Диагностика учебной деятельности по конструированию пространственных объектов

Конструирование пространственных объектов является тем видом деятельности, которым будущие представители точных наук должны владеть в совершенстве, так как специфика профессиональной деятельности требует хорошо развитой функции воображения и зрительного синтеза. Поэтому проблема создания инструмента для диагностики способности студентов физико-математических и инженерных специальностей вузов к конструированию пространственных объектов в воображении является актуальной и важной как с точки зрения профессиональной ориентации, так с точки зрения организации учебного процесса. Представляет также интерес связь базовых когнитивных функций (дифференцировки, распознавания, направленного внимания, скорости обработки информации, оперативной памяти) мозга (БКФМ) [Гнездицкий, 1997] обучающихся с динамическими характеристиками решения задач по конструированию пространственных объектов.

Учебная деятельность в процессе конструирования пространственных объектов происходит либо в виде мысленных манипуляций (преобразований) модели задачи, либо в виде предметных или материализованных действий путем проб и ошибок. В первом случае учебная деятельность осуществляется мысленно, с опорой на внутренний контекст, во втором – с опорой на внешний контекст или реакцию среды. Недостаточность БКФМ обучающихся обусловливает, как правило, второй путь научения.

Конструирование пространственного объекта из фрагментов осуществляется в специальной проблемной среде «Динамические пазлы», реализованной на базе компьютерной системы автоматического управления учебной деятельностью [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229–237]. Задание состоит в сборке чертежа из 25 фрагментов. Обучающийся может совершать три вида действий: 1) просмотр фрагментов в специальном окне; 2) установка выбранного фрагмента на рабочее поле; 3) отмена установленного ранее фрагмента. Задание, которое выполняет испытуемый, одно и то же. Оно повторяется до тех пор, пока деятельность по сборке объекта не станет безошибочной.

Несмотря на то что задание одно и то же и потенциально проблемная среда одинакова для всех обучающихся, реальная проблемная среда зависит как от поведения (учебной деятельности), так и от личности обучающегося. Это обусловлено тем, что поведение обучающегося является саморегулируемым и взаимосвязанным с проблемной средой и личностью обучающегося.

Учебная деятельность рассматривается как определенный способ взаимодействия обучающегося с проблемной средой. Генеральной функцией учебной деятельности является продуцирование обучающимся новой информации, необхо- димой для поиска решений задач или проблем. Деятельности отводится опосредующая роль между внешними и внутренними условиями.

Как указывал С.Л. Рубинштейн, «…структура деятельности человека есть внешнее проявление структуры мыслительной деятельности, ее психической сути. То есть структура деятельности есть отражение структуры психических процессов, протекающих при этом и неразрывно связанных. Это две стороны одной медали» [Рубинштейн, 1958, с. 350].

Саморегуляция учебной деятельности осуществляется через изменение частоты подачи информации о величине рассогласования текущего и целевого состояния решения задачи. Если относительная частота правильных действий при i -й попытке собрать чертеж увеличивается, то частота подключения датчика рассогласования «расстояния до цели» при i +1-й попытке уменьшается, и наоборот: частота подключения датчика будет увеличиваться, если доля правильных действий будет уменьшаться. В процессе выполнения заданий ведется скрытое протоколирование действий обучающегося. Программа обработки протоколов деятельности обучающихся в проблемной среде представляет собой электронную книгу, содержащую информацию о деятельности обучающихся как в текстовом (табличном), так и в графическом представлении [Бортновский и др., 2010, с. 10–18].

Проведенный в ходе исследования эксперимент состоял в сопоставлении результатов психофизиологического обследования обучающихся методом когнитивных вызванных потенциалов Р300 [Гнездицкий, 1997] и результатов, полученных при обработке протоколов деятельности обучающихся в проблемных средах.

Вызванные потенциалы (ВП) являются индикаторами электрических процессов работы мозга, связанных с механизмами восприятия информации, ее обработки. Одной из таких методик, значительно продвинувших анализ этих процессов, является методика когнитивных вызванных потенциалов, или методика Р300. Сущность этой методики заключается в том, что выделяются не просто ответные реакции на тот или иной стимул, связанные с приходом афферентации, а анализируются эндогенные события, происходящие в мозгу, связанные с опознанием стимула, его дифференциацией, удержанием в памяти и пр. Все, что создает сущность когнитивных процессов.

