Особенности основных подходов к формализации и построению основной образовательной программы

FEATURES OF THE MAIN APPROACHES TO FORMALIZATION AND CREATION OF A MAIN EDUCATIONAL PROGRAM

Yevgeniy Nazarov

university lecturer, Surgut State University, Russia, Surgut

Аннотация. В статье рассматриваются основные подходы к формализации представления основной образовательной программы. Особое внимание при этом уделяется формализации с применением онтологий. Проведенный сравнительный анализ всех рассмотренных подходов по различным критериям, позволил выявить их сильные и слабые стороны относительно друг друга и онтологического подхода, в частности.

Abstract. The article discusses the main approaches to formalization of submission of a main educational program. Special attention at the same time is paid to formalization with application of ontologies. The carried-out comparative analysis of all considered approaches by various criteria, allowed to reveal their strengths and weaknesses relatively each other and ontologic approach, in particular.

Ключевые слова: формализованное представление; формализация; онтология; основная образовательная программа; компетенция; модель.

Keywords: the formalized submission; formalization; ontology; main educational program; competence; model.

Проблема получения формализованного представления описания как самой образовательной программы, так и элементов, из которых она образовывается, существует уже достаточно давно. В связи с этим в различных научных изданиях можно найти немалое количество разнообразных подходов к её решению, в том числе и с использованием онтологий. Далее будут рассмотрены некоторые из возможных вариантов. Особое внимание при этом будет уделено следующим аспектам (при наличии их отражения в тексте источника):

- способ формализации образовательной программы, компетенции, дисциплины;

- наличие опоры на компетенции при формализации и путей определения прогресса формирования компетенции;

- возможность построения индивидуальной образовательной траектории;

- наличие критериев для определения оптимальной последовательности освоения дисциплин.

В [1] представлен подход к формализации определения компетентностей, формируемых отдельно взятой дисциплиной. Он осуществляется через набор конечных компетенций, каждая из которых формируется другими компетенциями с определенным вкладом, учитываемым весовыми коэффициентами. В качестве таких коэффициентов, по мнению авторов, может выступать доля времени, отводимая на дисциплины или дидактические единицы, участвующие в формировании конечной компетенции. При этом весовые коэффициенты здесь используются в качестве весов для связей нейронной сети, позволяющих получить вектор конечных компетенций из начальных. После определения требуемых отношений между компетенциями и порядка их формирования строится учебный план. В рассматриваемой работе для упрощения составления плана предлагается формировать дисциплины из дидактических единиц, образующих конкретные компетентности. Оптимальная последовательность освоения дисциплин может быть получена за счет соответствующей настройки весовых коэффициентов, обозначающих долю времени, отводимую для освоения компетенции.

Интересный вариант формализации учебного плана описан в работе [2]. Здесь учебный план представлен в виде набора взаимосвязанных дисциплин, которые увязаны между собой посредством модулей, а они, в свою очередь, с помощью терминов, относящихся к соответствующему модулю. Таким образом, основу связи между дисциплинами составляют термины, которые как должны быть сформированы в них, так и требуются для их изучения. Указанные элементы представляются в виде структур, содержащих не только характерные для них параметры, но и ссылки на другие структуры в тех случаях, когда это необходимо. Для определения критерия эффективности сформированного учебного плана здесь предлагается выполнять свертку по группам классифицирующих признаков. При этом оптимизацию последовательности дисциплин предлагается вести двумя путями: введением весовых коэффициентов для всех терминов по их значимости и использованием методов многокритериальной оптимизации в сочетании с численными методами. В рассматриваемой работе отмечается также, что увязка дисциплин всех направлений может быть реализована лишь при воздействии лиц, принимающих решение. Что касается индивидуального плана обучения, то предлагаемая методика позволяет его не только сформировать, но и динамически корректировать при наличии полной базы данных методических материалов и тестовых заданий для всех дисциплин.

