Гипертекстовые технологии как средство реализации интеллектуального обучающего тренажера по дисциплине «Методы оптимизации»

УДК 519. 7

ГИПЕРТЕКСТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ОБУЧАЮЩЕГО ТРЕНАЖЕРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ»

С.Ю. ЛУНЕВА

В статье рассмотрены вопросы использования гипертекстовых технологий для реализации интеллектуального обучающего тренажера (ИОТ) по дисциплине «Методы оптимизации». Приведены функциональная схема и структура интерфейса ИОТ. Рассмотрены примеры реализации поисковых и навигационных функций.

Ключевые слова: интеллектуальный обучающий тренажер, обратная связь, гиперссылка, электронная зачетная книжка.

Введение

Большинство существующих на сегодняшний день программных средств учебного назначения представляют собой либо системы для создания тестов (ADTester, SuperTest), либо оболочки для создания гипертекстовых учебников и справочников (ePublisher 3000, ToolBook Instructor, Наставник-М). Анализ перечисленных программных средств позволяет выявить два основных недостатка:

• компьютерные учебники на базе вышеперечисленных средств не позволяют обеспечить поддержку процесса обучения на всех его этапах. Как следствие, не обеспечивается выработка устойчивых навыков решения типовых задач предметной области;

• вышеперечисленные средства дают возможность реализовать контроль только конечного результата выполнения задания, но не дают проверки хода решения и не обеспечивают сбор информации об ошибках обучаемого, сделанных в процессе решения.

Современные компьютерные обучающие системы должны в основном заменить преподавателя, а следовательно, они должны обладать способностью не только определять правильность выполнения обучаемым заданий, но и делать выводы о состоянии знаний обучаемого, формировать на их основе новые задания, объяснять причины ошибок и методы их устранения. Такие программные средства можно охарактеризовать как интеллектуальные обучающие системы. На протяжении последних тридцати лет кафедра математической кибернетики МАИ активно проводит исследования в области компьютеризации образования, результатом которых явилась разработка концепции компьютерного обучения и создание на ее основе интеллектуального обучающего тренажёра (ИОТ) как интеллектуальной обучающей системы.

Статья посвящена вопросам реализации ИОТ с использованием гипертекстовых технологий.

1. Гипертекстовые технологии

Г ипертекст - технология на базе средств обработки больших, глубоко вложенных, структурированных, связанных семантически, понятийно текстов, информации, которые организованы в виде фрагментов, относящихся к одной и той же системе объектов. В настоящее время наибольшее распространение гипертекст как принцип интерактивной обучающей среды получил при создании электронных обучающих средств. Представление учебного материала в гипертекстовой форме существенно изменяет структуру и расширяет возможности электронного текста [3].

В качестве гиперссылок в электронном тексте могут выступать:

• ссылки на структурные элементы текста (оглавление, номер темы, пункт и подпункт);

• ссылки на словарь терминов и понятий (выделение ключевых слов в тексте);

• ссылки на хрестоматийный или дополнительный материалы (список вопросов для закрепления и устных развернутых ответов и др.);

• ссылки на список монографий, учебной и научной литературы;

• ссылки на Интернет-ресурсы (образовательные сайты, электронные библиотеки, мультимедийные приложения и др.) [4].

2. Требования для разработки ИОТ

Интеллектуальный обучающий тренажер должен представлять собой программную среду, позволяющую имитировать очный процесс обучения предмету. Настройка ИОТ на предметную область осуществляется с помощью базы данных. Информация о работе обучаемого с ИОТ должна сохраняться в учётной базе данных [5; 6].

Программное обеспечение ИОТ должно предоставлять обучаемому следующие возможности:

• изучение страниц электронного учебника, информация в котором разбита на наименьшие структурные единицы, соответствующие оглавлению дисциплины;

• быстрый поиск необходимой информации;

• использование предметно-алфавитного указателя для получения рекомендаций по решению задач в рамках выбранной темы;

• просмотр демонстрационного примера решения типовой задачи;

• поэтапный контроль умения решать типовые задачи; исправление допущенных ошибок в режиме обучения;

• наличие обратной связи с обучаемым в виде реакции на неправильные ответы (рекомендации и ссылки);

• наличие нескольких режимов контроля знаний;

• получение протокола результатов о проделанной работе на любом этапе обучения;

• занесение результатов контроля в электронную зачетную книжку.

