Когнитивное моделирование образовательной системы Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

ПЕДАГОГИКА

йО!: 10.34216/2073-1426-2019-25-2-6-10 УДК 378.22

Гарькина Ирина Александровна

доктор технических наук, профессор

Данилов Александр Максимович

доктор технических наук, профессор Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

[email protected], датрдиав @таИ.ги

КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Определяются подходы к когнитивному моделированию системы образования как сложной системы модульной архитектуры с соответствующими системными атрибутами. Модульная иерархическая структура собственно образовательной системы строится по иерархической структуре множества частных критериев. Указываются методологические принципы оценки качества образовательной системы. Подчеркивается: измерение показателя меняет саму систему, что делает контроль неэффективным. Показывается недостаточная эффективность оценки образовательного учреждения на основе лепестковой диаграммы: возможна деформация системы образования путем перераспределения показателей. Предполагается возможность последовательного улучшения показателей качества образовательной системы на основе использования кумулятивных кривых Парето. Множество всех формируемых компетенций рассматривается как векторный критерий для оценки качества подготовки обучающихся. Дается иллюстрация формирования компетенций на примере изучения магистрантами дисциплины «Математическое моделирование сложных систем».

Ключевые слова: сложные системы, система образования, когнитивное моделирование, методологические принципы, модульная структура, формирование компетенций.

Повышение качества образования возможно лишь на основе использования системных методологий при решении многокритериальной задачи [8; 3]. Очевидна целесообразность анализа образовательного учреждения (с присущими ему активностью, самоорганизацией, нестационарностью, неопределенностью) как сложной системы с системными атрибутами с использованием технологии когнитивного моделирования с построением когнитивной карты (модель системы в виде взвешенного графа, отображающего связи между выделенными базисными факторами). Когнитивное моделирование (входными являются базисные факторы, тенденции их изменения и взаимовлияния) позволяет исследовать эволюцию ситуации: саморазвитие (развитие объекта при сохранении существующих тенденций) и управляемое развитие (развитие с учетом управляющих воздействий в направлении заданной цели) объекта. С точки зрения системного анализа образовательная система является подсистемой надсистемы «Национальные интересы страны» [9] (задачи образовательной системы вытекают из задач надсистемы). Ее качество оценивается по векторному критерию (иерархическая структура критериев качества): образовательная система должна обеспечить реализацию программ, определяемых надсистемой. Лишь в соответствии с введенной иерархией критериев и выделенными рациональными комплексами решаемых задач далее должна строиться иерархия образовательной системы с оценками ее элементов. Она и должна служить основой перспективного развития всей системы и отдельных ее подсистем. Подсистемы образовательной системы должны обеспечить

реализацию требований программ, определенных надсистемой, и реагировать на все происходящие изменения.

Важными этапами когнитивного моделирования являются:

- получение структурированных знаний о функционировании системы;

- моделирование сценариев;

- определение, выбор и ввод в модель эффективных управляющих воздействий (с использованием классических методов инвестиционного анализа выбираются наиболее эффективные);

- определение оптимальных точек приложения усилий для достижения поставленных целей;

- мониторинг внутренней и внешней среды функционирования системы (уточняющая и новая информации);

- совершенствование управления учебным процессом высшего учебного заведения (системы) в условиях рыночной экономики.

В последнее время наблюдается прагматический упор на внедрение старых достижений теорий с целью скорейшего получения прибыли. Однако исчерпание без восполнения ресурсов теории чреваты тяжелыми последствиями (особенно при управлении очень сложными и глобально распределенными системами в рамках целых государств). Для выхода из неблагоприятных ситуаций в развитии мира и его компонент необходимы новые фундаментальные открытия. Нужны «... специалисты, владеющие всей гаммой фундаментальных знаний, использующих сложные абстрактные (математические) понятия высокого уровня» (S.W. Hawking).

Совершенно очевидно, что качество подготовки специалистов в ВУЗах, прежде всего, определяется

6

Вестник КГУ 2019

© Гарькина И. А., Данилов А.М., 2019

востребованностью выпускников на рынке труда, потребностями производственной сферы. В.И. Арнольд справедливо отмечал: «... без науки нет производства, без производства - нет науки; задача государства - разрешить этот порочный круг». Нельзя серьезно говорить о качестве образования (комплексная характеристика: отражает диапазон и уровень образовательных услуг, предоставляемых населению в соответствии с интересами личности, общества и государства) без существенного повышения уровня фундаментальной подготовки выпускников ВУЗов и методики обучения; качество образования и методика обучения неразрывно связаны.

