Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор методов и средств создания человеко-машинных интерфейсов мультимедийных автоматизированных информационных систем 15
1.1 Особенности АОС, содержащих мультимедиа-информацию 20
1.2 Анализ мультимедийной АОС как сложной системы взаимосвязанных объектов 28
1.3 Анализ процесса разработки АОС и определение ее основных компонентов 35
1.4 Анализ понятия «информационный ресурс» 41
1.5 Показатели эффективности мультимедийных АОС 42
1.6 Постановка задач исследования 50
Выводы по первому разделу 52
2 Анализ и разработка моделей компонентов информационного обеспечения мультимедийных АОС 53
2.1 Понятие информационной структуры МИ АОС
2.2 Классификация знаний в АОС и их характеристика 55
2.3 Моделирование элемента «Учебный материал» при разработке МИАОС 57
2.3.1 Обзор существующих моделей знаний 63
2.3.2 Анализ структуры предметной области АОС — элемента «Учебный материал» с применением метода комбинаторно - упорядоченного моделирования 65
2.4 Структурная модель управления информационными ресурсами при разработке МИ АОС 74
2.5 Модель формирования информационных ресурсов МИ АОС 76
Выводы по второму разделу 82
3 Разработка моделей МИ АОС на этапе проектирования компонентов системы 33
3.1 Выбор структуры АОС
3.2 Определение объектов АОС 86
3.2.1 Классификация компонентов мультимедийных АОС 87
3.2.2 Определение программных объектов АОС 92
3.3 Модель выбора схемы компоновки шаблонов представления УЭ для
МИ обучающей подсистемы АОС 97
3.3.1 Выбор подмножества схем компоновки шаблонов МИ АОС для представления УЭ заданного уровня усвоения 100
3.3.2 Выбор схем компоновки шаблонов МИ АОС для различных уровней начальной подготовки обучаемых 107
3.3.3 Оценка емкостной сложности и трудоемкости реализации альтернативных схем компоновки элементов МИ АОС 113
3.4 Модель выбора схемы компоновки шаблонов для МИ подсистемы контроля знаний АОС 119
3.4.1. Определение характеристик обучаемого 122
3.5 Выбор управляющего алгоритма 124
Выводы по третьему разделу 127
4 Реализация методов и средств создания МИ АОС 129
4.1. Подсистема обучения 130
4.2. Подсистема контроля знаний 136
4.3. Сервисная подсистема проектирования элементов интерфейса для представления мультимедийной информации АОС 141
4.4 Структура базы данных АОС с мультимедийным пользовательским интерфейсом 144
4.5 Инструментальные средства разработки мультимедийных АОС 150
4.5.1 Применение языка DHTML для разработки компонентов МИ АОС 152
4.5.2 Применение специализированных систем разработки мультимедийных приложений для разработки компонентов МИ АОС 153
4.6 Экспериментальная проверка результатов создания МИ АОС 154
Выводы по четвертому разделу 157
Заключение 159
Список литературы
- Анализ мультимедийной АОС как сложной системы взаимосвязанных объектов
- Моделирование элемента «Учебный материал» при разработке МИАОС
- Определение программных объектов АОС
- Сервисная подсистема проектирования элементов интерфейса для представления мультимедийной информации АОС
Введение к работе
Актуальность темы. Рост интереса к технологии мультимедиа обусловлен рядом причин, прежде всего повсеместным распространением мощных компьютеров, способных поддерживать графический пользовательский интерфейс и обеспечивать эффективную работу с видео- и аудио-форматами. Мультимедиа-системы успешно применяются в настоящее время во всех сферах деятельности. Особое место занимают мультимедийные автоматизированные обучающие системы (АОС), позволяющие повысить эффективность процесса обучения за счет комбинации различных способов представления информации и оптимизации ее структуры, а также за счет совершенствования средств контроля и оценки процесса усвоения знаний и приобретения навыков обучаемым.
Человеко-машинный интерфейс автоматизированной информационной системы включает все те аспекты, с которыми непосредственно соприкасается пользователь, в частности, обеспечение связи между пользователем и процессом, выполняющим некоторое задание. При этом эффективный пользовательский интерфейс должен обеспечивать простоту освоения и запоминания операций, а также быстроту достижения целей, установленных для решаемых системой задач. Но если обычной целью создания автоматизированной информационной системы является выполнение пользователем задачи за определенный период времени с допустимым процентом ошибки, то специальной целью разработки мультимедийной АОС является также достижение пользователем требуемого уровня знаний за ограниченный период времени., Особенностью создания мультимедийного интерфейса АОС является решение вопросов представления информации в формах наиболее эффективных для человеческого восприятия, включая вопросы структурирования отображения информации на экране таким образом, чтобы привлечь внимание пользователя к наиболее важным информационным элементам. Поэтому эффективная реализация пользовательского интерфейса в мультимедийных АОС весьма существенна для обеспечения их основной целевой функции — достижение требуемого качества обучения.
