Технология автоматизированного создания адаптивных on-line учебников

ИНФОРМАТИКА

УДК 004.588

А. В. Стученков

ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СОЗДАНИЯ АДАПТИВНЫХ ON-LINE УЧЕБНИКОВ

Введение. Электронные обучающие системы давно зарекомендовали себя как необходимое средство поддержки учебного процесса. Они широко применяются как при контролируемом (под управлением преподавателя), так и при самостоятельном обучении.

В современных условиях дефицита времени, требующих повышенной доступности и мобильности, наибольший интерес представляют обучающие системы с удаленным доступом - on-line учебники. Однако создание качественного on-line учебника - трудоемкий дорогостоящий процесс, непосильный для рядового автора. Поэтому наиболее перспективным направлением в развитии средств дистанционного обучения является разработка автоматизированных систем для создания on-line учебников.

Среди основных характеристик современных систем подобного типа, определяющих перспективы их развития, можно выделить следующие:

• возможность развития инфраструктуры;

• адаптивность;

• автоматизируемость создания курса;

• интегрируемость с другими системами (повторное использование).

Опишем эти характеристики более подробно.

Под развитием инфраструктуры будем понимать увеличение количества функций, доступных различным видам пользователей (авторам курсов, преподавателям, ученикам), а также возможность обеспечивать работу системы при возрастающем количестве пользователей (описанные свойства программных систем называются расширяемостью и масштабируемостью). Кроме того, развитие инфраструктуры подразумевает повышение уровня безопасности системы за счет совершенствования систем аутентификации и авторизации. Разработка сетевых обучающих систем с развитой инфраструктурой, как правило, предполагает использование современных серверных технологий, облегчающих создание приложений, удовлетворяющих описанным требованиям. Среди систем, главным преимуществом которых является развитая инфраструктура, можно назвать, например, WebCT, Courselnfo, LearningSpace.

Свойство адаптивности - важнейшее при создании настраиваемых учебных курсов, учитывающих индивидуальные особенности конкретного ученика, такие как знания и цели обучения. Разработка адаптивных сетевых обучающих систем - активно развивающееся научное направление, переросшее в область создания адаптивных гипермедиа систем, предоставляющих индивидуальное содержание любого (не только

© А. Б. Стученков, 2004 . . , '

учебного) характера. К адаптивным обучающим системам, основанным на Web, относятся Interbook, CALAT, AST, MANIC. Одной из последних разработок в данной области является АНА - система для добавления средств адаптации в Web-приложения (обычно on-line курсы). Конкретные особенности реализации адаптивных обучающих систем будут описаны ниже.

Автоматизируемость создания курса - очень важная возможность, позволяющая автору значительно ускорить процесс работы над курсом. Автоматизации могут подвергнуться любые стадии процесса создания курса: поиск учебного материала, разбиение учебного текста на фрагменты, структурирование учебного текста и т. д. При этом в каждом случае речь может идти как о полной (без участия пользователя), так и о частичной (с дальнейшими коррективами) автоматизации. Быстрое создание учебных курсов - необходимое требование в условиях лавинообразного роста информации, что особенно важно для разработки адаптивных учебников. К сожалению, ни одна из существующих технологий разработки адаптивных обучающих систем не предусматривает возможностей автоматизации, что делает процесс создания индивидуально настраиваемого учебника чрезвычайно долгим. Например, классическая по заложенным в нее принципам система Interbook предполагает «ручную» разметку содержимого в MS Word с использованием специальных стилей и последующее «ручное» структурирование учебного материала. Такой подход не только неудобен, но и потенциально опасен, так как может стать причиной ошибок. Возможности автоматизации в системах создания адаптируемых учебников будут рассмотрены ниже.

Возможность интеграции в сетевых обучающих системах предполагает способность одной системы внедрять в свои курсы фрагменты курсов, построенные с помощью другой системы. При этом, безусловно, должна быть обеспечена и обратная возможность: предоставление собственных курсов (частей курсов) для интеграции с другими системами. Интеграцию часто называют повторным использованием курсов. Для реализации интеграции с другими системами необходим набор стандартов для универсального представления и передачи данных курса. Интегрируемые обучающие системы, использующие единые стандарты, делают возможным создание целой инфраструктуры взаимодействующих систем. На сегодняшний день разработка таких стандартов является перспективным направлением в области развития сетевых обучающих систем.

