УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ПОДГОТОВКИ РАЗРАБОТЧИКОВ

На правах рукописи
ШАБАЛИНА Ольга Аркадьевна
УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ПОДГОТОВКИ РАЗРАБОТЧИКОВ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ОБУЧАЮЩИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР
Специальность: 05.13.10 –
«Управление в социальных и экономических системах»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Астрахань – 2014
Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и
поискового конструирования» (САПР и ПК) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)
Научный консультант:
зав. кафедрой САПР и ПК ФГБОУ ВПО «ВГТУ»,
доктор технических наук, профессор, заслуженный
деятель науки РФ
Камаев Валерий Анатольевич.
Официальные оппоненты: зав. кафедрой «Компьютерные технологии и системы» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», доктор технических наук,
профессор, заслуженный деятель науки РФ
Аверченков Владимир Иванович,
зав. кафедрой САПР ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», доктор технических
наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ
Бершадский Александр Моисеевич,
зав. кафедрой «Управления качеством» ФГБОУ ВПО
«Астраханский государственный университет», доктор технических наук, профессор,
Шикульская Ольга Михайловна.
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Национальный
исследовательский
технологический университет «МИСиС»”.
Защита диссертации состоится 3 апреля 2014 года в 11:00 на заседании
диссертационного совета Д307.001.06 на базе Астраханского государственного
технического университета по адресу: 414056, г.Астрахань, ул.Татищева, 16,
главный корпус, ауд. № 313.
Ваши отзывы в количестве двух экземпляров, заверенные гербовой печатью
организации, просим присылать по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 16,
ученому секретарю диссертационного совета Д 307.001.06.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Астраханского
государственного технического университета.
Автореферат разослан _________________ 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
2
Ханова Анна Алексеевна
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Уровень развития общества сегодня во
многом определяется уровнем развития информационных технологий (Information
Technologies, IT). Широта и разнообразие применения IT в различных сферах человеческой деятельности, уровень сложности решаемых задач и высокая цена
ошибки определяет уровень требований, предъявляемых к профессиональной
подготовке IT-специалистов. Ошибки в профессиональной деятельности специалистов, работающих в области IT, могут приводить к катастрофическим последствиям и наносить непоправимый ущерб обществу в целом. Специалисты, работающие
в областях, связанных с разработкой и внедрением IT, должны обладать высокой
профессиональной квалификацией, отработанными навыками практической деятельности, высокой обучаемостью, широтой взглядов и эрудированностью.
Ключевую роль в IT играет программное обеспечение (ПО). Спрос на разработчиков ПО всех специализаций составляет более 50 процентов от всех остальных специальностей в сфере IT. Потребности в новых кадрах для сектора ПО российского IT-рынка увеличиваются с каждым годом. Специальности, связанные с
разработкой ПО, относятся к числу наиболее сложных для обучения. Сложность
подготовки специалистов, связанных с разработкой ПО, определяется свойствами
как самого ПО, так и процесса его разработки. Темпы обновления знаний, необходимых для разработчиков ПО, очень высоки: существующие решения быстро устаревают и теряют актуальность; появляются новые задачи, решение которых требует разработки новых методов, программных средств и технологий.
Содержание программ подготовки разработчиков ПО отражает характер ПО
как продукта и разработки ПО как рода деятельности. Практически все дисциплины, включаемые в программы подготовки разработчиков ПО, имеют явно выраженный прикладной характер, для них характерно наличие сильных трансдисциплинарных связей, обусловленных общим объектом изучения.
Организация управления подготовки разработчиков ПО основана на применении традиционного траекторного подхода. Деятельность обучаемых в рамках этой
системы регламентируется обучающим, задающим т. н. траектории обучения в виде последовательности освоения дисциплин и отдельных фрагментов знаний. При
этом системные связи, определяющие специфику программ подготовки разработчиков ПО как взаимосвязанных фрагментов пространства знаний, выстраиваются
заранее обучающим и отражают его видение этого пространства. Траекторный
подход к управлению системой подготовки не ориентирует обучаемого на освоение целостной системы знаний, составляющей содержание программ подготовки,
в то время как именно целостный взгляд на предметную область позволяет разработчику в процессе разработки ПО видеть программный продукт в его завершенности, т.е. видеть цель и выстраивать способ ее достижения.
В настоящее время активно развивается компетентностно-ориентированная
парадигма организации системы подготовки специалистов, предполагающая комплексное освоение знаний как целостной системы профессиональных компетенций, позволяющая системно повышать качество подготовки специалистов. Переход на качественно новую систему подготовки специалистов требует разработки
новых методов организации управления этой системой.
Степень проработанности темы исследования. Исследованиям в области
управления образовательным процессом посвящены работы А.П. Свиридова, Д.А.
3
Новикова, В. Костиневича, А.В. Соловова, Ю.А. Ивашкина, Н.Ф. Добрыниной,
И.А. Гири, А.М. Зеневича, R.Bush, F. Mosteller, F.Atkinson, Л. Ю. Уразаевой, И.А.
Галимова, Л.А. Найниша, Е.М. Тишиной, Л.Р.Фионовой, И.Д. Столбовой, А.Л. Истомина, И. Б. Герасимовой, Y.-H. Kuo, A.J.Armstrong, F.Lin, A. Polydoropoulou,
M.A. Lambrou и др. Большое количество работ посвящено разработке моделей
процесса обучения, реализующего традиционный (знаниевый) подход, в то время
как модели организации комптентностно-ориентированного процесса обучения пока не достаточно проработаны для их практической реализации. В области организации подготовки разработчиков ПО известны работы O. Shata, R. W. Brown, A.
Bradley, M. Alfonso, F. Mora, D. Evans, D. Delaney, G. Mitchell, M. Rosso-Lopart, L.
Carter, G. Pollice, I. Richardson, L. Reid, S. Seidman, B. Pattinson, R. Gamble, K.
Wilson, S. Mingins и др. В этих работах предлагаются проектно-ориентированные
методы управления системой подготовки специалистов, которые уже содержат такие элементы компетентностного подхода, как активное обучение и индивидуализация.
Ключевым трендом дальнейшего развития компетентностно-ориентированной
системы подготовки специалистов является развитие интерактивных методов и
средств обучения. Одним из наиболее эффективных средств интерактивного обучения является применение компьютерных игр. Исследованиям в области применения игр для обучения разработке ПО посвящены работы P. Blanchfield, P. Mozelius, C. Malliarakis, S. Chickerur, M. Kölling, E. O. S. Cooper, W. Dann, R.Pausch,
J.Bergin, D. Sanders, B.Dorn, T. Hainey, T. Connolly, L. Boyle и др. Однако методологические решения по организации управления системой подготовки разработчиков ПО с применением компьютерных игр находятся в стадии становления и требуют дальнейшего развития. В работе исследуется и решается научная проблема
разработки методологии управления системой подготовки специалистов в высших
учебных заведениях, реализующей компетентностную образовательную парадигму в контексте подготовки разработчиков ПО.
Объектом исследования является система подготовки специалистов в области разработки ПО. Предмет исследования – модели, методы и механизмы управления системой подготовки специалистов в области разработки ПО.
Целью работы является повышение эффективности управления системой подготовки разработчиков ПО за счет разработки методологии управления, основанной
на применении обучающих компьютерных игр, позволяющей системно овладевать
профессиональными компетенциями, отвечающими современным требованиям.
Задачи:
1) рассмотреть структуру и свойства системы подготовки специалистов в
высшем учебном заведении, проанализировать существующие модели описания
компонентов системы, выявить специфику системы подготовки разработчиков ПО
и сформулировать требования к организации управления системой, отвечающей
компетентностному подходу;
2) разработать модель процесса обучения, реализующую компетентностный
подход;
3) разработать модель организации обучения в контексте содержания программ подготовки разработчиков ПО и основанную на применении обучающих
компьютерных игр;
4
4) разработать методы и механизмы управления системой подготовки разработчиков ПО, отвечающие модели организации обучения;
5) разработать способ интеграции модели процесса обучения в обучающие
компьютерные игры, позволяющий сохранять баланс обучающей и игровой компонент и достигать обучающих целей в игровом процессе;
6) спроектировать и реализовать программно-методический комплекс средств
поддержки управления системой подготовки разработчиков ПО;
7) апробировать разработанную методологию управления системой подготовки разработчиков ПО и оценить ее эффективность.
Научная новизна. Разработана методология управления системой подготовки
разработчиков ПО, отвечающая компетентностной образовательной парадигме и
основанная на использовании обучающих компьютерных игр. В диссертационной
работе получены следующие новые научные результаты:
1) разработаны метод двухконтурного управления системой подготовки разработчиков ПО, отличающийся использованием в каждом контуре компьютерных игр, и механизмы реализации функции управления системой, позволяющие достигать целей обучения как сформированной совокупности профессиональных компетенций;
2) впервые предложена модель организации обучения разработчиков ПО, основанная на комплексном применении обучающих компьютерных игр как
средств обучения и как объектов разработки ПО, позволяющая осваивать
структурную упорядоченность и целостность пространства знаний, требуемых
для разработки ПО, и мотивировать обучаемых осваивать это пространство;
3) разработан новый метод формализации процесса обучения как волнового
процесса освоения пространства знаний, управляемого обучаемым во взаимодействии с этим пространством как системно организованной структурой,
приводящего к синтезу целостной системы знаний, и развивающего способности обучаемого решать профессиональные задачи;
4) предложена новая модель обучающего курса на основе алгебраической
структуры общего вида, которая позволяет отразить ключевые системные
свойства пространства знаний обучающего курса и построить исчисление
процесса освоения этого пространства;
5) предложен оригинальный механизм интеграции модели процесса обучения в
обучающие игры, основанный на структурном единстве процесса обучения и
игрового процесса и эквивалентности достижения цели обучения и игровой
цели, позволяющий разрабатывать обучающие игры для освоения знаний,
тренировки навыков и тестирования.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Разработанная модель процесса обучения, реализующая компетентностную
образовательную парадигму, развивает теорию управления образовательными системами и может быть использована как теоретический базис для разработки новых методов управления системой подготовки специалистов в разных областях,
отвечающей требованиям образовательных стандартов нового поколения.
Разработанный программно-методический комплекс средств поддержки
управления процессом обучения обеспечивает реализацию компетентностноориентированного подхода к управлению образовательными системами, а именно:
5
 система управления процессом обучения предназначена для разработки обучающих курсов, обладающих системными свойствами целостности и делимости,
и организации процесса обучения, отвечающего компетентностному подходу;
 средства разработки обучающих игр предназначены для создания обучающих
игр и игровых тренажеров для изучения дисциплин естественнонаучного и
профессионального направлений;
 разработанные обучающие игры применимы для обучения студентов высших и
средних учебных заведений в рамках системы подготовки специалистов, связанных с разработкой ПО;
 игровые тренажеры применимы для обучения и тренировки навыков программирования в колледжах и школах.