В работе [3] представлен математический аппарат для решения задачи автоматизации построения индивидуальной образовательной траектории. Основа подхода заключается в построении математической модели в виде ориентированного графа без взаимно достижимых вершин, описывающего структуру абстрактного учебного курса (на более крупном уровне образовательной программы), который состоит из дидактических единиц. Увязка последних по срокам изучения осуществляется через распределение вершин графа по уровням его структуры, каждый из которых символизирует либо семестр, либо месяц, либо неделю. Далее над полученной (исходной для обработки) структурой графа посредством нескольких преобразований матриц смежности выполняется ряд действий, обеспечивающих простоту, ацикличность и конечность его структуры. Другими словами, они делают структуру графа и соответствующей ему образовательной траектории оптимальной и естественной с точки зрения последовательности и времени изучения дидактических единиц.

Также в [3, стр. 9] представлен вариант использования указанного представления образовательной программы в сочетании с технологиями автоматизации проектирования. Структура такой системы изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема работы системы автоматизированного проектирования образовательных траекторий

Из анализа рисунка 1 можно предположить, что рассмотренный алгоритм в данной системе работает на сервере формирования образовательных траекторий. Согласно [3, стр. 9] обучаемый получает доступ к сервисам обеспечения образовательной среды вуза через сетевую среду и после прохождения идентификации на сервере доступа, может просматривать и модифицировать свою образовательную траекторию.

Большой интерес представляет работа [4], так как в ней не только рассматривается применение онтологического подхода для моделирования слабо формализуемой предметной области, но ещё и приведены примеры онтологических моделей основной образовательной программы, учебного плана и учебной дисциплины, которые могут оказаться полезными на дальнейших этапах выполняемой работы. Указанные примеры приведены на рисунках 2, 3 и 4, соответственно. Стоит отметить, что в данной работе сама методика разработки, а также результаты анализа предметных областей, на основании которых были построены представленные онтологии, не отражена. Даны лишь общие рекомендации по построению онтологий и описано назначение онтологического моделирования.

Рисунок 2. Онтология основной образовательной программы

Рисунок 3. Онтология учебного плана

Рисунок 4. Онтология учебной дисциплины

Еще несколько примеров использования онтологического подхода при проектировании образовательной программы представлено в [5]. Данные онтологические модели, согласно источнику, «относятся к разным уровням компетентностно-ориентированного обучения: к уровню процесса обучения в целом и к уровню модуля (в данном случае – модульной программы)». Первая из них основана на интеграции компетенций обучающихся. Её изображение приведено на рисунке 5.

Рисунок 5. Онтологическая модель образовательной программы

В данной работе, также, как и в предыдущей, не раскрываются результаты анализа предметной области (в данном случае, формулировок компетенций) для получения представления о принципах формирования онтологической модели. Вместе с тем здесь указывается, что при формировании модели был использован принцип декомпозиции компетенций, то есть разложение сложной компетенции на более простые, которые её формируют.

Не меньший интерес представляет вторая онтологическая модель модульной программы, представленная в этой же работе. Её изображение представлено на рисунке 6. Схема модульной программы, на основе которой выполнено построение, показана на рисунке 7.

Рисунок 6. Онтологическая модель модульной программы

Рисунок 7. Схема модульной программы

Интерес к данной модели вызван тем, что в отличие от предыдущей она организована не концентрически, а иерархически. Подобное представление еще более наглядно демонстрирует принцип декомпозиции компетенции. Автор указывает, что «общую цель модульной программы можно декомпозировать до цели каждого модуля» [5, стр. 4]. Следовательно, в конечном итоге оценив уровень достижения цели в каждом из модулей можно сделать вывод о сформированности целевой компетенции не только каждого из модулей, но и всей дисциплины.

