Методы оптимизации обучающего процесса в цифровой среде

,

Введение . Информатизация образования – это процесс внедрения информационных технологий в образовательный процесс, который на сегодняшний день становится особенно актуальным в условиях быстро меняющегося социально-экономического ландшафта. Этот процесс включает в себя как физическую инфраструктуру (компьютеры, сеть Интернет, программное обеспечение), так и методику обучения (новые способы преподавания, адаптацию учебных планов и материалов и т. д.).

Цель исследования – усовершенствовать методы обучения в цифровой среде, продемонстрировать применение инструментов имитационного моделирования в педагогической практике.

Постановка проблемы . Проблема состоит в том, что в условиях нестабильности и социо-экономической трансформации произошло изменение не только в наличии доступных обучающих курсов на цифровых платформах, но и в деформации компетенций для освоения и подачи электронных курсов всеми участниками обучающего процесса. Поэтому применения традиционных методов обучения и использования шаблонных конструкторов курсов для обеспечения электронного обучения недостаточно. Так как цифровая трансформация образования в условиях нестабильности становится важным инструментом для обеспечения непрерывности учебного процесса, повышения доступности и качества образования, то инструкторам требуется развитие дополнительных компетенций в освоении новых инструментов для усовершенствования процесса обучения. Несмотря на то, что сегодня на рынке появились новые профессии, такие как «Архитектор образовательных курсов», проблема состоит в отсутствии усовершенствованных методов применения цифровых технологий в информационной среде. Чтобы обеспечить дисциплину с применением методов искусственного интеллекта, необходимы навыки и знания принципа работы нейронной сети, что может знать архитектор, но не знать преподаватель, при условии, что педагогических навыков у преподавателя значительно больше. Проблема состоит в отсутствии доступных обучающих курсов и подробного описания методов применения ИТ- возможностей в педагогике.

Какие возможности предоставляются сегодня в рамках цифровизации обучения:

• 1.    Формирование индивидуального трека обучения. С использованием информационных технологий применение личностно-ориентированного подхода становится более простым и оперативным.

• 2.    Доступность обучающих курсов (особенно сегодня в условиях блокировки многих зарубежных источников).

• 3.    Обеспечение различных форматов обучения. Так, например, можно организовать смешанное обучение, открытое образование и микрообучение, при котором проводятся краткосрочные курсы для различных нужд. В этом же пункте стоит упомянуть не только возможность обучения, но и обмен мнениями, а также демонстрацию компетенций в дискуссиях при использовании новых форм организации (краудсорсинг, компании с открытым кодом и т. д.). Таким образом, информационные технологии становятся важным инструментом для организации дискуссий и обмена мнениями в новых организационных форматах.

• 4.    Интерактивные образовательные технологии. Помимо геймификации, кейс-технологий и прочих методов интерактивного обучения можно использовать имитационное моделирование любого процесса, в зависимости от специфики. Так, организационно-технические процессы компании можно описать в любом программном продукте, который поддерживает BPMN 2.0 формат, тем самым наглядно можно представить слушателям любой проблемный процесс с разработкой методов его оптимизации. Пример такого применения описан авторами в предыдущих исследованиях (Хаперская, Минин, 2021).

• 5.    Поддержка профессорско-преподавательского состава. Цифровые технологии помогают всем участникам образования делиться опытом и материалами, проводить курсы повышения квалификации.

• 6.    Снижение затрат и оптимизация ресурсов. Не все организации могут позволить себе постоянное обновление программных продуктов и качественный своевременный ремонт оборудования для того, чтобы обеспечить беспрерывное обучение, курсы повышения квалификации, дополнительное образование и т. д., поэтому проведение этих процессов в онлайн-среде и использование электронных курсов позволяет оптимизировать расходы. Так, актуальным примером является использование электронных курсов для обеспечения таких дисциплин, как «Скорая помощь», «Техника безопасности и охрана труда» и т. д.

• 7.    Развитие цифровых навыков. В Томском политехническом университете активно используется «Конструктор образовательных программ», что вынуждает всех участников учебного процесса адаптироваться к современным цифровым технологиям, осваивать и применять их.

Литературный обзор. А.С. Петрова, Ю.В. Афанасьева и Н.Н. Левкина выделяют основные проблемы информатизации. Авторы считают, что с появлением информационных технологий повышается общественное неравенство из-за высокой стоимости технического оснащения, уменьшается значимость устной и письменной речи, возникает угроза снижения уровня социализации личности и т. д. (Петрова и др., 2017).

И.В. Роберт (2014) в своих работах подробно описывает особенности информатизации образования. Автор выделяет основные отличительные черты учебного взаимодействия в условиях информатизации и традиционного обучения.

М.В. Кручинин и Г.А. Кручинина проводят исследование по выявлению эффективности использования метода проектов с применением средств информационных технологий. Они анализировали уровни освоения компетенций в условиях информатизации образования и пришли к выводу об успешном формировании индивидуального трека обучения слушателей с использованием информационных систем. Авторы утверждают, что совокупность индивидуальной, групповой и коллективной (при обсуждении результатов проектной деятельности) работы при личностно-ориентированном подходе к процессу и содержанию обучения постепенно занимает все больше места в познавательной деятельности студентов (Кручинин, Кручинина, 2015).