Методология и методы исследования: методы теории управления организационными системами, теории управления образовательными системами, методы
системного анализа, общей теории моделирования, теории множеств, математический аппарат универсальных алгебр, методы математической статистики.
Положения, выносимые на защиту.
1. Метод двухконтурного управления системой подготовки специалистов и механизмы реализации функции управления системой в аспекте подготовки разработчиков ПО.
2. Модель пространства знаний обучающего курса на основе алгебраической
решетки и способ исчисления процесса освоения этого пространства.
3. Модель волнового процесса освоения пространства знаний, управляемого
обучаемым во взаимодействии с этим пространством, и позволяющая достигать
целей обучения как сформированной совокупности профессиональных компетенций.
4. Модель организации обучения разработчиков ПО, отвечающая модели процесса обучения, и основанная на применении обучающих компьютерных игр.
5. Механизмы интеграции модели процесса обучения в обучающие компьютерные игры и игровые тренажеры.
6. Программно-методический комплекс средств поддержки управления процессом обучения, отвечающего компетентностному подходу.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных методов проведения
научных исследований, корректным использованием математического аппарата, а
также результатами применения разработанной методологии управления системой
подготовки разработчиков ПО и программных систем, разработанных на ее основе.
Разработанная методология управления системой подготовки разработчиков
ПО применяется на кафедре САПР и ПК ФГОУ ВПО «ВолгГТУ». Компоненты методологии используются в институте кибернетики Томского политехнического
университета; на факультете Нано-, био-, инфо- и когнитивных технологий (НБИК)
Московского физико-технического института; в Калачевском техникумеинтернате; в Department of Computer and Systems Sciences, Stockholm University,
Швеция; в Bhoomaraddi College of Engineering and Technology, Хубли, Индия.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных мероприятиях, наиболее значимыми из которых являются: European Conferences on
Games Based Learning (Porto, Portugal,2013; Cork, Ireland, 2012; Copenhagen, Denmark, 2010; Graz, Austria, 2009), IADIS International Conference (Porto, Portugal,
6
2010), Международные научно–технические конференции «Системные проблемы
надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных
технологий в управлении инновационными проектами (Сочи, 2007-2011г.), Международные конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Ялта-Гурзуф, Украина, 2006-2013 г.).
Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты работы изложены в 24 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 3-х монографиях, 14
научных публикаций в иностранных источниках, 30 статьях в сборниках научных
трудов. Получены 3 свидетельства о регистрации программ на ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести
глав, заключения, списка литературы и приложений. Количество страниц – 343,
рисунков – 90, таблиц – 24.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи
работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены понятие, компоненты и связи системы подготовки специалистов в высшем учебном заведении (вузе), описаны контуры управления системой. Проанализированы возможности и недостатки существующих моделей организации процесса обучения в вузе с точки зрения возможности реализации компетентностного подхода, сформулированы цели и задачи работы.
Система подготовки специалистов в высшем учебном заведении рассматривается как совокупность взаимообусловленных целями образовательной деятельности организационных и ресурсных подсистем (рисунок 1).
Внешняя социально-экономическая среда
Стандарты
Абитуриенты
Финансовые ресурсы
Администрация
Персонал
Материальнотехническая база
Контур управления
процессом обучения
Специалисты
Образовательные
ресурсы
Требования
рынка труда
Финансы
Организационно –
методические ресурсы
Профессорскопреподавательский
состав
Студенты
Рисунок 1 –Система подготовки специалистов в высшем учебном заведении
Целью управления системой подготовки специалистов является эффективное
использование инвестируемых обществом в систему социально-экономических
ресурсов для подготовки специалистов, обладающих уровнем профессиональной
компетентности, отвечающим существующим требованиям отрасли и тенденциям
ее развития. Состав компонентов, специфика связей, социально-экономический характер цели управления и активное влияние студентов как управляемой подсистемы на процесс управления обуславливает принадлежность системы подготовки
специалистов к классу социально-экономических систем.
В системе подготовки специалистов реализуются два типа управления: административное управление и управление процессом обучения. Административное
управление обеспечивает организационную, материальную и финансовую поддержку процесса обучения в вузе. Управление процессом обучения устанавливает
способы организации преподавателями (обучающий) взаимодействия студентов
(обучаемый) с образовательными ресурсами (обучающий курс), позволяющие до7
стигать целей обучения, и определяющие эффективность управления системой
подготовки в целом (рисунок 2).
Цель обучения:
формирование компетенций
Образовательные
стандарты
Управляющее воздействие Совокупность
компетенций
Обучающий
Обучаемый
Обучающий курс
Рисунок 2 – Контур управления процессом обучения
Модели процесса обучения описывают процесс взаимодействия обучаемого с
обучающим курсом. Существующие подходы к моделированию процесса обучения
основаны на описании динамики знаний обучаемого в зависимости от факторов,
определяющих процесс обучения. В зависимости от назначения модели процесса
обучения отражают динамические, когнитивные, психологические и др. аспекты
процесса обучения или их комбинации. Для описания процесса обучения используются непрерывные и дискретные модели. Математические модели на основе
дифференциальных уравнений описывают динамику освоения знаний обучаемого в
зависимости от факторов, определяющих процесс обучения. Основная сложность
моделирования процесса обучения дифференциальными уравнениями заключается
в обосновании коэффициентов уравнений, определяющих когнитивные характеристики процесса. Кроме того, проблема моделирования процесса обучения дифференциальными уравнениями заключается в установлении адекватности таких моделей, как континуальных обратимых моделей, реальному процессу обучения как
принципиально дискретному необратимому процессу. Различные варианты дискретных моделей задают шаблоны возможных последовательностей элементов
обучающего курса, т.е. траекторий обучения, заданных разработчиком. Процесс
обучения моделируется как движение по траектории в рамках заданных правил.
Модели процесса обучения используются преимущественно для анализа и планирования процесса обучения, т.к. позволяют устанавливать какие-либо характеристики процесса обучения, и отображать с разной степенью адекватности процесс
обучения. Математические модели инвариантны по отношению к изучаемым областям знаний и не устанавливают способов организации процесса обучения с заданными характеристиками.
Модели организации обучения представляют собой описание деятельности по
организации процесса обучения, включающее описание методов, принципов и
средств обучения. Лекционно-семинарские модели (chalk&talk) ориентированы в
первую очередь на устную передачу информации от обучающего к обучаемому.
Модели электронного обучения (e-Learning) основаны на применении в процессе
обучения различных электронных обучающих средств и используются в рамках
лекционно-семинарской модели. Проектные модели построены на принципе обучения через действие, и предполагают практико-ориентированное проектное образование. Эффективность применения различных моделей организации обучения в
большой степени зависит от специфики изучаемой области знаний.
Методы управления процессом обучения определяют способ достижения цели
обучения и зависят от выбранной модели организации обучения. При использовании лекционно-семинарской модели реализуются траекторные методы управления:
порядок изучения дисциплины регламентируется рабочими программами, в которых устанавливается последовательность действий обучаемого по освоению зна8
ний. Проектные модели позволяют реализовывать индивидуальные траектории
обучения, однако в целом сохраняют специфику траекторного подхода. Траекторные методы управления ориентированы в первую очередь на освоение обучаемыми
знаний в рамках отдельных дисциплин, определенных соответствующими образовательными стандартами.
Ключевым отличием компетентностно-ориентированной системы подготовки специалистов является ее ориентация не столько на получение обучаемыми
знаний, сколько на умение системно осваивать эти знания (умение учиться) и способность применять их для решения профессиональных задач. Организация управления такой системой требует разработки новых моделей и методов, взаимообусловленных в рамках компетентностной парадигмы.
Система подготовки разработчиков ПО характеризуется рядом особенностей, обусловленных спецификой IT-области, которые определяют дополнительные требования к компонентам контура управления процессом обучения (рисунок
3). Модель организации
компетентностно-ориентированной системы подготовки разработчиков ПО должна отвечать также этим требованиям.
Постоянное обновление образовательных ресурсов => необходимость применения IT для обучения
Проектное обучение => высокие требования к практическим знаниям и навыкам обучающих
Профессорскопреподавательский
состав
Изменение требований к знаниям и навыкам,
постоянное обновление образовательных ресурсов =>
необходимость разработки гибких образовательных
ресурсов и их постоянная модификация
Образовательные
ресурсы
Студенты
Высокая скорость развития IT => быстро изменяющиеся требования к подготовке разработчиков ПО
Применение ПО в различных предметных областях => потребность в изучении конкретных
предметных областей для разработки ПО
Уникальность разработки решений в области IT => требования к самостоятельности, творческому
мышлению ответственности за принимаемые решения
Рисунок 3 – Специфика требований к системе подготовки разработчиков ПО
Во второй главе описана концепция процесса обучения, реализующего компетентностный подход, ее формализация в виде математической модели, метод
управления процессом обучения на основе данной модели, механизм оценки результатов процесса обучения.
Под компетенцией понимается способность обучаемого, приобретаемая в процессе его взаимодействия с обучающим курсом, решать профессиональные задачи.
Процесс обучения, реализующий компетентностный подход, рассматривается как
управляемый процесс организации взаимодействия обучаемого с обучающим курсом,
при этом под обучающим курсом понимается область знаний, освоение которой
необходимо для осуществления профессиональной деятельности.
Обучающий курс представляется как совокупность взаимосвязанных фрагментов знаний, обладающая системными свойствами и образующая пространство знаний. Целостность пространства знаний означает принципиальную несводимость
знания в целом к сумме фрагментов знаний. Делимость пространства знаний означает наличие в нем подпространств, обладающих свойствами пространства. Любое
объединение фрагментов знаний приводит к появлению нового пространства знаний. Системность знаний проявляется в том, что освоение знаний приводит к формированию нового знания, т.е. появлению эффекта синергизма знаний. При этом
повторное изучение фрагмента знаний не приводит к появлению нового знания.
9
Таким образом, обучающий курс представляет собой пространство знаний тогда и только тогда, когда структура обучающего курса отражает системные свойства пространства знаний, определяемого эти курсом. Так как пространство знаний как система не является простой суммой фрагментов знаний, то освоение пространства знаний несводимо к простому освоению фрагментов без выявления взаимосвязей между ними, образующих совокупное знание.
Обучаемый обладает способностью выполнять действия по освоению фрагментов пространства знаний в их логической взаимосвязанности, при этом действия обучаемого определяются свойствами этого пространства. Результаты выполнения действий обучаемого, определяемых фрагментами пространства знаний,
определяют состояние обучаемого в этом пространстве.
