Автоматизированные системы управления учебным процессом в вузе

    Объем учебного плана в часах известен, можно перевести его в элементы. Тогда, разместив элементы в порядке убывания групповых весов элементов учебного плана, нужно отобрать в учебный план R первых элементов, где R - объем учебного плана в элементах. Затем проводится экспертный опрос по связям между выбранными в учебный план элементами.

    При таком алгоритме работы не учитываются  связи между модулями. Связи между  модулями, попавшими в учебный  план, оцениваются после отбора содержания, поэтому может проявиться информационная недостаточность для изучения некоторых  модулей, т.к. необходимые для них в качестве информационной базы элементы-предки могут иметь недостаточно высокий групповой вес.

    Для разбиения учебного плана на семестры предложен следующий алгоритм.

    Первый  этап - удаление контуров в графе  связей учебного материала (граф строится на основе экспертных оценок). Из контуров удаляются дуги с наименьшим весом.

    Второй  этап - разбиение графа без контуров на слои.

    Третий  этап - размещение элементов учебного плана по семестрам. Алгоритм размещения: для первого семестра берутся  элементы первого слоя, затем, при незаполненности семестра, в него включаются элементы следующего слоя, такие, что сумма весов дуг, попавших в один семестр, минимальна. Сумма весов дуг считается штрафом, который нужно минимизировать. Если семестр переполнен, то элементы из него переносятся в следующий семестр по тому же правилу, т.е. переносятся те элементы, вес дуг которых минимален.

    В данной работе поставлена многокритериальная задача. Сначала производится отбор  элементов в план по критерию максимального  суммарного группового веса. Затем устанавливаются связи между отобранными в план элементами и распределение элементов по семестрам осуществляется по критерию минимального суммарного штрафа за дуги из разных слоев, попавшие в один семестр, и за дуги одного слоя, попавшие в разные семестры.

    В предложенном алгоритме расположения по семестрам элементов плана  учебного процесса можно отметить следующие  недостатки:

• размер учебного элемента имеет фиксированную величину. В этом случае логическое разбиение дисциплины на учебные элементы может быть сопряжено с определенными трудностями в случае, если какой-либо раздел в дисциплине представляет собой единую крупную цельную единицу. А при искусственном мелком дроблении таких разделов может возникнуть трудность при установлении связей.
• отмечено, что коэффициенты относительной важности целей учебного процесса и веса целей определяются с помощью экспертов, но не изложены принципы определения этих коэффициентов, а так как цели разных уровней представляют собой абстрактные понятия, это может вызвать определенные трудности в понимании поставленной перед экспертами задачи, и, следовательно, большой диапазон разброса экспертных оценок.
• при отборе содержания обучения не учитываются связи между отдельными элементами  учебного плана, а учитывается только их вклад в достижение цели (приобретение навыков). Тогда из учебного плана могут оказаться исключенными модули, которые имеют невысокие коэффициенты относительной важности для достижения цели, но на них базируется изучение модулей-потомков. В этом случае содержание учебных модулей все равно придется изложить, но при этом уменьшится отрезок времени на изучение следующих за ними модулей, что не может благоприятно сказаться на их усвоении.
• не учитывается принадлежность некоторых элементов одному предмету. Если два элемента одной дисциплины попадают в один семестр, то вес данной дуги к штрафу можно не прибавлять, так как в этом случае сохраняется логичность изложения материала. Продолжительность элемента не будет определяться длиной семестра. Так, если в семестр попали два элемента одной дисциплины равного объема, то каждый из них будет изучаться половину семестра. В данной ситуации критерий становится противоположным критерию минимизации временных разрывов, который предлагается в данной работе и будет рассмотрен в п. 1.6.2.,  так как при соответствии интенсивности изложения дисциплины максимально допустимой желательно, чтобы связанные между собой элементы одной дисциплины попадали в один семестр. При этом временной разрыв между ними в неделях будет равен нулю. Чем теснее связь между элементами в этом случае, тем лучше усвоение материала.
• не рассмотрены ограничения, налагаемые на учебный план.

1.5.3. Составление планов вузов на основе связей между модулями.