• В. В. Гриншкун в своих работах рассматривает проблемы информатизации с разных сторон, в том числе, взаимосвязь развития компетенций педагогов и информационных систем. Автор описывает базу, которая уже заложена в умения педагогов, а также проводит анализ, как расширить спектр компетенций, необходимых для всех участников обучающего процесса, чтобы повысить эффективность обеспечения непрерывного образования (Гриншкун, 2016).

Л. Луневич в своих исследованиях предлагает стратегии обучения, которые формируют опыт решения нестандартных задач, способствуют оперативному усвоению технологии практической деятельности. В статье говорится, что компетентный качественный инструктор постоянно совершенствует свои педагогические навыки, выбирает и разрабатывает новые методы и технологии преподавания. Также автор рекомендует применение метода позитивной мотивации в критической цифровой педагогике для создания благоприятной обучающей среды (Lunevich, 2021).

Н.Ш. Козлова в своих научных трудах описывает методы трансформации образовательного процесса в вузе в условиях цифровой экономики. Также в статье поднимается аналогичная проблема: возможностей обеспечения обучающего процесса в цифровой среде много, но интеграция их в образовательный процесс сложная (Козлова, 2019).

• О.    Заболоцкая и соавторы в своем исследовании описывают стратегии развития цифровых компетенций преподавателя, чтобы применять в своей работе современные инновационные инструменты обучения. Результатом явилась оптимизация модели цифровых компетенций преподавателя, которая устанавливает их единую структуру (Zabolotska et al., 2021).

• T.    Ян и К. Цзэн в своих работах представили основные концепции искусственного интеллекта и виртуальной реальности, а также обсудили возможные изменения, которые могут быть внесены при их внедрении в обучающие приложения, используемые в режиме реального времени. В статье говорится, что виртуальная реальность упрощает визуализацию любого сложного курса (Yang, Zeng, 2022).

Методы мотивации слушателя к обучению в онлайн-среде с применением цифровых технологий . Основным недостатком электронного обучения является отсутствие мотивации слушателя из-за влияния множества факторов: от отсутствия коммуникации «лицом-к-лицу» до длительного ожидания обратной связи и результата своего обучения.

Авторами проводился эксперимент среди слушателей проекта «Демография» по дисциплине «Транспортная логистика», который проходил в информационно-образовательной среде. Консультации включали в себя дискуссии и подачу теоретического материала посредством видеоконференции, на мастер-классах изначально предполагалось решать задачи транспортной логистики, строить графики и т. д.

Для подачи практического материала авторами было применено имитационное агентное моделирование в AnyLogic, что эффективно повлияло на обучающий процесс. Демонстрацией положительного эффекта такого метода явилась активная обратная связь во время занятий, всеобщая заинтересованность слушателей. Вне аудитории они пробовали самостоятельно строить имитационные модели по теме курса и форматировать список вопросов преподавателю.

Приведем пример построенной во время занятия схемы маятникового маршрута (рисунок 1). Слева на рисунке наглядно изображена схема маршрута из учебника, справа слушатели вместе с преподавателем в режиме реального времени строили данный маршрут на карте. Помимо схемы маршрута, можно было внести габариты транспорта, пробег, задать скорость движения, обозначить препятствия (ремонт дорог, погодные условия и т. д.), автоматически рассчитать самый быстрый маршрут, построить график процессов, тем самым решив сопутствующие задачи, которые стояли перед слушателями в рамках курса.

Рисунок 1 ‒ Построение маятникового маршрута в среде AnyLogic ¹

Figure 1 ‒ Building a Pendulum Route in AnyLogic Environment

На рисунке 1 приведен один из последних методов имитационного моделирования, который использовали авторы в своей работе.

Также необходимо отметить, что с помощью AnyLogic можно решать неточные задачи, которые имеют свойство изменяться в динамике под воздействием каких-либо факторов. Так, например, при обучении людей с ОВЗ сложно спрогнозировать поведение, эмоциональный фон и состояние здоровья слушателя. Следовательно, с помощью средств имитационного моделирования можно симулировать любые процессы и сценарии, которые могут произойти, произвести анализ и создать все условия для успешной адаптации слушателей с ОВЗ в информационнообразовательной среде.

Обучая слушателей с ОВЗ в электронной среде, нужно четко понимать, что темп обучения, в зависимости от физического ограничения, разный. Так, например, люди с проблемами зрения дольше читают задание, чем люди с проблемами слуха. Но средства информатизации позволяют трансформировать видеоматериал в аудио и наоборот. В любом случае, это трата временных ресурсов, которая должна быть учтена в процессе обучения. Поэтому в AnyLogic, помимо возможности разрабатывать и анализировать сценарии с различным исходом, есть функция, позволяющая задавать темп обучения, чтобы слушатели с ОВЗ могли в онлайн-режиме участвовать в проектной командной работе, кейс-обучении, дискуссиях и т. д. На рисунке 2 приведен пример того, как можно регулировать темп обучения при равномерном распределении заданий. В примере видно, что слушатели выполняют одно и то же задание от 25 до 40 минут, что следует учитывать при дальнейшей разработке адаптированных средств обучения.