Процесс взаимодействия обучаемого с обучающим курсом представляется как
эволюция состояния обучаемого в результате системного освоения пространства
знаний, развивающая способность обучаемого применять освоенные знания для
решения профессиональных задач.
Управление процессом обучения заключается в организации такой деятельности
обучаемого, при которой обучаемый в результате обучения достигает состояния, отвечающего заданной цели обучения как сформированной совокупности компетенций, требуемых для осуществления профессиональной деятельности (рисунок 4).
Процесс обучения
Результаты выполнения действий
Обучающий
Обучаемый
Определение цели обучения
Управление действиями
Оценка состояния обучаемого
Действие
Состояние
Обучающий
курс
Рисунок 4 – Концептуальная модель процесса обучения
Математическая модель процесса обучения включает взаимосвязанные и взаимообусловленные модель обучающего курса, модель обучаемого и модель взаимодействия обучаемого и обучающего курса.
Модель обучающего курса. Структура обучающего курса представляется конечным множеством с заданным на нем бинарным отношением:
(1)
,
{
} – множество элементов курса, - бигде
– обучающий курс,
нарные отношения между элементами, отражающие их логическую связность.
Логическая связность как бинарное отношение обладает следующими свойствами: элементы и связаны отношением
, если освоение является необходимым для освоения , т.е. является основанием для ; никакой элемент не
может быть опосредованно основанием самого себя, т.е. набор отношений
и
и
недопустим; каждый элемент курса является основанием для всех
элементов, с ним связанных, и для всего курса в целом, т.е. если
и
, то
. Свойства логической связности позволяют определить (1) как упорядоченное множество, и отношение как отношение порядка на нем.
Структура (1) является базой для построения модели пространства знаний
обучающего курса. В качестве модели обучающего курса выбрана алгебраическая
решетка (lattice), как наиболее общий способ представления отношений на множествах. Множество с введённым отношением порядка вкладывается в наименьшую решетку
. На решетке
как универсальной алгебре определены две
идемпотентные бинарные операции: , . Идемпотентность операций решетки
10
отражает «идемпотентность» процесса освоения знаний: повторное изучение элемента пространства знаний не приводит к появлению нового знанию.
В контексте обучающего курса элемент
является основанием для любых
элементов, для которых элементы и являются основанием. Элемент
является основанием к освоению элементов и Отношение
что эквивалентно
и
определяет связность модели. В решетке
как частично
упорядоченном множестве для каждой пары элементов
существует точная
(
)
(
)
верхняя
и точная нижняя
грани, которые опре( )
деляют полноту модели пространства знаний. Наименьший элемент
( )
решетки
определяет начало освоения курса, наибольший элемент I
представляет собой обучающий курс в целом. Свойства связности и полноты модели определяют целостность пространства знаний обучающего курса.
Для пары
элементов решетки, связанных отношением
, множество
элементов
определяет интервал , представляющий
собой
подструктуру решетки . В силу конечности решетки
для каждого интервала
существует подмножество его элементов
таких, что каждый интервал
содержит только два элемента
и
. Такой
набор элементов представляет собой линейную подструктуру интервала , определяемую в решетке как максимальная цепь
. Существование в решетке
подструктур вида определяет структурное подобие решетки и отражает свойство
делимости пространства знаний обучающего курса.
(
)
Подмножество
такое, что, если
если
, определяет идеал структуры
. Подмножество
(
)
такое, что если
и если
, определяет фильтр структуры
. Каждый элемент a
опреде} и главный фильтр ( )
ляет собой главный идеал ( ) {
{
} Главный идеал
состоит из всех элементов, которые нужно
изучить, чтобы приступить к изучению . Главный фильтр
определяет все элементы, которые могут быть изучены после изучения .
Структура (1) допускает существование в решетке, соответствующей этой
структуре, интервалов , содержащих максимальные цепи разной длины: | |
|
|, т.е. в общем случае решетка является немодулярной. Свойство немодулярности решетки отражает некомпозиционность пространства знаний, т.е. невозможность объединения подпространств без потери структурной эквивалентности пространства. Возможность существования интервалов, содержащих более двух максимальных цепей: ( )
, где - число линейных порядков интервала , означает, что, в общем случае, решетка является недистрибутивной. Недистрибутивность решетки показывает несводимость пространства знаний к простому объединению фрагментов, т.е. отражает свойство синергизма пространства знаний.
Таким образом, алгебраическая решетка адекватно отражает системные свойства пространства знаний, что позволяет представить модель обучающего курса в виде:
(2)
,
где – множество элементов решетки,
– операции над элементами.
Расширяемость модели обучающего курса. Свойства связности и полноты модели позволяют разрабатывать расширяемые обучающие курсы. Расширяемость
обучающего курса реализуется как поэтапная декомпозиция пространства знаний
11
курса. Показано, что существует способ декомпозиции пространства знаний, представимого решеткой, позволяющий сохранять свойства структуры декомпозируемого пространства, при этом конечная решетка
является расширением конечной решетки
, а
факторизацией
, если существует эпиморфизм
Процедура декомпозиции состоит в замещении элементов пространства
подпространствами, определяющими эти элементы, и, в результате,
расширении пространства
до
таким образом, что при этом не нарушаются
связи между элементами исходного пространства
.
Фрагментируемость модели обучающего курса. Свойство делимости, присущее модели, позволяет выделять в структуре обучающего курса отдельные фрагменты, обладающие свойствами пространств знаний. В структуре курса определяется множество элементов подструктуры
, определяющих этот фрагмент,
и находится наименьшая решетка
, содержащая элементы , такие, что
(
)
(
)
.
Свойства расширяемости и фрагментируемости модели, представимой решеткой, позволяют разрабатывать гибкие и модифицируемые обучающие курсы.
Модель обучаемого. Обучаемый выполняет действия по освоению элементов
пространства , определенного в (2). Каждому действию по освоению элемента
сопоставляется оценка освоенности элемента , данная обучающим и определяющая его состояние ( ). Таким образом, состояние обучаемого в пространстве
знаний является отображением:
, где - множество состояний,
множество элементов решетки,
{
} – линейноупорядоченное множество оценок выполнения действий. Каждое действие, выполняемое обучаемым, изменяет его состояние:
(
)
(
).
Тем самым представляется как оператор, действующий на пространстве состояний
, и обладающий свойством таким, что никакое действие не ухудшает меры освоенности соответствующего элемента ( )( )
( ).
Модель обучаемого представляет собой кортеж вида:
(3)
,
где
множество состояний обучаемого;
множество действий обучаемого.
При этом пространство действий обучаемого структурно эквивалентно пространству знаний , определённому в (2):
(4)
,
( ), где – биективное отображение множества
т.е.
на множество
( )
При этом:
( ), т.е. действие (b) не может быть
выполнено, пока не будет выполнено действие ( ). Организация такой деятельности обучаемого обеспечивает освоение пространства знаний в его целостности и
логической взаимообусловленности элементов пространства.
Модель взаимодействия обучаемого с обучающим курсом. Процесс взаимодействия представляется как зависимость состояния обучаемого в пространстве
знаний
обучающего курса от действий , совершаемых обучаемым над элементами пространства, и изменяющих состояние освоенности этого пространства. Модель процесса взаимодействия представляется уравнением эволюции состояния
обучаемого в дискретном времени:
12
( ),
(5)
где
– состояние, в которое переходит обучаемый после выполнения действия
, определяемого предшествующим состоянием ;
,
, где и
определяются моделью обучаемого (3).
Под временем при этом понимается упорядоченность действий обучаемого.
Таким образом, модель (5) описывает процесс освоения пространства знаний в
дискретной среде, исчисляемый в идемпотентной алгебре. Состояние обучаемого
определяется как функция его действия, расширяющего освоенное пространство, и
отражающего способность обучаемого к системному овладению этим пространством.
Управление процессом обучения заключается в организации такой деятельности обучаемого, при которой достигается состояние освоенности пространства
знаний, определяемого совокупностью профессиональных и общекультурных компетенций, отвечающих заданной цели обучения:
(6)
→
→
( )
( )
( )
(
)
где
– состояние освоенности пространства знаний
после выполнения i-го
действия; ( ) – подпространство освоенных знаний, соответствующее состоянию ;
– состояние, удовлетворяющее цели обучения.
Действие
выбирается из набора
( ) , определяющего функцию
управления ( ). Для оценки завершенности обучения на множестве состояний
(
) выделяется подмножество
(
)
(
) . Если
(
), то цель обучения достигнута.
Процедура формирования функции управления. Для каждого элемента пространства знаний
задается пороговое состояние ( ), определяющее требуемый уровень освоенности , и ( )– пороговое значение уровня знаний, определяющее возможность освоения . Если ( )
( ) , то элемент считается
( )
освоенным. Для каждого элемента, для которого
( ), определяется
возможность его освоения.
Возможность освоения элемента зависит от уровня освоенности всех элементов, предшествующих ему, и определяемых главным идеалом ( ). Логика
освоения предшествующих элементов определяется максимальными цепями идеа( ). Амплитуда максимальной цепи определяется как набор значений сола
стояний на всех элементах цепи: ( ) { ( ) ( )
( )} . Состояние
освоенности всех элементов идеала ( )определяется как суперпозиция величин
амплитуд максимальных цепей.
Алгоритм формирования функции управления включает следующие шаги:
1) находятся все максимальные цепи идеала ( ):
{{
};
(7)
}
2) для каждой максимальной цепи (7) определяется величина амплитуды ( ):
(8)
│ ( )│= ( ( )),
где – способ суммирования ; ( ) - оценка выполнения действия, сопоставленного элементу , определяющая состояние обучаемого ( );
3) определяется суперпозиция амплитуд ( ):
(9)
(
)
( )
)
( ), то элемент считается доступным для освоения;
4) если (
13
5) действие
управления:
( ) принадлежит набору действий, определяющих функцию
( ) (
)
( )}.
(10)
( )
{
Таким образом, каждое состояние обучаемого делит пространство
на три непересекающиеся области:
(11)
,
где
( )
( ) – область освоенности;
(
)
( ) – неосвоенная область;
(
)
( ) и
( )
( ) – область, доступная для освоения (рисунок 5).
Функция управления задает набор возможных действий
обучаемого, сопоставленных элементам области
таких, что их выполнение продвигает эту
область в область неосвоенных элементов. Процесс освоения пространства знаний
завершается, когда область
сворачивается до единичного элемента
( ), интегрирующего в себе все пространство знаний
, и при этом состояние обучаемого удовлетворяет условию освоенности
, определяющему достижение цели обучения.
c
φ(a)<φ*(a)
J (a, φ) > J* (a)
a
...
KSl
...
