Алгоритмы формализации и автоматизации решения задач на основе среды компьютерного моделирования задач

Актуальность проблемы. С развитием компьютерной индустрии и IT-технологий, массовым оснащением компьютерами образовательных учреждений по общероссийской программе компьютеризации усилился интерес к использованию компьютеров в предметном обучении. Компьютер, как техническое средство, открывает большие возможности для совершенствования учебного процесса путем его автоматизации. Однако, использование компьютера в обучении предметам (в частности, физике) не получило широкого распространения и носит ограниченный характер. С одной стороны, проблема связана с методическим наполнением обучающих программ и программных средств, которое часто не соответствует содержанию учебного процесса по педагогическим причинам. С другой стороны, проблема имеет технический характер и связана непосредственно с разработкой самих программ. Предлагаемые разработчиками компьютерные программы по физике в основном являются закрытыми для пользователя: содержат закрытый банк задач, тестов, теорию и демонстрации без возможности добавления и решения задач обучающимся, что ограничивает выбор пользователя и ставит его в некоторые рамки предлагаемого материала. Программы же, позволяющие достичь открытости для пользователя, обычно не поддерживают решение задач по физике или достаточно трудны в использовании, требуют знания языков программирования (Pascal, С, Delphi, Excel) или знания численных методов. Поэтому остается актуальным поиск универсальных технологий автоматизации решения задач по естественно-научным дисциплинам, опирающихся на современные кибернетические подходы и открывающие новые возможности для эффективного овладения материалом. В том числе актуальна проблема создания такой открытой среды, в которой органично сочетаются традиционные и компьютерные методы обучения.

Для автоматизации процесса решения задач в открытых средах наиболее всего, на наш взгляд, подходит метод моделирования. Перевод некоторого исследуемого объекта в форму модели позволяет обнаружить в нем такие свойства, которые невыявляемы при непосредственном оперировании с ним, что ведет к конкретизации элементов условия задачи и более глубокому пониманию сути решения. Использование метода моделирования требует разработки метода формализации и алгоритмизации решения задач и создания программы, в данном случае — среды компьютерного моделирования задач (СКМЗ), которая сочетает традиционные и компьютерные методы, позволяющие решать учебные задачи, введенные пользователем.

Настоящая работа посвящена разработке алгоритмов формализации решения задач, созданию функциональной схемы СКМЗ и ее программной реализации, содержащей интерактивные редакторы для обработки входной и выходной информации, программные модули для обеспечения автоматизации процесса обучения компьютерному моделированию задач.

В рамках соответствия программы учебному процессу существует необходимость создания обучающего блока — компьютерного учебного пособия (КУП), наполнение которого может изменяться в зависимости от изучаемых образовательных предметов и методик. Так как программа в основном предназначена для предметного обучения, в качестве примера взяты задачи и материал по физике «КУП по физике». Обучающий блокКУП и инструментальный блок — СКМЗ отделены друг от друга с целью обеспечения возможности раздельного изменения архитектуры и наполнения их пользователем.

Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов формализации задач. Реализация на основе разработанных алгоритмов СКМЗ, предназначенной для автоматизации процесса решения вычислительных задач из различных предметных областей.

Объект исследования. Алгоритмы формализации и компьютерного моделирования вычислительных задач из разных предметных областей с использованием метода компонентных цепей (МКЦ). Задачи исследования:

1. Выявить особенности процесса решения и определить классы решаемых задач для компьютерного моделирования.

2. Создать с учетом выявленных особенностей алгоритм формализации задач.

3. Разработать и создать функциональную структуру программы, включающую в себя интерактивные редакторы для обработки входной и выходной информации, а также программные модули, необходимые для автоматизации решения задач.

4. Создать программно-инструментальные средства, позволяющие ориентировать СМ МАРС (Среда Моделирования МАРС) на процесс компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам.

Разработать компьютерное учебное пособие и на его основе показать эффективность применения компьютерного моделирования в обучении решению задач по физике.

Методы исследования работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т. д.), объектно-ориентированных подходов, метода компонентных цепей, развиваемого школой под руководством Дмитриева В.М.

Научная новизна заключается в следующем: 1. Исследованы и предложены алгоритмы, позволяющие формализовать процесс моделирования задач.

2. Расширен формализм МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач не только по техническим, но и по естественнонаучным дисциплинам.

3. На основе предложенных алгоритмов и требований впервые исследована и реализована открытая СКМЗ, позволяющая автоматизировать процесс решения вычислительных задач.

Практическая значимость. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования, пополняют банк моделей компонентов. Разработанная СКМЗ позволяет практически использовать ее в учебном процессе. На основе разработанных алгоритмов и СКМЗ создано методическое и программное обеспечение в виде КУП по физике, позволяющего обучать решению вычислительных задач по физике. К защищаемым положениям относятся:

1. Алгоритмы формализации задачи, позволяющие правильно выделить основные этапы моделирования задач и их содержательную сторону. Диаграмма процесса решения задач, предназначенная для выделения элементов структуры задачи: объектов моделирования, состояний, условий переходов между состояниями.

2. Алгоритм многоаспектного анализа задач, позволяющий преобразовывать слабо структурированные исходные данные к виду хорошо структурированных исходных данных для реализации компьютерного моделирования задач.

3. Применение расширенного МКЦ для автоматизации компьютерного моделирования задач по естественно-научным дисциплинам за счет доопределения понятийно-определительного аппарата.

