЕЛЬЧУК Галина Іванівна

УДК 004.78:371.311

ЗАСОБИ, МОДЕЛІ ТА ТЕХНОЛОГІЯ
АВТОМАТИЗОВАНОГО ГРУПОВОГО НАВЧАННЯ

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні

інформаційні технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Центрі таймерних обчислювальних систем

Інституту кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України, м. Київ

Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с. Корольов Юрій Всеволодович,

Центр таймерних обчислювальних систем

Інституту кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук,

професор Додонов Олександр Георгійович,

Інститут проблем реєстрації інформації НАН України,
заступник директора з наукової роботи

Кандидат технічних наук, доцент Єлізаренко Геннадій Миколайович,

НТУУ “Київський політехнічний інститут” МОН України,

Учбово-науковий комплекс “АПРОДОС”,

кафедра автоматизації проектування енергетичних процесів та систем, професор-

Провідна установа: Національний авіаційний університет МОН України,

кафедра прикладної інформатики, м. Київ

Захист відбудеться 25 жовтня 2001 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради
К 26.185.02 в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова НАН України за адресою: 03680, м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енерге-тиці ім. Г. Є. Пухова НАН України за адресою: 03680, м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15

Автореферат розісланий 23 вересня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Семагіна Е. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема підвищення ефективності навчання з кожним роком стає все актуальнішою. Значні темпи ускладнення та оновлення технічної оснащеності усіх сфер виробниц-тва та обслуговування викликали різке збільшення обсягу професійних знань, умінь та навиків, необхідних для успішного вирішення висунутих життям завдань. Разом з тим, як відзначено у Державній національній програмі “Освіта. Україна ХХІ століття”, система осві-ти в Україні не відповідає вимогам, які висуваються перед нею в сучасних умовах. Одним із шляхів практичної реалізації цілей та завдань, визначених у Законі України “Про освіту”, є розробка і впровадження сучасних технічних засобів навчання (ТЗН) та нових інформаційних технологій (НІТ) навчання на базі комп’ютерних засобів. Ці завдання вимагають нових технічних і технологічних вирішень.

Основною формою організації навчального процесу в усіх ос-віт-ніх закладах є групове навчання з провідною участю викладача. Очевидно, що ще на протязі досить значного періоду інформа-ційні технології навчання будуть розвиватись у його надрах (за прогнозами, на по-чаток ХХI ст. комп’ютеризоване навчання буде займати не більше 50% навчального часу): предметно-урочна (аудиторна) система навчання, класно-кабінетне групування учнів, концентрація на-в-чального процесу в навчальному закладі тощо. Технологія групового навчання з викладачем скла-далась десятиліттями і надто стійка, щоб можна було на неї посягати, а не пристосовуватись до неї. Тому один із шляхів удосконалення процесу навчання полягає в розвитку саме групової системи, зокрема, в пошуках методів та засобів автоматизації як діяльності викладача, так і діяльності учнів, розробки методики проведення групових навчальних занять під управлінням викладача з комп’ютер-ною під-тримкою. Однак на даний час недостатньо науково-об-гру-н--то--вані підходи до створення та впровадження в процес групового навчання комп’ютер-них засобів та НІТ, а також науково-обгрунтованих моделей автоматизованого групового навчання з комп’ютерною підтрим-кою. До цього часу ще не сформовано єдиного погляду на застосування ТЗН та НІТ саме для групо-вого навчання різноманітним дисциплінам. При значній кіль-кості публікацій, присвячених окремим аспектам даної проблеми, вона до цього часу не має методологічного фундаменту та комплексного наукового обгрунтування. Тому розробка та впровадження у навчання НІТ є актуальною науковою проблемою, що має форму концепцій комп’ютерної технології навчання або інформатизації освіти. Аналіз положень існуючих ва-рі-антів цих концепцій дозволяє зробити наступні висновки: дослідження в галузі НІТ та комп’ю-теризації навчання перш за все повинні включати роботи, що забезпечували б впровадження єдиної техніч-ної політики з використанням ієрархії сумісних достатньо потужних ПК (з орієнтацією на ПК класу IBM PC), які задовільняють умовам їх використання для підтримки інтегро-ваного інформа-цій-ного середовища навчального процесу всіх рівнів освіти з урахуванням ергономічних та санітарно-гігієнічних вимог; дослід-ниць-кі роботи повинні бути орієнтовані на створення автоматизованих систем різноманітного призначення із застосуванням ідей когнітивної психології, тех-но-логії інтегро-ваного використання даних різних типів, методів автоматичної побудови проблемно-орієнтованих баз знань, методів теорії прийняття рішень тощо; інформаційні технології навчання та комп’ю-тери-за-ція освіти повинні задовільняти умові доцільності при мінімально необхідних витратах на серійне виготов-лен-ня програмно-апаратних засобів навчання. Це і визначило мету та задачі досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з Державною національною програмою “Освіта. Україна ХХI століття”, в межах нау-ко-во-дослідних робіт (НДР) Центру таймерних обчислювальних систем (ЦТОС) Інституту кібер-не-ти-ки ім. В. М. Глушкова НАН України (теми “Розробка таймерних обчислювальних пристроїв та си-с-тем автоматизованого управління і інформатики”, № ДР 0194U006283; “Розробка та впро-вад-жен-ня перс-пек-ти-в--них таймерних технологій в інформаційно-обчислю-вальних системах”, № ДР 0100U004345); за замовленням Головного управління освіти Київської міської державної адмініст-ра--ції (Договір №2/96 від 25.09.1996 р. на виконання інноваційного проекту “Розробка тех-ні-ч-ної докумен-та-ції та створення дослідних зразків екологічно чистого з точки зору електромагнітного випромі-ню-вання дисплейного класу для потреб навчальних закладів народної освіти”, № ДР 0196U022176).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обгрунтування та розробка засобів і технології автоматизованого групового навчання під управлінням викладача, інваріантних до семантики нав-чаль-них дисциплін. В основу досліджень покладено принцип комплексного використання тради-цій-но-го та автоматизованого навчання із застосуванням НІТ і нових підходів до моделювання про-це-су групового навчання. Для досягнення поставленої мети в дисертації вирі-шують-ся такі задачі:

1. Системний аналіз сучасних комп’ютерних систем і на його основі визначення структури програмно-апаратних засобів для побудови інформа-цій-них навчальних комплексів (ІНК), які можуть бути використані для створення ав-то-ма-тизованих систем групового навчання з максимальною ефективністю та мінімаль-но необхідними витратами.

2. Побудова та дослідження моделей автоматизованого групового навчання на базі ІНК.

3. Розробка: технології проектування комп’ютеризованих навчальних курсів (КНК) для під-трим-ки навчання різноманітним дисциплінам; програмних засобів автоматизації управління процесом групового навчання на базі ІНК; інтерфейсу користувачів.

4. Розробка загальної технології автоматизованого групового навчання.

5. Реалізація ІНК на базі таймерної технології, орієнтованих на загальноосвітні школи.

Об’єкт дослідження – автоматизовані системи групового навчання.

Предмет дослідження – засоби та технологія автоматизованого групового навчання.

Методи дослідження. Для обгрунтування раціональної структури ІНК використано по-рів--няль-ний аналіз архітектурних особливостей, функціональних, технічних та програмних пара-ме-т-рів су--час-них комп’ютерних систем. Побудова інваріантної моделі та формалізація автоматизо-ва-ного гру-пового навчання під управлінням викладача виконувалась на основі загальної теорії багато-рів-не--вих ієрархічних систем прийняття рішень. Для розробки пакета програм управлін-ня використо-ву-вались засоби мультитермінальної багатозадачної операційної системи (ОС) DOSLine. Для розробки таймерного ІНК застосовано технологію побудови таймерних інформаційних систем.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Побудовано та формалізовано інваріантну модель автоматизованого групового навчання, що відображає механізми взаємодії викладача, групи учнів та програмно-апаратних засобів ІНК і не залежить від предметної області та умов навчання.

2. Побудована адаптивно-параметрична модель навчання, яка характеризує основні компо-нен-ти системи "???????? - ??? - ????? ?????", ?????????? ????????? перетворення підсистем із одного стану в інший ?? ?????????? ????????? ?????????-????????? ??????? ??? ? ???????? ???????? ?? ?????????????? ???????????? ?????.

3. На основі створених моделей розвинута та удосконалена технологія проектування і розробки КНК для підтримки навчання різноманітним дисциплінам; розроблена загальна технологія автоматизованого групового навчання на базі ІНК під управлінням викладача.

4. Розроблена таймерна мультиконсольна інформаційна система (ТМІС) із зниженим рівнем електромагнітного випромінювання (ЕМВ).

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверд-жу--єть-ся коректністю постановок задач, коректним використанням апарату теорії багато-рів-невих ієрар-хіч-них систем, результатами експериментальних досліджень, апробацією працездатності розроблених програм та їх впровад-женнями у навчальний процес.

Наукове значення роботи полягає у вирішенні актуальної наукової задачі – створення сучасних за-собів та технології автоматизованого групового навчання під управлін-ням викладача на основі но-вих науково-обгрунтованих моделей навчання. Отримані результати складають формальний апарат для вдосконалення методики автоматизації групового навчання та подальшого розвитку інформаційних технологій навчання.

Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці комплексу програм управ-лін-ня процесом групового навчання, реко-мен-дацій для про-ек-тування інте-г-ро-ва-но-го середовища КНК, технології автоматизова-ного групового навчання на базі ІНК під уп-рав-лін-ням викладача (що дозволяє забезпечити досяг-нен-ня якісно нового рівня ви-кла-дання різних дисциплін), а також ТМІС на базі одного ПК, орієнтованої на загальноосвітні школи. Отримані ре-зультати не вимагають розробки спеціалізова-них ТЗН, дозволя-ють виключити з навчального процесу використання складно-го та дорогого обладнання, а також ефективніше використовувати наявні комп’ютерні засоби. Застосування таймерної технології для розробки ІНК дозволяє до-да-т-ково зменшити вартість ІНК та поліпшити його екологічні характеристики в порів-нянні з відомими рішеннями. Технологія побудови ТМІС є основою для розробки вітчиз-ня-них мультиконсольних комплексів та таймерних ІНК з кольоровим графічним режимом робо-ти на робочих місцях (РМ) учнів.

