Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния проблемы использования систем мультимедиа в обучении и разработка методик построения обучающих мультимедийных комплексов и систем 10
1.1. Анализ особенностей технологии мультимедиа 10
1.1.1. Анализ аппаратного обеспечения технологии мультимедиа 12
1.1.2. Анализ программного и математического обеспечения систем мультимедиа . 14
1.2. Анализ систем компьютерной видеоконференцсвязи 16
1.2.1. Обмен аудиоинформацией 19
1.2.2. Обмен видеоинформацией 21
1.2.3. Виртуальная аудиторная доска 24
1.2.4. Совместное использование прикладных программ 25
1.2.5. Многосторонние конференции 26
1.3. Разработка методик построения мультимедийных автоматизированных обучающих систем 27
1.3.1. Место и роль МАОС в учебном процессе 27
1.3.2. Разработка методик построения интерактивных обучающих систем... 32
1.3.3. Анализ методов хранения учебной информации ОК. 33
1.3.4. Анализ особенностей обучающих систем, содержащих мультимедиа-информацию 34
1.3.5. Управление учебными действиями и концептуальная модель процесса обучения в мультимедийных автоматизированных обучающих системах. 40
Выводы по ГЛАВЕ 1 44
ГЛАВА 2. Разработка структуры мультимедийных автоматизированных обучающих систем 45
2.1. Методики проектирования и построения интеллектуального интерфейса 47
2.2. Структура экспертной системы 50
2.3. Структура АОС
2.3.1. Моделирование структуры предметной области . 54
2.3.2. Структура ОК. 59
2.3.3. Структура мультимедийной АОС. 66
Выводы по ГЛАВЕ 2 70
ГЛАВА 3 Математическое обеспечение функционирования МАОС 71
3.1. Моделирование процесса обучения 71
3.1.1. Исследование процесса обучения 72
3.1.2. Модель автоматизированной обучающей системы с элементами мультимедиа на основе ЛВС 79
3.2. Разработка методики реализации сети фреймов 87
3.2.1. Разработка методики реализации сети фреймов с использованием таблиц реляционной СУБД. 87
3.2.2. Разработка методики реализации сети фреймов с использованием структур данных универсальных языков программирования 91
3.3. разработка обобщенной схемы интегрального обслуживания в МАОС, использующих видеоконференцсвязь з
Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Методы и средства программной реализации автоматизированной обучающей системы с элементами технологии мультимедиа 103
4.1. Основные принципы реализации программной системы 103
4.2. Выбор программно - аппаратной платформы 103
4.3. Выбор инструментальных средств 105
4.4. Метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами 108
4.5. Реализация компонент системы 112
Выводы по главе 4 118
Заключение 119
Список используемых источников
- Анализ программного и математического обеспечения систем мультимедиа
- Моделирование структуры предметной области
- Модель автоматизированной обучающей системы с элементами мультимедиа на основе ЛВС
- Метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами
Анализ программного и математического обеспечения систем мультимедиа
Необходимость работы с видеоизображениями и аудиозаписями привела к возникновению множества проблем, связанных с необходимостью хранения и обработки в реальном времени больших объемов данных. Так, при разрешении монитора 640 х 480 пикселов видеоизображение содержит 307200 пикселов. Если оцифровать его в режиме True Color с глубиной цвета, требующей 24 бит на 1 пиксел, то оно будет занимать 921600 байт. При работе со стандартом PAL (25 кадров в секунду) это приводит к необходимости обеспечить скорость передачи данных 22500 КБ/с. В современных системах на жестких дисках она достигает всего лишь 1500 -3000 КБ/с [12-17].