Для реализации перечисленных функций ИОТ были использованы следующие средства разработки и технологии:

1) ООП PHP - реализует генерацию страниц электронного учебника в соответствии с выбранным пользователем разделом, проверку и установку прав и привилегий пользователя, отображение информации о прохождении обучения, вывод содержимого модулей, и обеспечивает функционирование системных приложений ядра;

2) СУБД MySQL - отвечает за организацию хранения информации в подключаемых базах данных;

3) Технология HTML 4.01, технология CSS - отвечают за оформление интерфейса системы, разметку страниц учебника гипертекстом, реализацию навигации и поиска информации;

5) API CMS Drupal v.6 - реализует ядро ИОТ.

3. Функциональная схема ИОТ

Функциональная схема работы ИОТ представлена на рис. 1. Преподаватель при помощи административных модулей (средства автора, модуля Мониторинга и модуля администрирования CMS) взаимодействует с базой данных ИОТ, которая осуществляет настройку тренажера на предметную область и содержит наполнение основных модулей, обеспечивающих процесс обучения. По результатам работы обучаемого (студента) с этими модулями производятся соответствующие записи в учетную базу данных, а из неё в протокол. К протоколу имеют доступ

как студент, так и преподаватель, при этом последний может видеть результаты всех обучаемых в системе при помощи модуля Мониторинга.

Рис. 1. Функциональная схема ИОТ

4. Реализация интерфейса ИОТ с помощью гипертекстовых технологий

Основной задачей пользовательского интерфейса ИОТ является максимальное упрощение работы пользователей с системой. Для пользователей системы (обучаемые и преподаватель) интерфейс должен являться интуитивно-понятным и в полной мере охватывать все функции ИОТ.

Стандартный внешний вид интерфейса ИОТ, доступный при работе с модулями, обеспечивающими процесс обучения, представлен на рис. 2.

Как видно из рисунка, визуально область работы с ИОТ разделена на три зоны:

1. «Шапка» - верхняя условная зона системы, которая содержит в себе основные навигационные гиперссылки.

В левой части рядом с логотипом ИОТ располагается краткая информация о текущем пользователе. Под ней находится ссылка на модуль зачётной книжки. В случае, если системой пользуется преподаватель или администратор, то в этом месте также появляются ссылки на администрирование ядра, модуль средства автора и модуль мониторинга.

Правее располагается блок информации о текущей странице. Первой строкой идёт название изучаемой дисциплины. Под ней располагается ссылка на предметно-алфавитный указатель, относящийся к текущей изучаемой дисциплине. Во время прохождения тестирований ссылка недоступна. Ниже располагается строка, которая содержит название текущего изучаемого раздела. Ещё правее расположены ссылки на профиль пользователя и вход/выход из системы.

Ниже расположены навигационные ссылки, которые могут «листать» страницы учебника вперёд и назад. Во время прохождения тестирования эти ссылки сменяются строкой с названием раздела, к которому принадлежит тестирование.

Рис. 2. Вид пользовательского интерфейса

2. Левая часть рабочей области - это навигационное древовидное оглавление-меню, реализованное в виде гиперссылок. В нём в структурированном виде выводится всё содержание текущего изучаемого курса. Само меню можно сворачивать и разворачивать по нажатию на символы «+» и «-».

Под разделами, соответствующими тестированиям, располагаются маркеры, которые показывают состояние завершённости соответствующего тестирования. Помимо подсветки «зачтено» - «незачтено», к ним прилагается ссылка на протокол прохождения теста в случае, если попытки прохождения предпринимались. Для большего удобства размеры навигационного меню можно масштабировать мышью.

При активации режимов тестирования область меню отключается до тех пор, пока тестирование не будет завершено естественным образом (полное прохождение с выставлением оценки), либо принудительно (по нажатию кнопки «Завершить тестирование» с выставлением оценки по результатам уже данных ответов).

3. Правая часть рабочей области (главная область вывода) отвечает за вывод страниц учебника, алгоритмов и демонстрационных примеров.

Как и область меню, главная область вывода обладает масштабируемыми размерами для удобства работы пользователя с различными примерами и на разных разрешениях мониторов. При активации режима тестирования главная рабочая область сдвигается на место области оглавления и отвечает за вывод заданий тестирования, результатов и рекомендаций.

