Среда адаптивного обучения проектированию веб-систем

На сегодняшний день разработка интеллектуальных обучающих систем (ИОС) является актуальной проблемой, так как имеется большое число обучаемых пользователей с различным уровнем знаний, умений и навыков в различных сферах деятельности, которые должны изучить определенный теоретический материал и адаптивно сформировать навыки работы с новыми знаниями. ИОС позволяет пользователю включиться в процесс обучения в любое время и изучать материал в наиболее подходящем для него темпе, а также контролировать процесс обучения. ИОС так же позволяет производить адаптивное обучение, то есть, реализовать процесс обучения и преподавания за счет градации изучаемого материала по сложности и трудности. Благодаря индивидуальности набора заданий улучшается качество процесса обучения.

В качестве предметной области, была выбрана область разработки веб-систем. Веб-система представляет собой веб-сайт, который обеспечивает пользователю возможность использовать различные интерактивные сервисы, которые работают в рамках одного веб-сайта.

Разработка веб-систем подразумевает разработку сайтов с определенным функционалом, настройку авторизации пользователей, добавления различных материалов, а так же элементы веб-дизайна и разработки скриптов для выполнения различных операций.

В виду того, что данная предметная область имеет большой объем, было решено спроектировать для неё обучающую систему. Обучающая среда должна обеспечивать получение знаний и формирование умений и навыков у обучающегося с учетом его подготовки. В связи с этим актуальной является задача формализации, а на ее основе и автоматизации функции формирования учебных задач с требуемыми свойствами, обеспечивающими усвоение рассмотренных алгоритмических предписаний [1]. Рассматриваемый процесс обучения основан на принципе адаптивного формирования умений решения задач.

Компоненты среды обучения:

• •    Теоретический материал предметной области для изучения;

• •    Тест, созданный в приложении TestMaker [2];

• •    Интеллектуальная обучающая система, спроектированная инструментальными средствами МОНАП [1,3-8].

Теоретический материал

В качестве теоретического материала был выбран практический лабораторный комплекс Минязева Р.Ш., охватывающий основной курс разработки

Рис. 1. Скриншот первой работы из лабораторного комплекса Минязева Р.Ш.

Электронные УМК по предметам

(алькулято|

Латематика русский язык

>иология

Сим ия

Ризика

Калькулятор на PHP Выражение посчитано число 1:

операция:

Партнеры проекта

25 + 6 = 31

Рис. 2. Скриншот второй работы из лабораторного комплекса Минязева Р.Ш.

Система TestMaker

Для проверки знаний может быть применен электронный тест. Система TestMaker позволяет создавать и редактировать тесты с различными типами вопросов, таких как как однозначный, многозначный, закрытый, вопросы на выбор соответствия, простой и расширенный открытые вопросы. Так же система позволяет реализовать прохождения теста с различными параметрами, такими как ограничение по времени выполнения, последовательностью и сложностью вопросов. В рамках предметной области разработки веб-систем был реализован тест из 10 вопросов с использованием TestMaker, представленный на рисунке 3 и 4.

Рис. 3. Система TestMaker выполнение теста

Рис. 4. Система TestMaker проектирование вопросов теста

Инструментальные средства проектирования МОНАП

МОНАП (Модель Обучения Навыкам Алгоритмической Природы) – инструментальное средство разработки для автоматизации проектирования интеллектуальной обучающей системы, в которой реализуются алгоритмы адаптивного управления процессом обучения в заданной предметной области.

Составными компонентами системы являются: среда преподавателя и среда обучаемого [10].

Среда обучения

В окне, представленном на рисунке 5 рассматривается общее описание среды, различные параметры обучения и настройки среды проектирования.

Рис. 5. Окно описания среды обучения

Подсистема правил

После описания среды необходимо определить набор правил, которые являются базовыми элементами для оценки формирования умений/навыков. Обучения основывается на данных правилах. Правила желательно формировать в виде «если условие, то действие». На базе созданных правил осуществляется проектирование учебных задач. В рамках разработки системы создано 21 правило из разных областей разработки веб-систем. Пример просмотра и редактирования правил изображен на рисунке 6.

Рис. 6. Список правил среды обучения и окно редактирования

Свойства учебных задач

При проектировании ИОС одной из главных проблем является разработка свойств задач, который содержит классы, подклассы и вектор использований правил, который определяется числом использований каждого правила. Каждому классу соответствует определенное число правил, подклассы же дифференцируют задачи по их сложности и должны содержать те же правила, что и класс к которому они относятся. Сложность задачи определяется количеством используемых правил, при чем чем выше подкласс, тем сложнее уровень сложности задачи. Таким образом реализуется принцип от простого к сложному. В рамках данной предметной области реализовано 3 класса по таким разделам веб-разработки, как:

• •    Создание простейшего веб-сайта

• •    Создание баз данных для веб-сайтов

• •    Настройка доступа пользователей к сайту

В общей сложности было создано 21 правило. В каждом классе выделено по 4 подкласса с задачами различной сложности. Таблица свойств учебных задач изображена на рисунке 7.

Рис. 7. Таблица свойств учебных задач

Банк учебных задач

В разделе банка задач отображаются все учебные задачи ИОС. Как видно на рисунках 8, 9, 10 задачи разделяются на классы и подклассы с градацией по сложности. Также имеются синонимичные задачи для разнообразия процесса обучения. Синонимичные задачи принадлежат одинаковому классу и подклассу, то есть используют одинаковый набор правил, подобная задача показана на рисунке 9.

Рис. 8. Задача 1-го класса 1-го подкласса

Рис. 9. Синонимичная задача

Рис. 10. Задача 3-го класса 2-го подкласса

Среда обучаемого

Преподаватель может регистрировать обучаемый в системе, после чего зарегистрированный пользователь может авторизоваться как на рисунке 11 и начать процесс обучения. После входа в среду обучаемого пользователю доступен интерфейс данной среды, представленный на рисунке 12. Данный интерфейс позволяет получить доступ к информации о состоянии обучения, истории обучения, вероятности распределения гипотез, вероятности гипотез о состоянии обученности, распределения вероятностей правильного применения операции, вероятности правильного применения операции, а также доступны опции для начала или продолжения обучения.

Рис. 12. Интерфейс среды обучаемого

Рис. 11. Форма авторизации

Задачи предоставляются в виде описания ее условий и полей для ввода ответа, как показано на рисунке 13. При прохождении обучения пользователь может наблюдать за текущим его состоянием на вкладках детализации и текущего шага. На основе информации о шагах обучаемого формируется история обучения, представленная в виде графика вероятности правильного применения операции на рисунке 14. Также во время тестирования система может осуществить аварийной завершение обучения при заданных параметрах среды обучения.

Таким образом, разработанная ИОС позволяет автоматизировать получение и оценку умений/навыков обучаемого, определение оптимальной сложности учебных задач в соответствии со знаниями, навыками и умениями обучаемого.

Рис. 13. Прохождения обучения

Рис. 14. Состояние обучения

Заключение

В процессе проектирования была создана адаптивная среда обучения в области разработки веб-систем; включающая в себя тест, разработанный в программном комплексе TestMaker, и интеллектуальную систему обучения, созданную в среде МОНАП по разделам разработки веб-систем.

Работа выполнена под научным руководством доцента кафедры АСОИУ КНИТУ-КАИ Галеева Ильдара Хамитовича.