φ(c)<φ*(c)
J (c, φ) < J* (c)
KSf
φ(b)>φ*(b)
b
A(ci)
KSd
a – элемент фронта
A(ci) – амплитуда цепи Ci элемента a
KSd – освоенная область
KSf – область, доступная для освоения
KSl – неосвоенная область
Рисунок 5 – Области пространства знаний
Управляющие параметры модели процесса обучения. Параметр
определяет
требования к минимальному уровню освоенности каждого элемента пространства
знаний, т.е. позволяет задавать дифференциальную пороговую оценку освоенности
каждого элемента пространства. Параметр задает минимальный уровень накопленных знаний, определяющий возможность освоения элемента пространства, т.е.
( ) задает интегральную пороговую оценку уровня освоенности подпространства
знаний, определяемого элементом . Значение параметра ( ) определяется параметром
и структурой пространства и выбирается из интервала:
(12)
( )
( )
(
( ))
( )
(
( )),
где ( ) – выбранный способ суммирования ;
– нижняя и верхняя оценки возможного состояния обучаемого ( ) на шкале
; i =[1, | |],
| | – длина i-той цепи; j =[1, ( )], ( ) – число линейных порядков
Множество состояний
, удовлетворяющих цели обучения, определяется
заданными значениями параметров
и , и само является параметром модели.
Механизм оценки освоенности обучающего курса. Для оценки результатов
процесса обучения в обучающем курсе
выделяются подобласти, соответствующие отдельным разделам знаний, и задаются навыки, определяющие способность
14
обучаемого применять полученные знания. Каждому разделу знаний сопоставляется подмножество элементов
влияющих на степень изученности этим
разделом знаний. Каждому навыку сопоставляется подмножество элементов
влияющих на развитие этого навыка. Для обеспечения полноты и связности разделов подмножества
достраиваются до подпространств:
.
Введено понятие меры освоенности раздела
:
(
)
(13)
(
)
(
)
(
)
,
(
)
(
(
где (
(
(
(
)
на интервале
(
(
)
))
)
) ,
)
(
)
)
– текущее состояние освоенности подпространства
(
(
(
(
(
(
)
)
),
)
))
– состояние освоенности
( )
, определяемого интервалом
.
Оценка освоенности пространства знаний включает множества оценок изученности разделов знаний
и оценок приобретенных навыков
:
(14)
{
}
,
где
(
) – уровень изученности i - го раздела;
(15)
{
}
,
где
(
) – уровень владения i-тым навыком.
Оценка освоенности обучающего курса
в целом определяет уровень
овладения компетенциями, сформированными в результате освоения пространства
знаний, отвечающего этому курсу:
(
(
))
(
(
))
(16)
,
,
(
(
))
(
где
(
))
– пространство знаний обучающего курса.
Интерпретация модели процесса обучения как управляемого волнового процесса освоения знаний. Модель процесса обучения представляет собой распространение в пространстве знаний
области освоения
в результате выполнения обучаемым действий, определяемых элементами
. При этом изменение положения
области
протекает во времени, а сама область распространяется в пространстве.
Это позволяет интерпретировать модель процесса обучения как управляемый волновой процесс распространения возмущений в нелинейной дискретной среде.
Пространство знаний
рассматривается как дискретная среда, в которой
распространяется волна, несущая энергию. Состояние обучаемого на пространстве знаний
интерпретируется как энергия волны, поступившая от обучаемого в
результате выполнения им действий по освоению пространства, при этом ( ) –
это энергия элемента среды, поступившая от обучаемого в результате освоения
этого элемента. Амплитуда ( ) представляет собой поток энергии, доставляемый
элементу одной максимальной цепью, и определяющий знания, накопленные
всеми элементами цепи. Соответственно, суперпозиция амплитуд (
) – это поток энергии, доставляемый элементу всеми цепями, и определяющий освоенность всех элементов, требуемых для освоения . Когда поток энергии (
)до15
стигает порогового значения ( ), элемент становится открытым для продвижения волны. Совокупность всех таких элементов определяет фронт волны
.
Таким образом, процесс взаимодействия обучаемого с обучающим курсом
представляется как распространение в пространстве знаний волны, несущей
накопленные обучаемым знания, необходимые для дальнейшего освоения этого
пространства; при этом последовательность действий обучаемого интерпретируется как время. Управление процессом состоит в управлении фронтом волны таким,
что продвижение фронта покрывает все пространство знаний, что, в свою очередь,
означает достижение цели обучения.
Организация процесса обучения на основе предложенной волновой модели
позволяет управлять действиями обучаемого по освоению обучающего курса как
целостной системы логически взаимообусловленных фрагментов знаний. При этом
обучаемый принимает активное участие в управлении процессом обучения: он
свободен в выборе действий, определяемых его текущим состоянием, выстраивает
свою персональную стратегию обучения, и, таким образом, приобретает опыт применения своих способностей для освоения пространства знаний, что является ключевой идеей компетентностной образовательной парадигмы.
Модель процесса обучения является инвариантной по отношению к области
знаний, однако модель организации обучения и методы управления процессом
обучения зависят от специфики изучаемой области.
В третьей главе описана методология управления системой подготовки разработчиков ПО, включающая логически взаимообусловленную совокупность моделей, метода и механизмов управления системой.
Структура обучающего курса «Разработка ПО». В результате анализа содержания образовательных стандартов по направлениям подготовки специалистов,
связанных с разработкой ПО, выделены два уровня обучения: базовый и профессиональный. Базовый уровень предусматривает изучение дисциплин, определенных
в образовательных стандартах как дисциплины профессионального цикла (ПЦ). В
рамках дисциплин ПЦ изучаются знания, необходимые для разработки отдельных
компонент ПО. На профессиональном уровне изучаются знания, необходимые для
разработки ПО в целом. При этом совокупность дисциплин ПЦ и связей между
ними определяют содержательную основу для обучения процессу разработки ПО.
В процессе разработки ПО знания и навыки, полученные на базовом уровне, интегрируются в пространство знаний профессионального уровня обучения.
Разработана структура обучающего курса «Разработка ПО», в которой каждому уровню обучения знаний сопоставляется подструктура, включающая фрагменты знаний и связи между ними, и образующая самостоятельное целостное пространство (рисунок 6). Характер логических связей между элементами подструктур
определяется спецификой уровня обучения, представленного соответствующей подструктурой.
Структура курса «Разработка ПО» может быть представлена парой:
(17)
,
где
– подструктура обучающего курса базового уровня,
– подструктура
профессионального уровня.
, где
– множество дисциплин ПЦ,
– трансдисциплинарные связи между дисциплинами ПЦ;
, где
– множество разделов знаний, требуемых для разработки ПО;
– логические связи между разделами, обусловленные взаимосвязями этапов жизненного
цикла ПО, соответствующих разделам. Множество
описывает связи
16
дисциплин ПЦ с разделами знаний, требуемых для разработки ПО. Структура дисциплины ПЦ представляется как:
>, где
– дисциплина ПЦ;
– множество элементов дисциплины;
– отношения между элементами, определяющие логику изучения дисциплины. Решетка
определяемая структурой (14),
представляет собой пространство знаний обучающего курса «Разработка ПО».
…
Методологии
проектирования
ПО
Сбор и анализ
требований к
системе
Технологии и
средства
разработки ПО
Сопровождение
ПО
Управление
проектом
Защита прав
LCp
Профессиональный уровень
обучения
LCb
Базовый уровень
обучения
Компьютерная
графика
Моделирование
Языки
программирования
Методы контроля
качества ПО
Искусственный
интеллект
Базы данных
LCbi
Дисциплина ПЦ
Методы
трансляции
Технологии
программирования
LCbi2
…
Сетевые
технологии
Операционные
системы
LCbi1
LCbi3
...
...
...
LCbij
...
...
Рисунок 6 – Структура обучающего курса «Разработка ПО»
Модель организации обучения определяет способ организации деятельности по
освоению обучающего курса «Разработка ПО».
Базовый уровень обучения. Для освоения пространств знаний
, отвечающих дисциплинам ПЦ, в качестве средств обучения используются обучающие компьютерные игры. Ключевыми свойствами игры являются целостность и связность
игрового пространства: отдельные фрагменты игры приобретают свое значение в
контексте игры как целого, и цель игры придает игровому пространству единство,
что позволяет говорить о структурной эквивалентности игрового процесса и процесса обучения. Применение обучающих игр, в которые интегрировано пространство
знаний
дисциплины ПЦ, процесс обучения обусловлен игровым сценарием, и
цель обучения достигается как игровая цель, позволяет выявлять логику связей
,
осваивать пространство знаний
как целостную систему в контексте игрового
пространства, и мотивировать обучаемых осваивать это пространство.
Профессиональный уровень обучения. Для освоения пространства знаний
определяемого подструктурой профессионального уровня
, установления связей , ,
между элементами пространства знаний
применяется проектная модель обучения с компьютерными играми в качестве объектов проектирования ПО. Выбор компьютерных игр в качестве объектов разработки
ПО позволяет сформулировать цель обучения на языке решаемой задачи. Цель
обучения как тренировка навыков разработки ПО воспринимается обучаемым как
средство для создания компьютерной игры. Инверсия цели и средства помогает
мотивировать обучаемого, заставляет его активно добывать новые знания, необходимые для разработки игры, и, таким образом, достраивать пространство подструктуры
профессионального уровня и осваивать связи
пространства.
17
Разработка компьютерных игр требует применения практически всех знаний и
навыков дисциплин ПЦ, составляющих область профессиональных компетенций
разработчиков ПО. В процессе разработки игры знания, полученные на базовом
уровне обучения, интегрируются в пространство профессиональных знаний, что
позволяет устанавливать связи
между подпространствами знаний. Сильная
связность компонентов игры определяет структурную упорядоченность и целостность процесса разработки. Соответственно, процесс разработки игры связан с
изучением зависимостей и взаимовлияния дисциплин ПЦ, знания которых необходимы для разработки ПО, т.е. с освоением трансдисциплинарных связей
между
дисциплинами ПЦ, изученными на базовом уровне обучения.
Для организации таких этапов жизненного цикла ПО (ЖЦ ПО) как анализ требований, тестирование и внедрение в качестве объектов разработки ПО предложено
применять компьютерные игры, предназначенные для обучения дисциплинам ПЦ.
Выбор таких игр в качестве объектов разработки ПО позволяет в качестве заказчиков
привлекать преподавателей соответствующих дисциплин ПЦ, тестирование проводить на целевых группах студентов, изучающих эти дисциплины, и, в итоге, применять разработанные обучающие игры как средства обучения на базовом уровне.
Таким образом, модель организации обучения разработчиков ПО представляет
собой комбинацию проектной модели и модели электронного обучения, такую, что
обучающие компьютерные игры, разработанные в рамках проектной модели, используются как средства обучения дисциплинам ПЦ на базовом уровне (рисунок 7).