5. Реализация поиска информации при работе с ИОТ

Теоретические сведения в ИОТ представлены наглядно, структурированно, с использованием таблиц и иллюстраций. Для расширения возможностей навигации и поиска нужной информации страницы теории снабжены гиперссылками. На рис. 3 представлен переход по ссылке в тексте на определение.

Рис. 3. Переход по гиперссылке при работе с теоретическим материалом

Доступ к отдельным теоретическим фрагментам можно также получить с помощью предметно-алфавитного указателя. Пример работы пользователя с предметно-алфавитным указателем представлен на рис. 4. Из предметно-алфавитного указателя пользователь всегда может вернуться к обучению, нажав соответствующую ссылку в верхней части экрана.

Рис. 4. Предметно-алфавитный указатель

6. Использование гиперссылок при реализации тестирования знаний

В ИОТ предусмотрены различные виды контроля, реализованного в виде тестов. После изучения теоретического материала обучаемому предлагаются вопросы самоконтроля усвоения теории. Во время ответа на вопросы самоконтроля закрыт доступ к оглавлению. Отвечать на вопросы самоконтроля обучаемый может неограниченное количество раз. В случае ошибки при ответе на вопрос обучаемый получает подсказку: ссылку на соответствующий раздел теории.

После ответа на серию вопросов самоконтроля обучаемый получает сводную информацию о сделанных ошибках с гиперссылками на соответствующие разделы теории (рис. 5). Эта информация фиксируется в протоколе.

I ест завершен

Ваш результат: 75°/о. Ваша оценка: 4.

№ Статус Дата Теория Алгоритм Объяснения Пример

1 Зачтено 20.12.11 16:25 Глава 2. Параграф 2.1. Теорема 1. Демонсграиионный пример 2.1

2 Зачтено 20.12.11 16:26 Глава 2. Параграф 2.1. Исследование знакоопределенности матрицы

3 Зачтено 20.12.11 16:27 Глава 2. Параграф 2.1. Демонсграиионный пример 2.1

4 Незачтено 20.12.11 16:27 Глава 2. Паоагоа(Ь 2.1. Демонсграиионный пример 2.1

Принять Начать заново

Рис. 5. Сводная информация о результатах ответа на вопросы

После успешного прохождения самоконтроля усвоения теории обучаемый приступает к решению упражнений в пошаговом режиме. Решать упражнения, так же как и вопросы самоконтроля, обучаемый может неограниченное количество раз.

Каждый шаг (задание и правильный ответ) фиксируется, и обучаемый всегда имеет к ним доступ. В случае ошибки на каждом шаге обучаемый получает двухуровневую подсказку: первый уровень - ссылка на соответствующий раздел теории или демонстрационный пример, второй уровень (в случае повторной ошибки) - правильный ответ (это делается с целью довести решение упражнения до конца).

После решения всех упражнений в пошаговом режиме, в случае использования подсказок второго уровня, обучаемый также получает сводную информацию о сделанных ошибках с ги-персылками на соответствующие разделы теории и демонстрационные примеры (рис. 6).

К рубежному контролю обучаемый допускается в случае успешного решения упражнений в пошаговом режиме по всем предшествующим разделам. Каждый рубежный контроль включает серию заданий по предшествующим разделам. Количество заданий определяется соответствующим числом предшествующих рубежному контролю разделов, содержащих демонстрационные примеры и блоки пошагового решения упражнений. Рубежный контроль может быть переписан неограниченное количество раз.

К контрольной работе обучаемый допускается в случае успешного решения всех контрольных заданий по предшествующим разделам. Контрольная работа включает опрос по теории и серию упражнений по предшествующим разделам. Контрольная работа может быть переписана,

в этом случае - все оценки за предшествующие контрольные задания (вопросы самоконтроля, пошаговые упражнения и рубежные контроли) сбрасываются, и обучаемый вновь начинает с ответа на вопросы самоконтроля.

Упражнение незачтено

Шаг № Статус Попытка Дата Теория Алгоритм Объяснения Пример

1 Зачтено 1 20.12.11 17:27 Глава 3. Параграф 3.1. Раздел 3.1.3. Демонстрационный пример 3.4.

2 Зачтено 2 20.12.11 17:28 Глава 3. Параграф 3.1. Раздел 3.1.3. Демонстрационный пример 3.4.