    Алгоритмы оптимизации учебных планов на основе связей между модулями рассмотрены в работах [10,16,26,46,50,51,57,67,68,78]. В этих работах задача решается на объеме модулей, равном объему учебного плана.

    В большинстве работ предлагается сначала на основе графа связности  учебного материала установить логичность изложения, т.е. порядок изучения учебных модулей. При этом для каждого модуля определяется временной промежуток возможного изучения. Затем по выбранному критерию оптимизации модули распределяются по неделям.

    Во  всех перечисленных выше работах, кроме [26], связь между модулями - величина логическая, т.е. фиксируется только наличие или отсутствие связи. 

    Для уменьшения размерности задачи использовались следующие методы усечения исходной информации:

• устранение контуров в графе связности [45,48,51,64,73];
• исключение несущественных (или эквивалентных) путей [48,51];
• исключение связей, перекрещивающих слои графа [51].

    В работах [48,51] предложен метод сокращения исходной информации на основе выбора существенных путей. Несущественным путем между двумя модулями называют путь, содержащий минимальное количество ребер графа. Т.е. если связи между модулями описаны следующим образом (рис. 1.7): 
 
 

    

          рис. 1.7

то путь между модулями 1 и 2 ,состоящий из одного ребра графа, считается  несущественным и ребро 1-2 исключается из графа. При этом логичность изложения материала сохраняется и для поставленной в работах задачи, а именно: установить порядок следования модулей с сохранением логичности изложения материала, такая трансформация графа не оказывает влияния на достижение результата.

    Но  для поставленной нами цели, а именно: логичное расположение модулей и  минимизация суммарной величины временных разрывов между модулями с учетом тесноты связи между ними, такая постановка задачи не пригодна, т.к. удаление из графа связей искажает картину передачи информации.

    В работе [48] можно отметить следующие недостатки, которые значительно сокращают область построения решения:

• разделы изучаются одинаковое количество времени;
• число предметов в заданный интервал времени неизменно и одинаково в течение всего процесса обучения;
• не учитывается множество ограничений на план;
• все логические связи между разделами равноценны (и равны 1, если связь есть).

    В качестве критерия оптимизации в  работе предложено два критерия.

    Критерий  минимизации временных разрывов между разделами:

                              , (1.5)

    где n - число разделов,

          l(i,j) - длина дуги между разделами i и j.

    Критерий, учитывающий количество забываемой информации:

                       , (1.6)

    где - количество забываемой информации между разделами i и j за время t,

    U - множество связей между разделами.

    При линейном разложении :

                    , (1.7)

    где -  количество информации, сформированной в разделе i и необходимой для изучения раздела j

     - константа, зависящая от статистических характеристик забывания.

    Тогда критерий оптимизации:

                     , (1.8)

    В работе  [51] предложен еще один метод усечения исходной информации: исключение связей, перекрещивающих слои графа. Допустим, мы имеем следующий граф связности (рис. 1.8): 
 

    

    

    

          рис. 1.8

    При таком расположении связей в графе  связь 1-8 пересекает слой графа 4-7. По предложенной в работе методике ее можно заменить  связью 1-6 или 2-8, которые сохранят последовательность изложения модулей. В этом случае связи 1-6 или 2-8 несут в себе информативную нагрузку не нарушения логичности изложения учебных модулей. Для поставленной в работе задачи (сохранить логичность изложения) это условие вполне приемлемо.

    После трансформации исходного графа  происходит назначение модулей по номерам  недель следующим образом. В полученном графе, в котором ребра образуют модули с известной продолжительностью (максимальная интенсивность изучения дисциплины устанавливается кафедрой), ищется критический путь. Именно он и определяет продолжительность обучения в вузе. В случае, когда длина критического пути больше, чем срок обучения в вузе, исследуется возможность увеличения интенсивности обучения. Если это невозможно, то перестраивается содержание дисциплин и, следовательно, связи между ними.

    Данная  работа не охватывает весь объем задачи построения учебного плана вуза, т.к. не учитывается множество ограничений, налагаемых на учебный план. Кроме  того, продолжительность изучения модуля при такой постановке задачи должна быть известна продолжительность изучения модуля, что является значительным неудобством, т.к. создает необходимость многократного пересмотра продолжительности изучения различных разделов.