Преподаватели
Изучение процесса разработки ПО
Обучение дисциплинам ПЦ
Объект разработки – Игра для обучения дисциплинам ПЦ
Пространства знаний KSbi
Пространство знаний KSp
Rp
Rl
– Средство обучения
Rbi
Rb
Развитие профессиональных знаний и навыков
Студенты
Базовый уровень
Студенты
Профессиональный уровень
Рисунок 7 – Модель организации обучения разработке ПО
Разработан метод двухконтурного управления системой подготовки разработчиков ПО, отвечающий модели организации обучения. В первом контуре осуществляется управление обучением дисциплинам ПЦ, во втором – управление обучением разработке ПО. Пока не будет достигнуто состояние
, где
–
задающее воздействие (набор состояний, удовлетворяющих цели обучения), обучаемый выполняет действие по освоению обучающего курса из набора , определяемого функцией управления
(
), где – управляемая величина (состояние обучаемого) (рисунок 8). Алгоритм управления включает следующие шаги:
1. Задание цели обучения
.
2. Управление действиями обучаемого по освоению обучающего курса.
Пока не будет достигнуто одно из состояний
:
2.1 Формирование набора действий .
2.2 Выбор обучаемым действия из набора .
18
2.3 Выполнение обучаемым выбранного действия .
2.4.Определение обучающим состояния обучаемого .
3. Оценка освоенности обучаемым обучающего курса (по формулам 16).
F
Обучающий
Фobj
d
1. Базовый уровень обучения
LC
2. Профессиональный уровень обучения
ϕ
Обучаемый
F
Обучающая
игра...
Рисунок 8 – Управление системой подготовки разработчиков ПО
Разработаны механизмы реализации функции в каждом контуре управления.
Механизм управления на профессиональном уровне обучения реализует проектное управление c компьютерными играми в качестве объектов разработки. Обучающий реализует процедуры выбора компьютерной игры (объект разработки); формирования команды разработчиков; построения модели пространства знаний , требуемого для разработки игры; выделения подпространств
для каждого k-го члена команды в соответствии с его ролью в команде; задания управляющих параметров модели процесса обучения , ,
, выбора в каждом пространстве
контрольных срезов для промежуточного и финального тестирования. В процессе разработки игры каждый k-тый член команды) размещает себя в своем пространстве
знаний
и выполняет действия по освоению
этого пространства (рисунок 9).
...
φ*(d) J*(d)
φ*(с) J*(c)
c
d
φ*(f) J*(f)
f
{c,d,f} - контрольный срез
KSpj
φ*(a) J*(a)
φ*(b) J*(b)
{a,b} - контрольный срез
a
b
KSpi
φ*,J* - управляющие
параметры процесса обучения
Ø
Рисунок 9 – Модель пространства знаний
(фрагмент)
Обучающий оценивает результаты действий каждого обучаемого, и определяет его состояние в соответствующем подпространстве знаний
. При достижении обучаемым контрольного среза обучающий для каждого элемента среза
(
) получает значение ( ) , определяющее состояние освоенности
обучаемым подпространства
, и формирует функцию управления ( ). Если
( )
( )
( ) , то ( ) определяет набор действий
по
освоению подпространств
, для которых
(
). Иначе обучающий
анализирует состояние обучаемого в подпространстве
, выявляет элементы с
минимальным уровнем освоенности, и формирует набор действий по дополни19
тельному освоению этих элементов для достижения обучаемым заданного уровня
освоенности ( ) подпространства
.
Механизм управления на базовом уровне обучения реализует процессное
управление обучением с применением обучающих компьютерных игр как средств
поддержки обучения. Обучающий разрабатывает структуру обучающего курса LC
и задает параметры модели процесса обучения
. Функция управления
процессом обучения
генерируется в обучающей игре как набор игровых действий , доступных обучаемому в текущий момент в зависимости от его состояния.
Методология управления системой подготовки разработчиков ПО. Процесс
обучения моделируется как процесс освоения пространства знаний, отвечающего
обучающему курсу «Разработка ПО». Модель организации обучения устанавливает
способ освоения пространства знаний обучающего курса в его целостности и логической обусловленности. Метод управления задает функцию управления обучением, обеспечивающую достижение целей обучения. Механизмы управления реализуют функции управления на базовом и профессиональном уровнях обучения в
рамках предложенной организационной модели. Логическая взаимообусловленность разработанных моделей, метода и механизмов позволяет рассматривать их в
целом как методологию управления системой подготовки разработчиков ПО (рисунок 10), отвечающей компетентностной образовательной парадигме.
Модель процесса обучения
Модель обучающего
курса
Модель взаимодействия обучаемого
с обучающим курсом
Модель
обучаемого
Модель организации
обучения
Механизм управления на
профессиональном уровне
Метод управления
процессом обучения
Механизм управления на
базовом уровне
Рисунок 10 – Методология управления системой подготовки разработчиков ПО
В четвертой главе описаны способ интеграции процесса обучения с игровым
процессом и интерпретации модели процесса обучения в играх для обучения, тренировки навыков и тестирования.
Разработан способ интеграции процесса обучения с игровым процессом, основанный на сопоставлении каждому компоненту процесса обучения его эквивалентной интерпретации в игровом контексте: игровой сценарий разрабатывается как
интерпретация обучающего курса; действия обучаемого рассматриваются в контексте игрового процесса; процесс обучения реализуется как взаимодействие игрока с игровым сценарием.
Интерпретация модели процесса обучения в игре для освоения знаний. Обучающий курс как Виртуальный мир. Ключевые понятия обучающего курса интерпретируются как система правил жизни в искусственно созданном виртуальном игровом мире. Каждый элемент структуры обучающего курса (1) интерпретируется как
элемент игрового сценария:
, где – элемент структуры обучающего курса ,
– элемент игрового сценария
. Множество
дополняется
элементами сценария, не являющимися интерпретациями обучающего курса, таким
образом, что при этом не нарушаются логические связи между элементами структуры обучающего курс:
, где - мономорфизм структур. Множество
вкладывается в решетку:
, определяющую пространство знаний обу20
чающего курса (3).Таким образом, модель игрового сценария как интерпретация
модели обучающего курса (2) имеет вид:
(18)
,
где
- множество элементов игрового сценария,
- операции над элементами.
Виртуальный мир, как модель обучающего курса, не имеющую оригинала в
действительности, предложено назвать симулякрационной моделью (Simulacrum
model). Способ моделирования, при котором создается новый «виртуальный» объект (симулякр, Simulacres), для которого исходный объект является моделью, предложено назвать симулякрационным моделированием. Для обеспечения возможности внешнего представления (визуализации) симулякрационная модель может
наделяться дополнительными свойствами, не присущими объекту моделирования.
В этом отличие симулякрационного моделировании от моделирования реально существующих предметов и явлений, при котором модель является упрощенным
сущностным описанием объекта.
Обучаемый как Аватар. Игрока в игре представляет его аватар - игровой
персонаж, с которым ассоциирует себя игрок. Состояние обучаемого интерпретируется как игровой опыт аватара:
, действия обучаемого по освоению пространства знаний – как игровые действия:
В процессе
игры игрок выполняет действия и накапливает игровой опыт, который отражает
достижения
игрока
в
освоении
обучающего
курса:
, где
– множество элементов игрового сценария;
- множество оценок достижений игрока. Модель игрока, как интерпретация модели обучаемого (3), имеет вид:
(19)
,
где
– игровой персонаж, с которым ассоциирует себя игрок;
–
множество игровых состояний игрока;
– множество игровых действий игрока.
Процесс обучения как Жизнь Аватара в Виртуальном мире. Процесс обучения
представляет собой жизнь аватара в виртуальном мире: освоение правил существования и выживания в мире, саморазвитие, создание и развитие других персонажей. Модель жизни аватара в виртуальном мире как интерпретация модели взаимодействия обучаемого с обучающим курсом (4) имеет вид:
(
).
(20)
Интерпретация модели процесса в игре для тренировки навыков и тестирования. Обучающий курс как Множество Квестов. Структура обучающего курса (2)
представляется множеством заданий (квестов), отношения между заданиями определяют их связность с точки зрения логики развития навыков. Каждое задание
интерпретируется как игровое задание:
Для каждого задания задается его описание и данные для проверки решения в зависимости от
формального языка описания решения. Структура
вкладывается в решетку
, определенную в (3).
Модель игрового сценария как интерпретация модели обучающего курса (2)
имеет вид:
(21)
,
где
– множество игровых заданий,
– операции над элементами.
21
Обучаемый как Игрок. Состояние обучаемого интерпретируется как текущий уровень его игровых навыков:
. Модель обучаемого (4) представляется профилем игрока:
(22)
,
где
– профиль игрока;
– множество навыков игрока;
– множество игровых действий игрока.
Текущий уровень игровых навыков отражают достижения игрока в тренировке навыков обучающего курса:
, где – множество оценок результатов выполнения заданий.
Процесс обучения как Аркада. Процесс тренировки/тестирования представляется как последовательность однотипных действий – составления решений заданий
в виде текстов. Каждое задание декомпозируется на множество однотипных действий по составлению текста решения задания. Решение каждого задания представляет собой повторяющиеся действия в однотипных игровых ситуациях. Многократное решение однотипных заданий интерпретируется как аркада, т.е. игровой
процесс нарастающей сложности. Интерпретация модели процесса взаимодействия
обучаемого с обучающим курсом (5) в игровом контексте представляется как развитие навыков игрока в результате выполнения игровых действий:
(
).
(23)
В пятой главе приведено описание программно-методического комплекса,
включающего систему поддержки управления процессом обучения; средств разработки обучающих игр; комплекса игр для обучения, тренировки навыков и тестирования по дисциплинам, входящим в программу подготовки разработчиков ПО (рисунок 11).
Комплекс средств
разработки обучающих игр
Система управления
процессом обучения
Комплекс средств обучения
Игры для обучения
Среда разработки
игр для обучения
Методика управления
процессом разработки ПО
Методика применения
обучающих игр для
обучения дисциплин ПЦ
Игры для тренировки
навыков и
тестирования
Среда разработки игр для
тренировки навыков
Рисунок 11 – Структура программно-методического комплекса
Система управления процессом обучения предназначена для организации
процесса обучения с использованием предложенной методологии (рисунок 12).
БД
«Обучающие»
3
БД
«Обучаемые»
СУБД
2
1
БД
«Обучающие
курсы»
1,2,3
Подсистема
визуализации
1, 2
3
Подсистема
управления данными
1
Подсистема планирования
процесса обучения
1
Подсистема разработки
обучающего курса
1 – данные о структуре и содержании обучающего курса
2 – профили обучаемых
3 – профили обучающих
4 – управляющие параметры процесса обучения
Подсистема построения
пространства знаний
обучающего курса
2
4
2
Подсистема управления
процессом обучения
1
Рисунок 12 – Архитектура системы управления процессом обучения
В системе реализованы функции ввода и редактирования структуры курса; построения и визуализации пространства знаний, отвечающего заданной структуре
курса; расширения и фрагментации пространства знаний; задания контрольных
22
срезов; генерации множества элементов фронта; определения уровня освоенности
обучаемым пространства знаний.