Есть несколько путей решения проблемы хранения и обработки аудио- и видео - материалов. Первый предполагает использование центрального процессора для выполнения операций по компрессии/декомпрессии данных. Такой подход применяется в технологии Intel Indeo [14,16-18]. При недостаточной мощности процессора происходит значительное ухудшение качества изображения и звука. Например, система Video for Windows, использующая технологию Intel Indeo, базируется лишь на четверти возможного разрешения VGA. Видеоизображение содержит, таким образом, 160 х 120 пикселов. Скорость передачи данных при этом снижается 16 раз и составляет 1406,25 КБ/с. Уменьшение количества цветов и оптимизация палитры сокращают объем информации, необходимой для представления цвета 1 пиксела до 8 байт. Уменьшение кадровой частоты до 15 кадров в секунду позволяет уменьшить поток информации на 188,5 КБ/ с. Суммарно вышеописанные приемы сокращают требуемую скорость передачи данных до 281,25 КБ/с, что позволяет использовать в качестве источника данных не только жесткий диск, но и CD-ROM [12].
Второй путь решения проблемы заключается в развитии технологий аппаратной компрессии/декомпрессии аудио- и видеоданных и разработке новых средств хранения и обработки информации большой емкости. Совместными усилиями фирм IBM и Intel была разработана технология DVI (Digital Video Interactive - интерактивное цифровое видео) [3,5,8], которая позволяет отображать на экране дисплея видео- и графические изображения с разрешением 1024X768 пикселей, осуществляя компрессию/декомпрессию аудио- и видеоданных в режиме реального времени.
Работа с мультимедиа устройствами осуществляется через интерфейс драйверов устройств. Современные операционные системы (ОС) представляют мультимедиа-приложениям аппаратно-независимый интерфейс для управления различными устройствами. Примером может служить ОС Windows 95, в состав которой включены драйверы и DLL-библиотеки для работы с устройствами мультимедиа и мультимедиа-данными, а также набор компрессионных менеджеров для сжатия мультимедийной информации [20].
Разработка мультимедиа-продуктов предполагает наличие инструментария разработчика, облегчающего процесс создания приложений [21].
Использование технологии мультимедиа предполагает наличие специализированных программно - аппаратных средств, расширяющих возможности стандартного компьютера. В программных и аппаратных средствах, используемых при создании мультимедиа - приложений, необходимо применение технологий, обеспечивающих динамическое сжатие/восстановление видео- и аудиоданных, а также использование специализированных форматов, обеспечивающих эффективные методы хранения данных.
Программное обеспечение мультимедийных комплексов предъявляет повышенные требования к техническим характеристикам как самого компьютера, так и, его периферийных устройств. Это связано с необходимостью обработки больших объемов информации в реальном режиме времени и обеспечению интерактивности программной системы.
Начало распространения видеоконференцсвязи относится к 80-м годам - это телевизионные системы, обеспечивающие интерактивные контакты в реальном времени между удаленными партнерами. Тем не менее, необходимость использования высокоскоростных каналов связи (2,048 Мбит/с и более) существенно сдерживала в эти годы широкое развитие систем ВКС. В 90-х годах новые методы компрессии аудио и видео сигналов и производительные персональные компьютеры стали, основой компьютерной видеоконференцсвязи. Развитию систем КВКС способствуют новые мультимедийные информационные технологии и быстро возникший рынок мультимедийных, продуктов.
К системам компьютерной ВКС принято относить системы;, в которых обработку информации осуществляют персональные компьютеры. В набор оборудования входят также портативная видеокамера, микрофон, одна-две дополнительные платы, позволяющие осуществить ввод изображения от видеокамеры и звука, от микрофона, их оцифровку и компрессию. Это нашло соответствующее отражение и в терминологии: за системами такого типа закрепилось название «настольные системы», в отличие, например, от аппаратуры студийной ВКС. При наличии персонального компьютера дополнительные затраты оказываются сравнительно небольшими. На ранних этапах своего развития системы КВКС были ориентированы, в основном, на применение типа «точка-точка», те. на связь между двумя конечными пользователями, не обеспечивая возможность реализации групповых соединений Такая возможность появилась позже и потребовала разработки аппаратуры объединения информационных потоков, поступающих от различных участников сеанса связи.