Можно выделить ряд наиболее известных исследователей проблемы компьютерной технологии обучения, моделирования предметных областей, вопросов создания компьютерных учебных курсов, проектирования и реализации человеко-машинного интерфейса информационных систем: Н.А. Краудер, Б.Ф. Скиннер, Д.Холдинг, Н.Голдстейн, Р.Эбертс, А.Я. Савельев, А.К. Гультяев, Л.А. Растригин, М.Х.Эренштейн, И.В.Ретинская, А.В. Соловов, Р.Коутс, И.Влейминк, М. Минаси. Особую перспективу представляют новейшие исследования методологии проведения компьютеризированного обучения, методов создания мультимедийного методического обеспечения и разработки инструментальных средств представления, мультимедийных электронных ресурсов в сети Интернет, проводимые Центром дистанционного образования Таганрогского государственного радиотехнического университета. Кроме того, исследованиям в этой области посвящено достаточно большое количество публикаций, обобщающих опыт зарубежных и отечественных специалистов с учетом последних достижений в области визуального программирования и мультимедийных технологий [2, 22, 26, 27, 57, 59, 63, 78, 86, 103, 104, 105, 108]. Несмотря на то, что современные информационные технологии предоставляют большие возможности разработчикам и пользователям: первым — в плане реализации идей создания АОС, обладающим мультимедийным пользовательским интерфейсом, последним — в плане удобства и оперативности применения, необходимо отметить, что подходы, описываемые в указанных источниках, рассматриваются на уровне практических рекомендаций, результатов опытных наблюдений разработчиков за пользователями и лингвистических описаний.
Нерешенными проблемами создания эффективного мультимедийного пользовательского интерфейса АОС являются отсутствие интегрированных методов проектирования и математических моделей, представляющих процесс взаимодействия пользователя с АОС одновременно на различных уровнях функционирования как разработчика, как педагога и как обучаемого. Рассмотренные проблемы показывают, что исследование вопросов создания мультимедийных пользовательских интерфейсов АОС в настоящее время представляется актуальным.
Задача разработки АОС, обладающей мультимедийным пользовательским интерфейсом, является комплексной и включает:
- структурный, функциональный, информационный анализ АОС;
- разработку моделей проектирования мультимедийных элементов представления учебной информации АОС;
- разработку, сопровождение и эксплуатацию специальных программных средств интерфейса;
- создание методов проектирования АОС как программной системы, снабженной мультимедийным интерфейсом;
- решение теоретических вопросов оценки эффективности алгоритмов функционирования АОС;
- решение вопросов повышения эффективности разработки программ за счет автоматизации процессов проектирования и др.
Важной частью пользовательского интерфейса является состав и содержание панелей интерфейса и расположение их на экране [22, 27, 104, 105]. Поскольку главная цель создания мультимедийной АОС — облегчить изучение предмета, то понятие эффективного интерфейсного решения надо понимать как оптимизацию объема и способа отображения учебной информации на экране, а также наличие удобных средств доступа к ней различных категорий обучающихся.
Необходимо отметить, что в настоящее время существует мало компьютерных средств обучения, полностью удовлетворяющих совокупности всех требований, предъявляемых пользователем, а именно адекватность содержания и полнота представления учебного материала, поддержка разных видов занятий, дублирование информации различными способами представления, предоставление средств управления процессом обучения, осуществление взаимодействия с хранилищем информации для обеспечения быстрого поиска требуемых сведений, предоставление средств для целенаправленного отбора и представления учебного материала обучаемому с возможностью адаптации к его способностям, предоставление средств поддержки активности обучаемого.
Достаточно часто мультимедийные обучающие системы строятся по принципу справочных (help-) подсистем или электронных энциклопедий, содержащих большой объем мультимедиа-информации. В первом случае система строится на основе гипертекста с навигацией по нему, обладает хорошей структуризацией справочного материала, учебная информация и управляющие элементы представ лены в основном в виде текста с иллюстрациями. Для обеспечения специфической функции help-подсистем — быстро дать пользователю необходимый фрагмент информации, и, возможно, еще привести пример, такое интерфейсное решение оправдано. Однако, назначение АОС — помочь обучаемым с разными способностями усвоить некоторый объем учебного материала с требуемым качеством. Поэтому такой способ построения информации и взаимодействия с ней в случае применения к созданию мультимедийных АОС не всегда даст желаемый результат. Тот же вывод относится и к системам, построенным в виде компьютерных энциклопедий, основанным на технологии гипермедиа, включающим большое количество структурированного текста, иллюстративный и, возможно, видеоматериал и дополнительные сервисные функции. Система предоставляет пользователю максимум информации или исчерпывающий ответ на интересующий его вопрос, возможность поиска информации, а также вывода информации на печать для дальнейшего использования. Для обеспечения функции обучения такое интерфейсное решение также не всегда будет являться эффективным.