4. Разработка функциональной структуры и алгоритмов работы СКМЗ с учетом программно-аппаратных и психолого-педагогических требований, сформулированных в диссертации.

Реализация результатов работы. Создано компьютерное учебное пособие — КУП по физике, которое было внедрено в учебный процесс высшего колледжа информатики, электроники и менеджмента (ВКИЭМ) ТУСУРа, на кафедре Теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУСУРа и протестировано в Томском государственном педагогическом университете (ТГПУ) на кафедре общей физики.

Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на международных, всероссийских и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов: 2 статьи в журнале «Вестник Томского Государственного Педагогического Университета», 2 статьи в журнале «Вестник Московского городского педагогического университета», 3 статьи в сборнике «Компьютерные технологии в образовании». Доклады на научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР — 2004» и XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», проводимой в Томском Политехническом Университете, отмечены дипломами первой степени. На программные модули было получено свидетельство об отраслевой регистрации разработок № 4058 от 22 ноября 2004 года.

Общее число публикаций — 26. По теме диссертации — 23. Из них две работы находятся в печати.

Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования, проведение обзорных и теоретических исследований, разработка алгоритмов формализации задач, доведение разработок до программно-алгоритмических решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СКМЗ и КУП, теоретические и практические результаты и их интерпретация в основном получены соискателем.

Диссертация основана на теоретических идеях, предложенных научным руководителем, профессором Дмитриевым В. М, а также методических и экспериментальных исследованиях, выполненных соискателем совместно с сотрудниками кафедр ТОЭ ТУСУРа и кафедры общей физики ТГПУ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 211 страниц основного текста, 98 рисунков, 92 использованных источника и 6 приложений.

4.4. Выводы

В данной главе были получены следующие результаты: • Показана необходимость и взаимосвязь между инструментарием СКМЗ и методической составляющей КУПа.

Рассмотрена структура формализованной задачи в КУПе и преимущества, получаемые при осуществлении формализации задачи.

Осуществлено сравнение методик решения задач между компьютерным моделированием и «ручным» способом решения задачи.

Выдвинуто предположение о том, что сложность решаемых задач можно измерять по составу структуры задачи, а именно по компонентам расширенного формализма метода компонентных цепей.

Показаны возможные направления в развитии данного подхода компьютерного моделирования задач.

Выполнена оценка образовательного эффекта и успешности программы КУП по физике в учебном процессе

Результаты анкетирования преподавателей показали, что модули КУПа и СКМЗ, можно использовать в учебном процессе, повышая эффективность преподавания физики.

Выполнена экспериментальная проверка эффективности применения КУПа в обучении физике. Полученные данные показали, что наибольший эффект применения программы достигается при комплексном сочетании традиционного способа решения задач и компьютерного моделирования. Подтверждена целесообразность использования КУПа для учебного процесса обучения компьютерному моделированию задач на основе актов Высшего Колледжа Информатики Электроники и Менеджмента ТУСУРа, Теоретических Основ Электротехники ТУСУРа, Томского Государственного Педагогического Университета.

Заключение

В настоящее время использование компьютерных технологий, в преподавании, как правило, ориентировано на решение вычислительных задач, заданных алгоритмически, но, уже сейчас наблюдается потребность решать практические задачи, используя спроектированные и созданные базы знаний на основе инструментариев для педагогов. Данная работа — первый шаг к созданию таких систем. На основе разработанного подхода нужно создавать банки задач, благодаря которым, систематизация накопленных знаний позволит переходить на качественно новые аксиоматические уровни абстракции изучаемых предметов [92].

Целью настоящей работы была разработка алгоритмов формализации и автоматизации решения задач на основе СКМЗ. Для достижения поставленной цели удалось успешно решить большинство задач исследования, результатами которых стало следующее:

1. Построен алгоритм компьютерного моделирования задач, позволяющий формализовать исходные данные в компьютерное представление.

2. Разработан алгоритм многоаспектного анализа задач, позволяющий преобразовать слабо структурированные исходные данные к виду хорошо структурированных исходных данных для реализации компьютерного моделирования задач.

3. Предложена диаграмма процесса решения статических задач. Выделены четыре основных типа задач.

4. Исследована необходимость разработки расширенного формализма компонентных цепей. Определены основные подклассы класса компонентов-преобразователей: компонентов объектных моделей, компонентов системных и частных отношений.

5. Построена функциональная структура СКМЗ. Выделены подсистемы и блоки обработки входных и выходных данных. Описан внешний интерфейс и преимущества СКМЗ. Среда компьютерного моделирования задач в составе КУП по физике внедрена в учебный процесс.

6. Создан генератор моделей компонентов, позволяющий автоматизировать получение сложных математических моделей в неявном виде. Реализована библиотека моделей компонентов СКМЗ, имеющая открытый характер для пополнения ее новыми моделями компонентов.

7. Предложена структура КУПа по физике.

8. Описаны и разработаны методики, повышающие эффективность автоматизации моделирования вычислительных задач.

Таким образом, в рамках диссертационной работы решена проблема формализации и автоматизации процесса решения вычислительных задач на примере задач физики.

Среди перспектив развития в области автоматизации моделирования задач можно назвать следующие направления: реализовать возможность работы программы по сети, внедрить поддержку различных уровней автоматизации процесса обучения, расширить библиотеки моделей компонентов и задач, реализовать модуль генерации задач по указанной преподавателем сложности, автоматизировать системы контроля знаний и обработки результатов через Интернет, повысить уровень интерактивности программного обеспечения, а также включить элементы мультимедиа в КУП.