CC BY
30
ДИАГНОСТИКА УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Учебная деятельность, диагностика, пазлы, конструирование, обучаемость, проблемная среда.
Конструирование пространственных объектов является тем видом деятельности, которым будущие представители точных наук должны владеть в совершенстве, так как специфика профессиональной деятельности требует хорошо развитой функции воображения и зрительного синтеза. Поэтому проблема создания инструмента для диагностики способности студентов физико-математических и инженерных специальностей вузов к конструированию пространственных объектов в воображении является актуальной и важной как с точки зрения профессиональной ориентации, так с точки зрения организации учебного процесса. Представляет также интерес связь базовых когнитивных функций (дифферен-цировки, распознавания, направленного внимания, скорости обработки информации, оперативной памяти) мозга (БКФМ) [Гнездицкий, 1997] обучающихся с динамическими характеристиками решения задач по конструированию пространственных объектов.
Учебная деятельность в процессе конструирования пространственных объектов происходит либо в виде мысленных манипуляций (преобразований) модели задачи, либо в виде предметных или материализованных действий путем проб и ошибок. В первом случае учебная деятельность осуществляется мысленно, с опорой на внутренний контекст, во втором — с опорой на внешний контекст или реакцию среды. Недостаточность БКФМ обучающихся обусловливает, как правило, второй путь научения.
Конструирование пространственного объекта из фрагментов осуществляется в специальной проблемной среде «Динамические пазлы», реализованной на базе компьютерной системы автоматического управления учебной деятельностью [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229-237]. Задание состоит в сборке чертежа из 25 фрагментов. Обучающийся может совершать три вида действий: 1) просмотр фрагментов в специальном окне; 2) установка выбранного фрагмента на рабочее поле; 3) отмена установленного ранее фрагмента. Задание, которое выполняет испытуемый, одно и то же. Оно повторяется до тех пор, пока деятельность по сборке объекта не станет безошибочной.
Несмотря на то что задание одно и то же и потенциально проблемная среда одинакова для всех обучающихся, реальная проблемная среда зависит как от поведения (учебной деятельности), так и от личности обучающегося. Это обусловлено тем, что поведение обучающегося является саморегулируемым и взаимосвязанным с проблемной средой и личностью обучающегося.
Учебная деятельность рассматривается как определенный способ взаимодействия обучающегося с проблемной средой. Генеральной функцией учебной деятельности является продуцирование обучающимся новой информации, необхо-
димой для поиска решений задач или проблем. Деятельности отводится опосредующая роль между внешними и внутренними условиями.
Как указывал С.Л. Рубинштейн, «...структура деятельности человека есть внешнее проявление структуры мыслительной деятельности, ее психической сути. То есть структура деятельности есть отражение структуры психических процессов, протекающих при этом и неразрывно связанных. Это две стороны одной медали» [Рубинштейн, 1958, с. 350].
Саморегуляция учебной деятельности осуществляется через изменение частоты подачи информации о величине рассогласования текущего и целевого состояния решения задачи. Если относительная частота правильных действий при ¿-й попытке собрать чертеж увеличивается, то частота подключения датчика рассогласования «расстояния до цели» при ¿+1-й попытке уменьшается, и наоборот: частота подключения датчика будет увеличиваться, если доля правильных действий будет уменьшаться. В процессе выполнения заданий ведется скрытое протоколирование действий обучающегося. Программа обработки протоколов деятельности обучающихся в проблемной среде представляет собой электронную книгу, содержащую информацию о деятельности обучающихся как в текстовом (табличном), так и в графическом представлении [Бортновский и др., 2010, с. 10-18].
Проведенный в ходе исследования эксперимент состоял в сопоставлении результатов психофизиологического обследования обучающихся методом когнитивных вызванных потенциалов Р300 [Гнездицкий, 1997] и результатов, полученных при обработке протоколов деятельности обучающихся в проблемных средах.
Вызванные потенциалы (ВП) являются индикаторами электрических процессов работы мозга, связанных с механизмами восприятия информации, ее обработки. Одной из таких методик, значительно продвинувших анализ этих процессов, является методика когнитивных вызванных потенциалов, или методика Р300. Сущность этой методики заключается в том, что выделяются не просто ответные реакции на тот или иной стимул, связанные с приходом афферентации, а анализируются эндогенные события, происходящие в мозгу, связанные с опознанием стимула, его дифференциацией, удержанием в памяти и пр. Все, что создает сущность когнитивных процессов.
