Онтологическая модель информационно-образовательной среды учебного подразделения вуза

И.Ю. Шполянская, И.И. Мирошниченко

ОНТОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ УЧЕБНОГО ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ ВУЗА Аннотация

В статье рассмотрен обобщенный подход к проектированию информационнообразовательной среды на основе формирования единой онтологической модели предметной области учебной специальности. При этом за основу разрабатываемой онтона-правленной системы знаний берётся объектно-ориентированная модель организации учебного процесса на профилирующей кафедре.

Annotation

The article presents a generalized approach to designing the information -educational environment based on the formation of ontologic model of a subject domain of an educational speciality. In the system uses an object-oriented model of organization of educational process in the profiling university department.

2010 № 2

Вестник Ростовского государственного экономического университета

Ключевые слова

Информационно-образовательная среда, онтологическая модель, специальность, тезаурус, дисциплина

Key words

Information - educational environment, the ontological model, specialty, thesaurus, discipline

Растущие требования к повышению качества подготовки специалистов определяют поиск новых подходов к организации учебного процесса, создание новых, более эффективных систем управления этим процессом. Важным моментом в формировании таких систем является учёт требований работодателей, ведь именно они определяют тот уровень подготовки специалистов, который требуется на рынке труда. Возникает необходимость создать систему, способную как можно полнее учесть пожелания работодателей, существующие стандарты высшего образования и особенности конкретного вуза. Одним из возможных подходов к решению этой задачи является построение модели информационно-образовательной среды (ИОС) для систем подготовки специалистов. На вузовском уровне образование можно рассматривать как совокупность бизнес-процессов по предоставлению образовательных услуг - услуг своеобразных, специфических, однако в целом позволяющих использовать современные методы анализа эффективности процессов и последующего управления их качеством. Повышение качества предоставления образовательных услуг в настоящее время невозможно без использования современных информационных технологий. Важнейшим направлением в сфере информационных технологий в образовании является создание информационных порталов и информационно-образовательных сред как отдельного образовательного учреждения, так и региона, страны в целом. Информационно-образовательная среда является информационно-

телекоммуникационной инфраструктурой образовательной деятельности учебного заведения, представляющей соответствующие средства ее поддержки в виде информационных ресурсов, программно-технического и организационного обеспечения [1]. Структура и содержание ресурсов ИОС оказывают непосредственное влияние на структуру знаний, а следовательно, на уровень качества подготавливаемых специалистов. Качество подготовки специалиста определяется некоторой системой свойств (компетенций), которая характеризует пригодность специалиста к удовлетворению определенных потребностей рынка труда (работодателей). В современной экономике настоятельным требованием к качеству подготовки специалистов становится характеристика гибкости их знаний, что связано с быстрым изменением требований производства, необходимостью оперативного решения текущих задач. Эти процессы определяют конкретные требования к уровню образованности, а также профессиональной компетентности выпускаемых вузом специалистов. Совокупность взаимосвязанных компетенций -знаний специалиста в конкретной предметной области, которые могут быть востребованы на рынке труда, составляет так называемую модель специалиста. Формально модель специалиста может быть описана разными способами. Одним из таких способов является описание модели в виде онтологии специальности, которая описывает различные понятия, термины, составляющие содержание специальности, и взаимосвязи между этими понятиями, дающие цело-

стное представление об изучаемой предметной области. Представляется целесообразным использование онтологического подхода при создании информационно-образовательной среды

образовательного процесса, и прежде всего при проектировании содержания специальности.

