Державний комітет зв’язку та інформатизації України

Національна академія наук України

Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури

Антоник Михайло Стефанович

УДК :681.5:378.14

ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ побудови
АВТОМАТИЗОВАНОї системи управління
навчальним процесом

Спеціальність 05.13.06 — автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів — 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури Державного комітету зв’язку та інформатизації України і НАН України та в Українській академії друкарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Дурняк Богдан Васильович,

Українська академія друкарства, м. Львів, ректор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Коростіль Юрій Мирославович,

Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, м. Київ, завідувач відділом

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Сікора Любомир Степанович,

Центр стратегічних досліджень еко-біо-технічних систем, м. Львів, директор

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “29” червня 2005 р. о 16:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.813.01 при Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури (79601, м. Львів, вул. Тролейбусна, 11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного НДІ інформаційної інфраструктури (79601, м. Львів, вул. Тролейбусна, 11).

Автореферат розіслано “27” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Пеленський О. Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз відомих автоматизованих систем управління навчальним процесом (АСУ НП) показує, що вони функціонують з використанням елементів традиційних інформаційних технологій, які застосовуються при оптимізації організаційної структури і методів навчання. Створення засобів автоматизованого управління навчальним процесом спричинене тим, що в ринкових умовах навчальні заклади повинні мати змогу швидко адаптуватись до кон’юнктурних змін на ринку праці, враховувати нові наукові та науково-методичні досягнення, орієнтуватися на сучасні технології виробництва. Розроблення інформаційних технологій для систем аналізу і управління навчальним процесом є актуальною задачею, оскільки широка мережа навчальних закладів різних рівнів акредитації та форм власності зумовлює необхідність незалежного контролю за дотриманням державних стандартів в галузі освіти.

Значний внесок у розроблення та дослідження підходів, методів, моделей та засобів автоматизованого управління навчальним процесом зробили вчені, праці яких відносяться до різних галузей науки, а саме А.І.Берг, В. І. Скуріхін, В. М. Глушков, А. А. Стогній. Фундаментальні дослідження
з автоматизованого навчання, структури процесів мислення, теорії розв’язання дидактичних задач провели в 1963–1969 рр. Г. Паск, Д. Гартлі, Д. Нільсон, Р. Бенерджі, М. Мінський. Отримані результати використовувались при розробленні апаратно-програмного забезпечення тренажерів для пілотів авіації, космічних апаратів, операторів у промисловості і на транспорті. Сучасні дослідження з розроблення систем автоматизації процесів навчання та їх контролю (тестування) виконали: Л. П. Оксамитна, Т. І. Коджа, А. І. Башмаков, Н. В.Матвіїшина, В. О. Деповський та інші.

Але, разом з тим, запроваджені автоматизовані системи управління компонентами навчального процесу не завжди дають змогу системно аналізувати і адекватно відображати поточний стан навчального процесу загалом, оскільки він суттєво залежний від суб’єктивних впливів людського фактору. Тому аналіз його в режимі реального часу є досить складним, але й одночасно потрібним, особливо в теперішніх умовах, при застосуванні широкого спектру систем і методів навчання та контролю знань. Отже, дослідження в галузі розроблення інформаційних технологій для побудови автоматизованої системи управління із забезпеченням можливості оператив-ного контролю якості процесу навчання є актуальними як для науки, так і для практичного застосування в галузі освіти.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Основу дисертаційної роботи складають результати теоретичних та практичних досліджень, проведених автором при виконанні планових науково-дослідних робіт Української академії друкарства у 2000-2004 рр. – розроблено та обґрунтовано структуру автоматизованої системи управління навчальним процесом, методи формування інформаційної моделі для управління навчанням, а також у Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури при виконанні теми “Базові компоненти образного комп’ютера для швидкого адаптивного аналізу, розпізнавання, компресії, архівації та пошуку аудіовідео-інформації” (контракти №ОК-2001-21 та №ОК2001-32 ДНТП “Образний комп’ютер”, Постанова КМУ від 08.11.2000 р., № ) – розроблено інформа-ційні технології верифікації стану об’єкта в умовах апріорної невизна-ченості параметрів та елементів його структури.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення інформаційної технології для побудови системи автоматизованого управління, аналізу та контролю навчального процесу, що дає змогу верифікувати навчальний процес в режимі реального часу. Для досягнення мети в роботі вирішено такі задачі:

- проаналізовано існуючі методи управління та аналізу процесу підготовки фахівців, що отримують освітні послуги у навчальних закладах;

- розроблено та обґрунтовано структуру автоматизованої системи управ-ління навчальним процесом в закладах освіти різних рівнів акредитації;

- розроблено методи аналізу навчального процесу в режимі реального часу;

- розроблено методи формування інформаційної моделі для систем автоматизованого управління навчанням;

- обґрунтовано принципи організації взаємодії всіх учасників навчального процесу з автоматизованою системою.

