Онтологические методы синтеза электронных учебных пособий

Задание 8. Оформить отчет о проделанной работе по пунктам заданий 1-6. Защитить работу и ответить на контрольные вопросы.

Требования к оформлению отчета. Отчет оформляется каждым студентом в отдельной тетради. В отчете необходимо отразить: название работы; результаты выполнения заданий 1-8.

4. Применение мультимедийных и программных средств в лабораторном практикуме

Рабочее окно интерактивной мультимедийной среды Aircraft Electric 1.0 показано на рис. 4. В правой части рабочего окна расположены средства просмотра видеороликов по теме выбранной работы. Каждая тема содержит несколько сюжетов (рис. 5), список которых доступен в процессе изучения мультимедийного материала.

В левой части рабочего окна расположены средства просмотра фотоизображений, характерных для выбранного сюжета. В верхней левой части рабочего окна содержится список предварительного просмотра с эскизами фотоизображений, как показано на рис. 6. Для детального просмотра изображения необходимо щелкнуть по требуемому фото. Выбранное фото отображается в крупном виде в окне, расположенном под окном списка предварительного просмотра.

Изучение материала заканчивается прохождением тестирования. Система тестирования реализована программно (см. рис. 7, 8) и входит в состав программного обеспечения Aircraft Electric 1.0. Вопросы для тестирования случайным образом выбираются из базы, содержащей 40-50 вопросов по каждой теме.

Заключение

Применение разработанного методического и программного обеспечения Aircraft Electric 1.0 позволяет изучить необходимый теоретический материал, ознакомиться с современным оборудованием и инструментарием, а также изучить особенности технологического процесса монтажа электрооборудования летательных аппаратов в условиях, максимально приближенных к реальному производству. Разработанный практикум способствует лучшему освоению основных навыков рабочей специальности и получению начального профессионального образования.

Литература

1. Приказ Министерства образования РФ от 25 марта 2003 г. № 1154. Об утверждении положения о порядке проведения практики студентов образовательных учреждений высшего профессионального образования.

2. Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора: Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. -М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.

3. Учебно-методическое пособие для проведения производственной практики студентов инженерных специальностей на основе технологии виртуальных приборов и мультимедиа для специальности 140609 «Электрооборудование летательных аппаратов» (СД.1, Сд.2, СД.3) при изучении курсов спец. дисциплин Института авиации, наземного транспорта и энергетики по направлению 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

4. Евдокимов Ю. К., Кирсанов А. Ю., Салахова А. Ш. Дистанционные автоматизированные учебные лаборатории и технологии дистанционного учебного эксперимента в техническом вузе // Открытое образование, 2009. № 5. С. 102-118.

ОНТОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОННЫХ

УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ

И. П. Норенков, д. т. н., профессор, зав. кафедрой САПР Тел. (499) 263-62-90, e-mail: norenkov@wwwcdl.bmstu.ru МГТУ им. Н. Э. Баумана http://bmstu.ru

The paper is devoted to the methods of synthesis of adaptive electronic textbooks. The method of navigation in a semantic network and the method of learning trajectory optimization are considere

Представлены методы формирования адаптивных электронных учебных пособий на основе онтологического подхода - метод навигации по семантической сети понятий предметной области и метод оптимизации траектории обучения.

Ключевые слова: электронное учебное пособие, траектория обучения, онтология, синтез учебных пособий.

Keywords: electronic textbook, learning trajectory, ontology, synthesis of textbooks.

Введение. Образовательные учреждения нуждаются в учебных ресурсах, способных адаптироваться к конкретным задачам обучения и уровню предварительной подготовки обучаемых, а также к индивидуальным запросам слушателей различных курсов повышения квалификации. Возможность получить доступ к настраиваемым на пользователя учебным пособиям весьма привлекательна и для лиц, стремящихся самостоятельно повысить свой образовательный уровень. Поэтому в существующих обучающих системах в той или иной мере стараются реализовать возможности настройки электронных учебных пособий (ЭУП) на особенности контингента обучаемых.

В настоящее время применяется ряд подходов к разработке обучающих систем и инструментальных сред создания ЭУП, представленных в монографиях [1-6], имеются порталы с открытым доступом к ЭУП по многим направлениям [7-9]. Однако фиксированная (монолитная) структура ЭУП существенно сокращает возможности найти учебный материал, устраивающий пользователя.