Для регистрации и обработки когнитивных вызванных потенциалов использовался аппаратно-программный комплекс МВП «Нейрософт» (Иваново, Россия). Методика Р300 основывалась на подаче в случайной последовательности звуковых сигналов двух типов, отличающихся по частоте, среди которых были значимые и незначимые. Соотношение значимых стимулов и незначимых 1:3. Студенты выделяли значимые стимулы. При анализе ВП учитывались следующие показатели по степени значимости: качественные изменения в характере ответа — изменение формы ответа, нестабильность при выделении и количественные показатели — латентность пика РЗ, амплитуда пика РЗ, латентность пика № 2, амплитуда № 2.
В компьютерном эксперименте участвовало 150 студентов первого курса КГПУ и СФУ, включая студентов (63 испытуемых), прошедших нейрофизиологическое обследование БКФМ. Функции вознаграждения г(Ь) [Дьячук, Шадрин, 2008, с. 229—237] вычисляются из обработки данных синтаксической информации о деятельности обучающегося.
Проследим, какие отличия имеют место в способах осуществления деятельности в проблемной среде для этих обучающихся. Поиск решения задачи при выполнении первого задания в проблемной среде осуществляется при незамедлительном предъявлении информации о рассогласовании между текущим и целевым состояниями. Графически учебная деятельность в пазловой проблемной среде для первого выполнения задания обучающимися 001 и 002 представлена на рис. 1 функциями вознаграждения г(Ь).
Рис. 1. Функция вознаграждения при выполнении 1-го задания масштаба времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002
Из сравнения функций вознаграждения или траекторий деятельности видно, что обучающийся 002 совершает больше неправильных действий по сравнению с обучающимся 001 (рис.1). Энтропия его деятельности значительно выше, чем энтропия деятельности обучающегося 001 [Дроздова, Дьячук, 2007, с. 168-175].
Сравним траектории деятельности этих обучающихся после выполнения серии заданий. В качестве примера рассмотрим траектории прохождения четвертого задания (рис. 2). Видно, что обучающийся 001 совершает действия, последовательно приводящие его к решению задачи. В отличие от него, обучающийся 002 продолжает хаотичную деятельность — энтропия высока. На основании этих данных делаем вывод, что ценность состояния обучающегося 001 выше (он не нуждается в помощи со стороны проблемной среды), чем обучающегося 002.
а б
Рис. 2. Функция вознаграждения при выполнении 4-го задания масштаба времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002
Построим график функции ценности состояния в зависимости от количества выполненных заданий. Мерой ценности состояния обучающегося в проблемной среде является величина I = 1 — Н, где Н— энтропия деятельности. На рис. 3 представлена уровневая траектория для обучающегося 001 и обучающегося
002. Засечки на графике обозначают выполненное задание.
■м -м
а о
Рис. 3. Функция ценности состояния в масштабе времени: а - обучающийся 001; б - обучающийся 002
В компьютерном эксперименте все обучающиеся достигают десятого уровня. Но обучающемуся 001 потребовалось всего четыре задания (при выполнении пятого задания функция ценности состояния максимальна) для усвоения требуемой информации, в то время как обучающемуся 002 потребовалось выполнить восемнадцать заданий.
Рассмотрим скорость обучения, или обучаемость, по отношению к количеству выполненных заданий и к затраченному времени:
Л1 Л1
АТ’ 1)п~ N ’
где Л1 — количество усвоенной информации (для приведенной проблемной среды условно примем Л1 = 25 бит); ЛТ — время, затраченное на прохождение заданий; Н — значение динамического порога. На рис. 4 представлена диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей у" и V по результатам выполнения первого задания, нормированных на средние значения: V и V. .
2,0
1,0
0,0
*Л
Щ • ► • * • •
• ** • «• * с* •V-*
* **Л * % $** * 1-
0,0
1,0
X о
VII!
Рис. 4. Диаграмма рассеяния обучающихся в пространстве скоростей при выполнении 1-го задания
Анализ диаграммы рассеяния на рис. 4. позволяет предположить, что корреляция параметров д и ^ неоднородна. В группе обучающихся с минимальным и средним значением V показатели V и положительно связаны между собой: в среднем чем выше V , тем выше 0^ .
В группе обучающихся с высокими значениями V связь между этими показателями заметно ниже, поскольку высокий уровень V характеризуется широким размахом значений . Определим значения коэффициента корреляции для
этих групп: гв = 0,473 для первой группы; гв = 0,245 для второй группы.
