Структуризация теоретического материала электронных учебных курсов с использованием объектно-ориентированной модели

УДК 371.315:004

ББК 4312.453

Чубаркова Елена Витальевна

кандидат педагогических наук, доцент

кафедра сетевых информационных систем и компьютерных технологий

обучения

Российский государственный профессионально-педагогический университет

г. Екатеринбург Венков Сергей Сергеевич ассистент

кафедра сетевых информационных систем и компьютерных технологий

обучения

Российский государственный профессионально-педагогический университет

г. Екатеринбург Chubarkova Elena Vitalievna Candidate of Pedagogics,

Assistant Professor

Department of network information systems and computer technologies of education

Russian state vocational pedagogic university Ekaterinburg Venkov Sergej Sergeevich assistant

Department of network information systems and computer technologies of education

Russian state vocational pedagogic university Ekaterinburg

Структуризация теоретического материала электронных учебных курсов с использованием объектно-ориентированной модели Electronic training courses theoretical block structurization with use of object-

oriented model

Статья посвящена структуризации теоретического учебного материала с использованием объектно-ориентированной модели. Обоснованы состав, иерархическая структура и отношения между элементами модели,

формализованные с помощью ориентированного графа. Рассмотрена специфика объектно-ориентированной модели понятийной структуры теоретических материалов электронных учебных курсов на фоне ее аналогов в педагогической науке.

The article describes structurization of a theoretical training material with use of object-oriented model. The composition, hierarchical structure and the relations between elements of the model formalized with use of directed graph. Specifics of object-oriented model of electronic training courses theoretical materials conceptual structure against its analogs in a pedagogical science is considered.

Ключевые слова: объектно-ориентированная модель, иерархия понятий, структура теоретического материала.

Key words: object-oriented model, hierarchy of concepts, structure of the theoretical material.

Информатизация образования является актуальной задачей современной педагогики на всех уровнях системы образования. Этот комплексный, многоаспектный процесс в частности касается структуризации учебной информации: необходимого этапа в создании электронных учебных курсов. Противоречия этапа структуризации обусловлены быстрым увеличением объема и регулярным обновлением учебной информации с одной стороны и недостатком педагогического знания о способах работы с ней с другой стороны. В настоящей статье мы рассматриваем специфику объектно-ориентированного моделирования учебной информации, как способа упорядочения большого информационного объема.

А.Я. Фридланд [10, с. 59-61] пишет, что в ответ на возрастающую сложность деятельности человека появляются и способы уменьшения сложности. Он подчеркивает, что в условиях возросшей сложности действительность может быть описана объектно-ориентированными моделями, и определяет основанное на модели понятие объектно-ориентированного мышления.

Последуем определению, данному Смитом и Токи: "Объект представляет собой конкретный опознаваемый предмет, единицу или сущность (реальную или абстрактную), имеющую четко определенное функциональное назначение в данной предметной области" [4].

Объектно-ориентированная модель - это такой замещающий аналог учебной информации, в котором за элемент принята единица учебной информации (объект), а свойства модели в целом определяются характером взаимодействия ее элементов. Ключевая особенность такой модели, по сравнению с ближайшими аналогами известными педагогической науке, заключается в относительности иерархии структурных единиц. Учебная информация разнообразна по содержанию и не имеет главных и второстепенных по значению единиц, так как сама по себе не имеет цели. Но, тем не менее, целеполагание необходимо для модели, так как с ней работает человек - в этом проявляется противоречие объектно-ориентированного моделирования. Относительная иерархия, допущенная при моделировании, подразумевает такое упорядочение содержа-

ния модели, при котором оно может быть динамически упорядочено относительно любого входящего в ее состав элемента, то есть любой элемент может стать главным или второстепенным в зависимости от целеполагания.

Объектно-ориентированная модель строится с учетом требований к образовательным моделям представления знаний, выделенных Т.Ш. Шихнабиевой. Она пишет [12, с. 123-124], что при разработке образовательных моделей представления знаний необходимо:

• учитывать родо-видовые и причинно-следственные связи между понятиями, объектами и отдельными разделами дисциплин предметной области.

• адаптировать этих моделей к уровню образования и подготовки обучаемого

• сделать возможной модернизацию моделей в процессе их использования

• обеспечить структуризацию знаний для различных форм учебных занятий

Объектно-ориентированную модель, отвечающую этим требованиям целесообразно использовать для структуризации теоретического материала электронных учебных курсов.

