Автореферат (Математическое и программное обеспечение системы дистанционного обучения на базе веб-конференций)

На правах рукописиАлексейчук Андрей СергеевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГООБУЧЕНИЯ НА БАЗЕ ВЕБ-КОНФЕРЕНЦИЙСпециальность 05.13.11 –Математическое и программное обеспечениевычислительных машин, комплексов и компьютерных сетейАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре «Математическая кибернетика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждениявысшего образования «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» (МАИ).Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорПантелеев Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:Данилюк Сергей Григорьевич,доктор технических наук, профессор,профессор кафедры №32 Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого (филиалв г.

Серпухове Московской области)Сологуб Глеб Борисович,кандидат физико-математических наук,аналитик ООО «Букмейт» (до 13.10.2016)Ведущая организация:Федеральный исследовательский центр«Информатика и управление» Российскойакадемии наук (ФИЦ ИУ РАН)Защита состоится «16» июня 2017 года в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.125.04 Московского авиационного института поадресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.

4 или на сайте МАИ по адресу:http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=79486Отзывы в 2 экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять поадресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4, Ученыйсовет МАИ.Автореферат разослан«____»____________2017 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д 212.125.04, кандидатСеверинафизико-математических наук, доцент ______________ Наталья СергеевнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияВ настоящее время в инженерном образовании происходит широкое внедрение разнообразных информационных, компьютерных и технических средств.Быстро растущая доступность Интернета позволяет обеспечивать не только традиционную, асинхронную форму взаимодействия в процессе дистанционногообучения (работу с веб-сайтами, электронной почтой, отправку файлов с работами, поиск информации в базах знаний и т.п.), но и передавать мультимедийные данные в режиме реального времени. Рационально используя эту возможность, можно поднять качественное наполнение процесса дистанционного обучения на новый уровень.

Применение мультимедийных технологий существеннообогащает образовательный процесс, позволяет легко визуализировать материал, делает обучение эффективным и увлекательным.Одним из современных видов дистанционного обучения является вебконференция. Эта технология позволяет обеспечивать коллективную формуобучения посредством обмена аудио- и видеоданными и работы с мультимедийными материалами в режиме реального времени. Веб-конференции позволяютпроводить регулярные учебные занятия, воссоздающие модель реальных аудиторных занятий по различным дисциплинам.При проведении занятий в форме веб-конференции существенным обстоятельством является необходимость эффективной организации учебного процесса.

Это может быть достигнуто объединением студентов в группы в зависимостиот их уровня подготовки и от сложности решаемых на занятии задач с раздельным проведением занятий для каждой группы. Поскольку преподавателю затруднительно точно оценить способности и подготовленность каждого студентадо проведения занятий, то возникает необходимость создания информационнойсистемы, автоматически анализирующей данные об успеваемости студентов исоставляющей расписание проведения занятий с разбиением студентов на группы с учетом текущего уровня подготовки каждого студента и уровня сложностипредлагаемых на занятии учебных заданий.Цель и задачи исследованияЦель диссертационной работы состоит в создании средств дистанционногообучения на базе технологий веб-конференции, поиске и реализации подходов корганизации такого обучения в соответствии с индивидуальными способностями студентов.Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: разработать форму дистанционного обучения в режиме веб-конференции сприменением модели индивидуализации обучения каждого студента, использующей доступную информацию о студенте и о сложности предлагаемых заданий; разработать математическое обеспечение информационной системы, поддерживающей предложенную модель индивидуализации обучения;3разработать программный комплекс, реализующий обучение в форме вебконференции, имеющий средства проверки знаний студентов и включающий в себя указанную информационную систему; реализовать удобный пользовательский интерфейс программного комплекса, позволяющий проводить учебные веб-конференции, управлять учебнымпроцессом, создавать и редактировать учебные задания.Объектом исследования является математическое и программное обеспечение дистанционного обучения в режиме реального времени.Предметом исследования являются математические модели, используемые для построения учебного процесса в режиме реального времени, и программные средства, реализующие поддержку дистанционного обучения с применением данных моделей.Область исследования формулируется согласно пунктам паспорта специальности 05.13.11:- модели, методы, алгоритмы, языки и программные инструменты для организации взаимодействия программ и программных систем;- человеко-машинные интерфейсы; модели, методы, алгоритмы и программные средства машинной графики, визуализации, обработки изображений,систем виртуальной реальности, мультимедийного общения.Методологическая и теоретическая основа исследованияДля решения поставленных задач использовались следующие методы: длярешения теоретических задач – методы нечеткой логики, нейронные сети, численные методы; для практической реализации – методы объектноориентированного программирования с использованием различных технологийи языков программирования.Научная новизна работы заключается в том, что в данной работе разработан программный комплекс поддержки дистанционного обучения в режиме вебконференции, предоставляющий возможности для изучения различных дисциплин в режиме реального времени и обладающий экспертной системой, позволяющей выстроить учебный процесс с учётом индивидуальных способностейкаждого студента.Научная новизна состоит в следующих положениях:1.