С системных позиций образовательную систему можно рассматривать и исходя из теории центральных мест [2]. По мере продвижения вверх по лестнице образования число учебных центров уменьшается, а количество обучающихся растет. Тип иерархии определяется количеством центральных мест следующего более низкого уровня иерархии, подчиненных одному центральному месту. С позиций теории центральных мест образовательный процесс основывается на совокупности обобщенных положений, определяющих место узлов (центральных мест) в изучаемой дисциплине для формирования компетенций. Траектория обучения неоднозначна: определяется, как преподавателем, так и обучаемым, с учетом связей между узлами.

Образовательная система в целом, равно как и отдельная дисциплина, могут рассматриваться как сложные системы с присущими им механизмами взаимодействия со средой, иерархичностью системы, многоаспектностью описания системы как динамичной, развивающейся целостности. Логическая взаимосвязь и взаимообусловленность последовательности изучения отдельных разделов (как центральных мест) дисциплины определяют познавательную деятельность студента на достижение конечных целей учебного процесса - формирование компетенций для конкретной области

профессиональной деятельности. Этим и определяется алгоритм, описывающий траекторию образовательной деятельности обучающегося (фактически, сетевая модель обучения). Предполагается, что каждая дисциплина и цикл дисциплин в учебном плане занимает строго определенное место (план строго структурирован).

Исходя из внутренней логики дисциплины, определяется типовая последовательность изучения дисциплин в виде структурно-логической схемы (возможно с разбивкой по семестрам). При структурировании учебного плана предполагается, что:

- общее количество дисциплин, изучаемых в течение календарного года, не должно превышать нормативных значений;

- последовательность изучения дисциплин определяется по взаимосвязям между дисциплинами;

- каждая дисциплина изучается непрерывно на выбранном промежутке времени.

Известно, в основе проектирования любой сложной системы лежит иерархическая структура критериев качества для ее оценки. При компетент-ностном подходе к образовательной системе оценка качества осуществляется на основе выделенных компетенций по каждой дисциплине. В частности, при подготовке магистров по направлению «23.04.01. Технология транспортных процессов» по дисциплине «Математическое моделирование сложных систем» предполагается формирование компетенций ОПК-1, ОПК-2, ПК-8 (табл. 1).

Для достижения соответствующих показателей формирования этих компетенций целесообразно использовать иерархическую структуру обучения дисциплине (фрагмент иерархической структуры подготовки магистров), приведенную на рисунке 1.

При изучении курса «Математическое моделирование сложных систем» ключевыми являются: оценка качества систем, структурная и параметрическая идентификация, методы моделирования и оптимизации многокритериальных систем. Указанные понятия фактически можно рассматривать

Таблица 1

Формирование компетенций ОПК-1, ОПК-2, ПК-8

Формируемая компетенция Знает Умеет Владеет

ОПК-1: способность формулировать цели и задачи исследования, выявлять приоритеты решения задач, выбирать и создавать критерии оценки основы системного анализа, элементы квалиметрии применять методы экспертных оценок методами сведения многокритериальных задач к однокритериаль-ной с выбором весовых констант

ОПК-2: способность применять современные методы исследования, оценивать и представлять результаты выполненной работы методику построения моделей явлений и процессов осуществлять параметрическую идентификацию процессов и явлений методами идентификации (общая и частная задачи)

ПК-8: способность к проведению технологических расчетов транспортного предприятия с целью определения потребности в производственно-технической базе, персонале, материалах, запасных частях и других производственных ресурсах с целью их эффективного использования аналитические и численные методы решения прикладных задач осуществлять выбор и параметризацию моделей явлений и процессов аналитическими и численными методами решения задач

Педагогика. Психология. Социокинетика ^ ]4 2

Рис. 1. Фрагмент иерархической структуры подготовки магистров

Таблица 2

Примерные вопросы к промежуточной аттестации по дисциплине (формирование ОПК-1, ОПК-2, ПК-8)

Текст вопроса Элементы усвоения

Когнитивное моделирование Анализ системы

Ориентированные и взвешенные графы Графы

Максимальный поток. Полный путь Параметры графов

Количественная оценка параметров системы Параметры системы

Методы экспертных оценок Квалиметрия

Анализ парных статистических связей Парные связи

Множественная корреляция Множественная корреляция

Определение весовых коэффициентов Весовые константы

Коэффициенты Спирмена и Кендалла Парные связи

Детерминированные и вероятностные модели Типы моделей

Интервальное оценивание параметров распределения. Доверительный интервал и доверительная вероятность Интервальные оценки

Корреляционный и регрессионный анализ Корреляция и регрессия

Построение выборочных линейных уравнений регрессии Уравнения регрессии

Кривые регрессии, свойства Кривые регрессии

Общая задача идентификации. Входные и выходные переменные. Черный ящик Входные и выходные переменные