Существующие на сегодняшний день программные педагогические средства опираются на структуры данных. Например, в состав электронных учебных курсов входят взаимосвязанные блоки: информационный, коммуникативный и контрольный. Функции информационного блока совпадают с функциями традиционного учебника. Аналогом коммуникативного блока в традиционном очном варианте учебного курса является семинар. Контроль заключается в проверке хода и результатов теоретического и практического усвоения обучающихся учебного материала [11, с. 136]

Учебно-методический ресурс «Теоретический блок» входит в состав учебных курсов и относится к типу информационных блоков. Этот компонент может быть рассмотрен с двух точек зрения: информационной и транспортной. Информационная компонента описывает структуру хранения и представления учебного материала, транспортная оценивает эффективность информационно-

го обмена в сетевом режиме использования данного компонента. Структура компонента представляет собой иерархическую древовидную структуру. Основной сущностью структуры этого компонента является теоретический конспект, состоящий из разделов (логически завершенных фрагментов текста) и терминов. [11, с. 137].

Возможным подходом к созданию образовательных электронных изданий и ресурсов является теоретико-технологический подход, получивший условное название информационного интегрирования. Он заключается в интеграции (сборке) информационных составляющих согласно специально построенным древовидным структурам данных (иерархиям), отражающим смысловую подчиненность понятий - основы любого учебного предмета. Как правило, содержание любого учебного курса в той или иной мере отражает содержание одной из предметных областей человеческого знания (или ее части) [6, с. 45].

Также упорядочение учебного материала с помощью иерархических структур понятий было рассмотрено в работах А.В. Усовой, С.Г. Григорьева,

Н.Е. Эргановой, С.А. Бешенкова., Е.А Ракитиной., В.В. Гриншкуна, Т.Ш. Ших-набиевой, Т.А. Кувалдиной, И.Н. Скотина.

Достаточно ли преобразования информационного блока в древовидную иерархическую структуру для адекватного описания теоретического знания все возрастающей сложности?

А.М. Сохор пишет, что основанием для выделения понятий в качестве основных элементов учебного материала заключается в гносеологической роли понятий и связей между ними, образующих структуру. [8]

Примем понятие за объект в структуре хранения и представления учебного материала. А.Я. Фридланд использует следующее определение для понятий. Понятие - целостная совокупность суждений, то есть мыслей, в которых что-то утверждается в отличительных признаках исследуемого объекта, ядром которой являются суждения о наиболее общих и в то же время существенных признаках этого объекта. [10, с. 28]. Уточним это определение словами

Э.В. Ильенкова: «...существенное или несущественное общее отражено в поня-

тии - это может показать лишь его анализ по содержанию. ... "существенное" -имеющее отношение к "сущности" вещи - это уже категория диалектики, содержательная характеристика знания. категории оказываются формами, в которых реально осуществляется действительное понятие» [5]. Таким образом, понятие имеет опознавательные признаки и значение в целенаправленном, активном, направленном на вещь мыследействии, внутри которого оно только и существует, и, следовательно, может понятие считаться объектом.

Ю.М. Бородай пишет, что «.понятие-предмет "шире" своего единичного эмпирического представителя в том смысле, что под него можно "подвести", точнее, его можно представить в образе бесконечного множества явлений, хотя ни одна чувственная эмпирическая данность не выражает этот предмет абсолютно адекватно. В опыте мы не встретим ни идеальной прямой, ни идеального шара, ни идеального дома вообще, ни Человека и т. д.» [2]. Понятие, являясь объектом с точки зрения объектно-ориентированной модели действительности, является классом объектов в контексте реального опыта. Мы далее будем рассматривать понятие как объект внутри модели.

Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью; структура и поведение схожих объектов определяет общий для них класс; термины "экземпляр класса" и "объект" взаимозаменяемы [4].

Зададимся вопросом, может ли объект «понятие» быть экземпляром сразу нескольких классов? Проиллюстрируем ответ на этот вопрос примером. Возьмем фрагмент книги Ч. Брукса, касающиеся понятия «логический диск».

Ч. Брукс пишет: «Физический жесткий диск можно организовать в несколько логических дисков, эта операция называется разбиением диска на разделы. Логические диски выглядят для операционной системы как независимые отдельные диски. На каждом логическом диске устанавливаются логические структуры, которые позволяют ему работать как независимый привод» [3, с. 583]. Таким образом, понятие «логический диск» в первой части определяется через смысловую связь с аппаратным устройством, а во второй части - как программный компонент операционной системы. В первом случае существенными

свойствами логического диска являются емкость, физическое размещение и диапазон адресов дискового пространства. Во втором случае существенными являются емкость, фрагментированность, квоты на использование дискового пространства и другие специфичные параметры.