    В качестве критерия оптимальности в работах [48,51,57,73] предложена равномерная загрузка студентов в течение всего периода обучения, в работах [67,68] - равномерность самостоятельной работы студентов.

    В работах [4,26] наиболее полно сделана математическая постановка задачи оптимизации учебного плана. Описано множество ограничений, налагаемых на план. В качестве критерия предложен критерий минимизации временных разрывов между разделами с учетом тесноты связи. Предложен метод решения задачи по принципу динамического программирования.

    После анализа разработок в области  составления учебных планов можно  сделать следующие выводы.

• В большинстве работ не рассматривался весь комплекс ограничений, налагаемых на учебный план [10,48,50,51,65,67,68,73,74].

      Это связано, прежде всего,  с тем, что ранее существовали  значительно более жесткие ограничения  на размерность задачи в связи  с ограниченными ресурсами ЭВМ, а именно, эти ограничения были обусловлены малым размером оперативной памяти и низким быстродействием.

    Размерность поставленной задачи следующая: один учебный  план разбивается приблизительно на сто модулей. Соответственно матрица  связей - это квадрат числа модулей. При переборе возможных вариантов заполнения семестров при расчете плана 27.03.00 даже при отбросе неперспективных вариантов и дальнейшем рассмотрении только 20 записей после каждого семестра количество записей в базе вариантов было 7135. Обработка задач такой размерности может потребовать значительного промежутка времени для расчета. При современном уровне развития электронно-вычислительной техники, когда быстродействие ПЭВМ возросло многократно, временное ограничение становится менее жестким и ресурсов персонального компьютера становится достаточно, чтобы решить поставленную задачу за разумное время. Наиболее полно комплекс ограничений, налагаемых на план, описан в работе [26]. Данная математическая постановка взята за основу при решении задачи.

• Во всех ранее предлагавшихся вариантах решения задачи оптимизации учебных планов вузов на основе графа связности модулей усекаются исходные данные (исключаются связи), часто даже в том случае, когда в критерий оптимизации включена длина связи [16,48,51].
• Во многих работах используется анализ связей между учебными модулями, но не учитывается теснота связи [10,41,48,50,51,65,68,67,73].

    Это не полностью отражает структуру  учебного материала, т.к. связь может  быть сильной или слабой. Информационная связанность дисциплин влияет на усвоение материала. Чем дольше нет повторения изученного материала, тем больше он забывается. Поэтому при построении учебного плана сильно связанные между собой модули нужно расположить как можно ближе друг к другу во времени. При возникновении ситуации, когда невозможно построение учебного плана с соблюдением всех ограничений, необходимо иметь информацию о тесноте связи для того, чтобы минимальными нарушениями достигнуть решения задачи.

• В работах, где связь между модулями характеризуется весовым коэффициентом, не описана методика его определения [16,17,26,73].
• Задача синтеза плана ставилась только в случае составления учебных планов на основе дерева целей подготовки специалиста [17,37,38,45,63]. Критерием служил функционал максимизации суммы весовых коэффициентов модулей. Отбор учебных модулей в план производился до построения графа связности. Это может привести к исключению из графа модулей, которые предоставляют информацию для  изучения информационно связанных с ним модулей-потомков.
• Использование оптимизации по нескольким критериям проводилось только в работе [16], но здесь ставилась задача логичности изложения дисциплин плана во времени и оптимизация работы подразделений вуза, т.е. выравнивания нагрузки кафедр.
• В публикациях по теме модульного обучения [3,75] поощряется многократное дублирование материала.

    После анализа этих работ можно сделать  вывод, что задача синтеза учебного плана на основе полного графа  связности учебного материала и  с учетом ограничений, налагаемых на учебный план, ранее не ставилась.  Сделаем математическую постановку этой задачи.

1.6. Математическая постановка задачи синтеза учебных планов вузов

 

    Пусть все возможное содержание обучения представлено в виде множества дисциплин, которые, в свою очередь, состоят из учебных модулей.