За результатами дос-лід-жень виготовлено понад 100 учбових дисплейних класів (УДК) на дослідно-кон-струк--тор-ській базі Тех-но-ло-гіч-ного університету Поділля (ТУП, м. Хмельницький) для потреб ТУП та за замовленням Управлін-ня освіти Хмельницької обласної державної адміні-ст-ра-ції, які були впровад-жені у навчальний процес в учбових закла-дах Хмельницької області. Техно-ло-гія автоматизованого групового нав-чан--ня на базі ІНК апробована в Учбовому центрі комп’ю-терних технологій Української Асоціа-ції “УКРСТЕНО”, що діє на базі Міжна-род-ного науково-навчального Центру інформацій-них технологій і систем НАН України та МОН України. Отримані результати були також використані у наукових дослід-жен--нях ЦТОС при виконанні ряду НДР.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на двох республіканських, двох міжнародних конференціях та двох наукових семінарах, а саме: на IV республіканській науково-технічній конференції “Проблеми нелінійної електротехні-ки”, м. Київ, 1992 р.; на Республіканській науково-методичній конференції “Програмно-тех-ніч-ні за-со-би ін-фо-р-мати-зації освіти”, м. Київ, 1995 р.; на Міжнародній науково-технічній конференції “Про--б-ле-ми фі--зич-ної та біомедичної електроніки”, м. Київ, 1997 р.; на Міжнародній науковій конфе-рен-ції “Пра-во---ве регулювання відносин в промисловій екології та інженерії”, м. Хмельниць-кий, 1997 р.; на науковому семінарі Науково-методич-ного центру вищої освіти, м. Київ, 1995 р.; на наукових се-мі-нарах ЦТОС, м. Київ, 1995-2001 рр.

Технічні реалізації таймерних ІНК - УДК "ХТІБО" та "Квазар” - демонструвались на респу-блі-канських (м. Київ), всесоюзних (м. Москва) та міжна-род--них (м. Пловдив, Болгарія та м. Делі, Індія) виставках і ярмарках, і були нагороджені золо-тими і срібними медалями (здобувача нагород-же-но срібною медаллю ВДНГ СРСР – Посвідчення № 38401 від 16.12.1988 р.). Згідно з рішен-ням Укра-їнської Ради Міжнарод-ної Соросів-ської Програми підтрим-ки освіти в галузі точних наук (про-то-кол № 21 від 25.06.1997 р.) здобувачу присуджено грант Соросівського аспіранта № PSU071041.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 наукових робіт, з яких 14 - статті в періодичних виданнях (в тому числі 8 - у фахових виданнях), 1 - тези доповіді, 2 – звіти по НДР.

Особистий внесок здобувача у публікаціях із співавторами є наступним: а) обгрунтування до-цільності по-бу-дови ІНК у вигляді багатотермінального комплексу (БТК); аналіз варіантів архі-тек---тур-ної побу-до-ви та функціональ-них можливостей багатотерміналь-них ІНК стосовно до потреб нав-чання; ме-то-до-ло-гія побудови та викорис-тан-ня розподілених навчаючих комплексів таймер-но-го типу, роз-роб--ка прог-рамного забезпечння (ПЗ) для УДК; принципи побудови та структура ТМІС, яка ба-зу-єть--ся на но-вих пристроях – таймерна клавіату-ра (ТК), контролер введення таймерних сигналів (КВТС), бага-то-канальний текстовий відеоадаптер (БТВА) (роботи [1, 2, 3, 9); б) побудова та дос-лі-д---ження інваріантної моделі автоматизованого групового навчання під управ-лін-ням викладача на ба--зі ІНК (роботи [4, 5]); в) принципи побудови, структу-ра та функції ПЗ для УДК (робота [6]); г) до-слід-ження рівня ЕМВ ТК і таймерних ІНК (роботи [7, 8]).

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із списку скорочень, вступу, чотирьох розділів, висновків, які викладені на 142 сторінках машинописного тексту, ілюструється 19 рисун-ками, доповнена списком використаних джерел із 220 найменувань та додатками на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Вступ. Обгрунтовано проблему дослідження та актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, визначено об’єкт та предмет дослідження, а також відзначені наукова новизна, практична цінність, обгрунтованість та достовірність отриманих результатів, наведені відомості щодо апробації роботи та публікацій у наукових виданнях.

Стан проблеми. Архітектурна організація інформаційного навчального комп-лексу. В розділі проведено огляд вітчизняних та зарубіжних літературних джерел за тематикою роботи, ана-лізується стан проблеми та основні напрямки розробки і використання комп’ютер-них засобів і НІТ для автоматизації навчання. На основі проведеного аналізу виявлені існуючі протиріччя та описана проблемна ситуація, а також визначені основні причини незадовільного стану розробки та впровадження НІТ і ТЗН в систему освіти України та шляхи їх подолання.