Среда разработки игр для обучения включает программное ядро и комплекс
специализированных инструментальных средств (рисунок 13).
Игровой
контент
Инструментальные
средства
Подсистема
редактирования
игровых ресурсов
1
Мультимедиа
ресурсы
1
1
1
Подсистема
загрузки
ресурсов
Подсистема
симуляции
игрового мира
5
Подсистема
визуализации
9
Подсистема
редактирования
игрового мира
6
2
2
Подсистема
редактирования
обучающего курса
4
Подсистема
редактирования
элементов курса
Программное ядро
обучающей игры
Описание
мира
4
3
4
3
2
Подсистема
игровой логики
6
Состояние
мира
Обучающий
курс
Состояние
игрока
9
Подсистема
ввода-вывода
8
7
10
Подсистема
интерфейса
пользователя
Подсистема
моделирования
процесса обучения
1 – мультимедиа ресурсы; 2 – описание виртуального мира игры; 3 – описание обучающего курса; 4 – обучающий
контент, элементы курса; 5 – параметры имитационного моделирования объектов виртуального мира игры; 6 – состояние объектов виртуального мира игры; 7 – состояние модели игрока; 8 – набор элементов фронта пространства
знаний; 9 – описание интерфейса пользователя; 10 – вводимые пользователем данные.
Рисунок 13 – Архитектура среды разработки игр для обучения
Программное ядро реализует поддержку процесса обучения в игровом контексте: симуляцию и отображение виртуального игрового мира, моделирование процесса обучения, оценку текущих результатов обучения, управление ресурсами
приложения и взаимодействие с пользователем. К инструментальным средствам
разработки относятся программные инструменты управления контентом обучающей игры. Управление игровым контентом выполняется с использованием готовых
инструментов разработки компьютерных игр. Для управления обучающим контентом разработан специализированный редактор.
Игра для обучения «Камми». Объектами изучения в игре являются объектноориентированная технология программирования (ООП) и язык программирования
С#. Процесс обучения в игре реализован как интерпретация модели процесса обучения (21). Выделены ключевые понятия ООП, разработан виртуальный мир игры
как симулякр объектно-ориентированной парадигмы (19). Аватар (20) - «Профессор Камаев» (с разрешения зав. кафедрой САПР и ПК Волгоградского государственного технического университета проф. Камаева В. А.), сознание которого в результате неудачных
опытов переместилось в маленького робота Камми. Процесс обучения в игре интерпретируется как жизнь и развитие Камми в виртуальном мире.
Разработчиком курса заданы значения параметров модели процесса обучения,
реализованной в игре. В качестве порогового значения освоенности используется
( )
( ) , что
= 1. Для базового уровня задан порог освоения ( )
позволяет продвигаться в пространстве знаний при минимальном уровне освоенности каждого элемента:
. В режиме свободной игры выбран более высокий
( )
порог освоения:
( ) (( )
)
, который требует от игрока
накопления уровня знаний при среднем значении уровня освоенности
.
Для вычисления │ ( )│в качестве функции суммирования ( ) использована аддитивная свертка: │ ( )│= ( ( )) Уровень освоенности знаний, определяющий
23
)
возможность освоения элемента , вычисляется по рекуррентной формуле: (
)
( )) ( ), где – максимальные элементы идеала
((
{ }. Для
управления действиями игрока используется алгоритм, представленный в (7)-(10),
при этом каждый игрок формирует индивидуальную игровую стратегию в соответствии с его текущим уровнем знаний и индивидуальными особенностями, и гарантированно достигает обучающей цели в результате достижения игровой цели. Фрагмент обучающего курса, реализованного в игре «Камми», и пример одной из возможных стратегий освоения пространства знаний, отвечающего фрагменту курса,
показаны на рисунках 14 и 15.
g
e
f
m
c
d
k
a
b
Рисунок 14 – Фрагмент обучающего курса
...
c
d
d
c
k
1)
a+b
KSf
c
d
3)
k
a+b
KSf
g
b
a
b
a
k
a+b
2)
g
...
...
g
Ø
KSf
a
b
Ø
Sd
Ø...
...
KSf
KSf
c
d
c
k
4)
5)
a
Ø
b
g
a
Ø
...
KSf
k
c
d
k
6)
a+b
a+b
g
d
...
a+b
b
g
a
b
Ø
Рисунок 15 – Динамика процесса освоения фрагмента обучающего курса
Комплекс игр для тренировки навыков включает игровые тренажеры, в которых процесс тренировки навыков реализован как аркада (24). Структура обучающего курса в соответствии с (22) представляется множеством шаблонов заданий
{
}, где
на разработку программного кода:
– шаблон, задающий общие требования к заданию. Каждому шаблону
сопоставляется множество контентно-эквивалентных
заданий
:
(
) , что позволяет генерировать множество
24
структурно-
эквивалентных реализаций
пространства
и обеспечивать, таким
образом, многообразие игровых вариантов при многократном использовании игры
(рисунок 16). Пороговое значение освоенности
для всех элементов пространства
знаний обучающего курса по умолчанию задано
: ( )
= 1; режиме тренировки навыков и тестирования может выбираться в диапазоне [
,
Разработано методическое сопровождение программно-методического комплекса для организации управления процессом обучения на базовом и профессиональном уровнях.
В шестой главе описано применение разработанной методологии на примере
кафедры САПР и ПК ВолгГТУ и показаны результаты оценки ее эффективности.
...
quest4
quest6
quest1
quest3
...
questm
questi
Quests
...
...
q12
...
qn1
Questsi
qj
q11
...
...
...
qi1
...
qmnm
qi2
...
qm1
...
...
...
qn2
qm2
...
Рисунок 16 – Структура обучающего курса для тренировки навыков
Управление на профессиональном уровне обучения (управление обучением разработке ПО). Ключевые компетенции на профессиональном уровне связаны с
овладением современными технологиями и средствами разработки программных
систем. Для организации управления разработкой ПО в системе поддержки управления процессом обучения построено пространство знаний «Разработка компьютерных игр». Семь поколений студентов принимали участие в разработке компьютерных игр и инструментов для их создания, за это время в общей сложности разработано 23 проекта. Созданные обучающие игры внедрены в процесс обучения
студентов первого и второго курсов, разработанные средства разработки применяются для создания новых обучающих игр.
Пример. Проект «Разработка ролевой 3D игры Камми». Для разработки игры
выбрана методология Scrum. Scrum-команда была составлена из трех студентов.
Члены команды выделили роли, требуемые для разработки игры: программист графики, программист интерфейса, 2D художник, программист утилит, программист
искусственного интеллекта (AI). Каждый член команды принял на себя несколько
ролей. Тест-команда (Test and Evaluation team) составлена из студентов 1-2 курсов,
изучающих дисциплину «Языки программирования». В качестве Scrum-мастера выступал студент пятого курса, который имел опыт разработки ПО с использованием
Scrum. В качестве владельца проекта (Product Owner) выступал преподаватель, ведущий курс «Языки программирования». Для управления проектом использовался
Microsoft Team Foundation Server, разработка велась на Visual Studio 2010.
Руководитель проекта (преподаватель дисциплины «Проектирование автоматизированных систем», владеющий знаниями в области разработки компьютерных
25
игр) построил модели пространств знаний для каждого разработчика; задал параметры модели; в каждом пространстве знаний определил контрольные срезы, соответствующие спринтам Scrum; выбрал способы оценки уровня освоенности для
каждого контрольного среза. Пороговые значения освоенности элементов контрольных срезов приведены к рейтинговой шкале по дисциплине (0-100 баллов),
используемой в ВолгГТУ для оценки текущего и финального уровня знаний студентов. Функция управления процессом обучения формировалась руководителем
проекта на каждом контрольном срезе как набор дальнейших действий разработчиков в зависимости от результатов оценки.
В результате выполнения проекта студенты освоили технологию .NET, модульное тестирование с использованием CPPUnit, работу с библиотеками WebKit и
HTMLLayout для отображения гипертекстовой информации, работу с регулярными
выражениями, скриптовый язык программирования Lua. В ходе работы над проектом студенты получили опыт практического применения программных игровых
библиотек NeoAxis и Ogre3D, алгоритмов компьютерной графики для визуализации
сложных графических сцен и эффектов. Студентами были получены навыки работы в команде с использованием системы управления версиями SVN, системы контроля ошибок Jira и системы инспекции кода Crucible. Освоенные студентами технологии, языки и средства, используются для разработки программных приложений в различных областях, и, соответственно, определяют компетенции в области
профессиональной разработки ПО.
Управление на базовом уровне обучения (управление обучением дисциплинам
ПЦ). Обучающие игры и игровые тренажеры, разработанные студентами, внедрены
в процесс обучения студентов дневной формы дисциплинам ПЦ. Для организации
обучения студентов заочной формы в электронные учебно-методические комплексы (ЭУМК) по дисциплинам «Языки программирования», «Технологии программирования», «Базы данных» в качестве дополнительных средств обучения включены обучающие игры и игровые тренажеры.
Пример. Обучение дисциплине «Языки программирования». Программа дисциплины рассчитана на два семестра. В первом семестре используются игра «RollyPolly» для обучения алгоритмизации и игра «Камми» (базовый уровень) для изучения объектно-ориентированной парадигмы программирования и языка С#. Для
тестирования текущего уровня знаний применяются игровые тренажеры «CSnake»,
«CRace» и «CCards», база данных которых содержит тестовые задания на разработку программного кода. Во втором семестре игра «Камми» (продвинутый уровень) используется для организации самостоятельной разработки программ на основе объектно-ориентированной технологии.
Анализ эффективности управления системой подготовки разработчиков ПО.
Под эффективностью управления социально-экономическими системами понимается соотношение между достигнутыми результатами управления и затраченными
ресурсами. Для анализа эффективности управления системой подготовки разработчиков ПО достаточно сравнить результаты управления системой с использованием
предложенной методологии с результатами управления, традиционного принятого
в вузе, т.к. трудовые, финансовые и материальные затраты в обоих случаях остаются в тех же объемах.