Необходимо отметить, что на российском рынке программных продуктов существует ряд наиболее известных мультимедийных обучающих систем с пользовательским интерфейсом, построенным таким образом, чтобы обеспечить повышение качества обучения и расширить возможности в плане получения навыков за счет использования компьютерных средств. Среди таких систем можно выделить мультимедийный учебник "История России XX век" на четырех компакт-дисках (издатель ООО "Клио Софт"), мультимедийный учебно-методический комплекс (супертьютор) «История Отечества 882 — 1917» (издатель Современный гуманитарный университет), тестирующую мультимедийную систему «Репетитор» (К° «Кирилл и Мефодий»), мультимедийную систему «Практический курс. Microsoft Office» (К° «Кирилл и Мефодий»). Мультимедийные учебники сочетают в себе свойства гипертекстовых систем, компьютерного фильма и тестирующей системы. Положительным моментом является разнообразие используемых форм представления для различных классов информации, наличие многочисленных вспомогательных функций для работы с учебным материалом и доступа к отдельным его фрагментам, наличие множества удачно реализованных сервисных функций, а также средств анализа успеваемости при контроле знаний обучаемого. Система «Практический курс» прекрасно решает проблему представления знаний-умений, так как содержит до десяти часов озвученных лекций синхронизированных с динамическим изображением того, какие действия должен выполнять обучаемый, а также до тысячи интерактивных практических заданий. Тестирующая мультимедийная система «Репетитор» хорошо адаптируется к обучающимся с различным уровнем начальной подготовки с помощью удачно найденного интерфейсного решения — вопросы задают преподаватели с разной степенью требовательности, поэтому более слабый пользователь может сначала пойти по менее сложной ветке вопросов. При этом, по мнению автора, можно выделить и ряд недостатков, а именно отсутствие альтернативного ряда представления информации, средств управления процессом обучения, не всегда правильная компоновка информации по объему и способу представления в одних системах, и возможность использования в обучении только для учебно-тренировочных целей других систем.
Таким образом, компьютерных средств обучения, полностью удовлетворяющих всем описанным выше требованиям практически нет. И, несмотря на огромное разнообразие существующих на данный момент средств и систем мультимедиа, поддерживающих работу с текстом, графикой, анимацией, видеоизображением и звуком, область применения этих возможностей при создании мультимедийного пользовательского интерфейса АОС нельзя считать достаточно хорошо исследованной.
Мультимедийные АОС являются прикладными информационными системами, применяемыми в сфере образования, обеспечивающими эффективное манипулирование мультимедиа-информацией. Исходя из наличия большого количества программных и информационных объектов при разработке АОС, обладающей мультимедийным пользовательским интерфейсом, необходимо учитывать процессы управления этими объектами. В связи с этим актуальной задачей является теоретическое исследование, направленное на декомпозицию и анализ АОС как сложной системы для выявления наиболее существенных элементов, в частности, на выделение уровней и объектов, составляющих мультимедийный пользовательский интерфейс АОС, и их свойств, с целью разработки методов форма лизации процесса компоновки мультимедийных элементов представления учебной информации и формирования информационной структуры и информационных ресурсов интерфейса, необходимых для разработки сервисной подсистемы проектирования элементов представления информации и модернизации обучающих компонентов АОС и разработки средств мультимедийного интерфейса для АОС инженерно-технических и прикладных экономических специальностей как пример предметной области для разработки системы.
Объектом исследования в диссертационной работе являются прикладные информационные системы класса АОС, а предметом исследования — модели предметной области АОС, математическое, программное и информационное обеспечение пользовательского интерфейса мультимедийной АОС.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов создания компонентов пользовательского интерфейса для представления мультимедийной информации АОС, разработка средств поддержки интерфейса для мультимедийных АОС, разработка сервисной подсистемы проектирования элементов интерфейса для представления мультимедийной информации в АОС.