Об’єкт дослідження — автоматизовані системи управління та аналізу навчального процесу, що функціонують в режимі реального часу.

Предмет дослідження — інформаційна технологія аналізу та синтезу структури і засобів побудови систем управління навчального процесу.

Методи досліджень. Для розв’язання задач і досягнення поставленої у роботі мети використано: методи математичної логіки, теорії множин, теорії графів при обґрунтуванні структури автоматизованої системи управління процесом навчання, синтезі алгоритмів і програм тестування; методи теорії інформації та математичного моделювання при розробленні стратегій, моделей управління, навчальних програм, графіків і розкладів занять в реалізації циклової динаміки навчального процесу.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено методи організації інформаційних засобів із використанням логіко-математичних моделей протікання циклового навчального процесу, які дають змогу розв’язувати задачі оцінювання системи навчання та автомати-зувати управління процесом навчання в освітніх закладах;

- розроблено методи аналізу процесу навчання, що базуються на логічних, математичних процедурах в інформаційних технологіях синтезу систем автоматизованого управління навчанням і забезпечують можливість здійснювати оцінювання рівня якості надання освітніх послуг не тільки в періоди екзаменаційних сесій, але й в довільні моменти функціону-вання цього процесу;

- вперше обґрунтовано методи аналізу непередбачуваних подій, що виникають в процесі навчання, які базуються на ланцюгах скінченних графів і дерев рішень та прийняті за основу при виборі стратегій проведення навчального процесу;

- обґрунтовано метод організації взаємодії учасників навчального процесу та автоматизованої системи управління навчанням в межах локальної інформаційної мережі для ефективного управління навчанням;

- розроблено методи контролю процесу навчання з використанням інтелектуальних тестів та логічних класифікаторів знань, що дають змогу формувати і реалізувати управляючі дії відносно складових навчального процесу з метою забезпечення заданого алгоритму функціонування.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи забезпечують можливість аналізу процесу навчання та функціонування системи управління на різних функціональних перерізах, що дає змогу оперативно отримувати інформацію та формувати управляючі дії, які стосуються окремих груп учасників навчального процесу. Практичну цінність мають такі отримані в роботі результати:

- розроблена інформаційна модель процесу підготовки фахівців для побудови автоматизованої системи управління процесом навчання,

- розроблені функціональні схеми системи управління процесом навчання, що дають змогу надавати різного типу інформацію про поточний стан навчального процесу в заданий момент часу, модель діалогу учень – вчитель,

- обґрунтовані загальні принципи організації автоматизованої системи управління навчанням, які передбачають можливість реалізації процедур втручання в навчальний процес при виникненні непередбачуваних подій;

- розроблені, з використанням інформаційних технологій управління та верифікації знань, структура системи управління та спосіб вибору прикладного програмного забезпечення.

Практичне значення посилюється універсальністю розроблених інформа-ційних технологій, що дає змогу реалізувати АСУ НП у закладах освіти різних рівнів акредитації. Результати досліджень використано в навчальному процесі Української академії друкарства при викладанні курсів “Автоматизовані системи керування виробництвом” та “Інформаційні системи і технології на підприємствах”, а також при реалізації АСУ НП на базі класів комп’ютерного навчання обсягом до 80 навчальних місць.

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення дисертаційної роботи розроблені автором самостійно. В працях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: [1] – розроблення моделей процесу підготовки фахівців, [4] – розроблення методів аналізу результатів тестування, [7] – розроблення засобів оцінювання ефективності системи навчання.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на XXІIІ науково-технічній конференції “Моделювання” в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Е. Пухова (Київ, 2004), науково-практичній конференції „Сучасні проблеми теле-комунікацій — 2004” (Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2004), науково-методичній конференції „Підготовка фахівців в галузі телекомунікацій і Болонський процес” (Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2004), міжнародній конференції „Інформаційні технології друкарства” (Українська академія друкарства, Львів, 2004), міжнародній науково-практичній конференції „Інформаційні технології в сучасній економіці, менеджменті та освіті” (Львів, 2005), на наукових семінарах відділу технічної діагностики Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, Державного НДІ інформаційної інфраструктури, Української академії друкарства (2002-2005 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено у 13 наукових працях, у тому числі в 10 статтях у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 138 наймену-вань та 2 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 180 сторінок, у тому числі 23 рисунки, 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуаль-ність, сформульовано мету та основні задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовані відомі методи верифікації знань та методи аналізу процесу навчання шляхом його оцінювання. Один з найпоши-реніших методів перевірки знань ґрунтується на використанні тестів. Точний опис питання тесту передбачає чіткий розподіл між інформацією, яка уже відома, та інформацією, стосовно якої будується тестове питання. Таким чином, вся система тестових питань повинна бути структурована і в межах такої структури повинні вибиратися такі послідовності питань, які не приводили б до семантичної суперечності. Семантична суперечність, в цьому випадку, це така послідовність питань в тестовому наборі, в якій перші по порядку питання містять інформацію, яка дає змогу відповісти на наступні питання текстової послідовності.