Возможности реализации индивидуализированных учебных пособий появились в рамках информатизации и компьютеризации образования еще в 70-е годы прошлого века, когда были созданы так называемые программируемые учебники и пособия. Отличительной особенностью их структуры было предоставление пользователю нескольких путей (траекторий) обучения. Каждая траектория представляла собой порцию учебного материала, выбор нужной порции осуществлялся на основе результатов промежуточной проверки усвоения предыдущих модулей [10]. Программируемые пособия не нашли широкого применения, так как трудоемкость их создания оказалась весьма высокой, все траектории и вопросы для самопроверки знаний в них были фиксированными.

Далее появилась идея модульности учебных материалов, заключавшаяся в том, что траектории обучения не фиксировались заранее при создании учебника, они формировались преподавателями оперативно перед использованием ЭУП и состояли из множества более мелких частей учебных материалов, называемых модулями, или разделяемыми единицами контента (РЕК) [11, 12]. Идея модульности воплощена в широко известной модели SCORM создания ЭУП, разработанной в ассоциации ADL [13]. В соответствии с технологией SCORM модули разрабатываются заранее, база модулей пополняется по мере расширения и углубления знаний в изучаемой области, конкретные ЭУП компилируются из РЕК имеющейся базы. Для объединения РЕК в составе ЭУП модули должны быть автономны, не содержать ссылок на другие модули. Это ограничение является определенным недостатком модели SCORM.

Устранение этого ограничения было осуществлено введением в структуру инструментальных систем интегрирующей среды в виде предметных онтологий [14]. Онтологии обеспечивают следующие возможности и преимущества:

• малые затраты времени и средств на создание новых пособий из имеющихся РЕК;

• формирование новых ЭУП путем навигации по семантической сети понятий предметной области;

• упорядочение отобранных РЕК в составе пособия с соблюдением отношений предшествования «определяющие понятие - определяемое понятие»;

• допустимость межмодульных гиперссылок;

• легкость корректировок содержания уже созданных ЭУП и, следовательно, поддержания ЭУП в актуальном состоянии;

• семантический поиск информации;

• синтез оптимальных траекторий обучения и поддерживающих их индивидуализированных учебных пособий;

• полуавтоматическое преобразование текста в гипертекст и др.

Технология создания ЭУП с использованием модульности и онтологического подхода, называемая технологией разделяемых единиц контента (ТРЕК), реализована в системе создания и использования ЭУП «База и генератор образовательных ресурсов» (БиГОР) [15].

Целью данной публикации является изложение методов синтеза адаптипруемых электронных учебных пособий с помощью ТРЕК.

Формирование электронных учебных пособий на основе навигации по семантической сети. Предметная онтология определяется как совокупность понятий в предметной облас-

ти и отношений между ними вместе со способами интерпретации понятий и отношений. В системе БиГОР онтология представлена в виде списка концептов (понятий) и их кратких определений, гипертекстовые ссылки в которых выражают межпонятийные отношения. Онтологии соответствует семантическая сеть понятий, вершины которой отображают понятия, а дуги отношения между ними.

Один из способов формирования ЭУП основан на навигации, осуществляемой пользователем по семантической сети понятий начиная с некоторого ключевого слова, выражающего запрос пользователя. В процессе навигации система предоставляет пользователю, во-первых, списки понятий, с которыми связано текущее понятие, т. е. пользователь видит семантическую окрестность текущего понятия, во-вторых, список тех РЕК, в которых определено (описано и пояснено) текущее понятие. Из списка РЕК пользователь выбирает те модули, которые он считает нужным включить в формируемое ЭУП, а списки понятий используются для продолжения навигации.