Другой важной тенденцией является применение международных рекомендаций или стандартов, которые обеспечили бы совместимость различных систем КВКС, в том числе основанных на различных компьютерных платформах. В настоящее время в производстве оборудования КВКС четко определилась тенденция отказа от систем, предусматривающих использование всего оконечного оборудования, разрабатываемого исключительно данной фирмой по ее собственному уникальному стандарту, и перехода к использованию общих рекомендаций семейства Н.32х
Одной из серьезнейших проблем, возникающих при использовании систем КВКС, является необходимость обеспечения требуемой пропускной способности канала связи. Сравнительно низкокачественная компьютерная ВКС в варианте соединения двух партнеров («точка-точка») может быть реализована даже в обычном телефонном канале при использовании высокоскоростных модемов (от 9,6 кбит/с и выше).
Качество КВКС, основанных на использовании сетей с пакетной коммутацией как в локальных компьютерных сетях, так и в Интернет (системы CU-SeeMe, Microsoft Nemeeting и т п.) существенно зависит от реальной скорости обмена данными между рассматриваемыми пользователями, определяемой как пропускной способностью канала, так и общим числом пользователей в данном канале.
Моделирование структуры предметной области
Учащиеся, использующие АОС - это лица, желающие приобрести новые знания, дополнить старые, или получить справочную информацию по какому-либо объекту предметной области. Необходимо отметить, что уровень специальной подготовки и навыки взаимодействия с вычислительной техникой у этой группы дифференцированы.
Некоторые имеют малый опыт работы с компьютером и не могут выполнять сложные манипуляции с обучающей программой. Другие, напротив, хорошо знакомы с аналогичным программным обеспечением, знают его возможности и хотят их использовать. Ориентация на "среднего" пользователя в данной ситуации представляется неправильной. В этом случае обучающая система будет сложной для новичка и не предоставит достаточно возможностей опытному пользователю. Наиболее рациональным видится подход, при котором АОС будет иметь набор базовых функций, доступных через простой пользовательский интерфейс, понятный новичку и позволяющий ему выполнять манипуляции с ОК. Кроме того, в системе должны быть предусмотрены факультативные возможности, позволяющие опытному пользователю выполнять более сложные задания.
В процессе обучения часто бывает необходимо обеспечить одновременный запуск нескольких программ. Например, возможность параллельной работы АОС, содержащей ОК по программированию на Turbo Pascal и среды разработчика Borland Pascal позволяет создать интегрированную учебную среду, объединяющую в себе возможности для теоретических и практических занятий. Это свойство может оказаться особенно ценным при выполнении контрольных и тестовых заданий.
Для учащихся, использующих АОС в качестве справочника, основной целью является оперативное получение сведений о некотором аспекте предметной области. Для них наиболее важная функция системы - функция поиска. Следует заметить, что поиск в мультимедийном обучающем курсе отличается от поиска в текстовом массиве, т.к. его результатом может быть не только фрагмент текста, а звуковой или видеофрагмент, рисунок.
Автор ОК - это специалист в области преподавания какой-либо дисциплины, цель которого - создание ОК. Для этого автор должен выполнить преобразование своих знаний о предметной области в некое формальное представление. Кроме того, необходимо представить учебную информацию (тексты, рисунки и др.) в форме, пригодной для хранения и использования в ЭВМ.
Преподаватель, создающий собственные ОК - это специалист в области преподавания какой-либо дисциплины, цель которого - повысить качество преподавания за счет использования АОС. Основными причинами, по которым у преподавателя возникает потребность в создании собственных OK - отсутствие готового курса, расхождения во взглядах на методику преподавания с автором ОК, наличие новых сведений, не учтенных авторами ОК и пр. В отличие от учащихся и преподавателей, использующих готовые ОК, создателей учебных курсов затрагивают не только проблемы их использования, но и разработки. Пользователи, относящиеся к этой категории, могут не иметь большого опыта работы с вычислительной техникой. Как правило, есть некий набор программ (текстовых, графических редакторов и др.), которые они хорошо знают и привыкли с ними работать. Часто люди из этой группы имеют набор учебных материалов (фрагменты текстов, рисунки и др.), использовавшихся ими ранее.