Тести можна класифікувати так: тести, що потребують відповіді „ТАК”, чи „НІ”; тести, що потребують здійснити вибір правильної відповіді або правильного розв’язку для приведеної в тесті задачі; тести, що вимагають дати відповіді за обмежений проміжок часу; тести, в яких відповідь дається в довільній формі, але в обсязі, що не перевищує вказаного в умові окремого елемента тесту; тести, які вимагають відповідей в порядку, що визначається тестовою послідовністю; тести, в яких допускаються відповіді в довільній послідовності відносно послідовності, яку визначає конкретний тест. Тестовий елемент складається з питання та інформації і ці дві компоненти зв’язані між собою, або. Тести, що вимагають дотримання в кожній тестовій послідовності заданого порядку і, відповідно, такого ж порядку у відповіді, формально описуються виразом:

,

де — відповідь, яку отримала система тестування в процесі реалізації тестової послідовності на питання. Перехід від питання до питання здійснюється у відповідності з умовою . Для цього типу тестів варіанти правильних або допустимих відповідей визначаються функцією. Тому, ця функція є складовою тестової послідовності, оскільки, вона тісно пов’язана з питаннями, або, де описує додаткові умови, що характеризують питання. Тести, що дозволяють будувати відповіді в довільній послідовності, описуються адитивною моделлю у вигляді:

,

тоді послідовність сформованих відповідей має вигляд:

.

Перевірка, за своєю природою, є процесом порівняння параметрів, які описують об’єкт, що перевіряється, з еталонними параметрами об’єкта та їх допустимими значеннями або перевірка здійснює порівняння умов функціону-вання об’єкта з встановленими або прийнятими умовами. Класифікувати типи перевірок можна за такими характеристиками: об’єми контрольних параметрів; період проведення перевірок; глибина перевірки контрольованого об’єкта; значущість процесу перевірки для контрольованих об’єктів та процесів; мета проведення перевірки. Перевірку можна інтерпретувати як процедуру управління організацією, яка складається з аналізу реального об’єкта, що перевіряється, та з процедури формування управляючої дії. Формально пере-вірку можна записати у вигляді, де – об’єкт (система) навчання; – проміжок часу в період навчання; _процес (процедура) перевірки; – період між перевірками (); – система динамічних параметрів; – збурюючі впливи; – мета системи; – управляючі дії.

Періодом стійкості є період функціонування об’єкту, на протязі якого не відбуваються зміни умов функціонування або ці зміни є не більшими від допустимих величин в сенсі Ляпунова-Поспєлова.

Формально це можна записати виразом, де _допустимі величини змін параметрів функціонування об’єкту, . Період може встановлюватися такими способами: виходячи з вимог до способу функціонування організацій, виходячи з даних про історію функціонування, яка реєструє всі недопустимі відхилення параметрів, що характеризують діяльність, від нормативних, які встановлено на основі минулого досвіду, а також на основі зовнішніх факторів, що не залежать від об’єкту перевірки .

Необхідним є системний аналіз результатів тестування та результатів перевірок, оскільки їх коректність з точки зору об’єктивності визначеної оцінки визначає сенс тестування чи перевірок різних типів. До таких типів оцінок можна віднести наступні: оцінка загальна; оцінка за окремий предмет чи роботу; оцінка за способи використання знань; оцінка поточна; оцінка процесу навчання; оцінка викладача; оцінка організації роботи підприємства; оцінка функціонування системи тестування; оцінка за результатами перевірки. Питання встановлення шкал для оцінювання знань є актуальним з двох основних причин: величина оцінки знань в багатьох випадках визначає цілий ряд соціальних і матеріальних переваг, на які може претендувати власник високої оцінки; у сфері освіти методи визначення оцінки та шкали дуже часто змінюються і при переході з однієї шкали на іншу можуть необґрунтовано змінюватись вимоги до рівня знань, які відповідали б новій шкалі оцінок цього рівня. Тестова система визначає рівнів ієрархії знань і на кожному рівні користувач отримує оцінки залежно від вибраної бальної системи оцінювання. Після цього система оцінювання визначає значущість кожного з рівнів за співвідношенням виду , де — значущість -го рівня знань. Тоді максимально можлива оцінка рівна, а загальна оцінка для окремого випадку тестування визначається співвідношенням

,

де – коефіцієнт, що враховує зміну значущості знань в кожному виділеному інтервалі тестової послідовності та визначається на основі експертної оцінки інтервалу фахівцем і нормалізується відносно неї.

Дослідження взаємозв’язків проблем тестування слухачів, перевірок процесів навчання та оцінювання є актуальним і проводиться в наступних розділах роботи.