Создан программный комплекс MathConference, реализующий обучениев режиме веб-конференции и обладающий средствами и инструментами дляпроверки знаний по различным дисциплинам. Разработан принцип взаимодействия участников веб-конференции при проведении занятия в режиме реальноговремени, включая одновременное пошаговое решение учебных заданий подконтролем преподавателя, и созданы соответствующие элементы интерфейса.2.

Предложен метод организации учебного процесса путем создания различных уровней сложности заданий для одного и того же занятия, а также проведения раздельных занятий с группами студентов, сформированных в соответствии со сложностью наборов заданий, включенных в каждый уровень. Разработаны структура и математическое описание нечеткой экспертной системы,4позволяющей реализовать предложенную форму учебного процесса. Даннаяэкспертная система рассчитывает рекомендуемый уровень сложности каждогозанятия для каждого студента, что позволяет автоматически составлять расписание занятий, формируя группы студентов с близким уровнем подготовки.3.

Разработаны структура и принципы взаимодействия компонентов информационной системы, предложены принципы хранения и представлениямультимедийных материалов учебных заданий, предназначенных для решения врежиме реального времени под контролем преподавателя.Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается экспериментальной проверкой работы разработанной информационной системы, а также использованием разработанного комплекса программ в учебных заведениях.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1.

Метод индивидуализации траектории обучения студента при обучении врежиме веб-конференции и принцип построения индивидуальной траекторииобучения посредством выбора рекомендуемого уровня сложности заданий длякаждого студента перед проведением занятия.2. Структура и математическое обеспечение функционирования иерархической нечеткой экспертной системы, реализующей предложенную математическую модель индивидуализации на основе методов нечеткой логики и нейронных сетей. Данная экспертная система обрабатывает экспертную информациюоб уровне сложности каждого занятия и данные об успеваемости студентов иавтоматически составляет расписание занятий, в котором каждому студенту назначен рекомендуемый уровень сложности занятий.3. Программный комплекс системы дистанционного обучения, объединяющий систему поддержки веб-конференций и разработанную экспертнуюсистему и обеспечивающий дистанционное обучение в режиме реального времени; принципы создания, архитектура и требования к компонентам программного комплекса.4.

Принципы работы с компонентами пользовательского интерфейса разработанного программного комплекса, предназначенными для проведения занятийв форме веб-конференции, управления учебным процессом, просмотра результатов обучения, создания учебных заданий.Практическая ценность результатов работы состоит в том, что разработанный программный комплекс позволяет осуществлять дистанционное обучение различным дисциплинам в режиме реального времени посредством обменааудио- и видеоданными и совместной работы с мультимедийными объектами.Благодаря этому становится возможным проводить занятия в онлайн-режимепри непосредственном участии преподавателя. Внедрение разработанной системы позволяет:- проводить занятия со студентами, не имеющими возможности очно присутствовать в институте (студенты-инвалиды, студенты филиалов, студентызаочной формы обучения);5- проводить различные виды занятий: лекции, практические занятия, а также дополнительные занятия и консультации без необходимости присутствияучастников в учебном заведении;- организовывать эффективный учебный процесс благодаря наличию в составе комплекса экспертной системы, позволяющей индивидуализировать процесс обучения каждого студента.Апробация результатов исследованияОсновные результаты диссертационного исследования докладывались наследующих конференциях и семинарах: Научно-техническая международная молодежная конференция «Системы,методы, техника и технологии обработки медиаконтента» (Москва, МГУП им.И.