Проанализировав представленные подходы по критериям, которые представлены в начале, можно сделать следующие выводы:

• Очевидно, что каждый из рассмотренных способов формализации как образовательной программы, так компетенций и дисциплин имеет свои достоинства и недостатки, зависящие от области и цели применения метода. Так, например, при формализации с помощью онтологического подхода можно получить модель программы, которая будет понятна практически любому человеку, даже не особо ориентирующемуся в рассматриваемой предметной области, и при этом она будет обладать достаточно высокой степенью наглядности без применения каких-либо вспомогательных средств визуализации и не потребует введения каких-либо абстракций. Вместе с тем конечный вид модели будет очень сильно зависеть от уровня понимания предметной области человеком, проектирующим онтологическую модель, и потребует выполнения большой предварительной работы по анализу области знаний. Среди преимуществ модели, основанной на представлении с помощью графов, можно выделить достаточно богатый математический аппарат, который может быть использован при работе с графами. Сюда следует отнести наличие множества алгоритмов обхода, поиска оптимального пути на графе и анализа его структуры. В свою очередь, это может быть использовано при разработке алгоритмов обработки образовательной программы с целью получения какой-либо дополнительной информации. К недостаткам подхода – требование знания и понимания всего перечисленного аппарата по работе с графами, необходимость введения некоторого количества абстракций и реализации дополнительных средств визуализации полученной модели. Про первые два рассмотренных способа можно сказать следующее: подход с использованием нейронной сети потребует, прежде всего, корректного выбора типа используемой сети, а также больших временных затрат на подбор требуемой величины весовых коэффициентов для обучения нейронной сети при даже небольших изменениях параметров образовательной программы; подход, основанный на использовании множеств терминов потребует создания вспомогательных структур для описания элементов программы и проведения большой предварительной работы по составлению словарей терминов, но при этом дает возможность с высокой степенью точности устанавливать уровень связи между дисциплинами программы с точностью до модуля.
• Если сравнивать рассмотренные подходы по такому критерию как опора на компетенции при формализации, то выделяются только подход на основе использования нейронной сети и онтологическая модель. При этом в обоих случаях никак не оценивается и тем более не учитывается прогресс формирования компетенции в ходе изучения образовательной программы. Подобная ситуация наблюдается и в других источниках (научных статьях), которые удалось найти по рассматриваемой тематике в ходе выполнения данной работы. В основном, учитывается лишь взаимосвязь компетенций между собой, а также порядок их следования.
• Поскольку все рассмотренные методы позволяют проектировать образовательные программы, то можно предположить, что с их помощью можно также выполнить построение индивидуальной образовательной траектории. В таком случае, будет целесообразно дополнительно распределить представленные способы по возможности генерации большого количества вариантов траекторий за условный промежуток времени. Распределение будет выглядеть следующим образом в порядке возрастания от наименее до наиболее эффективного: подход на основе нейронной сети, онтологическая модель, подход на основе множества терминов, использование графовых структур. Определяющим факторами здесь являются простота структуры и наличие множества уже готовых алгоритмов обработки с доказанной эффективностью, которые можно воплотить в виде соответствующего программного обеспечения для последующего использования в составе автоматизированной системы.
• Оптимальность последовательности освоения дисциплин заключается в освоении образовательной программы с максимально возможной эффективностью (большим количеством и максимально высоким качеством усвоенных знаний, полученных умений и навыков) за время обучения. Описание решения задачи оптимизации порядка изучения дисциплин приведено во всех рассмотренных способах за исключением онтологического подхода, но это ни в коем случае не означает его бесполезность в решении рассматриваемого вопроса. В данном случае авторами работ [4, 5] такая задача не ставилась изначально. С наименьшим количеством затрат оптимальная последовательность изучения дисциплин может быть построена в подходе на основе графовых структур, так как сами алгоритмы построения и обработки графов дидактических единиц уже изначально настроены на получение оптимальной программы.

Подводя итог можно с некоторой уверенностью сказать, что онтологический подход применяется в основном в задачах базового проектирования образовательной программы и проверки её на соответствие образовательным стандартам. Что касается решения с его помощью задач оптимизации программы или конкретных примеров использования подхода для построения индивидуальной образовательной траектории, то об этом не упоминается ни в одном из источников, рассмотренных в рамках данной работы.