Обзор существующих систем позволяет сделать некоторые выводы:

• автоматизация процесса создания индивидуально настраиваемого учебника явля-

ется необходимой при современных требованиях к срокам выпуска таких учебников; ,

• в настоящее время не существует систем создания учебников, одновременно обладающих свойствами адаптивности и автоматизируемости;

• возможность интеграции^ другими системами очень важна для будущего перспективного развития системы.

Цель данной работы - представить технологию автоматизированного создания адаптируемых учебников, предполагающую организацию развитой инфраструктуры и учитывающую необходимость интеграции с другими сетевыми обучающими системами.

Рассмотрим особенности реализации адаптивности в существующих системах и опишем предлагаемую технологию.

Состояние проблемы. Идея создания системы для построения адаптивных сетевых учебников была впервые реализована для Interbook. Описание принципов, лежащих в ее основе, важно для дальнейшего изложения.

Interbook позволяет автору создавать учебные среды на базе готового учебного материала. Учебная среда [УС] представляет собой совокупность взаимосвязанных учебных элементов [УЭ]. Каждый из УЭ является частью учебного материала, содержащей описание одного из терминов (специальных понятий) данной предметной области. Он содержит ссылки на предшествующие ему УЭ (изучаемые до) и следующие из него УЭ (изучаемые после).

Полученная структурированная гипертекстовая учебная среда подается на вход автоматизированной системы, генерирующей индивидуальный учебник для конкретного ученика. В ее основе лежит технология ELM-ART (Episodic Learner Model - Adaptive Remote Tutor), разработанная авторами системы Interbook [1-3]. В процессе взаимодействия с учеником эта автоматизированная система определяет его начальные знания и конечную цель путем выявления терминов (изучаемой предметной области), которые он знает (входные данные), и терминов, которые он хочет узнать (выходные данные).

В соответствии с начальными знаниями ц конечной целью обучаемого система Interbook формирует для него гипертекстовый (размещенный в Web) вариант учебника, построенный с учетом взаимосвязей используемых УЭ. В процессе работы с таким учебником после изучения очередного УЭ предлагаются ссылки на группу последующих УЭ, к изучению которых обучаемый уже готов. .

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что адаптация в процессе обучения основана на сведениях об ученике и правилах, разрешающих либо запрещающих получать доступ к конкретному УЭ в зависимости от текущего состояния обучаемого.

Динамически изменяемые сведения об ученике, применяемые для адаптации, называются моделью обучаемого [пользователя]. Она должна включать его знания и цели, а также может содержать информацию о стиле обучения (подробно/бегло), предпочтениях (формат страницы, наличие графики) и т.д. ,

Дальнейшие разработки по совершенствованию системы адаптации в обучающих системах были направлены на более универсальное и гибкое управление процессом обучения, в результате чего были развиты понятия модели пользователя и правила. Современным примером может служить система АН А 2.0 (Adaptive Hypermedia Architecture), применяемая для добавления возможностей адаптации не только в on-line курсы, но и в любые Web-приложения [4].

Адаптация также основана на модели пользователя, которая представляет собой набор объектов, называемых концептами [concept]. Каждый концепт определяется набором типизированных атрибутов [3-6].

Для управления процессом навигации (обучения) используются два вида правил: правила-требования [requirement rules] и продукционные правила [production rules]. Первые применяются для определения возможности доступа к ресурсу (логические выражения, зависящие от атрибутов концептов), вторые - для обновления отдельных атри-

модели пользователя [6 v 8]^

Решение о доступе к конкретной странице (УЭ) принимается путем проверки для нее соответствующего правила-требования. Концепция системы адаптации допускает запуск одних продукционных правил другими, что, с одной стороны, обеспечивает гибкость системы, но с другой - может привести к неожиданным последствиям (например, зацикливанию).

Предлагаемая технология. Как уже упоминалось выше, существующие системы создания адаптивных учебников не обладают достаточными средствами автоматизации, что делает этот процесс затруднительным. Иллюстрируя данное утверждение, приведем основные действия, которые необходимо вручную выполнить автору для под-

готовки учебной среды:

• предварительно структурировать учебный материал, разбив его на УЭ;

• описать атрибуты для концептов, составляющих модель обучаемого (УЭ являются концептами специального типа);

• задать правила-требования для концептов (по крайней мере, для всех УЭ);

• задать продукционные правила для обновления модели обучаемого.

Нами была разработана технология создания автоматизированной системы построения учебной среды. Приведем описание данной технологии и подходы к обеспечению автоматизации. .