Для оценки результатов управления использован интегральный показатель
освоения пространства знаний , приведенный к 100-бальной рейтинговой шкале
оценки, используемой в ВолгГТУ для оценки текущего и финального уровня зна26
ний студентов. Данный критерий был использован в двух исследованиях. В первом
исследовании производилась оценка результативности управления с использованием обучающих компьютерных игр для обучения дисциплинам ПЦ, в качестве изучаемого фактора в данном исследовании рассматривалось применение в обучении
компьютерных игр. Во втором исследовании производилась оценка результативности проектного управления с компьютерными играми как объектами разработки
ПО. В качестве изучаемого фактора в данном исследовании рассматривалось участие студентов в процессе разработки обучающих игр. Значимость отличия результатов обучения студентов оценивалась с помощью двухвыборочного t-критерия
Стьюдента для выборок с одинаковой дисперсией.
Анализ эффективности управления обучением на базовом уровне. Характеристики эксперимента: длительность исследования 2 года, вовлечено 122 студента,
которые были разделены на 6 целевых групп численностью по 18-25 человек, возраст 17-22 года. В 3 из этих групп в процессе обучения по дисциплине «Программирование на языках высокого уровня» применялись игровые тренажеры, в
остальных группах применялись только стандартные средства обучения и контроля. В среднем рейтинг по дисциплине у студентов, изучавших дисциплину с
применением обучающих игр, был на 5,6 баллов выше, чем у остальных студентов,
не использовавших игры. Проверялась статистическая гипотеза о незначимости отличия результатов обучения студентов, применявших и не применявших обучающие игры. При уровне значимости α=0,05 гипотеза была отвергнута, и принята
альтернативная гипотеза о значимости отличия.
Анализ эффективности управления на профессиональном уровне. Характеристики эксперимента: длительность исследования 6 лет, всего вовлечено 185 студентов, возраст 17-22 года. Все студенты изучали процесс разработки ПО с использованием проектного подхода. 37 из них выбрали компьютерные обучающие игры
в качестве своих учебных проектов. Было сформировано 9 команд по 4-5 человек.
Каждый из членов команды выполнял соответствующую роль в процессе разработке игры в соответствии с его склонностями. Студенты работали над проектом в течение двух семестров третьего года обучения. Для оценки эффективности была
проанализирована динамика повышения рейтинга по дисциплинам, затрагивающим различные аспекты разработки ПО в ходе процесса обучения. Было произведено сравнение усредненной оценки по данным дисциплинам за 1 и 2 год обучения
с усредненной оценкой за третий и четвертый год обучения. Анализ результатов
показал, что по окончании обучения в бакалавриате среднее улучшение рейтинга
по дисциплинам, затрагивающим различные аспекты разработки ПО, в группе студентов, занимавшихся разработкой обучающих игр, было на 4,6 балла выше (уровень значимости α=0,05).
Для оценки системного эффекта применения методологии управления использовалась классическая четырехуровневая модель оценки эффективности обучения Киркпатрика (Kirkpatrick's Four Level Evaluation Model). Разработаны критерии и способы оценки для каждого уровня модели. Были сформированы две выборки из студентов, участвовавших в экспериментах и на базовом, и на профессиональном уровне. В выборку 1 были включены студенты, применявшие игры, и закончившие к настоящему моменту бакалавриат (37 студентов); в выборку 2 - студенты, не применявшие игры (148 студентов). Результаты оценки эффективности
обучения для двух выборок студентов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение результатов обучения по модели Киркпатрика
27
Уровень
оценки
Реакция
Научение
Поведение
Результаты
Способ оценивания
Критерий оценки
Выборка Выборка
1
2
Интервьюирование Количество обучаемых, положительно 93%
53%
Анкетирование
оценивших процесс обучения
Уровень знаний
Средний рейтинг по дисциплинам
95
91
Активность
Среднее количество публикаций в год
3.5
1.05
Участие в конференциях
2.1
0.75
Востребованность Количество международных стажировок 45%
5%
на рынке труда
Работа по специальности
100%
84%
Участие в малых предприятиях
50%
10%
Сравнение полученных оценок показывает эффективность разработанной методологии управления системой подготовки и соответствие предложенной модели
организации обучения разработчиков ПО целям современного образования как
овладению профессиональными компетенциями, отвечающими потребностям ITрынка труда.
Основные выводы по работе
Общим результатом работы является научно обоснованное решение проблемы
создания методологических основ организации управления компетентностноориентированной системой подготовки специалистов в высшем учебном заведении
как социально-экономической системы. При решении данной проблемы получены
следующие результаты:
1) исследована система подготовки специалистов в высшем учебном заведении, выявлены особенности системы подготовки разработчиков ПО и определены требования к организации управления системой, учитывающей специфику программ
подготовки разработчиков ПО, и отвечающей компетентностному подходу;
2) предложен двухконтурный метод управления системой подготовки разработчиков ПО, основанный на применении компьютерных игр как средств обучения и
как объектов разработки ПО, и разработаны механизмы реализации функции
управления системой;
3) предложена концепция организации процесса обучения, реализующего компетентностный подход, как управляемого волнового процесса освоения пространства знаний, в котором действия обучаемого отражают нелинейную структуру
пространства знаний и определяются свойствами этого пространства;
4) показано, что предложенная модель процесса обучения отражает синергетичность процесса освоения знаний и реализует принцип единство цели и метода,
т.е. достижение цели обучения за счет управления движением волны освоения
знаний в пространстве знаний;
5) предложена модель организации обучения разработчиков ПО, реализующая разработанную модель процесса обучения, и позволяющая системно осваивать
пространства знаний обучающих курсов и достигать, таким образом, цели обучения как сформированной совокупности компетенций разработчика ПО;
6) разработан механизм интеграции разработанной модели процесса обученияро в
игровой контекст, обеспечивающей структурное единство процесса обучения и игрового процесса, позволяющий разрабатывать обучающие игры, в которых обеспечивается достижение цели обучения в результате игрового процесса;
28
7) разработана модель обучающего курса на основе алгебраической решетки, позволяющая отразить системные свойства пространства знаний обучающего курса
и построить исчисление процесса освоения этого пространства;
8) предложен способ симулякрационного моделирования обучающих курсов в искусственно созданном виртуальном игровом мире, основанный на интерпретации ключевых понятий обучающего курса в виде правил жизни в виртуальном
мире; предложенный способ позволяет моделировать обучающие курсы, оперирующие абстрактными понятиями и не имеющие реальной интерпретации;
9) разработан и апробирован программно-методический комплекс средств поддержки процесса обучения, позволяющий организовывать обучение разработчиков ПО на базовом и профессиональном уровнях; оригинальность разработанного программного комплекса подтверждена тремя свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ;
10) результаты работы реализованы в ВолгГТУ, Томском политехническом университете; Московском физико-техническом институте; в Калачевском техникуме-интернате; в университете Стокгольма, Швеция, инженерном колледже в
г. Хубли, Индия, что подтверждается актами и справками о внедрении;
11) эффективность методологии управления системой подготовки разработчиков
ПО показана в результате проведенного эксперимента на кафедре САПР и ПК
ВолгГТУ (число студентов в эксперименте – 185 человек, уровень значимости,
принятый для проверки статистических гипотез α=0,05): результативность обучения на базовом уровне возросла на 5.6 баллов, на профессиональном уровне –
на 5.1 балла по 100-бальной системе рейтингового контроля; конференционная и
публикационная активность студентов выросла в 3 раза; увеличилась востребованность студентов и выпускников на рынке труда: количество международных
стажировок студентов возросло в 9 раз, количество малых предприятий, созданных студентами, выросло в 5 раз. Приведенные результаты показывают, что
применение разработанной методологии управления позволяет готовить специалистов, владеющих компетенциями в области разработки ПО.
Основные публикации по теме диссертации
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК
1. Шабалина, О.А. Компетентностно-ориентированная модель процесса обучения / О.А.
Шабалина // Информация и связь. – 2013. – №2. – C.171-174.
2. Шабалина, О.А. Разработка обучающих компьютерных игр: как сохранить баланс
между обучающей и игровой компонентой? / О.А Шабалина // Образовательные технологии и общество. – 2013. – № 16(3). – С.586-602.
3. Шабалина О.А. Модель процесса обучения и ее интерпретация в обучающей компьютерной игре / О.А Шабалина // Вестник СГТУ. – 2013. – № 2(70). Выпуск 1. С.158-167.
4. Tumenayu, O. O. Approaches of adaptive educational games development using pedagogical
agents / O. O. Tumenayu, O. Shabalina // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы
управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 18 :
межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - №22 (125). - C. 123-127.
5. Еркин, Д.А. Применение декларативного описания графического пользовательского
интерфейса при разработке игровых приложений / Д.А. Еркин, А.А. Алимов, О.А. Шабалина // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной
техники и информатики в технических системах". Вып. 16 : межвуз. сб. науч. ст. /
ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 8 (111). - C. 121-124.
29
6. Алимов, А.А. Применение мета-информации в С++ и компонентно-ориентированного
подхода для разработки игровых приложений / А.А. Алимов, О.А. Шабалина // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2013. - № 4. – С. 108-117.
7. Данг Х. Ф. Среда разработки алгоритмов адаптивного тестирования / Хоай Фыонг
Данг, В.А. Камаев, О.А. Шабалина // Информатизация и связь. - 2013. - № 2. - C. 107-110.
8. Шабалина О.А. Компетентностный подход к подготовке разработчиков программного
обеспечения / О.А Шабалина, С. Чикерур // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах».
Вып. 15: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 15 (102). - C. 102-110.
9. Данг Х. Ф. Метод разработки алгоритмов адаптивного тестирования / Хоай Фыонг
Данг, В.А. Камаев, О.А. Шабалина // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы
управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13 :
межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 4 (91). - C. 107-112.
10. Шабалина О.А. Система игрового искусственного интеллекта / А.А. Алимов, О.А.
Шабалина // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13 : межвуз. сб. науч. ст.
/ ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 4 (91). - C. 166-169.
11. Шабалина О.А. Язык визуального программирования для формирования поведения
интеллектуальных агентов / Д.А. Ересько, О.А. Шабалина // Известия ВолгГТУ. Серия
«Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 4 (91). C. 41-49.
12. Шабалина, О.А. Способы проверки решений заданий по программированию в обучающих системах / А.В. Катаев, О.А. Шабалина, В.А. Камаев // Прикаспийский журнал:
управление и высокие технологии. – 2011. - № 3. – С. 19-25.
13. Шабалина, О.А. Разработка обучающих игр: интеграция игровой и обучающей компоненты / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев // Открытое образование. - 2011. № 2. - C. 290-294.
14. Шабалина, О.А. Применение визуального программирования при разработке алгоритмов поведения интеллектуальных агентов / Д.А. Ересько, О.А. Шабалина // Изв.
ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград,
2011. - № 9. - C. 74-79.
15. Шабалина, О.А. Применение 3i-подхода для разработки обучающих игр по объектноориентированному программированию / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев //
Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2011. - № 6. - C. 46-52 + 3-я
стр. обл.