Дослідження по автоматизації та комп’ютери-зації навчання розвиваються паралельно з розвит-ком комп’ютерних засобів по таких основних напрямках: а) створення автоматизо-ва-них на-вча-ючих си-с-тем (АНС) на базі широкої номенклатури засобів обчислювальної техніки (ОТ) з використанням ідей програмованого навчання; б) розробка адаптивних АНС з моделлю учня на основі мето-дології, ме-тодів та алгоритмів класичної теорії управління; в) розробка ін-те-лек-туальних АНС (або експер-т-но-навча-ючих систем), що базуються на інженерії знань та міс-тять знання трьох кла-сів: знання про пре-д-метну область; знання про стратегії навчання; знання про учня; г) створення засобів НІТ нав-чан-ня на базі сучасних ПК та їх мереж (в тому числі технології мультимедіа та Internet). При безпе-реч-ній важли-вості отриманих результатів для розвитку інформаційних техноло-гій навчання не мож-на не відзна-чити їх обмеже-нос-ті переважно одним дидактичним напрямком – вдосконален-ня індиві-ду--аль-ної роботи учнів на ПК (як у межах традиційної освітянської пара-диг-ми, так у межах нової). При розробці автоматизованих систем групового нав-чан-ня (особливо для масової школи) не можна іг-норувати провідну роль викладача, оскільки процес навчання, керова-ний викладачем, є най-більш раціональ-ним способом організації цього процесу. Однак моделі автоматизованого групо-во-го навчан-ня з використанням ПК недостатньо нау-ково-обгрунтовані і, як на-с-лі-док, відсутні технології та ме-тодики групо-во-го навчання під управ-лін-ням викладача, що потре-бують ПК та засобів НІТ. Тому центр дослід-жень по автоматизації навчання повинен пере-міс-ти-тись від переважаючого вивчен-ня функ-цій ПК у взаємодії з учнем до питань опосередкування ком-п’ю-тером діяльності викладача і роз-роб-ки ефективних дидактичних стратегій спільного функ-ці-о-нування системи “викладач ПК гру-па учнів”. Це визна-чило основні напрямки до-слі-джень. Очевидно, що успішність автоматизації групового навчання в першу чергу залежить від вдалої кон-фі-гурації апаратно-програмних засобів навчання, від якості науково-об-грун-то-ваних моделей ав--то--матизо-ва-но-го групового навчання під уп-ра-в-лін-ням викладача, в яких по-вин-на бути адекватно ві-до-бра-жена при-рода навчального процесу, а та-кож від якості навчального ПЗ і технології навчання, розроб-ле-них на основі цих моделей. У від-по-від-ності з цим та з урахуванням необхідних обме-жень і вимог у даному розділі проаналі-зо-ва-ні дидактичні можливості ПК, основні критерії відбору тех-ніч-них засобів автоматизації навчання, а та-кож варі-анти комплексування апаратно-про-грам-них засо-бів для раціональ-ної побудови ІНК. На ос-но-ві порівняльного аналізу структурної по-бу-дови, архітектурних, функціо-наль-них та програ-м-них па-ра--метрів сучасних комп’ютерних систем обгрунтована доцільність використання БТК різної конфі-гу--ра-ції на базі одного ПК класу IBM PC, до якого приєд-нуються РМ учнів (багатотермі-наль-ний ІНК з алфавітно-цифровими або графічними те-р-мі-на-лами, мультиконсольний ІНК з графічним режимом роботи на РМ, ІНК з інтелектуальними терміналами (ІТ)) з інтеграцією їх (при необхідності) у мережу. Архітек-тура ІНК типу БТК, конфі-гурація якого зада-єть-ся в залежності від навчальних задач і який функціонує в режимі колективного доступу з розпо-ділом часу та ресурсів ПК, задовільняє основ-ним вимогам раціональної органі-за-ції автоматизо-ва-ного групового навчання під управлінням викладача. Порівняльна характеристика сучасних муль-ти--термінальних ОС доводить, що властивості деяких з них (Linux, TSX-32, DOSLine) дозволяють ор-га-нізувати спільну роботу користувачів на одному ПК без зни-ження швидкості роботи на РМ. Крім того, наявність засобів підтримки на РМ (в ІНК з ІТ) одночасної роботи в комплексному режимі (термі-наль-ному, автономному та мережі, між якими можна переключатись) та інтеграції ІНК у мережу (у тому числі в Internet) значно розширює можли-вості навчання. Для практичної реалізації інформаційної технології вибрана муль-ти--термінальна багатозадачна ОС DOSLine.

Теоретичні основи та моделювання автоматизованого групового навчання на базі інфор-ма-цій-ного навчального комплексу. У даному розділі досліджені проблеми опосе-ред-ку-ван-ня ком--п’ю--тером діяльності викладача та разробки ефективних дидактичних стратегій спіль-но-го фун-к-ці-о-нування системи “викладач ІНК група учнів”, тобто організованої в систему взаємо-дії двох самокерованих систем (викладач, група учнів) із застосуванням сучасних комп’ютерних засобів. В основу досліджень покладено такий вихідний принцип: конструйована модель автоматизованого групового навчання на базі ІНК повинна містити інварі-антну частину, незалежну від предметної області і досить стійку до різних умов навчання, та динамічну частину, в котрій найповніше б враховува-лись умови навчання та відповідні механізми розумових і предметних дій учнів. Основну увагу при-ді-лено побудові інваріантної моделі, що реалізує механізми взаємодії викладача та групи учнів за допомогою програмно-апара-т----них засобів ІНК. При цьому враховува-лись такі вимоги як збере-ження про-від-ної ролі викладача; гнучка організація навчального матері-а-лу; оптимальний розподіл задач між ПК та викладачем; раціональна організація колективної діяль-ності учнів з врахуванням їх індиві-ду-аль-них особливос-тей; включення самокерованої діяль-нос-ті учня в контур зовніш-нього уп-ра-в-лін-ня. У відповідності з цим побудована інваріантна модель сис-те-ми “викладач ІНК група учнів” у вигля-ді двохрівневої ієрархічної системи, яка містить n підсистем (блоків прийняття рі-шень) нижчого рівня (n учнів та засобів здійснення їх рішень), підпорядко-ва-них одному органу уп-ра-вління (блоку прийняття рішень) вищого рівня (викладач та засоби здій-снен-ня його рішень). Дана система є системою управління або системою прийняття рішень, яка складається з елементів, що приймають рішення на своєму рівні (вирішувальних елементів), та програмно-апаратних засобів здій-снення їх рішень (реалізаторів). Керованим процесом є навчальна діяльність групи учнів. “Вихо-дом” процесу є відповідний рівень знань, умінь та навичок нижчих елементів. Визначені оптимі-за-цій-ні задачі системи: глобальна за-да-ча (мета) всієї системи (досягнення рівня знань групи учнів, що відповідає максимальним можливостям кожного, з найменшими витратами зусиль та часу учнів і викладача), локальні задачі нижчих підсистем (отримуються шляхом декомпозиції глобальної), задача (мета) підсистеми вищого рівня – координатора (здій-снення на нижчі елементи такого впливу, котрий призводить до бажаних у деякому наперед вста-нов-леному розумінні результуючих взаємо-дій, і визначається вибраним принципом координації - узгодження взаємодій підсистем нижчого рівня). Необхідність у вирішенні задачі координації зумовлю-ється можливою неузгодженістю дій учнів через неоднорідність їх інтелекту, мотивацій-них та психофізіологічних особливостей.