Проведенный анализ и экспериментальные исследования показали, что у пользователей, долгое время работавших с каким-либо программным продуктом формируется привычка к интерфейсу и другим особенностям программы. Если на рынке программного обеспечения появляется аналогичное средство, пусть даже с расширенными возможностями по обработке данных, человек предпочитает работать с более старым, но привычным для него программным продуктом. В связи с этим представляется наиболее предпочтительным подход, при котором авторская система служит не инструментом для подготовки фрагментов учебных материалов, а средством их интеграции. Процесс их подготовки при этом производится наиболее привычными для пользователя и подходящими для данной работы программными средствами.
Особенностью мультимедийных обучающих систем является необходимость интеграции различных видов информации в пределах одного ОК. Видео- и звуковая информация при этом представляется как последовательность кадров и оцифрованного звука. Структура ОК имеет двоякую сущность, соответствующую взгляду на него со стороны пользователей ОК (авторов, создателей и учащихся) и разработчика программного обеспечения. Такая двоякость возникает вследствие необходимости скрыть от пользователя ОК сложности, возникающие при реализации его мультимедийной структуры. [74,95,96]
На выбор методов представления знаний и способов их обработки большое влияние оказывает состав знаний МАОС. Под знаниями понимается совокупность сведений о мире (конкретной предметной области, совокупности объектов или объекте), включающая в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, а также правилах использования этой информации для принятия решений [74].
Модель автоматизированной обучающей системы с элементами мультимедиа на основе ЛВС
Таким образом, получена модель обучающей программы, учитывающая конечность времени обучения (Т3), психофизиологические характеристики учащегося (Vav и Ку), различие в уровнях подготовки учащихся (Кдоп), насыщенность ОП элементами мультимедиа (Kv, Кс), а также разнообразие вариантов представления материала (L).
Из приведенного выше анализа видно, что основные параметры, характеризующие учащегося и учебную группу, должны быть учтены при создании ОП. В то же время, при создании модели учащегося целесообразно учитывать некоторые параметры модели ОП.
Естественно, что модель учащегося должна быть адекватна поставленной задаче. Так, при анализе влияния методических особенностей процесса обучения (способ подачи материала, насыщенность материала элементами мультимедиа и т.п.) на усвоение и запоминание информации, в работах учащегося представляют в виде специфического запоминающего устройства. В нашем случае наиболее значительными являются такие характеристики обучаемого, как скорость усвоения различных видов информации, допустимая задержка в подаче информации, уровень подготовки, поскольку они определяют интервал времени между получением фрагмента и запросом нового. Этот интервал принципиально имеет различную протяженность для различных участников процесса обучения даже при освоении одного и того же фрагмента материала, что объясняется различной подготовкой и различным психофизиологическим состоянием учащихся.
В процессе обучения учащегося можно представить в виде некоторого генератора запросов, который через интервалы %\ запрашивает фрагменты учебного материала[100]. Величина ij существенно зависит от объема последнего полученного фрагмента и ее вида.