Низкая информационная продуктивность деятельности при выполнении задания обусловливает потребность в дополнительном времени на обдумывание действий. Но высокий уровень V не гарантирует высоких показателей . Добавим, что, как видно на приведенной диаграмме (рис. 3), наивысшие показатели обучаемости по времени тем не менее демонстрируют обучающиеся с максимальным значением д„ .
"1
В ходе эксперимента в группе студентов из 63 человек, кроме компьютерной диагностики, была проведена нейрофизиологическая диагностика БКФМ. Средний возраст студентов составил 17—18 лет. После анализа ВП были выделены три группы.
В группе из 36 человек, что составило 57 % от числа обследованных, показатели БКФМ соответствовали норме, что свидетельствует о том, что процессы опознания, дифференцировки, направленного внимания и объем оперативной памяти не страдают.
В группе из 15 человек, что составило 24 % от числа обследованных, отмечались нарушение процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти.
В группе из 12 человек, что составило 19 % от числа обследованных, отмечались нарушения ответа в виде удлинения пика РЗ и слабо выраженного пика № 2 (снижение амплитуды, удлинение латентности № 2), что свидетельствует не только о снижении объема оперативной памяти и направленного внимания, но и о нарушении процессов опознания и дифференцировки.
В таблице приведены обобщенные данные, иллюстрирующие различия в показателях осуществления учебной деятельности обучающимися с разным уровнем развития базовых когнитивных функций мозга. Видно, что обучающимся с нарушенными функциями необходимо в два раза больше заданий (повторений одной и той же деятельности), чем тем, у кого функции мозга не страдают.
Интерес представляет среднее время, затраченное на совершение каждого действия, связанного с установкой или отменой фрагментов. Именно эти действия составляют основу конструирования пространственных объектов в рассматриваемых проблемных средах. Пятый столбец таблицы иллюстрирует отличия обучающихся в осуществлении деятельности по этому параметру. Обучающиеся третьей группы совершают действия с наименьшим интервалом. Это говорит о том, что функциональная недостаточность процессов опознания и дифференцировки в совокупности со снижением объема оперативной памяти и нап-
равленного внимания не позволяют им конструировать требуемое изображение «в голове».
Для компенсации такого рассогласования у обучающегося возникает потребность скорее перенести фрагмент на рабочее поле и, исходя из фактической ситуации, выбрать необходимое действие. Обучающиеся второй группы нормально опознают и дифференцируют предлагаемые фрагменты изображения, но дисфункция процессов направленного внимания и снижение объема оперативной памяти требуют дополнительного ресурса времени для принятия решения о совершении действия.
Таблица
Доля обучающихся, % Среднее количество выполненных заданий Среднее время, затраченное на обучение, мин. Среднее время принятия решения, с
Группа 1 57 7 29 3,6
Группа 2 24 9 36 4,2
Группа 3 19 14 45 2,9
Таким образом, сравнительный анализ данных нейрофизиологической диагностики БКФМ с данными компьютерной диагностики учебной деятельности обучающихся в проблемных средах, пооперационно сохраненной в протоколах прохождения заданий, выявил, что одной из причин возникающих проблем в обучении студентов является недостаточный уровень развития БКФМ.
Практическая значимость проведенного исследования состоит в создании компьютерных систем первичной диагностики способности студентов к конструированию пространственных объектов, что позволяет: во-первых, решать проблему профессиональной ориентации обучающихся; во-вторых, давать рекомендации для индивидуализированного обучения; в-третьих, в случае обнаружения недостаточной обучаемости конструированию пространственных объектов направлять обучающихся на нейрофизиологическое обследование для уточнения затруднений и определения корректирующих мероприятий.
Библиографический список
1. Бортновский С.В., Дьячук П.П., Шадрин И.В. Система автоматического управления целенаправленной деятельностью «Тг@сК» // Открытое образование. 2010. № 3.
2. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. Таганрог, 1997. 252 с.
3. Дроздова Л.Н., Дьячук П.П. Диагностика динамики когнитивных стратегий поиска решения задач и когнитивных функций мозга студентов в процессе обучения // Материалы межд. конф. Proceedings «Competences and teacher competence», Osijek, 18th 19th April 2007e.
4. Дьячук П.П., Шадрин, И.В. Динамическая информационная система управления и диагностика обучаемости // Информационные технологии моделирования и управления. 2008. № 2(45).
5. Рубинштейн С.Л. О мышлении и путях его исследования. М., 1958.