Модель системи описана на вербальному та абстрактному рівнях. Без порушення загальності розгляду вважається, що система функціонує в умовах визначеності, тобто множина зовнішніх збу-рень відома. Система має n+2 підсистеми: керуючу систему C0 вищого рівня, n керуючих систем С1, C2, ..., Cn нижчого рівня та керований процес Р. Модель системи з урахуванням декомпозиції під-систем Ci (i = 0, 1, ..., n) на вирішувальні елементи di та реалізатори ci показана на рис.1. Окремі блоки зображають підсистеми, а їх розташування відображає ієрархічну структуру системи. В сис-те--мі існує два види вертикальної взаємодії між підсисте-мами: а) передавання вниз “ко-ман-дних” сигналів: від системи C0 до систем Ci (координуючі сигнали = (1, 2, ..., n), Г, де Г - множина координуючих сигналів; на вхід i-ї системи поступає i-а компонента i сигналу ) та від систем Ci до процесу Р (керуючі дії (параметри діяльності учнів) m = (m1, m2, ..., mn), m M, де M – множина всіх керуючих дій, M = M1 M2 ... Mn, Mi - множина керуючих дій підсистеми Ci); б) передавання догори інформа-ційних сигналів зворотнього зв’язку різним систе-мам ієрар-хії: від систем Ci (i = 1, 2, ..., n) до системи C0 (w = (w1, w2, ..., wn), w W, де W - множина сигналів зворотнього зв’язку) та від керованого процесу P до систем Ci (z = (z1, z2, ..., zn), z Z, де Z - множина сигналів зворотнього зв’язку від процесу P, Z = Z1 Z2 ... Zn, Zi - множина інформаційних сигналів від підпроцесу Pi). “Вихід” процесу Р позначено y, y = (y1, y2, ..., yn), y Y, де yi - вихід локального підпроцесу для підсистеми Сi, Y - множина виходів процесу P.

Процес P та підсистеми C0 і Ci подаються у вигляді наступних відображень:

P M Y; C0 W Г; Ci Г Zi Mi.

Припускається, що існує зв’язане з керуючою підсистемою C0 сімейство D0(w) задач прийняття рішень і множина рішень X0, таких, що для будь-якого w вихід x0= d0(w) є рішен-ням задачі D0(w). Аналогічно з кожною підсистемою Сi зв’язано сімейство задач Di(, zi) з множиною рішень Xi, таких, що для кожної пари (, zi) вихід xi = di(, zi) є рішенням задачі Di(, zi). У відповідності з цим деком-позиції підсистем на вирішувальні елементи d0 і di та реалізатори c0 і ci подаються у вигляді таких відображень:

d0 W X0, c0 W X0 Г; di Г Zi Xi, ci Zi Xi Mi.

На рис. 1 процес P розглядається як такий, що складається з n автономних підпроцесів Pi, кож-ний з яких керується окремою підсистемою Ci; i-й підпроцес є відображення Pi: Mi Ui Yi, де Yi – множина “виходів” i-го підпроцесу, Ui – множина “сполучних” сигналів ui, за допомогою яких кожний підпроцес Pi зв’язується з іншими підпроцесами і які визначають міру неузгоджено-сті дій нижчих підсистем. “Cполучний” сигнал u = (u1, u2, …, un) в даній системі визначає швид-кість наближення підсистем нижчого рівня до глобальної мети. Оскільки підпроцеси Pi є автономними, то кожний “сполучний” сигнал ui є просто частиною розв’язку xi (xi = (mi, ui)) і подається відображенням U : X U, де X = {X1, X2, …, Xn}, U = U1 U2 … Un. Це означає, що кожний нижчий елемент отримує право при вирішенні власної задачі розглядати “сполучні” входи як додаткові вільні змінні, котрі він може вибирати довільно (хоча фактично, в силу існування взаємозв’язків між підпроцесами, повної свободи немає). Іншими словами, кожна локальна задача визначається незалежно від інших, і локальні елементи отримують інструкцію оптимальним чином вибрати як локальні керуючі дії, так і локальні “сполучні” входи. Cигнали зворотнього зв’язку, що поступають на вхід підсистеми Ci, містять інформацію відносно стану процесу P, і, отже, вони зв’язані функціональною залежністю fi з сигналом mi та виходом yi. Аналогічно сигнал w, направлений до підсистеми C0, містить в собі інформацію відносно поведінки підсистем нижчого рівня і тому він також зв’язаний функціональною залежністю f0i з координуючим сигналом , сигналами зворотнього зв’язку z, що отримують підсистеми Ci, та їх керуючими діями m.

