Методы и инструменты реализации предметно-ориентированных компонентов обучающих систем

Пусть Go - минимально нагруженный подграф, тогда время его выполнения не больше среднего времени выполнения, так что имеем

T (G ) > T (G0 )T p-1

Подграфу G0 передадим часть работ подграфа Gj, уменьшив суммарное время работы. Действительно, подграф Gi - это максимальный подграф, не содержащий критического пути, поэтому его можно представить в виде

G1 = Path J G1.

Здесь Path - это часть пути или некоторый путь, начинающийся на первом уровне, который заведомо меньше критического пути. При передаче его подграфу G0 время выполнения этого подграфа остается меньше времени выполнения подграфа G1. Общее время выполнения работ при этом уменьшится. Следовательно, выявляется противоречие с утверждением об оптимальности расписания, что доказывает справедливость соотношения

T = т (g ) <

St

т

-+ T <т+T .

OD OD

p

Лемма 2 доказана.

В заключение дадим некоторые практические рекомендации, следующие из полученных оценок. Выигрыш, который можно получить, используя дополнительные процессоры, зависит от разницы между общим временем выполнения всех модулей программы Т и временем выполнения критического пути в графе зависимостей Тю.

Эта разница максимальна для крайнего случая, когда все модули могут выполняться независимо и в графе зависимостей все они находятся на одном первом уровне. Критический путь в этом случае состоит из одного модуля, требующего максимального времени своего выполнения. Так что, Т - это время выполнения всех модулей, а Тю - вре-

мя выполнения одного модуля. Привлечение p процессоров может дать существенный эффект, уменьшая время выполнения практически до среднего времени выполнения одного модуля T\/p.

Эта разница минимальна для другого крайнего случая - строго последовательной программы, когда N модулей программы расположены на N уровнях и критический путь задает выполнение всех модулей. В этом случае T и Tœ совпадают и, как следствие, Tp равно T при любом числе процессоров, поэтому привлекать дополнительные процессоры в этом случае бессмысленно.

Для строго последовательной программы, когда i-й модуль зависит от модуля i-1, все три характеристики будут совпадать. Для строго последовательной программы дополнительные процессоры не позволяют уменьшить время выполнения программы в сравнении со временем выполнения этой же программы одним процессором. Так, например, задача о Ханойской башне на суперкомпьютере с сотнями тысяч процессоров будет решаться столь же долго, как и на компьютере с одним процессором. Это вытекает из сути задачи -перенос следующего кольца требует завершения переноса предыдущего кольца, параллельно эту работу выполнять нельзя.

Литература

1. Воеводин В.В. Математические проблемы параллельных вычислений // Методы и средства обработки информации: тр. 2-й Всеросс. науч. конф. М.: Изд-во МГУ, 2005.

2. Cormen T.H., Leiserson Ch.E., Rivest R.L., Stein C. Introduction to Algorithms, 2009, Mit Press.

3. Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. М.: Бином, 2007.

References

1. Voevodin V.V., 2nd al-Russia Conf.: Metody i sredstva obrabotki informatsii, 2012.

2. Cormen T.H., Leiserson Ch.E., Rivest R.L., Stein C., Introduction to Algorithms, Mit Press, 2009.

3. Gergel V.P., Theory and Practice od Concurrent Executions, Moscow, Binom, 2007.

УДК 004.031.42

методы и инструменты реализации предметно-ориентированных компонентов обучающих систем

А.В. Редькина, к.т.н., доцент; А.В. Редькин, к.т.н., доцент

Предлагаются методы и инструменты реализации интерактивных модулей, интегрированных в существующие системы управления обучением и обеспечивающих расширение функциональных возможностей обучающих систем. Интерактивные модули, осуществляющие поддержку в решении задач, являются предметно-ориентированными. Для их разработки определяющее значение имеет моделирование предметной области. Авторами рассмотрены подходы к построению предметной области на базе объектно-ориентированного анализа и онтологий. На основе объектно-ориентированного анализа в Сибирском федеральном университете были разработаны ПО редакторов для курса программирования (построения блок-схем алгоритмов) и преобразователь алгебраических и логических выражений для алгебры и математической логики, а также простейший редактор химических формул. Предметная область этих разделов дисциплин достаточно четко очерчена, поэтому позволяет представлять решения задач в форме, доступной для машинной обработки.