Для регистрации и обработки когнитивных вызванных потенциалов использовался аппаратно-программный комплекс МВП «Нейрософт» (Иваново, Россия). Методика Р300 основывалась на подаче в случайной последовательности звуковых сигналов двух типов, отличающихся по частоте, среди которых были значимые и незначимые. Соотношение значимых стимулов и незначимых 1:3. Студенты выделяли значимые стимулы. При анализе ВП учитывались следующие показатели по степени значимости: качественные изменения в характере ответа – изменение формы ответа, нестабильность при выделении и количественные показатели – латентность пика РЗ, амплитуда пика РЗ, латентность пика № 2, амплитуда № 2.

В компьютерном эксперименте участвовало 150 студентов первого курса КГПУ и СФУ, включая студентов (63 испытуемых), прошедших нейрофизиологическое обследование БКФМ. Функции вознаграждения r(t) [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229–237] вычисляются из обработки данных синтаксической информации о деятельности обучающегося.

Проследим, какие отличия имеют место в способах осуществления деятельности в проблемной среде для этих обучающихся. Поиск решения задачи при выполнении первого задания в проблемной среде осуществляется при незамедлительном предъявлении информации о рассогласовании между текущим и целевым состояниями. Графически учебная деятельность в пазловой проблемной среде для первого выполнения задания обучающимися 001 и 002 представлена на рис. 1 функциями вознаграждения r(t) .

а                                        б

Рис. 1. Функция вознаграждения при выполнении 1-го задания масштаба времени: а – обучающийся 001; б – обучающийся 002

Из сравнения функций вознаграждения или траекторий деятельности видно, что обучающийся 002 совершает больше неправильных действий по сравнению с обучающимся 001 (рис.1). Энтропия его деятельности значительно выше, чем энтропия деятельности обучающегося 001 [Дроздова, Дьячук, 2007, с. 168–175].

Сравним траектории деятельности этих обучающихся после выполнения серии заданий. В качестве примера рассмотрим траектории прохождения четвертого задания (рис. 2). Видно, что обучающийся 001 совершает действия, последовательно приводящие его к решению задачи. В отличие от него, обучающийся 002 продолжает хаотичную деятельность – энтропия высока. На основании этих данных делаем вывод, что ценность состояния обучающегося 001 выше (он не нуждается в помощи со стороны проблемной среды), чем обучающегося 002.

Рис. 2. Функция вознаграждения при выполнении 4-го задания масштаба времени: а – обучающийся 001; б – обучающийся 002

Построим график функции ценности состояния в зависимости от количества выполненных заданий. Мерой ценности состояния обучающегося в проблемной среде является величина I = 1 – H , где H – энтропия деятельности. На рис. 3 представлена уровневая траектория для обучающегося 001 и обучающегося 002. Засечки на графике обозначают выполненное задание.

Рис. 3. Функция ценности состояния в масштабе времени: а – обучающийся 001; б – обучающийся 002

В компьютерном эксперименте все обучающиеся достигают десятого уровня. Но обучающемуся 001 потребовалось всего четыре задания (при выполнении пятого задания функция ценности состояния максимальна) для усвоения требуемой информации, в то время как обучающемуся 002 потребовалось выполнить восемнадцать заданий.

Рассмотрим скорость обучения, или обучаемость, по отношению к количеству выполненных заданий и к затраченному времени:

ΔI v= , t ΔT

ΔI v= , n N

где ΔI – количество усвоенной информации (для приведенной проблемной среды условно примем ΔI = 25 бит); ΔT – время, затраченное на прохождение заданий; N – значение динамического порога. На рис. 4 представлена диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей v ^~ _{t 1} и v ^~ _{n 1} по результатам выполнения первого задания, нормированных на средние значения: v ^~ и v ^~ .

n ₁ t ₁

Рис. 4. Диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей при выполнении 1-го задания

Анализ диаграммы рассеяния на рис. 4. позволяет предположить, что корреляция параметров v ^~ _{n 1} и v ^~ _{t 1} неоднородна. В группе обучающихся с минимальным и средним значением v ^~ _{n 1} показатели v ^~ _{n 1} и v ^~ _{t 1} положительно связаны между собой: в среднем чем выше v ^~ _{n 1} , тем выше v ^~ _{t 1} .