Решаемые задачи. В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
- разработка фасетной схемы классификации компонентов АОС;
- разработка моделей выбора схемы компоновки шаблонов представления учебных элементов для интерфейсов обучающей и контролирующей подсистем АОС;
- разработка методики анализа структуры предметной области АОС на примере элемента «Учебный материал»;
- разработка модели формирования информационных ресурсов мультимедийного пользовательского интерфейса АОС;
- создание алгоритмов и программ для реализации компонентов мультимедийного пользовательского интерфейса АОС.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы методы анализа информационных систем, теории вероятностей, теории нечетких множеств, теории решеток.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана фасетная схема классификации компонентов АОС, на основе которой предложена методика формализованного представления программных объектов мультимедийной АОС, позволяющая контролировать и предсказывать структурные свойства объектных моделей системы;
- разработаны модели выбора схемы компоновки шаблонов представления учебных элементов для интерфейсов обучающей и контролирующей подсистем АОС, основанные на методах теории нечетких множеств, позволяющие повысить эффективность разработки компонентов мультимедийного пользовательского интерфейса для представления учебной информации по целевым показателям обучения, учитывающие объем учебного материала, трудоемкость реализации, ресурсные затраты и уровень подготовки обучаемого;
- разработана методика анализа структуры предметной области АОС на примере элемента «Учебный материал» на основе методов комбинаторно-упорядоченного моделирования и аналитических методов расчета, позволяющая формировать варианты информационной структуры пользовательского интерфейса мультимедийной АОС и определять взаимосвязи между ее элементами;
- разработана балансовая модель формирования информационных ресурсов мультимедийного интерфейса АОС, основанная на методах структурного анализа, позволяющая оценивать трудовые и временные затраты при изменении структуры ресурсов по выделенным признакам для определения эффективного пути разработки информационного обеспечения.
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:
- разработан и внедрен в учебный процесс пользовательский интерфейс для мультимедийных АОС: «Лекции по культурологии», «Культура древних цивилизаций», «Разработка и применение пакетов прикладных программ в экономике», «Вычислительные машины, сети и системы телекоммуникаций», «Финансы, денежное обращение и кредит» и «Социология» для инженерно-технических и прикладных экономических специальностей;
- разработана архитектура АОС, снабженной мультимедийным пользовательским интерфейсом, представляющая взаимодействие подсистем и системных компонентов;
- разработаны программные модули сервисной подсистемы проектирования компонентов интерфейса для представления мультимедийной информации АОС.
Положения, выносимые на защиту:
- фасетная схема классификации компонентов АОС.
- модели выбора схемы компоновки шаблонов представления учебных элементов для интерфейсов обучающей и контролирующей подсистем АОС, основанные на теории нечетких множеств.
- методика анализа структуры предметной области АОС на примере элемента «Учебный материал», использующая теорию комбинаторно-упорядоченного моделирования.
- балансовая модель формирования информационных ресурсов мультимедийного пользовательского интерфейса АОС.
Личный вклад автора диссертации. В диссертации использованы результаты исследований и разработок по созданию АОС, проводимых в Пензенской государственной технологической академии (ПГТА), в которых автор диссертации являлся непосредственным исполнителем, и результаты выполнения хозяйственных договоров с российскими вузами, в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы и разработанное программное обеспечение АОС внедрены в рамках НИР, выполненных лабораторией информационных технологий обучения ПГТА по договорам с высшими учебными заведениями РФ. Результаты работы внедрены в вузах гг. Пензы, Москвы, Самары, Нижнего Новгорода, Омска. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Достоверность научных и практических результатов. Достоверность результатов обоснована корректной постановкой задач, выводами и корректным применением существующего математического аппарата, а также подтверждается экспериментальной проверкой результатов моделирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на девяти конференциях:
- VI международная конференция по дистанционному образованию, 1998 г., г. Москва, МЭСИ;
- VIII международная конференция «Открытое образование в России XXI века», 2000 г., г. Москва, МЭСИ;
- V ежегодная конференция Академии информатизации образования «Информатизация образования на рубеже веков», 1999 г., г. Пенза, ПТУ;
- международная научно-практическая конференция «Современные технологии документооборота в бизнесе, производстве и управлении», 2001г., г.Пенза, ПДЗ;
- научно-практический семинар «Учебно-методическое обеспечение открытого инженерного образования», 2001г., г. Пенза, ПГТА;
- V Международная научно-методическая конференция «Университетское образование», 2001 г., г. Пенза, ПТУ;
- Всероссийская объединенная конференция «Технологии информационного общества — Интернет и современное общество», 2001г., г. Санкт-Петербург, СПбГУ;
- VI Международная научно-методическая конференция «Университетское образование», 2002 г., г. Пенза, ПТУ;
- Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2002», 2002 г., г. Санкт-Петербург, СПб гос. ин-т точной механики и оптики.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и шести приложений. Диссертация изложена на 241 странице машинописного текста, включая 66 страниц приложений, 48 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 108 наименований.