Основное содержание специальности определяется главными целями образования. Первоначальная конкретизация целей и содержания подготовки специалиста осуществима на уровне стандарта специальности. Она заключается в определении требований к конечному результату обучения и выражается в наборе учебных дисциплин, содержащих необходимую информацию. Формой детализирующего представления такой информации являются учебные планы образовательного учреждения. В этом контексте перспективным направлением становится построение учебного плана и учебных (рабочих) программ дисциплин (УРПД) подготовки специалистов, базирующихся на тезаурусе. Тезаурус можно считать объективно отражающим сущность изучаемой предметной области. Общий тезаурус специальности формируется как расширительная сумма некоторых подмножеств тезаурусов УРПД. Для упорядочения дисциплин в учебном процессе и минимизации суммарной величины временных разрывов между ними с учетом тесноты связи понятий примем следующее [2]: содержание, или тезаурус отдельной дисциплины, может быть представлен в виде:

Т1 = {Р„ Р2,..., Р,Рь ).

где Т; - содержание 1-й дис-

циплины;

Р - ]-тое понятие дис-

циплины;

Ь - количество понятий, используемых при изучении 1-й дисциплины.

Тезаурус специальности - ТБр -представляет собой список понятий, законов, умений, которые должен усвоить студент в процессе обучения по всем дисциплинам.

п

Твр = и Т,

г

где п - общее количество дисциплин.

Для каждой дисциплины составляется собственный тезаурус понятий, введенных (Твых) и используемых

(Твх) ею:

и

Т1=Твх1 Твых1

Система понятий всех учебных дисциплин специальности в виде набора взаимосвязанных тезаурусов даёт целостное описание конкретной предметной области, содержание которой является необходимым и достаточным для успешного усвоения учащимися за определенное время.

При построении модели предметной области специальности нами был использован метод онтологического анализа. Онтология - это подробная спецификация структуры и содержания определенной проблемной области. Модель предметной области представляет собой полное описание всех ее понятий, а также набор базовых семантических отношений, определяющих структуру знаний. Основное назначение онтологий - интеграция информации. Онтологии определяют формальную семантику информации, позволяя на основе общей терминологии связывать информацию, представленную в виде, требуемом для компьютерной обработки, с информацией, представленной в удобной форме для восприятия человеком. В основе системы онтологий лежат классы, объекты, их свойства и ограничения. Эти сущности состоят между собой в определенных отношениях и объ-

единяются по определенным признакам (свойствам и ограничениям) в группы (классы). В результате полного описания объектов и их свойств предметная область представляется как сложная иерархическая база знаний, над которой можно осуществлять «интеллектуальные» операции, такие как семантический поиск, группировка, агрегация, обобщение данных. Онтологии являются простыми словарями точно определенных понятий и связей между сущностями предметной области. Согласно структуре онтологической модели предметной области специальности создаются компоненты учебных курсов. Каждый компонент представляет собой учебный модуль, содержащий семантически полный фрагмент знаний, средства диагностики знаний и т. п. Компонент можно использовать для компоновки нового учебного курса.

Формальная модель онтологии О = < Т, Я, Б > - это упорядоченная тройка конечных множеств, где:

Т - термины прикладной области, которую описывает онтология;

Я - отношения между терминами заданной прикладной области;

Б- функции интерпретации, заданные на терминах и/или отношениях онтологии.

Построение онтологической модели в общем виде состоит в следующем. Вначале необходимо получить полный список терминов, описывающих моделируемую предметную область. На данном этапе можно не учитывать возможные случаи пересечения понятий, которые они представляют, а также отношения между терминами и их конкретные свойства. Далее производится формирование иерархии классов. Разработку иерархии можно производить одним из следующих способов:

• процесс нисходящей разработки начинается с определения самых общих понятий предметной облас-

ти с последующей конкретизацией понятий;

• процесс восходящей разработки начинается с определения самых конкретных классов, листьев иерархии, с последующей группировкой этих классов в более общие понятия;

• процесс комбинированной разработки - это сочетание нисходящего и восходящего подхода (сначала определяются наиболее существенные понятия, а затем происходит их обобщение).

После определения классов производится описание внутренней структуры понятий. Для каждого свойства из списка определяется, какой класс оно описывает. Эти свойства станут слотами, привязанными к классам.