Глобальна задача D визначається для усього процесу, тому її множину рішень можна вважати “множиною керувань” M. При фіксованій формі подачі інформації через канали зворотнього зв’язку керуючі сигнали, що мають на меті зміну всього процесу, виходять тільки від нижчих елементів, тому керуючі сигнали можна представити як відображення M : X M.

Центральна проблема ефективного функціонування системи – координація, що є задачею D0 вищого елементу d0. Рішенням задачі D0 є координуючий сигнал = (1, 2, ..., n), котрий забез-печує узгодженість дій нижчих підсистем для досягнення глобального оптимуму. З точки зору реального процесу компонентами координуючого сигналу можуть бути: дозування та розподіл навчальної інформації за допомогою навчального ПЗ, тобто поетапна реалізація послідовних елемен-тів алго-рит-му навчання (“випереджаюча” координація), підказка (у вигляді усного чи відобра-же-ного на дисплеї повідомлення, що посилається у відповідний процес), оцінка, видання додаткових завдань тощо (координація на основі зворотнього зв’язку). При цьому своєчасна реаліза-ція координуючого сигналу забезпечується швидкодією програмно-апаратних засобів ІНК.

Нехай існує і заданий для координатора інтервал T часу спостереження за ходом навчального процесу в даній системі (загальний час навчання); нехай існує s моментів часу {t0, t1, ..., ts-1}, в які координатор може впливати на прийняття рішень на нижчому рівні. Нехай також yi,0 - порогове значення вихідної функції yi для заданого сигналу . Значення yi,0 розглядається як мінімально необхідний або “середній” рівень знань і є, взагалі кажучи, різним для всіх нижчих елементів від-по--відно до їх можливостей. Тоді для глобальної задачі D цільову функцію можна визначити так:

g(m) = | y max,

Звикл + Згр min,

де y = P(m) - вихід процесу P (рівень знань групи учнів); Звикл – загальні витрати зусиль і часу викладача, Згр - загальні витрати зусиль і часу групи учнів: Звикл + Згр = G(m, y).

Для локальних задач Di() локальні цільові функції визначаються таким чином:

gi(xi) = | yi max,

Звикл,i + Зi min, i = 1, 2, …, n,

yi yi,0,

де yi = Pi (mi, ui) - вихід підпроцесу Pi (рівень знань i-го учня), Звикл, i - витрати зусиль і часу викладача на i-го учня, Зi - витрати зусиль і часу i-го учня: З викл, i + Зi = Gi (mi, yi, ui).

Задача мінімізації витрат часу фактично рівносильна задачі максимізації кількості набутих кожним учнем та групою в цілому знань за час T, тобто неявно входить в yi max, i = 1, 2, ..., n та y max. Конкретизація критерію витрат зусиль досить складна, оскільки немає науково-обгрунто-ва--них методів об’ктивної оцінки цих витрат. Однак, враховуючи те, що значна частина функцій по-кладається на програмно-апаратні засоби ІНК, ці витрати будуть менші, ніж при традиційній тех-но-логії навчання. Разом з тим можна застосувати і непрямий орієнтир – вважати зусилля опти-мальними, якщо поставлені задачі навчання вирішуються на протязі норм часу, котрі визначені з врахуванням оптимальної працездатності викладача та учнів. Тому основна увага приділяється проблемі досягнення максимального значення y за час навчання T при еквівалентних витратах.

На основі теорії багаторівневих ієрархічних систем показана координованість системи “ви-кла-дач -ІНК група учнів” за принципом узгодження взаємодій, що при відповід-них початко-вих умовах забезпечує досягнення глобальної мети (або поліпшення стану системи, якщо досяг-нен-ня оптимуму неможливе через обмеження в часі, обмежених можливостях елементів di чи як-що ін-формація та гіпотези, на яких базується алгоритм навчання, не зовсім точні). Пр-инцип стве-р-д-жує, що керуюча дія m = M(x) вирішує глобальну задачу кожний раз, коли x = (x1, x2, ..., xn) є рі-шен-ням задач нижчих елементів і бажані “сполучні” сигнали u = U(x) узгоджені (спів-пада-ють) з фак-тичними “сполучними” сигналами u, котрі мають місце тоді, коли до процесу прикладена керу-юча дія m = M(x). Сумісність цілей та властивість монотонності забезпечують також безконфлі-к-т-ність функціону-ван-ня системи (в системі відсутні міжрівневий та внутрірівневий конфлікти).