Начиная работу с системой построения учебной среды, автор формирует словарь терминов, описываемых и используемых во всем учебном материале. Словарь терминов служит отправной точкой для создания учебной среды. При этом не допускается присутствие в учебном материале термина, отсутствующего в словаре. Некоторые термины будут являться базовыми для данной предметной области, их знание необходимо для начала изучения материала.

Учебный материал не требует какой-либо специальной подготовки и может быть представлен как коллекция любых документов из данной предметной области.

Каждый из УЭ - это часть учебного материала, снабженная паспортом, формально характеризующим его содержание. Паспорт содержит сведения о терминах, которые описываются в данном УЭ, о способе этого описания и о терминах, используемых в данном УЭ. Кроме того, паспорт несет в себе информацию о сложности УЭ и уровне его усвоения. Используя стандартную терминологию, можно определить паспорт как набор атрибутов, описывающих концепт-УЭ [7].

Здесь требуется пояснить термин «уровень усвоения». Уровень усвоения - это дидактический показатель, введенный классиком теории создания учебников В. П. Беспалько [8]. Уровнем усвоения называется степень владения учеником учебным материалом, которая измеряется целым числом от 0 до 5, что характеризует усвоение от уровня понимания до уровня творческой деятельности. Для УЭ показатель уровня усвоения означает направленность этого УЭ на ученика с соответствующим уровнем усвоения. В представленной модели учебной среды уровни усвоения для УЭ могут быть вычислены на основании сложности УЭ.

Для качественного управления процессом обучения необходим контроль знаний, обеспечиваемый тестированием. Автор должен подготовить тестовые вопросы, проверяющие знания всех терминов из словаря. Желательно наличие как минимум двух разных вопросов для каждого термина. Для проведения процесса Тестирования важен показатель уровня усвоения. Контроль знаний, исходя из теории, разработанной

В. П. Беспалько, следует проводить при переходе на следующий уровень усвоения. При неудовлетворительных результатах тестирования требуется повторное обучение без перехода на следующий уровень с большей степенью детализации учебного материала.

Следуя приведенной терминологии, перечислим все используемые концепты:

• термины из словаря (атрибуты - сложность, признак базового термина);

• учебные элементы (атрибуты - паспорт); .

• тесты, проверяющие знания терминов (атрибуты - вопросы, варианты ответов,

правильные ответы); -

• цель ученика - часть модели обучаемого (атрибуты - набор конечных, «целевых» терминов);

• знания ученика - часть модели обучаемого (атрибуты - известные ученику термины);

• изученные термины - часть модели обучаемого (атрибуты - изученные термины, знание которых еще не проверено); '

• уровень усвоения для ученика - часть модели обучаемого (атрибут - показатель уровня усвоения);

• стиль обучения - часть модели обучаемого (атрибут - степень детализации учебного материала, детальное/поверхностное обучение);

• результаты прохождения тестов - часть модели обучаемого (атрибуты - информация о правильности ответов, данных на конкретные вопросы теста, доля верных ответов, оценка).

Все концепты из модели обучаемого могут динамически меняться в процессе обуче-

Приведенный список концептов составляет основу для учебной среды и может пополняться дополнительными элементами, например сведениями о предпочтениях ученика.

Для завершения описания учебной среды следует задать правила, описывающие логику адаптивного управления при обучении. Учитывая наличие в данной модели концептов основных фиксированных типов, можно предопределить правила обоих видов, сделав их неявными (но понятными) для автора учебника. Сформулируем эти правила.

Правила-требования:

• УЭ может быть доступен ученику только в случае предварительного изучения всех используемых терминов;

• из всех доступных по набору используемых терминов учебных элементов ученик будет иметь доступ лишь к тем, для которых функция приращения сложности не превышает степени детализации учебного материала (при отсутствии доступных УЭ действует соответствующее продукционное правило)-,

• в начале работы с системой (после выбора целевых терминов) и при переходе на следующий уровень усвоения ученику предлагаются (делаются доступными) соответствующие тестовые вопросы.

Продукционные правила:

• в начале работы с системой ученик формирует свою цель в виде набора терминов;

• при изучении УЭ все определяемые в нем термины добавляются к изученным]

• в процессе тестирования обновляются результаты прохождения тестов;

• при успешном прохождении теста на знание изученных терминов все термины, связанные с вопросами, на которые был получен верный ответ, перемещаются из изученных в известные, увеличивается уровень усвоения для ученика;

• при отсутствии доступных УЭ степень детализации учебного материала увеличивается на стандартную величину (единичный шаг), после чего повторяются вызов соответствующего правила-требования и проверка значения функции приращения сложности.