Для разработки онтологической модели информационно-

образовательной среды вузовской подготовки специалиста проведен семантический анализ предметной области, исследующий содержание основных процессов, происходящих в учебных подразделениях вуза. К базовым понятиям онтологии предметной области относятся такие понятия, как подразделение (кафедра), преподаватель, методические разработки преподавателя, студент, образовательная программа, ГОС, учебный план, дисциплина, а также те понятия, с которыми связаны через атрибуты базовые понятия (уровень и форма образования, квалификация, направление, специальность, специализация и т. п.). Между базовыми понятиями предметной области определены различные отношения. В результате разработки онтологической модели были выделены следующие классы: «Тезаурус», «Дисциплина», «Преподаватель», «ФГОС», «Специальность». Для каждого класса заданы соответствующие свойства (слоты) и методы.

Для создания модели предметной области отдельной специальности было предложено использование инструмен-

тария, предоставляемого средствами редактора онтологий Protege 3.4. Пользуясь его возможностями, была построена информационная система поддержки организации и технологии подготовки специалистов профилирующей кафедры. Построенная онтология определяет общий тезаурус для преподавателей и студентов, совместно использующих информацию по данной предметной области - специальности. Она включает машинно-интерпретируемые формулировки основных понятий предметной области и отношения между ними. При этом достигаются [3]: систематичность - онтология представляет целостный взгляд на предметную область; единообразность - материал, представленный в единой форме, гораздо лучше воспринимается и воспроизводится; научность - построение онтологии позволяет восстановить недостающие логические связи во всей их полноте.

Модель онтологий дает четкую структуру знаний специальности. Эту модель можно использовать для решения основных проблем построения ИОС учебного подразделения вуза, осуществляющего подготовку специалистов по данному направлению:

a) для формирования и анализа структуры отдельных компетенций модели специалиста;

b) для формирования структуры и наполнения содержанием отдельных дисциплин учебного плана;

c) для анализа взаимосвязи отдельных понятий одной или различных дисциплин;

d) для анализа преемственности между дисциплинами; для анали-

за степени новизны, оригинальности отдельной дисциплины (относительный показатель вновь вводимых понятий);

e) для разработки автоматизированных обучающих систем, электронных учебных пособий, тестирующих систем;

f) для создания Web-ориентированных информационных ресурсов (инструментарий Protege позволяет осуществить автоматическое преобразование отношений между понятиями в гиперссылки).

При разработке онтологии были выполнены следующие этапы: определение классов в онтологии; расположение классов в таксономическую иерархию (подкласс - надкласс) (рис.1); определение слотов и описание допускаемых значений этих слотов; заполнение значений слотов экземпляров.

Функциональность редактора онтологий Protege была расширена путем добавления программных надстроек -плагинов. В частности, были использованы плагины TGVizTab и Jambalaya. Разработанная модель онтологий специальности используется в составе информационной системы поддержки управления процессом обучения на выпускающей кафедре: при планировании учебного процесса; для организации и наполнения базы знаний специальности; для определения структуры Web - портала кафедры. В результате анализа

онтологической модели базовых понятий предметной области определены основные классы, представленные на рисунке 2 (см. ниже).

Рис. 1. Различные уровни таксономии построенной онтологии

ФГОС

-Номер

-ДатаУтверждения

-КемУтвержден

-Специальность

+Добавить

+Изменить

+Удалить

Учебное подразделение вуза

Определяет

Имеет

г

ТезаурусСпециальности

-Понятие

-ОписаниеПонятия

-ИспользуетсявДисциплине

-СвязанныеПонятия

+Добавить

+Изменить

+Удалить

+Связать

ТезаурусДисциплины

-КодДисциплины -НазваниеДисципилны Состоит -ОбщееКолЧасов -ДляСпециальности -ЧитаетПреподаватель -Понятия