На рис. 1 показан пример трех последовательных шагов навигации по семантической сети при формировании пособия, посвященного динамическим системам, в системе БиГОР. На первом шаге пользователь ввел в поисковую систему БиГОР ключевое слово «динамическая система», в ответ система возвращает окрестность этого понятия, ставшего текущим, в виде списка определяющих понятий «модель» и «система», списка определяемых понятий «аттрактор», «бифуркация», «диссипативная система» и др. и списка РЕК, в которых определено («Динамические системы») или используется («Бифуркации» и «Хаотические системы») текущее понятие. Отметим, что определяемые в модуле понятия называются выходными понятиями этого модуля, а понятия, используемые для пояснения выходных понятий, - входными понятиями модуля. Второй шаг - переход в вершину семантической сети «аттрактор», третий шаг - переход в вершину «странный аттрактор». На третьем шаге, как это видно из рис. 1, пользователь принял решение включить в ЭУП модули «Теория катастроф» и «Динамические системы», отметив их в списке модулей.

Продолжим рассмотрение этого примера, для лаконичности ограничившись полученным промежуточным списком модулей. При переходе в компилирующую подсистему БиГОРа пользователь видит автоматически упорядоченный список отобранных модулей вместе с понятиями, которые применяются в этих модулях, но в пособии не поясняются (рис. 2). Например, в модуле «Теория катастроф» в качестве входного используется термин «диссипативная система». Если пользователь укажет на запись этого термина, то система вернет пользователя в семантическую сеть в вершину «диссипативная система». Если при этом модуль «Диссипативные структуры» будет выбран, то список отобранных РЕК пополнится этим модулем, что иллюстрирует правая часть рис. 2.

В результате формирования и корректировки списка модулей пользователь получает оглавление пособия, состоящее из ссылок (названий) на отобранные РЕК, т. е. фактически получает ЭУП. Следует отметить возможность использования в ЭУП гиперссылок на любые моду-

поэтому пользо-

♦ ^ модель система

Сохраненные проблемы информатики и я,га динамическая система

Система, мод ТГ Теория д

Определен: + 1 Динами*

Используется: + 1 Бифурка + 1 Хаотиче!

4 *

* *

4

аттрактор бифуркация дисснпатнвнэд катастрофа самоорганшаи теория катает] устойчивая ди фазовая траек хаос

1 А динамическая сии устойчивая динамич!

Современные проблем

аттрактор

Состояние динамке»

Т Теория динами1

Определен:

+ 1 Дк скне <

странный аттрактор

4 А* аттрактор

фазовая траектория

Современные проблемы информатики н *ычнглнте странный аттрактор

/ Аттрактор, которому в фазовом пространстве со окрестных областей все фазовые траектории. Эти структуру и представляют собой незамкнутые кри

Т Теория динамических систем

Определен:

1 Теория катастроф ^ 1 Динамические системы

Используется:

♦ 1 Хаотические системы

хаотическая динамическая система

Рис. 1. Навигация в семантической сети в системе БиГОР

ли,

ватель онтологического ЭУП находится в расширенном информационном пространстве, включающем фактически всю базу учебных материалов (БУМ).

Инструментами адаптации и индивидуализации ЭУП являются возможности, во-первых, выбора путей навигации в семантической сети, во-вторых, принятия решения в каждой вершине сети о

включении или невключении в ЭУП тех или иных модулей из БУМ. В базу входят предметные онтологии, текстовые и контролирующие модули и скомпилированные ЭУП, созданные определенным педагогическим коллективом и размещенные на соответствующем сайте, например на сайте, подобном [16]. Для студентов обеспечивается доступ как к ЭУП, так и к онтологиям через средства поисковой подсистемы. Преподаватели могут дополнительно иметь доступ к компилирующей подсистеме и использовать для создания своих ЭУП централизованную базу модулей. Кроме того, каждый пользователь может создать и поддерживать свою локальную БУМ.

Формирование электронных учебных пособий на основе построения оптимальных траекторий обучения. Наряду с ручной навигацией в семантической сети концептов необходимо иметь формальные методы создания индивидуализированных ЭУП.

