Разработка интерактивных тренажерных комплексов для освоения компетенций на основе предметных онтологий

• Автор: Яговкин, Вадим Игоревич
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 192 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Современные подходы к разработке ИТК: тенденции, актуальные задачи

1.1. Инструментарий для разработки электронных тренажеров. Критерии оценки

1.2. Актуальность использования методов инженерии знаний при разработке ИТК

1.3. Анализ применимости игровой составляющей в образовательных ИТК

Глава 2. Структура и особенности функциональных связей ИТК

2.1. Инженерия знаний в приложении к разработке ИТК

2.2. Компетентностная модель как шаблон для генерации модулей ИТК

2.3. Представление структуры компетентностной модели в формате Манчестерского

синтаксиса с элементами дескриптивной логики

2.4. Система автоматической генерации модульной структуры ИТК
Глава 3. Внедрение игрового подхода в образовательные ИТК
3.1. Проблемы включения игровых элементов в образовательные тренажеры
3.2. ИТК в пространстве «обучение - симуляция - игра»
3.3. Модель использования игрового образовательного тренажера и алгоритм его
функционирования
Глава 4. Апробация принципов построения ИТК на примере комплексов «Автомеханик» и «Оптик-технолог»
4.1. Общий принцип работы ИТК по специальности «Автомеханик»
4.2. Режимы работы ИТК по специальности «Автомеханик»
4.3. Апробация ИТК по специальности «Автомеханик»
4.4. Применение игровой составляющей на примере ИТК по специальности «Оптик-
технолог»
Заключение
Литература
Приложение №1 Манчестерский синтаксис с элементами дескриптивной логики
Приложение №2 Методические рекомендации по использованию интерактивного тренажерного комплекса в учебном процессе

Введение
Использование в образовательном процессе методов инженерии знаний предполагает не только адекватное представление изучаемого объекта, согласованное со структурой предметной области, но и интерактивное взаимодействие с ней пользователя. Задаваемый вопрос должен автоматически переводиться на язык формальной логики, после чего возникают условия для поиска ответа в рамках заданной структурой понятий и связей между ними. В последние годы возник спрос на образовательные интерактивные тренажеры (ИТ) - программы, поддерживающие обучаемого на каждом шаге решения задач. Такие тренажеры позволяют контролировать действия обучаемого и использовать полученную от него информацию для предоставления помощи.
Интерактивный тренажерный комплекс (ИТК) объединяет несколько ИТ, позволяющих вырабатывать определенные умения и навыки для формирования у обучаемого необходимой общей компетенции, что соответствует положениям федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения (ФГОС). ИТК обеспечивают формирование навыков работы с реальным оборудованием. На монитор компьютера выводится модель инструмента (оборудования) или интерфейс программного продукта, с помощью которого обучаемый выбирает оптимальную для каждой ситуации последовательность манипуляций.
Для обеспечения необходимых связей компетентностной модели выпускника (КМВ) и предметной области предлагается применять онтологический подход, а использование игрового подхода в ИТК позволяет повысить уровень мотивации обучаемого.
Цель диссертационной работы - разработка методического и алгоритмического обеспечения ИТК для освоения компетенций на основе предметных онтологий.

Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:
- проанализированы современное состояние и тенденции в области автоматизации разработки ИТК;
- на основе нормативов ФГОС по специальностям «Автомеханик» и «Оптик-технолог» разработаны модели компетенций, формируемых у обучаемого с помощью ИТК;
- спроектирована система автоматической генерации модульной структуры тренажерных комплексов на основе анализа соответствующих предметных онтологий;
- на основе анализа вариантов использования игровой компоненты в образовательном процессе получены критерии сбалансированности трех основных активностей пользователя: обучение-симуляция-игра (ОСИ), или education - simulation - game (ESG);
- разработан алгоритм использования компьютерных игровых тренажеров для формирования профессиональных навыков;
- разработаны и апробированы ИТК для уровней начального (НПО) и среднего (СПО) профессионального образования.
В работе впервые предлагаются модель автоматической генерации модульной структуры ИТК, основанная на компетенциях ФГОС в онтологическом представлении, и алгоритм для автоматизации уровневого формирования результатов освоения компетенций ФГОС на основе модифицированного цикла Колба.
Традиционно ИТ разрабатываются на основе технического задания (ТЗ), полученного от предприятия-заказчика, а также субъективных представлений экспертов об удельном весе тех или иных умений/навыков, для выработки которых и создаются тренажеры. Такая методика позволяет приблизить разработанный программный продукт к практическим нуждам производства.
В третьем поколении главную роль занимает интерпретация положения индивида в социальном контексте. Вместо индивидуального процесса наработки умений и навыков познание трансформируется в общественный, коллективный инструмент. На первый план выходит коллективное решение поставленных проблем, совещания, групповой анализ, соперничество, таблицы достижений. У каждого члена коллектива своя роль, при этом ученик может выступать в роли учителя для своего коллеги по команде. Обучение также необходимо объяснять. Игры третьего поколения соединили в себе условия (правила, этикет, программные ограничения, образовательные цели) и непосредственный опыт (чувство игры, импровизация, поддержка, обратная связь). Цель может достигаться в соответствии со вкусами и предпочтениями игрока, разными путями и способами, с ошибками и новыми попытками. Использование экспертной системы в качестве ядра интерактивного тренажерного комплекса с игровой составляющей третьего поколения является обязательным условием ввиду необходимости наличия таких компонент, как объяснения в ходе обучения, обратная связь и возможность достижения цели несколькими одинаково правильными «путями».
Для того чтобы использование игр было наиболее эффективным, необходимо не только сочетать их с другими, традиционными и активными методами, но и применять их в определенной последовательности.
Для проведения необходимого анализа были рассмотрены три примера образовательных игр третьего поколения.
1.3.2. Проведение дистанционных практических туров олимпиад по физике с использованием компьютерных моделей
В последнее время многие ведущие вузы используют олимпиады как основной способ выявления потенциальных студентов, поскольку он более