Анализ мультимедийной АОС как сложной системы взаимосвязанных объектов
Для того, чтобы разработать эффективный пользовательский интерфейс мультимедийной АОС, необходимо проанализировать ее как систему взаимосвязанных объектов, отделив множество объектов уровня представления от объектов уровня логики приложения и уровня данных. В качестве метода, позволяющего выполнить анализ объектов системы и механизмов их взаимодействия, использован объектно-ориентированный подход (ООП) к анализу, проектированию и разработке прикладных программных систем. Необходимо отметить, что для моделирования на основе объектно-ориентированного подхода часто используется унифицированный язык моделирования UML [51, 102], появившийся в 1994 году в результате объединения популярных методов — метода Г.Буча и ОМТ (Object Modeling Technique) Дж. Румбаха. Однако в рассматриваемом случае использование данного средства проектирования нецелесообразно, так как в конечном итоге нас интересует не построение диаграмм уровня логики АОС, а логика определения объектов для реализации компонентов уровня представления учебного материала на основе их свойств и свойств учебных элементов. Поэтому описание с помощью четких конструкций языка UML является неудобным. Тем не менее, некоторые принципы ООП мы будем использовать для первоначального анализа системы. В работах Г. Буча [15,102] предлагается для крупных программных систем построить вначале структурную модель системы, отражающую функциональные блоки преобразования информации и информационные потоки, а затем каждый ее блок проектировать, используя ООП.
В работе П.Л. Цытовича [92] предлагается несколько иной подход, развивающий данный способ анализа и проектирования и адаптирующий его к процессу создания АОС, связанный с введением нового уровня абстракции — контейнера, в качестве которого рассматривается группа объектов АОС. Тогда ООП предусматривает для создания модели АОС выполнение следующих этапов [92]: - разработка целевой модели; - проектирование структурной модели; - разработка объектной модели; - разработка контейнерной модели; - проектирование системной модели.
Рассмотрим содержание каждого этапа в применении к разработке АОС.
Целевая модель и определяемая ею предметная область относятся к уровню постановки задач. На этом уровне согласовываются различные параметры и функциональные возможности проектируемой программной системы.
Проектирование структурной модели [16, 20] производится вручную с использованием известных методов, в частности IDEFO-методологии. Результатом проектирования структурной модели явился набор следующих функциональных блоков [92]: - обучающий блок (реализует средства обучения учащегося и ориентиро ван на определенную предметную область); ? - контролирующий блок (реализует средства оценки эффективности обуче ния в виде тестов или иного способа контроля усвоения материала); - блок базы данных (реализует средства хранения информации по предметной области и процесса обучения); - блок средств интерфейса с пользователем (реализует средства взаимодействия с пользователем).
Задача поиска объектов и анализа предметной области не описана формальными методами, и поэтому выполняется эмпирическим путем [15, 92]. Результатом этого этапа является объектная модель, содержащая объекты проектирования и взаимосвязи между ними. В работе [92] выделен следующий набор объектов: - ученик (воспринимает информацию и отвечает на вопросы. Он является объектом обучения); - кадр (объект, содержащий обучающую информацию для ученика); - форма ввода (объект, который является средством воздействия ученика на обучающую программу); - вопрос (объект, содержащий формулировку вопроса для учащегося); - ответ (объект, выражающий ответ учащегося на поставленный ранее Щ вопрос); - экранная форма или кадр (объект, служащий для отображения учебной информации и вопросов); - звуковая запись (объект, служащий хранилищем звуковой записи к учебной информации или вопросу); - видеозапись (объект, служащий хранилищем учебной видеоинформации или вопроса); - элемент кадра (объект, являющийся конструктивным элементом учебной информации или вопроса);
Моделирование элемента «Учебный материал» при разработке МИАОС
Любая законченная часть некоторого учебного материала, раскрывающего конкретную тему, содержит совокупность знаний, позволяющую обучаемому с определенным уровнем подготовки изучить ее в заданном объеме и с заданным уровнем детализации. На начальном этапе проектирования информационной структуры МИ АОС планируемый для изучения учебный материал разбивают на отдельные учебные элементы. Именно ими определяется область возможной деятельности в структуре учебного предмета или системы учебных предметов. Под учебными элементами (УЭ) понимаются существующие вне и независимо от познающего субъекта объективные явления и предметы окружающего мира, познанные человечеством в виде их свойств, связей и отношений и отображенные в виде научных понятий и теорий, а также способы и методы использования того и другого, т.е. методы конкретной деятельности людей. Из УЭ состоит содержание обучения [9, 83, 84]. Исходя из этого предлагается делить все учебные элементы на четыре вида, представленные на рисунке 2.3.Такая систематизация необходима для проектирования компонентов МИ АОС, реализующих представление УЭ.