16. Шабалина, О.А. Открытая модель игрока для оценки знаний и навыков в компьютерных обучающих играх / А.В. Катаев, О.А. Шабалина // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные
проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах".
Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 9. - C. 79-85.
17. Шабалина, О.А. Применение компьютерных игр для обучения разработке программного обеспечения / О.А. Шабалина // Открытое образование. 2010. № 6. C. 19-26.
18. Шабалина, О.А. Обучение разработчиков программного обеспечения: применение
компьютерных игр и процесса их разработки / О.А. Шабалина, А.В. Катаев, П.Н. Воробкалов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 9 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. Волгоград, 2010. - № 11. - C. 117-124.
19. Алимов, А.А. Искусственный интеллект в компьютерных играх. Многоуровневое планирование и реактивное поведение агентов / А.А. Алимов, О.А. Шабалина // Изв.
ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и инфор30
матики в технических системах". Вып. 10 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград,
2011. - № 3. - C. 90-94.
20. Шабалина, О.А. 3i-подход к разработке компьютерных игр для обучения техническим
дисциплинам / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев // Вестник компьютерных и
информационных технологий. - 2011. - № 4. - C. 45-51.
21. Шабалина, О.А. Разработка обучающих компьютерных игр для использования в вузе /
О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Качество. Инновации.
Образование. - 2008. - № 4. - C. 14-16.
22. Воробкалов, П.Н. Применение метода автоматизированной оценки качества электронных
обучающих систем / П.Н. Воробкалов, О.А. Шабалина // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 5, № 8. - C. 97-100.
23. Воробкалов, П.Н. Шабалина, О.А. Метод оценки качества адаптивных обучающих систем с использованием имитационного моделирования / П.Н. Воробкалов, О.А. Шабалина
// Известия ВолгГТУ. Серия "Новые образовательные системы и технологии обучения в
вузе": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып.4, №7. - C. 164-166.
24. Воробкалов, П.Н. Управление качеством процесса разработки адаптивных обучающих
систем с использованием многослойного подхода / П.Н. Воробкалов, О.А. Шабалина //
Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и
информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград,
2007. - Вып.2, №2. - C. 63-66.
Монографии
25. Шабалина, О.А. Компьютерные игры как средство обучения разработчиков программного обеспечения : монография / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев;
ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - 143 с.
26. Управление качеством электронных обучающих систем в контексте развития современного высшего профессионального образования : монография / П.Н. Воробкалов, А.В. Исаев, В.А. Камаев, А.Г. Кравец, О.А. Шабалина; Исслед. центр проблем качества подгот. специалистов Нац. исслед. технол. ун-та "МИСиС", ВолгГТУ. - М. ; Волгоград, 2011. - 113 с.
27. Кравец, А.Г. Управление взаимодействием субъектов регионального рынка труда.
Технология адаптивного обучения в управлении качеством подготовки специалистов:
монография / А.Г. Кравец, О.А. Шабалина; ВолгГТУ. - Волгоград: РПК "Политехник",
2006. - 152 с.
Научные публикации в иностранных источниках
28. Chickerur, S. Integrating Problem Based and Project Based Learning for Effective Teaching
Learning in Engineering Education - A Case Study of Advanced Database Management Course
/ S. Chickerur, O. Shabalina // Advanced Science and Technology Letters, Vol.36 (Education
2013), P.63-66.
29. Tomos F. An International Approach to creative pedagogy and students’ preferences of interactive media P. / F. Tomos, P. Mozelius, O. Shabalina, O. Balan // Proceedings of the
12th European Conference on e-Learning, ECEL-2013, SKEMA Business School, Sophia Antipolis, France, 30-31 October 2013. P. 479-487.
30. Shabalina O. Educational computer games development: methodology, techniques, implementation / O. Shabalina, P. Vorobkalov, A. Kataev, A. Kravets // Proceedings of the 2013 International Conference on Advanced ICT, Hainan China, 20-22 September 2013. – Atlantis
Press, 2013. – P. 419-423.
31. Shakaev V. C++ Reflection for game engines / Shakaev V., Shabalina O., Kamaev V. Proceedings IADIS International Conference Applied Computing, 23 – 25 October 2013. – Fort
Worth, Texas, USA. – P. 237-240.
32. Shabalina O. Development of Educational Computer Games: Learning Process Model and
how it is Integrated into the Game Context / O. Shabalina, P. Vorobkalov // World Applied Sci31
ences Journal 24 (Information Technologies in Modern Industry, Education & Society). –
IDOSI Publications, 2013. – P. 256-267.
33. Shakaev, V. Interactive Graphics Applications Development: An Effect Framework for Directx 11 / V. Shakaev, O. Shabalina, V. Kamaev // World Applied Sciences Journal 24 (Information Technologies in Modern Industry, Education & Society). – IDOSI Publications, 2013. –
P. 165-170.
34. Kravets, A. E-Learning practice-oriented training in physics: the competence formation / A.
G. Kravets, O. V. Titova, O.A. Shabalina // e-Learning 2013 : Proceedings of the IADIS International Conference, Section I, Prague, Czech Republic, 24-26 July 2013. – IADIS Press, 2013.
– P. 351-356.
35. Mozelius P. Let the Students Construct Their own fun And Knowledge - Learning to Program by Building Computer Games / P. Mozelius, O. Shabalina, C. Malliarakis, F. Tomos,, C.
Miller and D. Turner// Proceedings of the 7th European Conference on Game-Based Learning,
Porto, Portugal, 3-4 October 2013 / Instituto Superior de Engenharia do Porto. – [Porto], 2013. –
Vol. I. – P. 418-427.
36. Tumenayu O. Digital Educational Games: Adopting Pedagogical Agent to Inter Leaner`s
Motivation and Emotional State / O. Tumenayu, O. Shabalina // Proceedings of the 7th European Conference on Game-Based Learning, Porto, Portugal, 3-4 October 2013 / Instituto Superior
de Engtnharia do Porto. – [Porto], 2013. – Vol. II. – P. 546-552.
37. Shabalina O. Development of Computer games for Training Programming Skills / Shabalina
O., Vorobkalov P., Kataev A., Davtyan A., Blanchfield P. // Proceedings of the 6th European
Conference on Games Based Learning, Cork, Ireland , 4-5 October 2012 / The University College Cork And Waterford Institute of technology, Ireland.- Cork, 2012.- P. 460-471.
38. Shabalina O. Mobile Learning Games for Primary Education / Shabalina O., Vorobkalov P.,
Kataev A., Tarasenko A., Arsentiev A.// Proceedings of the 4th European Conference on Games
Based Learning, Copenhagen, Denmark, 21-22 October 2010 / The Danish School of Education,
Aarhus University.- Copenhagen, 2010.- P. 350-359.
39. Eresko D. Game for learning logical design / Eresko D., Shabalina O. // Mobile Learning
2010 : proc. of the IADIS Int. Conf., March 19-21, 2010 / Int. Association for Development of
the Information Society.- Porto (Portugal), 2010.- P. 346-350.
40. Shabalina O. Game-based Approach in IT Education Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev
A., Tarasenko A. // Human Aspects of Artificial Intelligence: suppl. to Int. Journal "Information
Technologies and Knowledge" Vol. 3. - 2009. - Int. Book Series "Information Science & Computing", № 12. - C. 63-70.
41. Shabalina O. 3I-Approach for IT Educational Games Development / Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev A., Tarasenko A. // Proceedings of the 3rd European Conference on GamesBased Learning, Graz, Austria, 12-13 October 2009 / FH JOANNEUM University of Applied
Science.- [UK], 2009.- P. 339-344.
Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ
42. Среда визуального управления сценариями обучающих компьютерных игр [Электронный ресурс] / А.В.Катаев, О.А.Шабалина, В.А. Камаев. – Электрон. прогр. – Волгоград, 2012. – Свидетельство ГР прогр. для ЭВМ № 2012615459; заявка № 2012613017 от
18.04.2012; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 18.06.2012.
43. Модуль выполнения сценариев для обучающих компьютерных игр [Электронный ресурс] / А.А. Серегин, А.В.Катаев, О.А.Шабалина, В.А. Камаев. – Электрон. прогр. – Волгоград, 2012. – Свидетельство ГР прогр. для ЭВМ № 2012615463; заявка № 2012613014
от 18.04.2012; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 18.06.2012.
44. Инструментарий разработчика интерактивных приложений и компьютерных игр
Isilme SDK [Электронный ресурс] / А.А. Алимов, О.А.Шабалина. – Электрон. прогр. –
Волгоград, 2012. – Свидетельство ГР прогр. для ЭВМ № 2012616827; заявка №
2012614583 от 05.06 .2012; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 31.07.2012.
32
Приложение
Экранные формы обучающих игр и игровых тренажеров
1) Игра «Камми» для обучения объектно-ориентированной технологии программирования и языку С#
Команда разработчиков: студенты 5 курса Воробкалов П., Катаев А., Тарасенко А.
Автор курса: преподаватель курса «Программирование на языках высокого уровня» Шабалина
О.А.
1.Авторизация игрока.
Изучение базовых типов данных
2.Аватар – Камми
(объект класса Kammy)
3. Задание на разработку методов
движения класса Kammy
4. Решение задания: разработка метода
MoveForward
5. Визуализация решения задания
6. Для перемещения вниз нужно изменить
форму Камми
7. Решение задания : разработка метода
преобразования формы TransformTo Snake
8. Визуализация правильного решения
задания
33
9. Визуализация неправильного решения
задания
10. Визуализация текущего уровня знаний
по разделам. Шкала технологий
2) Игра «Страна БДяндия» для обучения по курсу «Базы данных»
Команда разработчиков: студентки 6 курса (сокращенная форма обучения) Шершидская О.,
Милейко Ю., автор курса: преподаватель курса «»Базы данных» доцент Королева И.Ю.
1. Задание на создание БД
2. Выбор игровых действий
3. Задание на создание таблицы данных
4. Выбор игровых действий
3) Игра «Rolly-Polly» для тренировки навыков алгоритмизации
Автор курса и разработчик: студент 4 курса Ересько Дм.
1. Игровое задание: разработать
алгоритм достижения цели
2. Визуализация алгоритма
34
4) Игры для тренировки навыков программирования
Автор курса Шабалина О.А.
Игра «CSnake»
Разработчик студент 4 курса Алимов А.,
1. Игровое поле
2. Задание и предопределеный код
решения
a) Первый вариант решения задания
Выбор лексемы
Выбор лексемы
б) Второй вариант решения задания
Выбор лексемы
Выбор лексемы
35
Игра «CCards»
Разработчик студент 2 курса Бушков А.
Игра «CRace»
Разработчик студент 2 курса 2-го высшего образования Ковалев К.
36