Параметрическая идентификация Определение параметров модели

Классификация систем массового обслуживания (СМО). Виды СМО

Виды потока событий. Простейший поток. Стационарный поток. Стационарный режим. Предельные вероятности Поток событий

Методы моделирования и оптимизации Методы моделирования и оптимизации

Постановка задачи оптимизации Формализованная оптимизация

Однокритериальная оптимизация Постановка задачи

Многокритериальная оптимизация Постановка задачи

Градиентные методы Градиентные методы

Линейное программирование Линейное программирование

Нелинейное программирование Нелинейное программирование

8

Вестник КГУ 2019

как некие узловые точки в обучении дисциплины. С позиций теории центральных мест [2] их можно рассматривать как некоторые центральные места, предоставляющие «услуги» в прилегающих областях знаний (структурно-логическая схема дисциплины; содержит все разделы дисциплины).

Естественно предположить существование некоторой оптимальной каркасно-сетевой структуры узлов, обеспечивающей доступ к ним с максимально быстрым перемещением между узлами для эффективного управления знаниями с привязкой ко времени изучения. Система узлов, естественно, обладает определенной иерархией, число уровней которой зависит от заданного уровня достижения освоения компетенции. С ростом уровня иерархии расширяется объем знаний внутри каждого узла. В таблице 2 указываются элементы усвоения формируемых компетенций.

Использование базы инженерных знаний обеспечивает готовность студента к самообразованию. Так база инженерных знаний в области строительства должна определяться с точки зрения оптимизации фундаментальной и практической подготовки инженера-строителя; должны соблюдаться принципы усиления межпредметных связей; логических взаимосвязей между отдельными дисциплинами в информационном пространстве; а также модульности [4; 6; 7]. При этом фундаментальная подготовка может осуществляться, исходя из непрерывности образования, с учетом междисциплинарных связей и при изучении дисциплин как общепрофессионального, так и профессионального модуля, а также дисциплин по выбору. Тогда и будет достигнута основная цель системы образования - подготовка специалиста, готового к исследовательской, проектной, организационной, предпринимательской деятельности, что должно сопровождаться личностно-развива-ющим подходом.

В основе современной парадигмы (Thomas Samuel Kuhn; смена парадигм; 1962) в образовании лежит компетентностный подход (формирует базовые и профессиональные компетенции для использования фундаментальных знаний, умений и навыков для решения практических проблем, возникающих в процессе их профессиональной деятельности). Появление новых технических возможностей облегчило поиск нужных сведений, ускорился процесс доступности и обработки информации, исчезли многие препятствия для общения и т.д. Но вместе с тем снижается ценность знаний, накопленных в голове человека: более нужным становится умение найти готовую информацию в электронной сети (обесценивается уже не только внутренний духовный мир человека, но и знания в голове).

Декомпозиция образовательной системы на основе когнитивного моделирования предполага-

ет учет областей приложения и категорий управления (например, в соответствии с элементами лепестковой диаграммы). Очевидна связь между идентификацией и синтезом: идентификация состоит в определении модели системы при неполной информации, а синтез - в построении системы управления по модели, которой она описывается (строго говоря, не осуществима в рамках какой-либо одной, даже очень сложной, модели; нужна система моделей), определяющая центральные задачи теории: связь между проблемами идентификации, синтеза и функционирования системы в целом, ее подсистем и элементов; технические, философские, гносеологические, экономические, математические и др. проблемы автоматизации, компьютеризации и информатизации.

Система менеджмента качества образования фактически является средством стратегического управления образовательным учреждением с учетом обратных связей с потребителями. Поэтому нельзя забывать, что любой экономический показатель перестает правильно отражать реальность, когда становится целью проведения экономической политики: любая попытка контролировать экономическую переменную может исказить эту переменную настолько, что сделает контроль неэффективным (закон Гудхарта (Charles Goodhart, 1975). Как только люди узнают о попытках контролировать какую-то экономическую переменную, они начинают всячески уклоняться от этого контроля. Измерение показателя меняет саму систему (участники системы всегда смогут улучшить требуемые показатели, не улучшая при этом работу самой системы). Так, стандартизация тестов для мониторинга образовательной системы приведет (фактически и приводит) к деформации системы образования и нацеливает именно на повышение среднего балла, а не на решение реальных задач, стоящих перед ней. Это относится и к оценке деятельности ВУЗов по лепестковой диаграмме; получение требуемой точности идентификации ОУ как открытой системы по лепестковой диаграмме не является бесспорной. Однако возможно последовательное уточнение показателей качества образовательной системы с использованием кумулятивных кривых (диаграмм; [1; 5]) В. Парето (Vilfredo Pareto,1897).