Элементы учебной информации — информация, подлежащая восприятию, переработке и усвоению с целью ее дальнейшего использования в процессе выполнения заданий. Выделим следующие разновидности такого рода информации: - описание явления, определение предмета — терминологическая информация, описание предмета или статического явления; - описание строения, динамики, закономерности - - информация о правильности написания, изображения, внутреннего представления того или иного объекта, описание динамики процесса, динамического явления, закономерности изменения чего-либо; - описание примера, изменение параметров — информация, необходимая для иллюстрации определений и строений, алгоритмов, интерактивное предоставление возможности изменить параметры изучаемого процесса или явления, проследить закономерность изменения чего-либо при различных входных условиях; - описание звучания, правила — информация, поясняющая использование объектов учебной дисциплины, произношение.
Контрольные задания — информация, требующая от обучаемого не только визуального восприятия и переработки, но и выполнения самостоятельных действий. Разновидности информации этой группы: - описание явления, определение предмета — вопросы, предъявляемые обучаемому, которые требуют знания терминологии учебной дисциплины, описания предмета или статического явления; - описание строения, динамики, закономерности — задания на конструирование объекта учебной дисциплины, построение закономерности изменения чего-либо; - описание примера, изменение параметров — задания на выполнение последовательности действий, на изменение параметров изучаемого процесса или явления, объяснение закономерности изменения чего-либо при различных входных условиях; - описание звучания, правила — задания на правильность использования объектов дисциплины, на правильность произношения.
При проектировании мультимедийных компонентов АОС необходимо четко формулировать дидактические цели и определять состав компонентов программного обеспечения МИ представления учебной информации в соответствии с требованиями к отображению материала. В таком случае элементы МИ АОС позволили бы обучаемому получить знания, умения и навыки с необходимым качеством. Среди относительно немногих работ, где дидактические показатели формулируются в количественном виде, выделяются своей системностью и логичностью исследования В.П. Беспалько [9]. Один из дидактических показателей, предложенный им, будем использовать в данной работе при проектировании компонентов интерфейса, реализующих УЭ — показатель уровня усвоения учебного материала. Этот показатель классифицирует необходимые глубину проникновения и качество владения учащимися учебным материалом и необходим, когда часть элементов знания учащийся должен уметь применять при решении задач, а с какими-то элементами ему достаточно лишь познакомиться. Поэтому при выделении учебных элементов каждому присваивается коэффициент из диапазона действительных чисел от є [0,4], который указывает на принадлежность описанным ниже уровням усвоения знаний.
Нулевой уровень (Понимание) — это такой уровень, при котором учащийся способен понимать, т.е. осмысленно воспринимать новую для него информацию. Строго говоря, этот уровень нельзя называть уровнем усвоения учебного материала по изучаемой теме. Фактически речь идет о предшествующей подготовке учащегося, которая дает ему возможность понимать новый для него учебный материал. Условно деятельность учащегося на нулевом уровне называют Пониманием.
Первый уровень (Опознание) — это узнавание изучаемых объектов и процессов при повторном восприятии ранее усвоенной информации о них или действий с ними, например, выделение изучаемого объекта из ряда предъявленных различных объектов. Условно деятельность первого уровня называют Опознанием, а знания, лежащие в ее основе, — Знания-знакомства.
Второй уровень (Воспроизведение) — это воспроизведение усвоенных ранее знаний от буквальной копии до применения в типовых ситуациях. Примеры: воспроизведение информации по памяти; решение типовых задач (по усвоенному ранее образцу). Деятельность второго уровня условно называют Воспроизведением, а знания, лежащие в ее основе, — Знания-копии.
Третий уровень (Применение) — это такой уровень усвоения информации, при котором учащийся способен самостоятельно воспроизводить и преобразовывать усвоенную информацию для обсуждения известных объектов и применения ее в разнообразных нетиповых (реальных) ситуациях. При этом учащийся способен генерировать субъективно новую (новую для него) информацию об изучаемых объектах и действиях с ними. Примеры: решение нетиповых задач, выбор подходящего алгоритма из набора ранее изученных алгоритмов для решения конкретной задачи. Деятельность третьего уровня условно называют Применением, а знания, лежащие в ее основе, — Знания-умения.