У другому розділі досліджено методи побудови інформаційної системи автоматизованого аналізу процесу навчання шляхом верифікації і оцінювання рівня кваліфікаційної підготовки. Основні положення і вимоги, що закладено у концепцію системи верифікації та автоматизованого аналізу рівня кваліфікаційної підготовки такі:

1. Завжди розрізняти рівень підготовки фахівців та рівень можливостей навчального закладу з підготовки фахівців чи з надання інших освітніх послуг.

2. Аналіз рівня підготовки фахівця проводити з використанням цілого ряду параметрів, які характеризують його з точки зору різноманітних способів застосування отриманих знань.

3. Рівень підготовки не повинен пов’язуватись з персональними особли-востями кожного окремого студента. Це означає, що негативні результати аналізу з того або іншого аспекту знань не повинні проектуватися на особисті характеристики.

4. Аналіз послуг повинен проводитись за такими параметрами, які якомога повніше відображають усі особливості і сторони діяльності установи з надання освітніх послуг.

5. Параметричну верифікацію проводити в режимі реального часу або безперервно, з виявленням причин зміни якості функціонування системи для формування, реалізації управляючих дій на систему.

6. Оперативно використовувати поточні показники аналізу зовнішніх факторів, наприклад, таких, як потреба ринку у відповідних фахівцях, напрямки можливого розвитку для збільшення та розширення освітніх послуг, що пропонуються користувачам, та інше.

Процес навчання розділено на послідовно пов’язані між собою частини: підготовку до навчання; набір студентів або формування певної кількості сталих замовників на відповідні послуги; реалізацію процесу навчання; завершення процесу навчання. При проведенні занять, на етапі реалізації процесу навчання можуть виникати різні типи псевдовипадкових подій, що впливають на цей процес. Виділено такі типи подій: подія, яка полягає у тому, що викладач з якихось причин перестає виконувати роботу з надання освітніх послуг в рамках своїх функціо-нальних обов’язків; подія, яка полягає у тому, що деяке обладнання перестає працювати необхідним чином; подія, коли деякий атрибут з якихось причин не може бути використаний в процесі навчання; подія, якщо студент перестав брати участь у навчальному процесі.

Модель системи навчання, структура якої представляє собою розвиток графічного розкладу занять, описується системою логічних формул . Множина змінних, на яких визначається система, розбита на класи: підмножина користувачів послуг (студентів) ; підмножина викладачів; підмножина дисциплін, в межах яких надаються послуги з навчання; підмножина атрибутів; підмножина засобів, що необхідні для надання послуг з навчання. Користувач характеризується параметром, що визначає необхідність формування графіка в. Така можливість регламентується процедурами виводу формули, яка записується у вигляді , де – початкова логічна формула, – користувач послуг; – опис умов, що зумовлюють можливість зміни початкової формули . Протилежна дія, яка реалізується процедурою об’єднання, описується спів-відношенням: , де – умови включення нової персоналізованої формули в модель системи управління навчанням; – персоналізована формула , яка вводиться в склад системи управління навчанням. Якщо користувач відмовився від отримання послуг, то це записується співвідношенням: , де описує умови елімінації.

Критерії, що використовувалися при аналізі послуг, названо оператив-ними критеріями на відміну від критеріїв традиційних. До них віднесено такі критерії, що визначають: кількість звертань () до системи на протязі одного циклу функціонування; величину корективи () системи на основі одного звертання до системи; функціональну значущість змін () в системі; джерело зміни, яку планується проводити в; періодичність звертань до системи.

Перший критерій, записується у вигляді співвідношення:

,

тоді: ,

де– функція змін, що відбуваються в, при дії відповідної події на; – кількість коректив, що вносяться в систему.

Другий критерій описується співвідношенням:

де– функція підрахунку величини зміни при переході від однієї до іншої ; функція підрахунку величини зміни при викреслюванні елементів множини з формул ;– функція підрахунку величини змін при виводі нової формули з формули.

Величина третього критерію визначається із співвідношення:

.

Аналіз системи з використанням наведених критеріїв здійснюється після введення в систему певних повідомлень, що представляють собою дії відносно системи, які описуються логічними залежностями. Наприклад, повідомлення P1 записується у вигляді: , де – визначає предмети, які викладає викладач, – визначає групи користувачів, для яких цей предмет проводить викладач.

На рис. 1 зображено загальну структуру системи управління навчальним процесом, яка обґрунтована згідно з наведеними вище положеннями та вимогами.

Рис. . Структурна схема автоматизованої системи управління навчанням

Позначення на схемі: НА, ЦП – нормативні акти, цільова програма, ФБПН – функціональний блок процесів підготовки занять, ДРЗ – динамічний розклад занять, ФІОН – формування інформаційного образу процесу навчання, УПЗ – управління процесом автоматизованої системи навчання, ППЗ – перевірка процесу занять, БОАН – блок оперативного аналізу поточного стану процесу навчання, СІ – система інтерфейсів, БДНП – база даних навчального процесу.