3 Незачтено 2 20.12.11 17:29 Глава 3. Параграф 3.1. Раздел 3.1.3. Демонстрационный пример 3.4.

4 Незачтено 2 20.12.11 17:30 Глава 3. Параграф 3.1. Раздел 3.1.3. Демонстрационный пример 3.4.

5 Зачтено 1 20.12.11 17:30 Глава 3. Параграф 3.1. Раздел 3.1.3. Демонстрационный пример 3.4.

НННННЬ.  III™'“

Дальше Завершить Начать заново

______________________

Рис. 6. Сводная информация о результатах решения упражнений

По итогам рубежного контроля и контрольной работы обучаемый получает сводную информацию о результатах, аналогичную приведенной выше.

7. Реализация зачетной книжки с использованием гиперссылок

Все результаты обучения (по всем видам контроля) сохраняются в учётной базе данных. Соответствующая информация для студента представлена в виде зачетной книжки.

В зачетной книжке содержится информация о прохождении обучаемым различных тестирований (рис. 7).

Зачетная книжка

Выберите дисциплину Дифференциальные уравнения Методы оптимизации

Раздел теории Тнп теста Результат О) Оценка Попыток сделано Дата последней попытки

1.3. Постановка задачи оптимизации Вопросы самоконтроля 100.00% 5 3 30.11.11 18:24 Протокол

2.1. Необходимые и достаточные условия поиска безусловного экстремума Упражнения 100.00% 5 5 14.12.11 17:22 Протокол

2.1. Необходимые и достаточные условия поиска безусловного экстремума Вопросы самоконтроля 100.00% 5 1 30.11.11 18:26 Протокол

2.2.1.2. Метод градиентного наискорейшего спуска Вопросы самоконтроля 88.89% 5 1 14.12.11 17:25 Протокол

2.2.1.2. Метод градиентного наискорейшего спуска Упражнения 0.00% г 1 14.12.11 17:27 Протокол

Рис. 7. Зачетная книжка

Запись в основном списке состоит из названия раздела, к которому относится тестирование, тип тестирования, оценка по пятибалльной шкале, успешный результат в процентах от общего количества вопросов в тестировании и ссылка на протокол.

При нажатии на ссылку «Протокол» обучаемому выдается подробная информация о прохождении тестирования, которая содержит в себе результат по каждому из заданий и рекомендации с ссылками на соответствующий теоретический материал или алгоритм.

Заключение

В статье изложены основные принципы использования гипертекстовых технологий при реализации интеллектуального обучающего тренажера по дисциплине «Методы оптимизации». Рассмотренный в статье тренажер разработан на кафедре математической кибернетики МАИ и внедрен в учебный процесс.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пантелеев А.В., Летова Т. А. Методы оптимизации в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 2008.

2. Киреев В.И., Пантелеев А.В. Численные методы в примерах и задачах: учеб. пособие. - 3-е изд. - М.: Высшая школа, 2008.

3. Воройский Ф.С. Информатика. Новый систематизированный толковый словарь-справочник. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

4. Велихов А.В. Основы информатики и компьютерной техники: учеб. пособие. - М.: Букпресс, 2006.

5. Лунева С.Ю. Интеллектуальный обучающий тренажер по курсу «Дифференциальные уравнения» // Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обеспечения: межвуз. сб. науч. тр. - М.: Изд-во МИРЭА, 2011. - С. 74-81.

6. Лунева С.Ю. Принципы функционирования интеллектуального обучающего тренажера по курсу «Дифференциальные уравнения» // Материалы XVII междунар. конф. по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. - 2011. - С. 792-794.

HYPERTEXT TECHNOLOGIES AS THE IMPLEMENTER OF THE INTELLECTUAL TRAINING SIMULATOR ON DISCIPLINE «OPTIMIZATION METHODS»

Luneva S.U.

Questions of use of hypertext technologies for realization of an intellectual training simulator on discipline «Optimization methods» are considered in article. The function chart and interface structure are resulted. Examples of realization of search and navigating functions are considered.

Key words: the intellectual training exercise machine, feedback, a hyperlink, the electronic record book.

Сведения об авторе

Лунева Светлана Юрьевна, окончила Московский авиационный институт (1980), старший преподаватель кафедры математической кибернетики факультета прикладной математики и физики МАИ, автор более 20 научных работ, область научных интересов - интеллектуальные системы, информационные технологии, методы оптимизации.