+Добавить

+Изменить

+Удалить

+Связвать

Готовит

Имеет

Специальность Преподаватель

-КодСпециальности -ФИОПреподавателя

-НаименованиеСпециаль- -Должность

ности -Звание

-Степень

-Ставка

-ПризнакШтата

-ЧитаетДисциплины

+Добавить

+Изменить

+Удалить +Удалить

і +С вязать

1 Имеет Читает

Имеет

Подразделяются

Дисциплина

-КодДисциплины

-НазваниеДисципилны

-ОбщееКолЧасов

-ДляСпециальности

-ЧитаетПреподаватель

-Понятия

+Добавить

+Изменить

+Удалить

+Связвать

ОбщеобрДи сциплина Г

-Ко -Названи -Об -ДляС -ЧитаетП дДисциплины еДисципилны щееКолЧасов пециальности реподаватель -Понятия

+Добавить

СпецДисциплина

-КодДисциплины

-НазваниеДисципилны

-ОбщееКолЧасов

-ДляСпециальности

-ЧитаетПреподаватель

-Понятия

+Добавить

+Изменить

+Удалить

+Связвать

Рис.2. Основные классы онтологической модели

В результате разработан модуль ИОС для выпускающей кафедры, который позволяет автоматизировать формирование учебных (рабочих) программ кафедры, формировать тезаурус вход-

ных и выходных понятий специальных дисциплин учебного плана и получать на их основе тезаурус специальности. Основные экранные формы работы модуля приведены на рисунках 3 и 4.

[ КпІГ*"!

Действия Выход

Шифр Наименование дисциплины Наименование понятия Вх / Вых понятия

ЕЭ Набор базовых знаний

- И нформатизация Вых

ИС Вых

ИТ Вых

Информация Вых

Массивы Вых

СУБД Вых

ЛВС Вых

Глобальные сети Вых

АРМ Вых

N Алгоритм Вых

О] о £ X Информатика и программирование

И нформатизация Вых

ИС Вых

ИТ Вых

Информация Вых

Массивы Вых

СУБД Вых

ЛВС Вых

Г лобальные сети Вых

АРМ Вых

Алгоритм Вых

ь ОПД.Ф.13 Теория экономических информационных систем

* ♦ * СД.Ф.02 Интеллектуальные информационные системы

ДС.ОЗ Геоинформационные системы

СДФ.11 Маркетинг и информационный бизнес

СД Ф 13 Проектирование информационных систем с исполі

1

1

Рис. 3. Экранная форма "Формирование тезауруса дисциплины'

Рис. 4. Экранная форма «Построения взаимосвязи дисциплин в тезаурусе специальности»

Созданная онтологическая модель ИОС дает целостное описание структуры информационных ресурсов и позволяет осуществить максимально возможное сохранение семантических связей при обработке информации. Использование объектного подхода при формировании модели специалиста позволяет создать систему, способную к адаптации и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка труда.

Библиографический список

1.Норенков И. П. Информационные технологии в образовании / И. П. Норенков, А. М. Зимин. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 352 с.

2.Мирошниченко И.И. О подходе к разработке информационно-советующей системы управления деловыми процессами кафедры: Материалы XVIII Международной конференции - выставки и III Всероссийской конференции по направлению «Внедрение современных образовательных технологий» приоритетного национального проекта «Образование» // Информационные технологии в образовании.- Москва, 2008. -с.66-68

3.Natalya F. Noy and Deborah L. McGuin-ness. ''Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology''. Stanford Knowledge Systems Laboratory Technical Report KSL-01-05 and Stanford Medical Informatics Technical Report SMI-2001-0880, March 2001.

Bibliographic list

1.Norenko I.P. Information technologies in education / I.P. Norenko, A.M. Zimin. -M.: MSTU of N.A. Bauman, 2004. - 352.

2.Miroshnichenko I.I. On the approach to the development of information and advising management business processes Chair: Materially XVIII International Conference and Exhibition III All-Russia Conference on the direction of "The introduction of modern educational technologies" priority national project "Education" / / Information technologies in education .- Moscow, 2008. - p.66-68

3.Natalya F. Noy and Deborah L. McGuin-ness. ''Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology''. Stanford Knowledge Systems Laboratory Technical Report KSL-01-05 and Stanford Medical Informatics Technical Report SMI-2001-0880, March 2001.