Уделено внимание проблеме переносимости разрабатываемых интерактивных модулей в различные системы управления обучением. Для этого рассмотрены спецификации, применяемые в электронном обучении. Спецификация IMS Learning Tools Interoperability определяет методы равностороннего взаимодействия интерактивных обучающих средств с сертифицированными IMS-системами управления обучением. Спецификация SCORM (Sharable Content Object Reference Model) - эталонная модель переносимых объектов контента. В качестве примера интерактивного модуля, реализуемого на основе спецификаций, разработан редактор-преобразователь логических и алгебраических выражений. Интеграция существующих и разрабатываемых систем, выявление общих принципов взаимодействия и построения предметно-ориентированных компонентов позволят упростить разработку ПО для поддержки процесса обучения. Публикация в единой информационно-образовательной среде теоретического материала и размещение поддержки в решении задач представляются главными целями разработки систем управления обучением.

Ключевые слова: системы управления обучением, интеграция систем, предметно-ориентированные компоненты, модель предметной области.

METHODS AND INSTRUMENTS FOR SUBJECT-ORIENTED COMPONENTS OF LEARNING SYSTEMS Redkina A V., Ph.D., Associate Professor; Redkin A V., Ph.D., Associate Professor (Siberian Federal University, 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russia, alexandra.redkina@gmail.com);

Karpov L.E., Ph.D., Senior Researcher (Institute of System Programming RAS, 25, Solzhenitsina St., Moscow, 109004, mak@ispras.ru);

Anoshin D.A., Master

Abstract. Present article describes methods and instruments to create interactive modules which are integrated in e-learning management systems to support additional capabilities of learning systems. Interactive modules which support problem solving are subject-oriented. Development of problem-solving support module requires modeling of knowledge domain. Present article suggests approaches to modeling of a knowledge domain based on object-oriented analysis and ontologies. A number of software modules based on object-oriented analysis were developed in SFU: an editor for block-schemes of algorithms for programming course, generator of algebraic and logic expressions for algebra and mathematical logic course, simple chemical formulas editor. Knowledge domain of these subjects is has strict boundaries and allows to present task-solving process in machine-processed form.

An integration of already existing and specifically developed systems, the discovery of common principles of building subject-oriented components allows to simplify the development of e-learning support software. The main task is to support publishing theoretical materials along with task-solving support modules in an integrated environment of e-learning system. The problem of interactive software modules portability between different e-learning systems is considered in the present article. Key specifications which are used in e-learning environments are examined: IMS Learning Tools Interoperability, which strictly defines methods for interaction of IMS-certified e-learning systems; SCORM - Sharable Content Object Reference Model. An example of a portable interactive module is the generator of algebraic and logic expressions.

Keywords: e-learning systems, system integration, subject-oriented components, knowledge domain model.

Информационные обучающие системы входят в число самых востребованных видов ПО. Гибкость - ключ к будущему обучающих систем. Одним из эффективных элементов процесса обучения естественно-научным дисциплинам является решение задач. Именно этот элемент процесса обучения при разработке обучающих систем требует особенно тщательного учета специфических особенностей изучаемых дисциплин. Так как решение задач по различным предметам может представляться текстом, формулами, изображениями, умозаключениями и т.д., его трудно разбить на отдельные концепты, а для некоторых предметных областей это просто невозможно. То есть решение проблемы в общем виде невозможно, однако представляются актуальными попытки

разработки инструментов для решения конкретного круга задач в терминах, максимально приближенных к данной предметной области. При этом речь идет только о типовых задачах, которые в дальнейшем служат базой для решения творческих задач, пока не поддающихся автоматизированной обработке. Таким образом, при выборе средств для решения какой-либо задачи необходимо применять специализированные инструменты, ориентированные на конкретную предметную область и предоставляющие средства для решения задач именно в этой области. В качестве предметно-ориентированных компонентов выступают тематические редакторы и подсистемы, реализующие интерпретацию и проверку корректности представленных решений [1, 2].