В третьому розділі досліджено системи верифікації процесів підготовки фахівців та здійснено аналіз процесів контрольних перевірок системи навчання. Розглянуто такі види перевірок: організації процесу навчання; якості наданих послуг, можливостей установи в наданні послуг фахової підготовки; актуаль-ності освітніх програм; окремих параметрів закладу, що надає послуги у сфері навчання.

Перевірка організації процесу навчання полягає у контролі всіх подій, пов’язаних з наданням відповідних послуг. Оскільки система подій, пов’язаних з проведенням навчання, описується розкладом занять, який в даному підході являє собою логічну модель, то модель її перевірок тісно пов’язана з моделлю розкладу занять. Задачами, які розв’язуються для реалізації перевірки процесу навчання, є: вибір оптимального моменту початку проведення перевірки на інтервалі процесу надання освітніх послуг; вибір оптимального періоду проведення перевірки; забезпечення оптимального обсягу перевірки навчального процесу. Аналіз якості наданих послуг реалі-зовано в різноманітних формах, які визначаються можливостями використаних засобів. Серед основних розглянутих способів організації процесів перевірки такі: безпосереднє, індивідуальне тестування; дистанційне тестування; виконання контрольних завдань; екзаменування. Перевірка можливостей організації, що надає послуги, тісно пов’язана з ідентифікацією реальних можливостей організації з можливостями, які декларуються організацією. В рамках моделі, що описує процес навчання, на відміну від традиційного розкладу занять, знайшли відображення такі компоненти: обладнання, яке використовується в процесі навчання для конкретних дисциплін і конкретних видів занять; засоби, що є необхідними компонентами для реалізації навчання з певної дисципліни; методики проведення занять з використанням вказаних засобів; персонал, що обслуговує ті чи інші засоби або обладнання, з підтвердженням кваліфікації; наявність приміщень, необхідних для забезпе-чення умов використання устаткування при проведенні занять.

Досліджено процеси автоматизованого аналізу систем навчання, який ґрунтується на взаємозв’язку моделі системи навчання з програмами аналізу моделі. До таких програм відносяться: засоби реєстрації поточного стану процесу навчання; засоби зв’язку моделей з учасниками процесу навчання, викладачами та іншими працівниками; засоби оперативного відображення поточного стану процесу навчання; засоби аналізу відхилень учбового процесу від планового, що описується розкладом занять; система управління навчальним процесом. Система оцінювання базується на методах аналізу основних параметрів системи навчання та на методах формування результатів аналізу, які значною мірою є умовним узагальненим їх відображенням. Розроблені засоби визначення якості функціонування системи є реалізацією алгоритмів перетворення результатів аналізу даних, отриманих при прове-денні перевірок, в цифрову форму у вигляді окремих чисел або набору чисел, які у лаконічній формі характеризують систему навчання в цілому. Окремою процедурою в системі аналізу є процедура інтерпретації образу результатів аналізу, який визначається в кожному конкретному випадку. Така інтерпре-тація формується в межах рангової системи аналізу, може бути загальноприй-нятою для цілого класу об’єктів чи процесів, стосовно яких використовується розроблена система аналізу. Перевірку, з загальної точки зору як процес діагностики якогось об’єкту або як функціонального аналізу конкретного об’єкту, здійснено методом розпізнавання образів у просторі станів.

Встановлено, що для ефективного стійкого управління при дії динамічних збурюючих факторів необхідно, щоб система управління виявляла і враховувала різні відхилення функції якості навчання, особливо непередбачувані, не у вигляді зміни значень тих чи інших параметрів, а у вигляді оцінок поточного стану процесу навчання. Для того, щоб можна було враховувати динаміку зовнішніх і внутрішніх факторів і формувати відповідні управляючі дії, в рамках системи передбачено такі можливості: на формальному рівні аналізується вхідна інформація суб’єктивного характеру; здійснюються, в певному наближенні, кількісний аналіз та оцінювання тих даних, що знаходяться в рамках цієї інформації; при інтерпретації такої інформації є можливість аналізувати характер відповідних збурень; прово-диться якісний аналіз введеної інформації формальними засобами; нормалізуються повідомлення, що вводяться, відносно системи в цілому; забезпечуються всі необхідні гарантії, які є обов’язковими при роботі з суб’єктивною інформацією.

На рис. 2 наведено схему організації взаємодії автоматизованої системи навчання з користувачами.

Рис. 2. Схема організації взаємодії (діалогу) автоматизованої системи навчання з адміністрацією, викладачами та учнями.

Позначення на схемі: СТ – користувачі процесу навчання; ВА – викладачі; КНЗ – керівники навчального процесу; ДП – допоміжні працівники; КО – керуючі органи; САД – система анонімного доступу; САТД – система авторизованого доступу; СКД – система контролюючого доступу; КБД – керуюча база даних.