В группе обучающихся с высокими значениями v ^~ _{n 1} связь между этими показателями заметно ниже, поскольку высокий уровень v ^~ _{n 1} характеризуется широким размахом значений v ^~ _{t 1} . Определим значения коэффициента корреляции для этих групп: r B = 0,473 для первой группы; r B = 0,245 для второй группы.

Низкая информационная продуктивность деятельности при выполнении задания обусловливает потребность в дополнительном времени на обдумывание действий. Но высокий уровень v ^~ _{n 1} не гарантирует высоких показателей v ^~ _{t 1} . Добавим, что, как видно на приведенной диаграмме (рис. 3), наивысшие показатели обучаемости по времени тем не менее демонстрируют обучающиеся с максимальным значением v ^~ .

n ₁

В ходе эксперимента в группе студентов из 63 человек, кроме компьютерной диагностики, была проведена нейрофизиологическая диагностика БКФМ. Средний возраст студентов составил 17–18 лет. После анализа ВП были выделены три группы.

В группе из 36 человек, что составило 57 % от числа обследованных, показатели БКФМ соответствовали норме, что свидетельствует о том, что процессы опознания, дифференцировки, направленного внимания и объем оперативной памяти не страдают.

В группе из 15 человек, что составило 24 % от числа обследованных, отмечались нарушение процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти.

В группе из 12 человек, что составило 19 % от числа обследованных, отмечались нарушения ответа в виде удлинения пика РЗ и слабо выраженного пика № 2 (снижение амплитуды, удлинение латентности № 2), что свидетельствует не только о снижении объема оперативной памяти и направленного внимания, но и о нарушении процессов опознания и дифференцировки.

В таблице приведены обобщенные данные, иллюстрирующие различия в показателях осуществления учебной деятельности обучающимися с разным уровнем развития базовых когнитивных функций мозга. Видно, что обучающимся с нарушенными функциями необходимо в два раза больше заданий (повторений одной и той же деятельности), чем тем, у кого функции мозга не страдают.

Интерес представляет среднее время, затраченное на совершение каждого действия, связанного с установкой или отменой фрагментов. Именно эти действия составляют основу конструирования пространственных объектов в рассматриваемых проблемных средах. Пятый столбец таблицы иллюстрирует отличия обучающихся в осуществлении деятельности по этому параметру. Обучающиеся третьей группы совершают действия с наименьшим интервалом. Это говорит о том, что функциональная недостаточность процессов опознания и дифференцировки в совокупности со снижением объема оперативной памяти и нап- равленного внимания не позволяют им конструировать требуемое изображение «в голове».

Для компенсации такого рассогласования у обучающегося возникает потребность скорее перенести фрагмент на рабочее поле и, исходя из фактической ситуации, выбрать необходимое действие. Обучающиеся второй группы нормально опознают и дифференцируют предлагаемые фрагменты изображения, но дисфункция процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти требуют дополнительного ресурса времени для принятия решения о совершении действия.

Таблица

	Доля обучающихся, %	Среднее количество выполненных заданий	Среднее время, затраченное на обучение, мин.	Среднее время принятия решения, с
Группа 1	57	7	29	3,6
Группа 2	24	9	36	4,2
Группа 3	19	14	45	2,9

Таким образом, сравнительный анализ данных нейрофизиологической диагностики БКФМ с данными компьютерной диагностики учебной деятельности обучающихся в проблемных средах, пооперационно сохраненной в протоколах прохождения заданий, выявил, что одной из причин возникающих проблем в обучении студентов является недостаточный уровень развития БКФМ.

Практическая значимость проведенного исследования состоит в создании компьютерных систем первичной диагностики способности студентов к конструированию пространственных объектов, что позволяет: во-первых, решать проблему профессиональной ориентации обучающихся; во-вторых, давать рекомендации для индивидуализированного обучения; в-третьих, в случае обнаружения недостаточной обучаемости конструированию пространственных объектов направлять обучающихся на нейрофизиологическое обследование для уточнения затруднений и определения корректирующих мероприятий.