Встановлені також загальні закономірності для побудови динамічної частини моделі та за-про-----по-нована адаптивно-параметрична модель навчання. Для її побудови визначені фактори, які суттєво впливають на хід навчання, а саме: характеристики учасників інтерактивної взаємодії (ви-кла-дача, групи учнів, програмно-апаратних засобів), а також сукупність знань, умінь та навиків, яку потрібно сформувати в учнів у процесі навчання. Ці характеристики подаються у вигля-ді відповідних моделей. Модель викладача (вищого вирі-шу-вального елементу d0) пода-ється вектором Мвикл = (M1(t), M2(t), ..., Mk(t)), де Mi(t) - значення i-го особис-тіс-но-го фактору викладача (в т. ч. його знання, досвід, педагогічна майстерність тощо), яке в загальному випадку залежить від часу t. Модель учня - це сукупність знань системи про нього, що дозволяє вибирати оптимальний спосіб на-в--чання. Структу-ра моделі кожного учня повинна складатися з 3-х груп компонентів: ін-фор-мація про початковий рівень зна-нь; істо-рія навчання; загальні особистісні характеристики учня (фізіо-ло-гіч--ні, психоло-гіч-ні тощо). Попередні знання учня та мета навчання формулюються як вимоги до по-чаткового та заключного стану моделі учня. Оцін-ка особис-тіс-них показників учнів та викладача не-об-хідна для визначення найбільш прийнятних для них умов та форм взаємодії, що є передумовою для адаптації процесу навчання до індиві-дуальних властивостей та можливостей, а також дозволяє створити більш “дружній” інтерфейс. У відповідності з цим моделі учнів (нижчих еле-ментів di, i = 1, 2, ..., n) подаються матрицею Муч = [Mij(t)], де Mij(t) - j-а група компонент (j = 1, 2, 3) i-го уч-ня, яка також залежить від часу t. Можливі функції програмно-апаратних засобів подаються мно-жиною стра--тегій S = (S1, S2, ..., Sk), кожна з яких забезпечується деякою підсистемою ІНК - ПСi (i = 1, 2, ..., l). Сукупність знань, умінь та навиків, яку необхідно сформувати в учнів, може бути по-да-на моделлю знань Мзн. Ця модель повинна відо-бра-жати кінцеву мету навчання. При її розробці необхідно використовувати кваліфікаційні характе-ристики учнів, типові та робочі навчальні програми, думку спеціалістів тощо. Вказані моделі формуються у вигляді окремих розділів “Бази знань” ІНК. На початку роботи викладач оцінює стан Mуч і приймає рішення про продовження нав-чання. Процес адаптації полягає в пристосуванні системи до індивідуальних характеристик ви-кладача та учнів шляхом вибору стратегії навчання (або їх комбінації) на кожному етапі навчання з врахуванням відомостей про належність викладача та учнів до деякого класу. На кожному етапі навчання формуються також структурно-часові параметри навчання, в результаті чого з’являється можливість врахувати індивідуальні часові параметри взаємодії кожного учня з програмно-апарат-ни-ми засобами ІНК. У відповідності з результатами роботи активізованої підсис-теми ПСi у процесі навчання проводиться корекція поточного значення характеристик моде-лей Mуч та Mвикл, яка враховує психофізіологічний стан кожного учня (наприклад, рівень втоми, настрій тощо). Таким чином, моделі постійно оновлю-ються в ході навчання у відповідності із зміною характеристик навчання, які вони відображають. Побудована модель харак-те-ризує основні компоненти сис-те--ми "викладач - ІНК - група учнів", відображає механізми перетворення підсистем з одного стану в інший та забезпечує адаптацію ІНК і методики навчання до індивідуальних особливостей учнів.

Засоби інформаційної технології для підтримки функціонування інформаційного нав-чаль-ного комплексу та управління процесом групового навчання. Створені моделі визна-ча-ють мето-дику розробки засобів НІТ для підтримки функціонування автоматизованих систем групового навчання на базі ІНК. У даному розділі розглядаються такі питання: а) тех-но-логія розробки програмних засобів навчального призначен-ня (ПЗНП); б) розробка програмних засобів для автоматизації управління процесом групового навчання; в) ро-зробка загальної технології автоматизованого групового навчання під управ-лінням викладача на ба-зі програмно-апарат-них засо-бів ІНК. Одним із основних завдань є створення ПЗНП, здатних забезпечити ефективну орга-нізацію змісту навчального курсу, стратегій засвоєння навчального матеріалу та режимів взає-мо--дії учнів, викладача і апаратно-програмних засобів ІНК. У зв’язку з цим розроблена технологія ство-рен-ня ПЗНП для підтримки навчання різнома-ніт--ним дисциплінам як цілісних КНК по курсу нав-чан-ня (для кожного навчального предмету) і у вигляді надбудови над загальносистемними та базовими спеці-а-лі-зовани-ми засобами ІНК. Обгрунтовані основні характеристики КНК (внутрішня цілісність; відпо-від-ність дидактичним принципам навчання; психологічна адекватність та врахування психофізі-о-ло-гічних особливостей учнів; повнота; наочність; простота у використанні; науковість; швидкодія; мотиваційне забезпечення; ергономіч-ність; естетичність оформлення; відповідність обмеженням по часу) та рівні проектування КНК (концептуальний, технологіч-ний, операційний і рівень реалізації). Викладені принципи побудови та структури КНК: а) принцип багатомодульності та бага-товарі-ан-т-ності: наявність в КНК керуючої програми (КП) з можливістю вибору відповідної теми заняття та комплексу навчальних модулів (НМ), що реалізують комп’ютер-ну підтримку кожної теми курсу; при цьому деякі НМ мо-жуть бути взаємнозамінювани-ми, що дозволяє коректувати викладання курсу в залежності від особливостей учнів; б) принцип гнучкості та необхідної різно-ма-ніт-ності (який у процесі навчання трансформується в принцип адекватності між психологічним обра-зом учня та інформаційною моделлю об’єкту, що вивчається): наявність в НМ засобів пропону-вання викладачеві різних стратегій нав-чан-ня – власне навчання (моделювання, ділова гра, експе-ри-мент, тренажер, демонстрація, закріп-лення тощо), тестування знань та різні види контро-лю; ці стра-тегії також можуть бути побудовані у вигляді окремих НМ; в) принцип відкритості: наяв-ність за-собів для заміни чи доповнення дидактичного наповнення КНК - включення у його склад нових НМ, що реалізують додаткові стратегії навчання з відповідної теми; поповнення баз даних новими об’єктами у зв’язку з оновленням на-в-чального матеріалу тощо. Крім того, до складу КНК повинні входити і інструмен-таль-ні педаго-гіч-ні засоби з різноманітним методичним оснащенням викладача (довідко-во-інфор-маційні, кому-ні-ка-тивні, засоби контролю і керування, збору, обробки та зберіган-ня інфор-ма-ції про хід навчання, за-со-би експрес-діагностики (ЕД) психофізі-о-ло-гічного стану учнів тощо). Ці принципи враховують різ-ні типи знань, що набува-ють-ся учнями, достатньо відобража-ють специфіку освітніх завдань і, таким чином, дозволяють адаптувати КНК до індиві-дуаль-них особливостей учнів. Це також дозволяє викладачу координу-ва-ти діяль-ність учнів шляхом вибору тих чи інших стратегій навчання стосовно до кожного учня.