Определение программных объектов АОС
Рассмотрим особенности предложенной классификации.
Каждый класс (фасет) Kt рассматривается как домен [28], определяющий множество допустимых значений одного из абстрактных типов объектов. Множество всех программных объектов определяется на декартовом произведении значений доменов П = Кх х К2 х...х Kn, содержит в себе все возможные программные объекты АОС. Рассмотрим некоторые отношения, определенные на множестве П. Например, рассмотрим матрицу, строкам которой соответствуют функциональные подклассы (значения фасета А), а столбцам — различные формы представления информации, связанные со значениями фасета В (таблица 3.6).
Зафиксируем значения остальных классов: «класс С = пассивные компоненты», «класс D = понятие», «класс Е = основная учебная информация». В ячейках матрицы мы получим варианты конкретных программных объектов АОС.
Статический текст Статическая графика Динамическая графика Шум Музыка Речь
Компоненты хранения ввода и коррекции данных Компонент СУБД для изменения понятий Компонент СУБД для дополнения БД иллюстрациями к понятию Компонент СУБД для дополнения БД динамическими фрагментами к понятию Компонент СУБД для изменения звукового оформления кадров с понятиями Компонент СУБД для изменения звуковых определений понятий
Компоненты вывода ипредставления информации Компонент типа "Text" для определения понятия Компонент типа "Picture" для иллюстрации к понятию Объект управления типа "Media-Player" для видеофрагмента к понятию Объект управления типа "Media-Player" для шумового сопровождения кадра Объект управления типа "Media-Player" для музыкального сопровождения кадра Объект управления типа "Media-Player" для звукового определения понятия
Компоненты интерфейса/ обработки информации Компонент для обработки запроса к словарю понятий Компонент для поиска по графическому индексу понятий Компонент для поиска по видео-индексу понятий Объект управления шумовым сопровождением кадра (включение/ отключение) Объект управления музыкальным сопровождением кадра (включен/ отключен) Компонент для поиска по звуковому индексу понятий
Компоновщик кадра или объект управления порядком воспроизведения элементов кадра Таким образом, это отношение, определенное на множестве П, представляет состав нового класса программных объектов, реализующих операции над понятиями в АОС.
Фиксируя значение «класс D = учебный материал», при тех же значениях остальных классов получим аналогичные программные объекты для уровня сложности представляемых элементов знаний, соответствующих учебному материалу темы. Далее рассмотрим матрицу, строкам которой, как и прежде, соответствуют функциональные подклассы (значения фасета А), а столбцам — различные формы представления информации, связанные со значениями фасета В, но поменяем фиксированные значения остальных классов (таблица 3.7). Зафиксируем значения классов: «класс С = активные компоненты», «класс D = учебный материал», «класс Е - контрольные задания».
Статиче- Статическая Динамическая Шум Музыка Речь ский текст графика графика Компоненты Компонент СУБД для хранения сценариев составления тестов или ссылок на файлы тестов по хранения ввода и кор- учебному материалу, построенных как: текстовый вопрос с элемента- симулятор дейст- речевой вопрос или вопрос со рекции дан- вопрос ми статической вия звуковыми элементами ных графики Компоненты Экранная ( юрма, содержащая Объект-интерпретатор или управляющая программа вывода и компоненты типа "Text" и "Picture" вывода вопроса представле- с вопросом по учебному материа- ния информа- лу ции Компоненты Объекты для управления ходом тестирования интерфейса/ обработки Кнопки с Графические Динамические информации текстовыми надписями кнопки области Таким образом, полученное отношение, определенное на множестве П, задает класс программных объектов, необходимых для реализации функции кон троля знаний учебного материала в обучающей системе, и представляет практический интерес.
В качестве примеров программных объектов при фиксированных значениях классов: «класс С = пассивные компоненты», «класс D = АОС», «класс Е = основная учебная информация» можно привести следующие: - компонент БД для хранения текстовых заметок учащегося, - объект для вывода/печати схем, чертежей, фотографий, - объект для печати и сохранения в файл текстового конспекта, - объект для просмотра гипертекстовых документов.
Предложенная методика формализованного представления программных объектов позволяет прогнозировать и контролировать получение объектных моделей, так как эта методика может предсказывать, какие объекты должны быть созданы, и выявлять объекты, которые пропущены при анализе. С помощью описанной процедуры определяется множество программных объектов, которые следует использовать при создании АОС. Рассмотренная методика, кроме того, позволяет сделать вывод о недостающих элементах уровня так называемых контейнеров, введенных в работе [92], на основании анализа состава объектов по строкам таблицы П схемы классификации. Столбцы таблицы П представляют состав программных объектов, необходимых для реализации фиксированного значения класса D, то есть уровня сложности учебной информации. Строка таблицы 77, соответствующая компонентам интерфейса и обработки информации, при фиксированных значениях остальных классов определяет множество элементов МИ для уровня взаимодействия с пользователем при реализации всех функций системы и заданных видах обучения.