В четвертому розділі здійснено синтез структури розроблення основ-них компонент автоматизованої системи управління навчальним процесом. Алгоритмічна реалізація моделі процесу управління навчанням є структурою з різними рівнями деталізації компонент системи. Використаний спосіб формування структури полягає у виборі її на основі виділення основних функціональних призначень системи. Такими призначеннями системи є: відображення реального поточного стану процесу навчання; відображення плану навчання на найближчий період з урахуванням поточних змін, що не передбачалися на початковій стадії; формування плану проведення занять; поточний аналіз стану навчання та формування поточних значень критеріїв, що визначають необхідність реалізації управляючих дій. Опис поточного стану системи управління процесом навчання містить інформацію про всі компоненти, що беруть участь в процесі навчання. Множина об’єктів навчання в системі подається двома способами у вигляді груп користувачів та у вигляді окремих осіб, що навчаються.

Формально група користувачів описується залежністю, де  – кількість студентів у групі, – ідентифікатор року навчання, – ідентифікатор спеціалізації, за якою проводиться підготовка. Окремі особи формально описуються таким чином , де – ідентифікатор персо-нальних ознак, які враховуються в системі навчання. Система управління і аналізу навчального процесу виконує такі функції: формування, модифікація та відображення поточного стану розкладу занять, який відповідає вимогам та нормам; проведення динамічного моніторингу якості надання послуг в процесі навчання; реєстрація та аналіз всіх подій, що відбуваються в процесі навчання і які не передбачувались на стадії формування навчального плану на поточний період навчання; реєстрація нестандартних повідомлень, що впроваджуються в систему і стосуються процесу управління навчанням; формування управляючих дій на основі аналізу поточної ситуації, які необхідно реалізувати адміністрації і викладачам, щоб забезпечити заплановане виконання навчального процесу. Формально, елемент такої структури, що стосується одного користувача запи-сується наступним чином:

.

Цей запис означає, що студент за своїм прізвищем може отримувати або інформацію про номер групи , до якої він відноситься, про назву спеціалізації, до якої відноситься група, та, в разі необхідності, при продовженні діалогу, може отримати дані про розклад занять для цієї групи з вказаним часом проведення кожного із занять, назвою занять, місцем проведення та характером занять. У випадку продовження діалогу, студент може отримувати дані про кількість студентів у групі та список студентів групи .

Графік проведення занять або розклад занять, завдяки використанню автоматизованої системи управління і аналізу навчального процесу (АСУ НП), розділений на розклад для студентів і розклад для викладачів. Функціонально інформаційна блок-схема розкладу занять для студентів збігається з функціонально-інформаційною блок-схемою розкладу для викладачів за винятком того, що блок списку всіх студентів заміняється блоком списку всіх викладачів, а в блоку дисциплін, які проводить конкретний викладач, додається інформація про наявність методики викладання з даного предмета , необхідність додаткових атрибутів для проведення занять та міру важливості їх використання. В загальному вигляді, окремий елемент цього блоку формалізується таким чином: , де – коефіцієнт міри важливості використання атрибуту. Формальний опис розкладу для викладачів подається співвідношенням:

.

Структурна схема, що відображає функціонально-інформаційний образ цього функціонального перерізу системи управління наведена на рис. .

Рис. 3. Фрагмент функціонально-інформаційної
схеми відображення плану занять студентів

Позначення в схемі: – група користувачів послуг з навчання; – кількість викладачів у підрозділі; – ідентифікатор періоду навчання; – засоби, що необхідні для надання послуг з навчання; – список користувачів; – окремий користувач послуг з навчання.

Для системи АСУ НП характерним є те, що події, ініційовані учасниками навчального процесу, можуть викликати або ініціювати інші події, які є наслідком успішного завершення події . Це має місце в тому випадку, коли факт виникнення події веде до змін у функціонально-інформаційних підсистемах (ФIП), якими користуються інші учасники процесу. АСУ НП забезпечує моніторинг подій, пов’язаних з виконанням навчального процесу. Це означає, що кожний викладач після проведення занять ініціює штатну подію в рамках системи, яка свідчить про факт проведення занять. До штатних подій віднесено ті події, що виникають в результаті факту виконання кожної окремої дії, яка полягає у виконанні окремих кроків навчального процесу.

Функціональний блок, що орієнтований на аналіз нестандартних повідом-лень, проводить по контрольних словах його приблизний аналіз. Якщо на етапі приблизного аналізу цього повідомлення виявляється, що воно має значення для функціонування системи управління навчанням та може бути використаним для формування необхідної управляючої дії, то модуль аналізу нестандартних повідомлень реалізує діалог з користувачем, метою якого є приведення нестан-дартного повідомлення до нормалізованої форми. Ця функція реалізується з використанням профільного словника системи управління. Профільний словник (SP) представляє собою структуру даних, які відображають семантику системи надання послуг з навчання та системи управління та оцінювання процесу навчання згідно з вимогами освітніх стандартів та цілей: ефективної професійної підготовки; адаптації до ситуації в процесі навчання і праці; вироблення самостійного критичного мислення та здатності генерації ідей; отримання навиків роботи з новою інформацією; розвитку інтелекту, контактних і комунікативних здібностей.