К исходным данным при алгоритмизации решения задачи синтеза траекторий обучения и

соответствующих ЭУП относит-

Отобрано: учебных модул»

Синергетика

— [ 1 Динамитеские системы

система

математическая моде.щ

— ^ Теория катастроф

К диссипативная система

Информация о понятии

Стреле даксипатщ

Открытая "f Teopi

Определен:

Отобрано: учебных модулей - 3, тестовы

Синергетика

- ] Динамические системы система

математическая модель  1 Диссипативные структуры ' термодинамическая энтролия

Теория катастроф

Сохранить список в файле учебною курса Очистить список отобранных модален

схнх систем

^ 1 Диссипативные структуры

Используется: V ~\ Теория катастроф

ся целевое множество Кцел концептов, т. е. основных понятий, которые должны быть изучены с помощью ЭУП. Известнотакже множество Кисх концептов, ранее изученных пользователем. Как правило, для понимания Кцел обучаемый должен освоить, кроме Кцел, также ряд других понятий, ведущих от Кисх к Кцел. Это упорядоченное множество концептов называется траекторией обучения. Поддерживающее эту траекторию множество Мтр модулей является синтезируемым ЭУП и должно удовле-

Рис. 2. Включение в пособие дополнительных модулей творять следующим условиям:

а) концепты целевого множества Кцел входят в число выходных понятий каких-либо модулей ЭУП;

б) любое входное понятие модуля в ЭУП должно либо входить в число выходных понятий какого-либо модуля Мтр, либо относиться к множеству Кисх;

в) модули должны быть упорядочены так, чтобы входные концепты любого модуля определялись до их использования в пособии;

г) качество траектории оценивается целевой функцией, которая чаще всего является аддитивной функцией тех или иных характеристик модулей ЭУП.

Модель этой задачи может быть представлена в виде И/ИЛИ-графа G (К, М, E),

где К - множество ИЛИ-вершин, каждая из которых соответствует одному из концептов онтологии, М - множество И-вершин, каждая из которых соответствует одному из модулей, E - множество дуг, соответствующих отношениям К/М («концепт определен в модулях») и М/К («в модуле используются концепты»).

На рис. 3 показан фрагмент И/ИЛИ-графа, относящегося к предметной области «Введение в системы автоматизированного проектирования». ИЛИ-вершины концептов показаны кружками, И-вершины модулей - прямоугольниками. Изоморфным является представление модели в табличном виде, для примера рис. 3 это таблицы 1 и 2, в которых указаны отношения К/М и М/К соответственно. Семантика множеств К и М примера раскрыта в табл. 3.

Пусть U - множество возможных решений задачи синтеза ЭУП. Введем булевы переменные xp и yq такие, что xp = 1, если концепт kp входит в траекторию обучения, и yq = 1, если модуль mq входит в ЭУП, иначе xp = 0 и yq = 0. Поскольку табл. 1 выражает отношение ИЛИ, а табл. 2 - отношение И, имеем логическое уравнение, связывающее концепты и модули конкретного решения Uj € U:

где V и & - знаки логического сложения и умножения, xp и yq - переменные p-xp = V yq & xr = 1, го концепта и q-го модуля решения соответственно, Qp - множество номеров q € Qp, r € R модулей, в которых определен концепт kp, Rq - множество номеров концептов,

входных для модуля mq.

Если хр - конъюнкция целевых концептов, то раскрытие рекурсии (1) приводит к дизъюнктивной нормальной форме, в которой множество дизъюнктов отождествляется с и. В этом множестве нужно выбрать решение с экстремальным значением целевой функции /'(и).

Рис. 3. Фрагмент И/ИЛИ-графа

Если в примере рис. 3 в качестве целевых концептов принять к15 и к10, а Кисх = {к16, к17, к18}, то в соответствии с (1) имеем