Рисунок 2 ‒ Возможности AnyLogic для настройки темпа обучения

Figure 2 ‒ AnyLogic Features for Setting the Learning Pace

1 Все рисунки в статье составлены авторами.

Кроме того, на рисунке 2 продемонстрированы другие типы распределения по времени (треугольное, случайное, изменение по экспоненте и т. д.).

Еще одним примером использования средств информатизации образования для решения основных проблем, которые возникают при использовании электронной среды, является возможность анализировать и улучшать процесс обучения, оперативно производить диагностику полученных компетенций, контролировать поток информации в зависимости от выделенных ресурсов. Поскольку в информационно-образовательной среде у одного преподавателя может обучаться большое количество слушателей, то есть вероятность того, что образуются накопления в динамической системе, не все ответы будут обрабатываться в срок, такая хаотичность процесса негативно скажется на обучении. Пример того, как ответы слушателей попадают в информационное пространство, приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 ‒ Пример формирования ответов слушателей в электронной среде

Figure 3 ‒ An Example of the Formation of Listeners’ Responses in an Electronic Environment

Иногда сложно контролировать процесс отправки и получения ответов слушателей, поэтому с использованием AnyLogic был предложен метод решения такой проблемы. Посредством диаграммы состояний и библиотеки кода можно систематизировать процесс получения и отправки ответов, а также автоматизировать диагностику ответов слушателей (рисунок 4).

Авторы в своей статье ранее описывали возможности создания автоматизированного инструмента диагностики результата обучения с применением методов искусственного интеллекта (Хаперская, Минин, 2021). Основной идеей было создание семантического дерева ключевых слов экспертного мнения, которые в дальнейшем сравнивались системой с ответом слушателя, выдавался результат взаимосвязи ответов обеих сторон (слушателя и эксперта). Чем выше корреляция ответов, тем точнее был дан ответ. Такой подход важен при использовании активных методов обучения, где требуется нестандартный вид ответа и комплексная оценка.

На рисунке 4 изображены все типы заданий, которые расположены в информационно-образовательной среде (assigments), переход выполненного задания (TaskCompleted) в стадию проверенного (AIcheked) с помощью параметра нейронных сетей (AI).

Также на рисунке 4 схематично представлено несколько элементов. При внутреннем заполнении атрибутов каждого блока, использовании встроенной библиотеки Java и множества всплывающих подсказок можно сделать каждый элемент адаптированным под реальные события, которые влияют на процесс обучения. Например, можно настроить, в какой период времени слушателям будет доступно задание, в каком формате оно будет представлено и в виде какого агента будет появляться (конверт, тест, параметр, задача, облако решений, база данных и т. д.).

Рисунок 4 ‒ Пример использования диаграммы состояний для диагностики результата ответа

Figure 4 ‒ An Example of Using a State Diagram to Diagnose the Result of a Response

Далее стоит описать еще одну возможность, которая может быть реализована для формирования более интеллектуального процесса обучения в электронной среде. На рисунке 5 приведен пример систематизации полученных ответов. В схеме, указанной как процесс поведения ресурсов, также отображается количество слушателей, одновременно проходящих обучение по электронному курсу. Они могут выбирать тип задания, которое будут выполнять, необходимые компетенции, количество времени для прохождения всех этапов курса. Благодаря множественным настройкам, которые предоставляет сегодня информатизация образования, можно сформировать индивидуальный трек обучения. В режиме онлайн, которое удобно слушателю, выбирается команда для осуществления проектной работы, темп обучения каждого участника команды, его роль в команде и цели участия в данном проекте.

Рисунок 5 ‒ Настройка обучающего процесса в AnyLogic

Figure 5 ‒ Setting up the Learning Process in AnyLogic

Выводы . В статье приведено лишь несколько типов возможностей информатизации образования: применение нейронных сетей (теории искусственного интеллекта); методы имитационного моделирования; процессный подход для реализации различных педагогических задач, таких как интеллектуальная диагностика компетенций, регулирование интенсивности обучения слушателей, а также людей с ОВЗ (с учетом их физических ограничений) в режиме реального времени, поиск узких мест в обучающих процессах с применением BPMN 2.0.

В работе предложены методы, которые могут быть усовершенствованы с целью создания адаптивных, гибких, интеллектуальных платформ обучения. Также предложены методы применения имитационного моделирования для симуляции и визуализации объектов обучения.

Успешная и эффективная работа усовершенствованных методов подтверждается следующими результатами: повышением онлайн-активности; положительными отзывами слушателей о применении имитационного моделирования в транспортной логистике; заинтересованностью в программном продукте, который использовался в рамках курса; успешным выполнением практических и итоговых задач, которые были даны слушателям; оперативным интерактивным взаимодействием и эффективностью коммуникации.