Визначені та описані основні підсистеми інтегрованого середовища КНК: Ідентифікація, Навчан-ня, Управління та Довідка. Розроблені та програмно реалізовані алгоритми управ-ління, ін-те--г-ра-ція яких в КНК (як програмне ядро підсистеми Управління) дозволяє автоматизувати основ-ні функції управління процесом групового навчання: створення та настройка системного оточення; старт системи та ідентифіка-ція користувачів; завантаження НМ та пові-дом-лення в процеси учнів, бло--кування/розблокуван-ня перемикань терміналів учнів на інші процеси; пе-ремикання процесів учнів на перший процес (у демонстраційному режимі); перемикання термі-на--лів на ос--нов-ні для них процеси; перемикання з консолі викладача на будь-який процес тощо. З ура--ху-ванням наведе-ного вироблені рекомендації для проектування інтегрова-но-го середовища КНК.

На основі побу-до-ваних моделей розроблена та апробована загальна технологія автоматизованого групового на-в---чан-ня на базі ІНК під управлінням викладача (рис. 2), основними складовими якої є наступні етапи.

Формування моделей групи учнів та кожного учня. В модель заноситься загальна інформація про групу учнів та курс навчання, ідентифікується кожний учень.

Коректування моделей. Вводяться номери відсутніх, визначаються коди та кількість учнів для подальшого навчання, діагностики, контролю тощо.

Конструювання заняття. Вибір викладачем стратегій навчання та НМ з декількох, запропо-нованих ПК по заданій темі, з метою включення їх у загальний алгоритм навчання.

Реалізація алгоритму навчання. Реалізація обраних стратегій, ідентифікація знань учнів та визначення оцінок із занесенням їх у модель групи, а також ЕД психофізіологічного стану кож-ного учня (при необхідності). Виконується під управлінням викладача (з головної консолі). Управ-ління здійснюється шляхом визначення та реалізації координуючих сигналів в залежності від успіхів та психофізіологічного стану кожного учня (завантаження завдань у відповідний процес, підказка, допомога, виправлення некоректних дій учнів, якщо це не передбачено НМ тощо).

Закінчення навчання. Передбачається можливість додаткової атестації групи або окремих учнів, виведення журналу групи і табеля успішності на друкуючий пристрій (як на кожному занятті, так і після завершення всього курсу навчання).

Реалізація інформаційного навчального комплексу з використанням таймерної технології. У розділі розгля-дається можливість спростити апаратну частину ІНК та зменшити його вар-тість. З цією метою розроблена мультиконсольна інформаційна система, яка використовує прин-ци-пи тай-мерної технології та базується на нових пристроях – ТК, КВТС, БТВА. В ІНК для зв’язку між ПК та РМ учнів запропоновано вико-рис-тання таймерних принципів кодування даних, які до-зволя-ють поліпшити показники завадо-стій-кос-ті технічних засобів обміну інфо-р-ма-ці-єю, збіль-шити шви-д---кість обміну інформацією, а та-кож дода-т-ко-во спростити технічні засоби ІНК. Вико-ристання ТК на РМ учнів дозволяє додатково зменшити вар-тість ІНК у порівнянні із застосуванням стан--дартної ОТ. В ТК застосовано так званий активний принцип визначення координат натиснутої кла-віші, який по-лягає в автоматичному генеруванні координатних імпульсів про натиснуту клавішу у виг-ля-ді двох часових інтервалів по координатах X та Y матриці клавіатури. Тривалість цих інтервалів пропо-р-ційна координатам натиснутої клавіші. За зовнішнім виглядом ТК іден-ти-ч-на стан-дартній клавіатурі, але має про-стішу схе-мотехніку, кращу надійність, нижчу вар-тість, високу екологічну якість. ТК дозволяє передавати не-складні вузькополосні сигнали таймерних посилок (ТП) у простому технічному переда-ю-чо-му середовищі, котрим є будь-які фізичні односигнальні лінії. Простота сигналу ТП визначає і про-с-тоту його обробки розробленим КВТС, який виконує збір ТП від розподілених РМ, їх перетворення, буфе-ри-зацію та введення даних в ПК. Взаємодія прикладної програми з КВТС здійснюється за допомо-гою розробленого драйвера. В ТМІС використовується також новий одноплатний пристрій,