Требования, предъявляемые к предметно-ориентированным компонентам, имеют двойственную природу. С одной стороны, разрабатываемые инструменты должны быть удобными для обучаемого, решающего задачу, доступными, чтобы упростить процесс его работы, сделать ее более понятной. С другой стороны, представляемое решение должно быть максимально формализованным, содержать точную и полную информацию, чтобы вычислитель мог интерпретировать представленное решение и автоматически проверять его корректность (рис. 1). Процесс формализации решения задачи сводится к описанию решения на не-ком формальном языке, который поддерживает систему знаков, однозначно понимаемую и человеком, и компьютером, следовательно, имеет свои синтаксические, семантические или прагматические аспекты. Введение формального языка приводит к необходимости однозначного перевода описания на одном языке в описание на другом и к необходимости их эквивалентной интерпретации.

Пользователь

Инструменты

Вычислитель

Рис. 1. Отношения инструментов с вычислителем и пользователем

Если при обучении возникает необходимость работать с множеством предметных областей, соответственно, требуется и множество входных языков, отражающих специфику предметной области. Достоинство этих языков в возможности концентрироваться исключительно на области предметных знаний пользователя, чтобы тот не затрачивал дополнительные усилия на изучение предлагаемых инструментов. Недостатком же является необходимость разработки новых предметно-ориентированных языков и, следовательно, соответствующих компиляторов или интерпретаторов, что само по себе трудоемко.

Для разработки предметно-ориентированных компонентов определяющее значение имеет моделирование предметной области. Модель предметной области обеспечивает специалисту в данной предметной области и разработчику программного инструментария единый язык, а пользователю (обучаемому) дает возможность представлять решение задачи на языке, близком к предметной области. Модель также должна содержать определение системы знаков и их смысловое значение, то есть семантическую составляющую, что позволяет проводить машинную интерпретацию представленных решений. Введение формального языка приводит к необходимости однозначного перевода описания на одном языке в описание на другом и

к необходимости их эквивалентной интерпретации.

Для моделирования предметной области широко применяются объектно-ориентированный подход и онтологическое моделирование. При использовании объектно-ориентированного подхода предметная область представляется как набор объектов, обладающих определенными свойствами. Построить систему с применением объектно-ориентированного подхода означает проанализировать проблему и найти объекты, охватываемые системой. Рациональность использования этой методологии кроется в тщательном анализе поведения, взаимосвязей и характеристик объектов предметной области. Общие характеристики, черты и поведение этих объектов затем моделируются и реализуются как классы в объектно-ориентированном языке программирования. Объектно-ориентированная система изначально строится с учетом ее эволюции. Ключевые элементы объектного подхода - наследование и полиморфизм -обеспечивают возможность определения новой функциональности с помощью создания производных классов. Потомки наследуют характеристики родительских классов без изменения их первоначального описания и добавляют при необходимости собственные структуры данных и методы. Объектно-ориентированный подход позволяет описывать динамически изменяющиеся предметные области.

Онтологический подход основан на идее концептуального моделирования. Онтология определяется как совокупность множеств концептов (понятий, терминов) предметной' области, отношений между концептами и множеств функций интерпретации, заданных на концептах и/или отношениях онтологии. Онтологии отражают свойства, структуру и поведение данных предметной области. На практике в большинстве случаев онтологии представляются как словари, описывающие понятия с использованием терминологии, принятой в данной предметной области. Как правило, онтология предметной области содержит таксономию понятий. При построении онтологии предметной области решаемых задач предполагается, что определенные виды задач можно решить с использованием одной и той же модели предметной области. Для обеспечения машинной интерпретируемости имеющихся данных на первый план выступает семантика ресурсов, повышающая достоверность данных о конкретной области. Существующие методологии создания онтологий достаточно трудоемки, для этой цели применяют языки спецификации онтологий, специальные инструментальные среды, где в режиме диалога строится онтология, что является непростой задачей.