Как уже отмечалось, в обучающих курсах, включающих элементы мультимедиа, фрагмент учебного материала для учащегося чаще всего представлен экранной формой, имеющей, в общем случае, текст, графическое изображение, окно для видеофрагмента и средства активации воспроизведения аудиофрагмента
При этом интервал времени Ту от получения і-го фрагмента j-м учащимся до запроса следующего определяется как
Величина ту даже при освоении одного и того же фрагмента разными учащимися изменяется в зависимости от уровня подготовленности и психофизиологического состояния каждого учащегося. Причем эти изменения носят случайный характер, вследствие чего запросы на обновление информации составляют последовательность событий, поступающих одно за другим в случайные моменты времени, то есть случайный поток событий. Среднее значение интервала времени т между получением фрагмента и запросом следующего фрагмента может быть представлено в виде: где т - среднее значение интервала времени между получением фрагмента и запросом следующего фрагмента; Vav - скорость усвоения аудиовизуальной информации; AJav - среднее количество аудиовизуальной информации в одном фрагменте; Kv - среднее значение соотношения скоростей усвоения информации разных видов; Кс - среднее значение соотношения объемов информации разных видов в одном фрагменте; Ку - среднее значение коэффициента усвоения материала одного фрагмента. Интервал времени от запроса фрагмента до его получения т0бсл в случае, если заявки начинают удовлетворяться сразу по поступлении, равен: _ AJ Тобсл - , (16) где тобсл - интервал времени от запроса фрагмента до его получения; AJ - количество информации в фрагменте, W - пропускная способность канала связи. На время, равное т„бслэ сервер занят обслуживанием лишь одной рабочей станции (PC), так как требование поддержки работы в реальном времени при наличии в фрагменте аудиовизуальной информации не позволяет серверу обслуживать несколько PC, мультиплексируя канал и разбивая фрагменты учебного материала на фрагменты. В противном случае при большом числе PC невозможно поддерживать целостность восприятия аудиовизуальной информации.
На величину т0бСЛ должно быть наложено ограничение сверху. Это вызвано следующими соображениями. Ожидание появления информации на экране монитора не может превышать определенного значения, которое определяется психофизическими характеристиками человека, то есть не должно возникать состояние психологического дискомфорта.[128] Предельная величина ожидания тпрож, определенная в результате экспериментов, лежит в пределах 0,5-2с [128].
Учитывая вышеизложенное, ограничение времени обслуживания можно записать в следующем виде:
Тобсл т. (20) Тот факт, что время обслуживания в реальных системах во много раз меньше времени восприятия учащимися фрагмента учебного материала, позволяет считать случайный поток запросов, поступивших с одной PC, малоинтенсивным. В то же время, известно [129], что при суммировании большого числа малоинтенсивных случайных потоков результирующий случайный поток при весьма широких условиях будет близок к потоку Пуассона. Таким образом, поскольку число рабочих станций в локальной сети АОС достаточно велико, суммарный поток запросов в АОС близок к пуас соновскому с интенсивностью А-м:
Качественная работа системы предполагает ограничение времени ожидания приемлемой величиной тпр.0ж.- Это время будет превышено, если заявка на обслуживание поступит во время обслуживания предыдущей, то есть за интервал времени х0бсл.макс поступит не менее двух заявок на обслуживание. 3.2. Разработка методики реализации сети фреймов.
Важным этапом при проектировании программной системы является разработка методов представления данных и алгоритмов их обработки. Как уже отмечалось, предметная область мультимедийного ОК может быть представлена в виде сети фреймов. Среди основных способов реализации сети фреймов можно выделить реализацию с использованием системы управления базами данных [74,131-133] и реализацию с использованием универсальных языков программирования 34]. Исследуем каждый из них.
Метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами
Одна из задач, решаемая библиотекой классов OCF - преодоление несоответствия между интерфейсами OLE низкого уровня и прикладной программой, работающей с объектами более высокого уровня. В состав OCF входят четыре класса, решающие данную задачу.
ТОсАрр - на уровне приложения обрабатывает такие функциональные возможности OLE, как трансляция клавиш - акселераторов, регистрация сервера OLE, слияние меню при активизации связанного или внедренного объекта. Кроме того, ТОсАрр осуществляет восстановление старых панелей инструментов, строки состояния или меню после деактивизации объекта.
TOcView и TOcRemView - обрабатывают прорисовку окон контейнера OLE, содержащих связанные или внедренные объекты.