Фрагмент структури SP наведено на рис. , для тексту з трьох речень предметної області:

1. <Ребро одного речення ідентифікується одним числом>;

2. <Це число позначає всі ребра, що об’єднують вершини одного речення>;

3. <Для ідентифікації одного ребра використовується стрілка, яка вказує напрямок розвитку речення>.

Словник SP є фрагментом загального словника, який містить ключові слова для профілю досліджуваної системи. В наведеному абзаці з трьох речень за ключові слова прийнято такі:

Рис. 4. Приклад структурної семантичної схеми трьох речень

Прикладом всього словника для наведеного абзацу є фрагмент:

S: = 1<ребро>, 2<одного>, 3<речення>,
4<ідентифікується>, 5<число>,
6<це>, 7<позначає>, 8<всі>,
9<що>, 10<об’єднуються>,
11<вершини>, 12<для>,
13<використовується>, 14<стрілка>,
15<яка>, 16<вказує>, 17<напрямок>,
18<розвиток>.

З використанням розроблених методів та інформаційних технологій синтезовано структуру АСУ НП, структурна схема якої наведена на рис. , обґрунтовано вибір системного і прикладного програмного забезпечення та розроблено спеціалізовані програмні продукти, адаптовані до апаратно-комп’ютерної платформи.

Пояснення до рисунку: НЗ – навчальний заклад, Swich – мережевий комутатор, Сервер – система зберігання даних, КЛ №1…КЛ № n – класи автоматизованого навчання, СУБД НП – система управління базами даних навчальним процесом, Інтернет-сервер – шлюзовий комп’ютер захисту АСУ НП від зовнішнього вторгнення.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв’язано актуальну наукову задачу ? розроблення інформаційної технології побудови системи автоматизованого управління навчальним процесом з використанням математичної моделі опису навчального процесу, методів аналізу поточного стану процесу навчання, верифікації результатів, які об’єднуються в рамках цієї інформаційної технології. При цьому отримано такі основні наукові та практичні результати.

1. На основі аналізу відомих методів перевірки рівня підготовки студентів у навчальних закладах обґрунтовано необхідність застосування різноманітних методів автоматизованого контролю знань з метою забезпечення вимог освітніх стандартів.

2. Розроблено структуру автоматизованої системи управління навчальним процесом, яка дозволяє функціонально розділити вплив всіх учасників навчального процесу на реалізацію навчання, завдяки чому в автоматизованому режимі вдається оперативно враховувати непередбачувані події, що можуть відбуватися у навчальному закладі.

3. Вперше запропоновано методи оперативного аналізу навчального процесу з використанням логічних, математичних процедур в інформаційних технологіях синтезу систем автоматизованого управління навчанням, що дає змогу в режимі реального часу формувати і реалізувати управляючі дії на навчальний процес з метою забезпечення необхідного рівня якості його перебігу.

4. Розроблено основні компоненти інформаційної технології, яка об’єднує математичні моделі опису навчального процесу, методи аналізу поточного стану цього процесу та верифікації його результатів, враховує вплив суб’єктивних факторів на навчальний процес і забезпечує можливість реалізації автоматизованого управління навчальним процесом.

5. Розроблено функціональні схеми окремих інформаційних компонент управління навчальним процесом з використанням його логіко-математичних моделей, що дає змогу адаптувати систему управління до умов, що змінюються в процесі реалізації навчального процесу, та до змін на ринку навчальних послуг.

6. З використанням результатів досліджень розроблено спосіб інтеграль-ного аналізу навчального процесу, який включає аналіз рівня отриманих знань та аналіз якості реалізації навчального процесу, що дає змогу, незалежно від етапу навчання, верифікувати навчальний процес відповідно до встановлених вимог.

Результати впроваджено у систему організації навчального процесу Української академії друкарства та Поліграфічного технікуму, де вони реалізовані у вигляді АСУ НП.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Дурняк Б., Антоник М. Алгоритмічна реалізація моделей процесу підготовки спеціалістів // Комп’ютерні технології друкарства. Збірник наук. праць Української академії друкарства. – Львів, 2004.– №11.– С.130-138.

2. Антоник М.С. Способи оцінювання результатів тестування та перевірок навчального процесу // Комп’ютерні технології друкарства. Збірник наук. праць Української академії друкарства. - Львів, 2004.– №12.– С.266-274.

3. Антоник М.С. Організація функціонування системи управління процесом навчання // Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2004.– Вип.24.- С.142-149.