Суть упомянутой функции приращения сложности - трудность изучения очередного УЭ. Она зависит от набора известных и изученных терминов, уровня усвоения анализируемого УЭ, его сложности, расстояния в авторском тексте от последнего изученного УЭ, близости этих УЭ по составу терминов. На момент написания настоящей работы функция еще не приобрела окончательного вида и здесь представлена не будет. Создание подобной функции - субъективный творческий процесс, поэтому предполагается, что часть ее параметров будет доступна для изменения автору учебной среды.

Автоматизируемость. Построенная по указанной выше схеме учебная среда будет обеспечивать адаптивное обучение и тестирование знаний ученика. Кроме того, такая модель позволяет частично или полностью автоматизировать основные этапы создания учебной среды. Покажем возможности автоматизации для отдельных этапов.

Построение словаря терминов. На первом этапе происходит автоматическое создание словаря слов - кандидатов в термины. Для этого в системе подготовки учебной среды имеется словарь общеупотребительных слов (для русского и английского языков). Все слова, не являющиеся общеупотребительными, вероятнее всего, являются терминами специальной предметной области. Автору лишь остается отредактировать получившийся словарь. Поиск слов производится с применением механизма выделения основы слова - стемминга (stemming).

Структурирование учебного материала. Разбиение учебного материала на УЭ также может быть частично автоматизировано с помощью предварительного разбиения учебного текста на тематические блоки (кандидаты в УЭ). Оно осуществляется методами информационного поиска (Information Retrieval) и основано на векторном представлении абзацев исходного текста. Разбиение происходит с учетом размера ис--ходных абзацев, но без их нарушения. Учитывая то, что учебные тексты могут разниться по стилю, словарному составу, «линейности» изложения, автору предоставлена возможность настраивать параметры разбиения, что способствует повышению корректности и сбалансированности итогового результата. Имея такое предварительное разбиение текста на УЭ, остается, лишь смещая, добавляя, удаляя границы между УЭ, получить итоговое разбиение.

Задание атрибутов паспорта для каждого УЭ тоже поддается автоматизации.

Для выявления используемых и определяемых в УЭ терминов применяются методы морфологического, синтаксического и элементы семантического анализов. Поиск используемых терминов проводится методами, аналогичными поиску терминов (применяется алгоритм стемминга), для поиска же определений создан набор шаблонов, описывающих лингвистические конструкции, применяемые при объяснении терминов. Список шаблонов является расширяемым и доступен для редактирования автору учебной среды. В рамках поиска лингвистических конструкций осуществляется также морфологический анализ слов русского языка. Опыт показал большую надежность и релевантность данных методов. После автоматического формирования списки используемых и определяемых терминов могут быть исправлены автором.

На основании взаимосвязей УЭ, обусловленных списками используемых и определяемых терминов, можно автоматически сформировать граф взаимосвязи терминов (в некоторых работах подобные структуры называют ассоциативными сетями) - важнейший объект учебной среды, на основе которого полностью автоматически вычисляются значения атрибутов сложности терминов. Сложность же учебного элемента линейно зависит от максимальной сложности используемых в нем терминов с поправкой на количество определений.

Для формирования уровня усвоения для всех УЭ автору достаточно сопоставить диапазоны значений сложности учебных элементов с каждым из представленных в учебной среде уровней усвоения.

Таким образом, можно заключить, что автоматизация (полная или частичная) возможна почти на любом этапе создания учебной среды, что, безусловно, способствует ускорению данного процесса.

Единственным неавтоматизируемым этапом является этап подготовки тестов. Эта проблема открыта для исследования и, видимо, должна решаться с помощью экспертной системы. .

Практическая реализация. Описав теоретические основы работы по созданию УС с последующим адаптивным обучением, нельзя не сказать о практической реализации данной идеи.

Представленная технология реализована в виде двух автоматизированных систем: системы построения учебной среды (инструмент автора) и адаптивной системы, генерирующей индивидуально настроенный учебник для конкретного ученика.

Автоматизированная система построения УС представляет собой настольное приложение для семейства ОС Win32, разработанное средствами MS Visual C++ 6.0. Выбор платформы и среды разработки определялся требованиями к системе: стандартная платформа, небольшие аппаратные ресурсы.