Заключение.

Определены методологические основы когнитивного моделирования образовательного учреждения как сложной системы с системными атрибутами.

Множество всех формируемых компетенций рассматривается как векторный критерий для оценки качества подготовки обучающихся.

Иерархическая структура образовательной системы строится по модульному принципу в соответствии с иерархической структурой множества частных критериев для оценки качества подготовки.

Педагогика. Психология. Социокинетика ^ № 2

9

Показывается возможность улучшения показателей качества образовательной системы на основе последовательного построения кумулятивных кривых (диаграмм) В. Парето.

Библиографический список

1. Бормотов А.Н. Принцип Парето в управлении качеством материалов / А.Н. Бормотов, А.П. Прошин, А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2002. - № 11. - С. 42.

2. Гарькина И.А., Данилов А.М. Образовательный процесс с позиций теории центральных мест // Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. - 2016. - № 2 (3).

3. Гарькина И.А., Данилов А.М. Системный подход к повышению качества образования // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова. Серия: Педагогика. Психология. Социальная работа. Ювенология. Социокине-тика. - 2013. - № 4. - Т. 19. - С. 4-7.

4. Гарькина И.А. Реализация компетентностно-го подхода при разработке рабочей программы по математике в техническом ВУЗе // Вестник Костромского государственного университета. Серия. Педагогика. Психология. Социокинетика. - 2018. -№ 1. - С. 95-98.

5. Гарькина И.А., Данилов А.М., Сорокин Д.С. Синтез композиционных материалов с позиций классической теории оптимального управления // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 9. -С. 1411-1416.

6. Данилов А.М., Гарькина И.А., Гарькин И.Н. Подготовка бакалавров: компетентностный подход, междисциплинарность // Региональная архитектура и строительство. - 2014. - № 2. - С. 192-199.

7. Данилов А.М., Гарькина И.А., Маркелова И.В. Междисциплинарные связи при компетентностном подходе к подготовке бакалавров // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. -С. 188.

8. Данилов А.М., Гарькина И.А. Образовательная система с позиций идентификации и управления // Региональная архитектура и строительство. - № 2 (16). - 2013. - С. 143-147.

9. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. - М.: СИНТЕГ. -2000. - 528 с.

References

1. Bormotov A.N. Princip Pareto v upravlenii kachestvom materialov / A.N. Bormotov, A.P. Proshin, A.M. Danilov, I.A. Gar'kina // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. - 2002. - № 11. - S. 42.

2. Gar'kina I.A., Danilov A.M. Obrazovatel'nyj process s pozicij teorii central'nyh mest // Vestnik PGUAS: stroitel'stvo, nauka i obrazovanie. - 2016. -№ 2 (3).

3. Gar'kina I.A., Danilov A.M. Sistemnyj podhod k povysheniyu kachestva obrazovaniya // Vestnik Kostromskogo gosudarstvennogo universiteta im. N.A. Nekrasova. Seriya: Pedagogika. Psihologiya. Social'naya rabota. YUvenologiya. Sociokinetika. -2013. - № 4. - T. 19. - S. 4-7.

4. Gar'kina I.A. Realizaciya kompetentnostnogo podhoda pri razrabotke rabochej programmy po matematike v tekhnicheskom VUZe // Vestnik Kostromskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya. Pedagogika. Psihologiya. Sociokinetika. - 2018. -№ 1. - S. 95-98.

5. Gar'kina I.A., Danilov A.M., Sorokin D.S. Sintez kompozicionnyh materialov s pozicij klassicheskoj teorii optimal'nogo upravleniya // Fundamental'nye issledovaniya. - 2014. - № 9. - S. 1411-1416.

6. Danilov A.M., Gar'kina I.A., Gar'kin I.N. Podgotovka bakalavrov: kompetentnostnyj podhod, mezhdisciplinarnost' // Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. - 2014. - № 2. - S. 192-199.

7. Danilov A.M., Gar'kina I.A., Markelova I.V Mezhdisciplinarnye svyazi pri kompetentnostnom podhode k podgotovke bakalavrov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2014. - № 3. -S. 188.

8. Danilov A.M., Gar'kina I.A. Obrazovatel'naya sistema s pozicij identifikacii i upravleniya // Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. - № 2 (16). -2013. - S. 143-147.

9. Prangishvili I.V. Sistemnyj podhod i obshchesistemnye zakonomernosti. - M.: SINTEG. -2000. - 528 s.

Вестник КГУ 2019

10