4. Антоник М.С., Дурняк Б.В. Аналіз методів тестування у навчальному процесі // Інформаційні технології і системи. – Львів, 2004.– Т.7, №2.–С.27-31.

5. Антоник М.С. Методи перевірок організацій, що надають послуги з навчання // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2003.– Вип.24.– С.124-131.

6. Антоник М.С. Методи організації доступу до системи оцінки і управління підготовкою спеціалістів // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2003.– Вип.20.– С.119-126.

7. Антоник М.С., Дурняк Б.В. Теоретичні аспекти побудови інформаційних засобів оцінювання системи навчання // Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2003.– Вип.20.– С.178-186.

8. Антоник М.С. Дослідження моделей процесів перевірки та інших моделей в системах навчання // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2003.– Вип.21.– С.204-212.

9. Антоник М.С. Моделювання контрольних перевірок процесів послуг навчання // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2002.– Вип. 18.– С.212-218.

10. Антоник М.С. Методи побудови моделей процесу підготовки спеціалістів середнього рівня // Збірник наук. праць ІПМЕ НАН України. – Київ, 2002.– Вип.17.– С.212-218.

11. Антоник М.С. Оптимізація періоду проведення перевірки процесу навчання // Матеріали науково-методичної конференції “Підготовка фахівців в галузі телекомунікацій і Болонський процес. – Львів, 2004.– С.37-38.

12. Антоник М.С. Функціональна орієнтація перевірок організацій, що надають послуги з навчання // Матеріали науково-практичної конференції “Сучасні проблеми телекомунікацій.” – Львів, 2004.– С.36-37.

13. Антоник М.С. Взаємодія різних процесів в рамках системи навчання // Тези ХХШ науково-технічної конференції “Моделювання”. – Київ, 2004.– С.41-42.

АНОТАЦІЯ

Антоник М.С. Інформаційна технологія побудови автоматизованої системи управління навчальним процесом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології, Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури, Львів, 2005.

В дисертаційній роботі запропоновано нову інформаційну технологію, що використовується для розв’язання задач аналізу і управління процесом надання послуг з навчання. Управління реалізується завдяки здійсненню постійного аналізу перебігу процесу навчання та управляючих дій на систему, які спрямовані на відновлення запланованих на вибраний період навчання значень параметрів, що характеризують процес.

В дисертації досліджено фактори, які спричиняють відхилення в реалізації процесу навчання, що зумовлює необхідність оптимізації цього процесу. В розробленій інформаційній технології реалізована можливість врахування суб’єктивних факторів, які можуть впливати на навчальний процес. В роботі досліджено методи аналізу якості навчального процесу та методи проведення інтегрального аналізу результатів контролю на основі тестів.

Ключові слова: інформаційна технологія, управління навчальним процесом, інтегральний аналіз, суперечність семантичної повноти, критерії аналізу.

Антонык М. С. Информационная технология построения автоматизиро-ванной системы управления учебным процессом. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии.– Государственный научно-исследовательский институт информационной инфраструктуры, Львов, 2005.

Диссертация посвящена вопросам синтеза автоматизированных систем управления учебными процессами (АСУ УП), которые функционируют в условиях действия возмущений информационного, ресурсного, финансового характера, изменений политики государства в области образования. В диссертационной работе разработаны новые подходы анализа динамики и синтеза структуры АСУ УП с применением информационных технологий управления учебных процессов с использованием введенных критериев качества. Управление осуществляется за счет динамического анализа и контроля ситуаций и выбора соответствующих целевых управляющих действий, которые регулируют состояние системы обучения как объекта управления.

В диссертации исследованы возмущающие факторы, которые своим влиянием приводят к отклонению функции качества (уровня) текущего учебного процесса, что и ставит задачу обеспечения его устойчивости, которая решена, исходя из концепций обеспечения оптимального управления Ляпунова-Поспелова. В работе исследованы методы анализа функций качества учебного процесса и методы интегрального анализа результатов контроля уровня качества обучения с использованием тестов с упорядоченной структурой их интеллектуального уровня.

Особое внимание уделено логическому и математическому описанию циклов учебного процесса в режиме информационного интерактивного диалога, обоснованию выбора терминальных интервалов обучения и контроля. Проведен логический анализ предметных областей знаний относительно профиля учебного заведения и соответствующий им выбор логической и функциональной структуры текста, алгоритмов и программ для компьютерной реализации режима диалога.

На основании разработанных и обоснованных информационных технологий синтеза АСУ УП и использования ранговых и интервальных статистик построены алгоритмы функционирования учебного процесса в диалоговом режиме, которые обеспечивают высокое качество обучения и контроля с применением интеллектуальных моделей тестов, ориентированных на предметную область.

Ключевые слова: информационная технология, управление учебным процессом, интегральный анализ, противоречивость семантической полноты, критерии анализа.

Antonyk M. S. Information technology of construction of