Система, адаптивно управляющая процессом обучения, представляет собой Web-приложение на платформе ASP.NET. Управление обучением осуществляется на основе модели обучаемого с использованием приведенных правил.

В качестве базы данных для хранения структуры учебных сред используются XML-

• файлы. Учебный материал, разбитый на УЭ, хранится в формате HTML, что делает его представление универсальным.

Возможности развития инфраструктуры и интеграции. Система создания учебной среды предназначена для взаимодействия с одним пользователем - автором УС. Развитие инфраструктуры для нее будет заключаться в добавлении новой функциональности, что является чисто технической задачей. Все основные требования к масштабируемости, расширяемости и безопасности будут предъявляться Web-приложению, реализующему адаптивное обучение.

Основанная на масштабируемой серверной архитектуре, данная система получает все возможности платформы: от кластеризации Web-сервера средствами NLB (Network Load Balancing) до организации хранилищ данных с использованием корпоративных серверов, таких как MS SQL Server (для хранения структурированных данных УС) и Exchange Server (для хранения слабоструктурированных данных - учебного материала). Очень важно, что реорганизация хранилищ данных меняет лишь способ доступа к ним, но не принципы работы.

Требования расширяемости и безопасности обеспечиваются технологиями ASP.NET, являющейся на сегодняшний день наиболее развитой платформой для создания Web-приложений.

Открытые стандарты (XML - для хранения структуры УС, HTML - для представления учебного материала, HTTP - для передачи данных) потенциально позволяют взаимодействовать с любой обучающей системой, «понимающей» эти стандартные форматы и протоколы. XML как универсальный способ хранения и обмена данными будет, конечно, играть основную роль в такой интеграции. Стандарты, которые в перспективе будут разработаны для универсального доступа к учебным курсам удаленной системы, будут скорее всего основаны на XML.

Отсутствие стандартов тем не менее не умаляет возможностей данной технологии по интеграции. Применение XSLT (стандартной технологии преобразования XML-документов) дает возможность автоматически преобразовывать документы из форматов партнеров во внутренний формат и обратно. Использование же MS BizTalk Server позволит расширить эту идеологию на любые форматы данных. Web-службы (также основанные на XML и прекрасно реализуемые средствами ASP.NET) позволяют организовывать обмен курсами (частями курсов), программно без участия пользователя, что должно привести к развитию идей повторного использования курсов.

Summary

Stuchenkov А. В. Technology of automated creation of adaptive on-line textbooks.

Basic tendencies of developing on-line textbooks creation systems. Research of realization adap-tivity and automation in such systems are analyzed. The author proposes the technology of adaptive textbook automated creation. Details of the particular realization are given.

Литература

1. Brusilovsky P., Schwarz E., Weber G. ELM-ART: An intelligent tutoring system on World Wide Web // Intelligent tutoring systems. Lecture Notes in Computer Science / Eds. C. Prasson, G. Gauthier, A. Lesgold. Berlin, 1996. Vol. 1086. P. 261-269.

2. Brusilovsky P., Eklund J., Schwarz E. Web-based education for all: a tool for developing

adaptive courseware // Computer networks and ISDN systems: Seventh Intern. World Wide Web conference. 1998. P. 291-300.

3. Calvi L., Cristea A. Towards.generic adaptive systems: analysis of a case study // Second

Intern, conference on adaptive hypermedia and adaptive Web-Based systems. Berlin, 2002. P. 7787. .

4. De Bra P., Aerts A., Smits D., Stash N. AHA! Version 2.0. More adaptation flexibility for authors // Proc. AACE ELearn’2002 conference. 2002. P. 240-246.

5. De Bra P., Brusilovsky P., Houben G.J. Adaptive hypermedia: from systems to framework // ACM Computing Surveys. 1999. Vol. 31. P. 4.

6. Wu De Kort E., De Bra P. Design issues for general-purpose adaptive hypermedia systems // Proc. ACM conference on hypertext and hypermedia. 2001. P. 141-150.

7. Сергеев С. JI., Стуненков А. Б. Автоматизированные системы управления целевым индивидуальным обучением // Труды Междунар. науч.-метод. конференции «Телематика-2001». СПб., 2001. С. 75-77.

8. Беспалько В. П. Теория учебника. Дидактический аспект. М., 1988. 160 с.

Статья поступила в редакцию 19 октября 2004 г.