Учебно-научная среда "Электрофизика"

Об алгоритмах дистанционного выполнения
практикумов по Электрофизике


лаборатории

Рис.1. Система дистанционного обучения
Алгоритм для компьютерного практикума
(Тема Х, N – заданий)

Как известно, эксперимент – критерий истины. В связи с этим осознание и понимание предмета лучше всего получается при решении практических задач. Именно поэтому основные направления этой работы связаны с разработкой виртуальных физико-технических компьютерных практикумов, которые могут выполняться удаленно, вне временных ограничений, определяемых расписанием занятий и загрузкой учебных классов. По аналогии с обычным практикумом, основанным на работе с реальными установками в учебной аудитории, в случае компьютерных практикумов также существует понятие «среда выполнения», работа, в которой, включая допуск в нее, определяется рядом условий. В случае выполнения реальных практикумов, для допуска к работе в лаборатории необходимо выполнение требований по технике безопасности (электрической, радиационной, электромагнитной и т.п.), знания правил работы с приборами и установками (часто дорогостоящими) и т.п., среда выполнения виртуальных лабораторных практикумов предъявляет совершенно иные требования. Среда, в данном случае, является информационной и, как правило, имеет распределенную иерархическую структуру.

Верхний уровень этой среды определяется операционной системой. Все разработанные программы имеют возможность работы в двух средах: UNIX (и его разновидности) и Microsoft Windows.

Средний уровень определяется виртуальной средой удаленного доступа и дистанционного обучения. В экспериментальном режиме в работе использовалась среда Moodle.

На нижнем уровне – уровни приложений, использовались, как специализированные ППП по электрофизике (Вакуумная техника, Мощная импульсная техника и т.п.), так и проблемно-ориентированные пакеты общего пользования: Mat-Lab, электронные таблицы, инструментальные среды программирования и прочие.

Каждый из этих уровней имеет средства авторизации пользователей и, соответственно, каждая категория пользователей (администраторы, сотрудники, преподаватели, студенты и т.п.) имеют соответствующие права доступа и привилегии.

Доступ к среде и правила работы в ней не допускают неоднозначности, а успешность, как доступа, так и работы определяется бинарной логикой: 1 – двигаемся дальше, 0 – повторить освоение среды.

Непосредственное выполнение заданий по Электрофизике также связано с допуском к выполняемому заданию по определенной теме. Этот допуск определяется подготовленностью студента к выполнению работы и выполняется в два этапа.

Первый этап – допуск к выполнению, определяется прохождением теста на необходимый минимум остаточных базовых знаний (фундаментальных) по теме выполняемого задания (студент не может быть допущен к изучению темы Численное интегрирование, если он не может определить основные понятия об интеграле и интегрировании, после чего отправляется на восстановление знаний по основам математического анализа). Этот этап определяется однозначно по всем вопросам 0 – не допущен, 1 – допущен.

Второй этап подготовки к выполнению задания – получение 60% правильных ответов на контрольные вопросы по базовым знаниям текущей задачи (определяет возможность студента выполнить задание).

Следующий этап – работа с конкретным приложением (ППП). Этот этап также связан с допуском к среде (0, 1), а также тестом на подготовленность конкретных задач по текущей работе. Переход к выполнению осуществляется при достижении не менее 60% понимания данной задачи (тест), затем следует непосредственное выполнение задачи, которое также носит итерационный характер.

После выполнения всех N задач по рассматриваемой теме проводится тестирование и оформление зачета.

Алгоритм компьютерного лабораторного практикума, ориентированный на дистанционное обучение (в определенном смысле на самоподготовку) представлен на Рис. 1.

На рисунке введены следующие обозначения:

  • ТО – тесты доступа к распределенной среде;
  • КО – коэффициент доступа к среде (уровень доступа к среде);
  • ТБ(i) - тест базовых знаний по i – задаче;
  • КБ(i) – коэффициент базовых знаний по i – теме (уровень базовых знаний);
  • Т(i) – тест необходимых знаний по текущей (изучаемой) теме в среде используемого ППП.
  • К(i) - тест доступа к выполнению заданий;
  • ТЗ(i) – перечень знаний по i – задаче.
лаборатории

Рис.2. Алгоритм выполнения заданий
компьютерного практикума
(Тема Х, N – заданий)

На Рис 2. представлена подробная блок-схема алгоритма выполнения i-го задания в среде третьего уровня (среде приложений).

Доступ в среду приложений определяется тремя этапами: получение прав доступа и выполнение необходимых правил входа (К0(1)); восстановление необходимых базовых знаний по решаемой задаче, представление минимального уровня материала по изучаемой теме и допуск в среду.



Выполнение работы связано с преодолением трех этапов:

  • подробное изучение возможностей среды (К1 – погружение в среду);
  • восстановление необходимых теоретических знаний (лекционных) по решаемой задаче (КБ);
  • выполнение заданий решаемой задачи (КХ).

Завершение работы связано с представлением теста и ответов на контрольные вопросы.

В зависимости от результатов КЗ следует либо завершение работы и зачет, либо поиск ошибок и их исправление.

Представленные алгоритмы ориентированы, прежде всего, на самостоятельную работу студентов (в отсутствии преподавателей и консультантов) и оценку собственной подготовленности.

Следует отметить, что вопросы оценки отнюдь не тривиальны. Если допуск на очередной этап работы выполняется по минимальным необходимым требованиям начала выполнения заданий и оценивает по бинарным коэффициентам (0/1) достаточно очевидны и однозначны, то с вопросами количественной оценки уровня знаний по изучаемой теме намного сложнее.

Формально количественная оценка успешности освоения темы Х по результатам выполнения лабораторного практикума может быть определена следующим образом.

Суммарный коэффициент по всем задачам


лаборатории

где,коэффициенты доступа в среду выполнения:

лаборатории в среду практикума (по минимальной оценке 0/1 – техника информационной безопасности права доступа к привилегии, расположение информационных ресурсов и т.п.)
лаборатории коэффициент допуска к выполнению темы Х по минимальной оценке остаточных знаний n базовых курсов (0/1)

коэффициент количественной оценки выполнения:

лаборатории коэффициент освоения среды приложения (0÷100)
лаборатории коэффициент восстановления остаточных знаний по базовым курсам
лаборатории коэффициент восстановления знаний по изученной теме (0÷100)

Средняя оценка по сданной теме:

лаборатории

  • КЗ – контрольное задание, а принятая оценка:
  • 90 ÷ 100 – отлично;
  • 70 ÷ 90 – хорошо;
  • 60 ÷ 70 – удовлетворительно;
  • < 50 – неудовлетворительно.
лаборатории

Рис.3. Динамика погружения в специальность
(на одном из уровней)

При этом оцениваемый уровень по каждой задаче не должен быть меньше 50. Безусловно, границы между различными видами оценок не являются жестко определенными.

Окончательная оценка определяется преподавателем. Математически она формируется методами нечеткой логики и определением функции принадлежности. Представленный алгоритм геометрически может быть отображен в виде двух областей знаний – изучаемой и одной из базисных (которых может быть несколько) отображен на Рис. 3.

Функция принадлежности статистическая и определяется рядом факторов (требует факторного анализа):

  • распределения внутри группы;
  • зависимость распределения от групп разных специальностей;
  • разброс по годам (фактор набора);
  • форма обучения (дневная, вечерняя и т.п.).

Исходя из перечисленного, диапазон изменения функции принадлежности (ФП) по остаточным знаниям: НОЗ < ОЗ < БЛ.

граница блока