TOcPart - используется для представления любого связанного или внедренного объекта при операциях, выполняемых контейнером.
Таким образом, использование OCF и BOCOLE позволяет изолировать логику работы МАОС от особенностей технологии OLE, существенно снизить сложность ее программного кода и, следовательно, повысить надежность функционирования программного комплекса.
При реализации МАОС было учтено, что имеются три основных категории пользователей системы: авторы учебных курсов, преподаватели и обучаемые. Каждой из этих категорий надо предоставить набор инструментальных средств, выполняющих необходимый для их работы набор функций. При разработке программных компонент, входящих в состав МАОС были учтены следующие требования к интерфейсу, позволяющие сделать общение с системой интуитивно понятным: 1. Стиль общения с программой максимально приближен к стандарту Common User Access (CUA) [124], предложенному фирмой IBM и используемому в таких ОС, как WINDOWS и OS/2. 2. При разработке интерфейса широко применялись стандартные элементы (меню, списки, радиокнопки, панель инструментов), облегчающие выполнение действий пользователя. 3. Для работы с программной системой можно использовать как клавиатуру, так и манипулятор "мышь". 4. В нижней части экрана динамически выводится информация о назначении выбранного пользователем пункта меню, пиктограммы или кнопки. 5. Пользователю предоставляется необходимая справочная информация, включающая описание основных приемов работы с системой. 6. При возникновении ошибочных ситуаций (повреждение файла данных, нехватка машинных ресурсов) пользователю предоставляется диагностическая информация.
Для реализации изложенных выше требований используются возможности, предоставляемые библиотекой OWL (п. 4.3). Данная библиотека позволяет создавать приложения полностью соответствующие стандарту CUA. OWL дает возможность использовать диалоговые панели, содержащие стандартные интерфейсные элементы (списки значений, кнопки выбора и др.), которые были созданы с использованием редактора ресурсов Resource Workshop. Для выполнения стандартных действий (открытие, запись файла) используются стандартные диалоговые панели. В соответствии с функциональной схемой (п. 3.3.) в МАОС можно выделить ряд подсистем, выполняющих законченный набор действий. Каждая из них реализована в виде программного модуля. При разработке программной системы была использована технология объектно-ориентированного программирования (ООП) [125]. Это позволило представить программу в виде совокупности объектов. Каждый из них является реализацией класса, а кассы образуют иерархию на принципах наследуемости. Объект инкапсулирует данные и обладает набором методов, позволяющих выполнять над ним определенные действия. Метод ООП позволяет создавать программные системы высокое степени сложности с возможностью более легкой модификации, по сравнению с методами структурного программирования.
При организации рабочей среды пользователя особенно важно обеспечить удобные средства для вызова внешних программ, с помощью которых осуществляется редактирование учебных материалов (п. 3.4.). Эта возможность реализовывается путем выбора пункта меню или нажатия клавиши INSERT . Взаимодействие программ при этом осуществляется посредством OLE - интерфейсов. Для редактирования существующих экранных форм достаточно дважды шелкнуть "мышью" над редактируемым элементом. При этом будет автоматически загружена программа, с помощью которой он был создан. При ее отсутствии будет загружена программа, способная редактировать данный тип данных, если такая имеется в ОС Windows. Система меню и панели инструментов динамически изменяются, приобретая внешний вид, специфичные для загружаемой программы (рис. 4.3). Время вызова внешней программы составляет в среднем от двух до шести секунд.
В связи с тем, что с МАОС могут работать неподготовленные пользователи, была обеспечена возможность получения оперативной помощи, содержащей информацию о назначении клавиш, пунктов меню, а также порядке и способах выполнения базовых операций (поиск информации, навигация, выход из программы и др.). Система помощи построена таким образов, что обеспечивает возможности поиска в ней по ключевым словам, а также перехода между ее фрагментами по гипертекстовым ссылкам.