К похожему выводу в масштабе групп дисциплин приходит и А.Г. Степанов. Он пишет: «... анализируемые объекты (прим. мое: учебные дисциплины), даже имеющие одинаковое название, как правило, имеют собственное отличное от других дидактическое наполнение. Кроме этого, было установлено, что в большинстве случаев классифицируемые объекты в соответствии с принципом кластерной категоризации могут быть отнесены к нескольким различным классификационным группам (прим. мое: группам дисциплин).» [9, с. 99] То есть содержание дисциплины во всем его многообразии, а значит и в части понятий, может быть рассмотрено как принадлежащее разнородным классификационным группам.

В объектно-ориентированном проектировании различают одиночное наследование, когда один класс-потомок имеет один суперкласс, и множественное наследование, когда класс-потомок может унаследовать свойства от многих суперклассов [4].

Множественное наследование по определению не может быть реализовано как древовидная структура. Для древовидной структуры необходимо наличие единственного верхнего элемента иерархии (корня дерева), тогда как при множественном наследовании таких элементов будет несколько.

Для нас ключевая особенность объектно-ориентированной модели представления знаний заключается в возможности преодолеть ограничение на единственный верхний элемент иерархии древовидной структуры и реализовать множественное наследование между объектами-понятиями.

Гради Буч обращает внимание на две проблемы, которые связаны с множественным наследованием: конфликт имен, когда в суперклассах присутствует свойство с одинаковым названием, и повторное наследование, когда класс-потомок несколько раз наследует свойства суперкласса по разным линиям.

С точки зрения объектно-ориентированной модели конфликт имен приводит к двусмысленности описания существенных свойств объекта. Например, объект «оперативная память» может быть рассмотрен и как компонент системного блока, и как объект диагностики. В обоих случаях этот объект имеет наследуемое существенное свойство «цена»: в первом случае цена покупки, во втором - цена диагностики. Предупреждение конфликта имен при построении объектно-ориентированной модели заключается в соотнесении наименования свойства объекта с классом, от которого это свойство унаследовано. Таким образом, определение свойства (в нашем примере - способ вычисления цены) будет зависеть от соотнесения объекта и класса. Это согласуется с третьим способом борьбы с конфликтом имен, который предложен Гради Бучем в контексте разработки программ.

Проблема повторного наследования более сложна. Гради Бучем рассмотрены различные способы ее разрешения в области программирования. Один из них таков: «повторно наследуемые классы "обобществляются" с использованием механизма, называемого список следования классов. Этот список заводят для каждого нового класса, помещая в него сам этот класс и все его суперклассы без повторений на основе следующих правил:

• класс всегда предшествует своему суперклассу;

• каждый класс сам определяет порядок следования своих непосредственных родителей.

В результате граф наследования оказывается плоским, дублирование устраняется, и появляется возможность рассматривать результирующую иерархию как иерархию с одиночным наследованием. Это весьма напоминает топологическую сортировку классов [7, с. 220-224.]. Если она возможна, то повторное наследование допускается. При этом теоретически могут существовать несколько равноправных результатов сортировки, но алгоритм так или иначе выдает какой-то один из них. Если же сортировка невозможна (сортировка невозможна, когда в структуре возникают циклы, то есть понятие будет наследовать свои свойства от самого себя), то класс отвергается.

На наш взгляд, лучшим и наиболее близким по смыслу способом реализации объектно-ориентированной модели в контексте электронный учебных курсов будут адаптивные семантические модели. Это понятие было введено Т.Ш. Шихнабиевой. Под адаптивной семантической моделью понимается многоуровневая иерархическая структура в виде семантической сети, представленной ориентированным графом, в вершинах которого находятся понятия изучаемой предметной области, а ребра обозначают связи (отношения) между ними. [12, с. 10]

Т.Ш. Шихнабиевой предлагается трехуровневая иерархическая структура семантических моделей [12, с. 93, 95]: на верхнем уровне расположены классы понятий (макропонятия), на уровень ниже размещены обобщенные понятия (метапонятия) и на самом низком уровне - конкретные (элементарные или микропонятия).

На те же три уровня Т.Ш. Шихнабиева предлагает разделять мультиерар-хичную модель знаний [12, с. 96]. Предлагаемая в настоящей работе объектноориентированная модель является более близким аналогом мультиерархичной модели знаний. Однако, мы считаем неприемлемым такое разделение понятий по уровням.