х15 & х10 = у14 & х6 &

Таблица 1

ki k2 кз к4 к5 кб kv ks k9 kio kii ki2 ki3 ki4 ki5

Ш2 Ш2 Ш2 Ш2 m3 m1 ms mi3 m5 m9 m4 mi2 m4 m9 mio m5 mn m6 mi3 mi4 mio mii mi2

Таблица 2

mi m2 m3 m4 m5 m6 m7 ms m9 mio mii mi2 mi3 mi4 mi5 mi6 miv

ki k2 k3 k4 ki k2 ks ks ki3 ki k6 kio k9 k9

k2 k3 k5 k5 kv kii kio k2 kii

k4 ki2

Таблица 3

K Концепт M Название модуля

ki САПР mi Принципы CALS

k2 проектное решение m2 Понятие проектирования

k3 проектирование m3 Принципы системного подхода

k4 техническое задание m4 Структура САПР

k5 блочно-иерархический подход m5 Стадии проектирования

k6 CALS m6 Уровни проектирования

k7 стадия проектирования m7 Этапы проектирования

ks уровень регистровых передач ms Введение в CALS

k9 машиностроительная САПР m9 Маршруты проектирования СБИС

kio САПР в радиоэлектронике mio Архтектуры ECAD

kii маршрут проектирования mii Процедуры синтеза цифровых схем

ki2 конструкторское проектирование mi2 Структуры CAD/CAM

ki3 управление проектными данными mi3 Жизненный цикл изделий

ki4 компоновка mi4 CALS-стандарты

ki5 стандарты STEP mi5 Задачи компоновки

mi6 Графическое ядро

miv Основные функции CAD-систем

Четыре дизъюнкта в (2) определяют множество и решений, среди которых при условии минимизации числа модулей, составляющих ЭУП, оптимальное решение представляет первый

дизъюнкт, т. е. пособие состоит из модулей m2, m4, m1, m14. Это оптимальное решение выделено на рис. 3 утолщенными линиями.

Заключение. Очевидно, что адаптационные свойства ТРЕК тем шире, чем более объемной и содержательной является база модулей. Эта база постоянно пополняется и со временем как ручная навигация по семантической сети, так и неформализованный выбор решения в U становятся затруднительными. Вместо получения множества U приходится оперировать некоторым его подмножеством приемлемой мощности, т. е. некоторой популяцией решений. В этих условиях для построения оптимальных траектории и ЭУП нужно вместе с изложенным подходом использовать генетические алгоритмы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

Литература

1. Вуль В. А. Электронные издания. - СПб.: Петербургский институт печати, 2001. - 308 с.

2. Башмаков А. И., Башмаков И. А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. -М.: Филинъ, 2003. - 616 с.

3. Информатизация образования: направления, средства, технологии / Под ред. С. И. Маслова. -М.: МЭИ, 2004. - 868 с.

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

5. Соловов А. В. Электронное обучение: проблематика, дидактика, технология. - Самара: Новая техника, 2006. - 464 с.

6. Шереметов Л. Б., Усков В. Л. Виртуальные образовательные среды // Информационные технологии (приложение), 2002. № 5. - 24 с.

7. Open Сошье Ware [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ocwconsortium.org.

8. Open Educational Resources Commons [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.oercommons.org.

9. Российское образование. Федеральный портал [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.edu.ru/db/portal/sites/portal_page.htm.

10. Савельев А. Я. Автоматизированные обучающие системы на базе ЭВМ. - М.: Знание, 1977. - 36 с.

11. Норенков Ю. И., Усков В. Л. Консультационно-обучающие системы // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 1993. Вып. 3.

12. Норенков И. П. Концепция модульного учебника // Информационные технологии, 1996. № 2. С. 22-24.

13. SCORM. Shareable Content Object Reference Model. 2d ed. - Advanced Distributed Learning, 2004.

14. Норенков И. П. Технологии разделяемых единиц контента для создания и сопровождения информационно-образовательных сред // Информационные технологии, 2003. № 8. С. 34-39.

15. Норенков И. П., Уваров М. Ю. База и генератор образовательных ресурсов // Информационные технологии, 2005. № 9. С. 60-65.

16. База и генератор образовательных ресурсов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bigor.bmstu.ru.

УДК 378.146:004

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

А. А. Мицель, д. т. н., профессор Тел.: (3822) 701-536, e-mail: maa@asu.tusur.ru

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

http://www.tusur.ru

А. А. Погуда, аспирант кафедры «Автоматизированные системы управления» Тел.: (3822) 529-535, e-mail:alexsmail@sibmail.com Томский государственный университет http://www.tsu.ru

Mathematical models and algorithms intended for the automated control of knowledge are considered and analyzed. The most valid algorithms and methods for creation of electronic test systems possessing high dialectics are selected.

Рассматриваются и анализируются математические модели и алгоритмы, предназначенные для автоматизированного контроля знаний. Определяются наиболее валидные алгоритмы и методы для создания электронных систем тестирования, обладающих высокой диалектичностью.