На сегодняшний день нет достаточно гибких стандартных решений моделирования предметной

области. Основные трудности в решении проблемы распознавания свободно конструируемых ответов и сообщений на языках, близких к предметной области, сводятся к ограничению языка общения путем четкой формулировки требований к условию задач, к исходным данным и результатам. Примитивы, из которых складывается решение задачи, определяют библиотеку инструментов для тематических редакторов построения решения задачи и позволяют создать математическую модель (чаще всего в виде графа представляемого решения задачи), учитывающую семантику оперирования библиотекой инструментов. Такие редакторы могут использоваться как для систем поддержки процесса обучения решению задач по спектру дисциплин, так и для научных исследований в этих предметных областях.

При проектировании тематических редакторов в Сибирском федеральном университете использовался объектно-ориентированный подход, поскольку библиотека примитивов - это набор объектов, обладающих определенным набором общих свойств, а также собственными уникальными характеристиками. На основе объектно-ориентированного анализа в университете были разработаны ПО редакторов для курса программирования (построения блок-схем алгоритмов), преобразователь алгебраических и логических выражений для алгебры и математической логики, а также простейший редактор химических формул. Предметная область этих разделов дисциплин достаточно четко очерчена, поэтому позволяет представлять решения задач в форме, доступной для машинной обработки.

Столь же важной проблемой является обеспечение переносимости разрабатываемых интерактивных программных модулей и их взаимодействия с различными системами управления обучением. Пока еще нет для этого общепринятых правил. Однако используется ряд спецификаций, в соответствии с которыми можно разрабатывать учебные модули, доступные для интеграции с системами управления обучением. Эти спецификации обладают определенными ограничениями и недостатками, поэтому их редко используют. К ним можно отнести спецификацию IMS Learning Tools Interoperability, в которой строго определены методы равностороннего взаимодействия обучающих программных средств с сертифицированными IMS учебными программными платформами [3]. Возможно, со временем эта спецификация обеспечит универсальный метод интеграции учебных модулей с системами управления обучением. Другим примером является сборник стандартов и спецификаций в сфере электронного обучения SCORM (Sharable Content Object Reference Model, эталонная модель переносимых объектов контента) [4]. Для интеграции в систему управления обучением SCORM-совместимый учебный материал

должен быть заранее собран в архив с определенной структурой, что накладывает ограничение на внедрение интерактивных модулей, лишая их возможности дальнейшего редактирования и добавления заданий. В качестве примера интерактивного модуля, реализуемого таким образом, можно привести разработанный в Сибирском федеральном университете редактор-преобразователь алгебраических выражений. На рисунке 2 показана схема интеграции интерактивного модуля с системой управления обучением.

Система управления ооучением

Рис. 2. Интеграция интерактивного модуля с системой управления обучением

Интеграция существующих и разрабатываемых систем, выявление общих принципов взаимодействия и построения предметно-ориентированных компонентов позволят упростить разработку ПО для поддержки процесса обучения. Публикация в единой информационно-образовательной среде теоретического материала и размещение поддержки в решении задач представляется главной целью разработки систем управления обучением.

Литература

1. Редькина А.В., Карпов Л.Е., Минкин И.В. Многокомпонентные инструментальные системы поддержки процесса обучения // Программные продукты и системы. 2011. № 3. С. 104-107.

2. Редькина А.В. Построение инструментальных средств поддержки обучения решению задач // Технология разработки информационных систем: сб. матер. II Междунар. науч.-технич. конф. Таганрог: Изд-во технологического ин-та ЮФУ. 2011. Т. 2. С. 93-96.

3. Seamless, Rapid Integration of Innovative Learning Applications and Tools. URL: http://www.imsglobal.org/lat.html (дата обращения: 10.01.2012).

4. Advanced Distributed Learning (ADL), Sharable Content Object Reference Model (SCORM) 2004 4th Edition. Overview, 2009.

5. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. СПб: Невский диалект, 1999. 560 с.

References

1. Redkina A.V., Karpov L.E., Minkin I.V., Programmnye produkty i sistemy, 2011, no. 3, pp. 104-107.

2. Redkina A.V., II Mezhdunar. Nauchno-tekhnicheskaya

Konf. «Tekhnologiya razrabotki informatsionnykh sistem» [The technology of information systems development], Taganrog, Tekhnologicheskiy institut YuFU, 2011, pp. 93-96.

3. Seamless, Rapid Integration of Innovative Learning Applications and Tools, Available at: http://www.imsglobal.org/lat.html

(accessed 10 January 2012).

4. Advanced Distributed Learning (ADL), Sharable Content Object Reference Model (SCORM) 2004, Overview, 2009.

5. Booch G., Object-Oriented Analysis and Design with Applications, 1999, 560 p.

УДК 004.72

проектирование тренажерно-моделирующих комплексов нового поколения

В.Е. Шукшунов, д.т.н., профессор, генеральный директор

В статье рассматриваются источники появления и концепция разработки принципиально новых тренажерно-моделирующих комплексов (ТМК), основанных на совмещении и интеграции подходов обучающих систем, систем подготовки операторов и функционально-моделирующих стендов. Приводятся используемые для этого технологии и архитектурные решения, анализируются предложенные подходы по совершенствованию и модернизации существующей базы. Рассматривается состав технологических и программных решений, в частности перспективные системы ввода и управления тренировкой, системы транспорта и моделирования объекта, распределения информационной нагрузки и вычислений. Интеграция различных функциональных возможностей и используемых технологий во множество архитектур ТМК нового поколения позволяет строить и простые системы на основе АРМ, и комбинированные схемы виртуальных и интерактивных макетов двойного назначения с возможностями территориального объединения ТМК. Приводится набор модулей ТМК нового поколения, где каждый модуль является самостоятельной системой, решающей определенные задачи в составе всего комплекса.

Ключевые слова: тренажерно-моделирующий комплекс, интеграция систем, обучение персонала, архитектура комплекса, образовательный модуль, тренажерный модуль, научный модуль, модуль управления тренировками.

DESIGNING NEW GENERATION OF COMPLEX SIMULATORS Shukshunov V.E., Ph.D., Professor, Director General (Space Simulator Center, 6, Leninsky Av., Moscow, 119991, Russia, secretct@gmail.com);

Yanyushkin V. V., Ph.D., Head of Sector (Don Branch of the Space Simulator Center, 101, Platovsky Av., Novocherkassk, 346400, Russia, vadim21185@rambler.ru) Аbstract. In article are considered occurrence and the concept of development essentially new complex simulators, based on overlapping and integration approaches training systems, operator's preparation systems and functional-modeling stands. Analyzed technologies used for architectural decisions, offered approaches on perfection and modernizations of existing systems. Composition of technology and software solutions, including advanced entry system and management simulators, transport systems and object modeling, distribution of information and data calculation. Integration of different functionalities and technologies used in a variety simulator architectures allows to build a new generation of simple systems based on computer workstations to combined schemes of virtual and interactive models dual-use capabilities and territorial unification. Composition of the modules, which shall consist new generation of simulators, where each module is a separate system, which solves certain problems in complex object.

Keywords: complex simulator, systems integration, personal training, system architecture, educational module, simulator module, research module, control simulation module.

В настоящее время разработка тренажерно-моделирующих комплексов (ТМК) ведется с использованием всего спектра современных информационных технологий и подходов, объединяя в себе преимущества использования мультимедийных средств и систем виртуальной реальности при подготовке и обучении различных специалистов. Одним из важных направлений является проекти-

рование перспективных ТМК, позволяющих объединять в своем составе высокий потенциал математического аппарата теории принятия решений как для процессов моделирования объектов и явлений, поддержки операторской деятельности, так и для первоначального ознакомления с предметной областью и обучения работе со сложными системами.