Ю.М. Бородай в своей работе «Воображение и теория познания» [2] также подчеркивает, что «.эмпирическая единичная данность "шире" идеального предмета, ибо эту "данность" можно рассматривать с точки зрения бесконечного числа целевых назначений (определений), принципов оценки, т.е. ее можно представлять, а главное "употреблять"! в качестве самых различных предметов. Раковину, например, можно рассматривать как вид известняка, сложную геометрическую фигуру, ценное украшение, "дом" моллюска и т.д.» Ю.М. Бородай делает значимое наблюдение: понятие обладает сложностью, многоаспектно-стью независимо от степени обобщения.

Чем ниже мы спускаемся по уровням, предложенным Т.Ш. Шихнабиевой, чем менее обобщенным становится понятие, тем более возрастает число иерархий, в которые это понятие входит. Так мы не можем получить структуру, близкую к древовидной. В древовидной структуре существовало бы одно мак-

ропонятие (верхний уровень), которое бы включало множество элементарных понятий (низший уровень). В ситуации с множественным наследованием существует множество макропонятий, которому соответствует множество микропонятий. То есть, опустившись на нижний уровень иерархии, мы получим тоже самое дерево, только перевернутое основанием вверх. Следовательно, выстраивание иерархии по степени обобщения понятий не внесет упорядоченности в объектно-ориентированную модель.

В структуре объектно-ориентированной модели, где элементы связаны связью типа «многие-ко-многим», по нашему мнению невозможно ввести абсолютный, то есть независимый от содержания модели, критерий иерархии. Возможным решением проблемы упорядочивания может стать введение относительной иерархии. Структура модели может быть упорядочена относительно каждого понятия, то есть любое понятие может быть принято за вершину иерархии, и в зависимости от глубины связей могут быть выделены уровни. То есть все понятия, которые находятся в непосредственной связи с вершиной, находятся на первом уровне, связанные через одно понятие (вершину графа) - на втором и так далее.

Организованный таким способом учебный материал теоретического блока может выдаваться по гипертекстовой технологии с той разницей, что система гипертекстовой навигации будет изменяться в зависимости от выбранного понятия. Неизменный порядок следования учебного материала, заложенный разработчиком теоретического блока, будет заменен на порядок по выбору пользователя, который по этому блоку обучается.

Нет противоречия в организации теоретического блока учебного курса в виде объектно-ориентированной модели с относительной иерархией, а не иерархического дерева, так как элементом компонента курса может быть любая структурно или логически выделяемая информационная часть компонента курса [12, с. 149].

Сформулируем определение, объектно-ориентированной моделью с относительной иерархией называется адаптивная семантическая модель, в кото-

рой иерархия понятий организована на основе механизма множественного наследования с иерархическими уровнями, выстроенными относительно каждого понятия.

Идея относительной иерархии в педагогической науке не нова. В учебнике [1] приведены логические схемы понятий по некоторым разделам и темам школьного курса информатики (10-11 класс). Авторами учебника предложены паутинные схемы, то есть такие, где есть некоторое центральное понятие, содержание, объем и сферы (объект, стоящий за понятием имеет множество целевых назначений и как следствие разные «комплекты» существенных свойств, под сферой понятия понимается та предметная область, в которой актуальны заданные существенные свойства) применения которого необходимо раскрыть. Вокруг него располагаются понятия, раскрывающие суть центрального понятия с той или иной точки зрения. Понятия при этом являются равноценными, отражающими разные точки зрения на связанный с понятием объект. Однако, идея относительности иерархии в паутинных схемах была реализована без учета механизма наследования.

Способ контроля усвоенных знаний для адаптивной семантической модели предложен Т.Ш. Шихнабиевой. Она пишет, что при контроле знаний необходимо по заранее известным понятиям предметной области построить с помощью инструментальных программных средств на экране компьютера соответствующую изучаемым понятиям семантическую сеть, и далее модель знаний обучающихся сравнивается с моделью в базе данных по искомой теме и тем самым осуществляется контроль знаний обучаемых.

Учитывая ориентацию объектно-ориентированной модели с относительной иерархией на теоретические блоки учебных курсов, мы считаем, что целесообразно на основе семантической модели разрабатывать тестовые задания и организовывать тестирование.

Промежуточное тестирование в учебном курсе используется для организации процесса самоконтроля качества усвоения получаемых студентами знаний по отдельным разделам учебного материала.

Контрольное тестирование включает в себя весь объем теоретического материала или материал группы разделов [11, с. 146].

Библиографический список

1. Бешенков, СА., Ракитина, E.A. Информатика. Систематический курс: учебник для 10-го кл. - М.: ЛБЗ, 2001. - 432 с.

2. Бородай, Ю.М. Воображение и теория познания [Электронный ресурс]:

URL: http://philosophy.rU/library/borod/01/0.html (дата обращения:

10.10.2012)

3. Брукс, Ч.Дж. CompTIA A+. Устройство, настройка, обслуживание и ремонт ПК. - 3-е изд., перераб. и доп.: пер. с англ. - СПб.: БХВ-Петербург. 2010. - 1232 с.: ил.

4. Буч, Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++: Второе издание [Электронный ресурс]. URL: www.helloworld.ru/texts/comp/other/oop/ch03.htm

5. Ильенков, Э.Ф. Диалектика абстрактного и конкретного в научнотеоретическом мышлении [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://psylib.org.ua/books/ilyen01/txt11.htm

6. Карабанов, A.A. Образовательные электронные издания и ресурсы в лабораторном практикуме: дис. ... канд. пед. наук. - Москва, 2008. - 132 с.

7. Левитин, A3. Aлгоритмы: введение в разработку и анализ.: пер. с англ. -М.: «Вильямс», 2006. - 576 с.: ил.

8. Сохор, A.M. Логическая структура учебного материала. Вопросы дидактического анализа // Под. ред. МА. Данилова. - М.: Педагогика, 1974. - 192 с.

9. Степанов, AX. Объектно-ориентированный подход к отбору содержания обучения информатике: Монография/ СПб.: Политехника, 2005. - 287 с.

10. Фридланд, A^. Развитие содержания обучения информатике в педагогическом вузе на основе интеграции синтаксического и семантического подходов к информационным процессам, системам, технологиям: дис. ... д-ра пед. наук. - Тула, 2005. - 327 с.

11. Чубаркова, Е.В. Информационное обеспечение дистанционного обучения в техническом вузе: дис. ... канд. пед. наук. - Екатеринбург, 2005. - 214 с.

12. Шихнабиева, Т.Ш. Методические основы представления и контроля знаний в области информатики с использованием адаптивных семантических моделей: дисс ... д-ра пед. наук. - Москва, 2009. - 355 с.

Bibliography

1. Beshenkov, S. A., Rakitina, E.A. Informatics. Systematic course: the textbook for the 10th grade. - M: LBZ, 2001. - 432 pages.

2. Boroday, Yu.M. Imagination and a knowledge theory [Electronic resource]: URL: http://philosophy.ru/library/borod/01/0.html

3. Brooks, Ch. J. CompTIA A +. Device, control, service and personal computer repair. - 3rd prod., reslave and added: the lane with English - SPb.: BHV-Petersburg. 2010. - 1232 pages: ill.

4. Booch, G. Object-oriented analysis and design with examples of appendices on C ++: Second edition [Electronic resource]. URL: www.helloworld.ru/texts/ comp/other/oop/ch03.htm

5. Ilyenkov, E.F. Dialectics abstract and concrete in scientific-theoretical thinking

[Electronic resource]. Access mode: http://psylib.org.ua/books/ilyen01/

txt11.htm

6. Karabanov, A.A. Educational electronic editions and resources in a laboratory practical work: dis. ... cand. ped. sciences. - Moscow, 2008. - 132 pages.

7. Levitin, A.V. Algorithms: introduction in development and the analysis.: the lane with English - M: "Williams", 2006. - 576 pages: silt.

8. Sokhor, A.M. Logic structure of a training material. Questions of the didactic analysis // Under. M.A. Danilov's edition. - M: Pedagogics, 1974. - 192 pages.

9. Stepanov, A.G. An object-oriented approach to selection of the content of training to informatics: Monography / SPb.: Polyequipment, 2005. - 287 pages.

10. Friedland, A.Ya. Development of the content of training to informatics in pedagogical higher education institution on the basis of integration of syntactic and semantic approaches to information processes, systems, technologies: dis.... dr. ped. sciences. - Tula, 2005. - 327 pages.

11. Chubarkova, E.V. Information support of distance learning in technical college: dis.... cand. ped. sciences. - Yekaterinburg, 2005. - 214 pages.

12. Shikhnabiyeva, T.Sh. Methodical of a basis of representation and control of knowledge in the field of informatics with use of adaptive semantic models: dis... dr. ped. sciences. - Moscow, 2009. - 355 pages.