Рассмотренная методика определения множеств информационных, программных объектов и операций является основой для проведения сравнительного анализа способов реализации отдельных частей АОС. В то же время результаты разработанной классификации показывают, что количество допустимых типов компонент АОС ограничено. Поэтому для автоматизации процесса проектирования МИ АОС и формализации процесса компоновки его элементов целесообразно ввести понятие шаблона компонента АОС.
Сервисная подсистема проектирования элементов интерфейса для представления мультимедийной информации АОС
Подготовка контролирующих упражнений — это наиболее трудоемкий и сложный этап в создании АОС, требующий высокого педагогического мастерства от преподавателя-разработчика. Для каждого УЭ необходимо спроектировать не только подходящие задания для его усвоения, но и выбрать их форму. Проектирование контролирующего элемента МИ также будем связывать с показателем необходимого уровня усвоения учебной информации. Введем некоторые пояснения.
Тесты первого уровня. Деятельность первого уровня (опознание, а = 1) — это репродуктивная деятельность с помощью (с внешней опорой).
Тесты второго уровня. Деятельность второго уровня (воспроизведение, а = 2) — это воспроизведение ранее усвоенной информации по памяти от буквальной копии до применения в типовых ситуациях.
Тесты третьего уровня. При достижении третьего уровня усвоения материала учащийся способен самостоятельно воспроизводить и преобразовывать усвоенную информацию для обсуждения известных фактов и продуцирования о них субъективно новой информации (новой для него), а также для применения ее в разнообразных нетиповых, реальных ситуациях {ос = 3).
Поскольку в разделе 2 классификация контрольных заданий представлена четырьмя видами, выбор варианта проектирования элементов МИ, реализующих контрольные задания по УЭ, должен учитывать информационную структуру АОС. Введем множество схем компоновки R, состоящее из четырех элементов {rl7r2,r3,r4}, где каждый элемент rt образует класс схем компоновки элементов
МИ представления контрольных заданий, а именно: t\ — вопросы, предъявляемые обучаемому, которые требуют знания терминологии учебной дисциплины, описания предмета или статического явления; г2 — задания на конструирование объекта учебной дисциплины, построение закономерности изменения чего-либо; гъ — задания на выполнение последовательности действий, на изменение параметров изучаемого процесса или явления, объяснение закономерности изменения чего-либо при различных входных условиях; г4 — задания на правильность использования объектов дисциплины, на правильность произношения.
Возможно, что при переходе к конкретной предметной области множество R может дополниться и другими элементами.
Назовем схемой компоновки элементов МИ представления контрольного задания структуру: H=[S(F,V,T),L] (3.16) где S(F,V,T) — множество применяемых шаблонов для представления контрольного задания, L — множество отношений, определенное на множестве шаблонов, F — свойство шаблона — форма представления контрольного задания, V — свойство шаблона — способ реализации взаимодействия при контроле, Т — свойство объекта информации шаблона - тип контрольного задания. Свойство шаблона — форма представления контрольного задания может принимать те же значения, что и в схеме компоновки обучающего учебного элемента = {/"/,..., fn.}, / = 1,4.
Для компоновки элементов МИ представления контрольного задания необходимо различать тип теста и вариант взаимодействия с пользователем.
Для определения множества V = {vuv2,...,vn} используем следующие варианты реализации взаимодействия представления УЭ с пользователем АОС (см. подраздел 3.2.1 раздела 3): задания на ввод или выбор ответа; на последовательность действий на тренажере или конструирование; на решение задачи с помощью учебного ППП. Таким образом, для каждого элемента rt, і = 1,4 множества R определим возможные значения свойства «способ взаимодействия» Vr = { ,..., . },
Тип теста — значения свойств Т — будем связывать с уровнем усвоения. Тип теста определяется характером внутренней мыслительной деятельности, которую должен выполнить обучаемый при решении теста.
Поэтому можно выделить следующие элементы множества Т, описанные в педагогической теории: - опознание, различение, классификация — типы тестов первого уровня; - тесты подстановки, конструктивные тесты, типовые задачи — типы тестов второго уровня; - нетиповые задачи — тесты третьего уровня.
Для каждого элемента r(, / = 1,4 множества R определим возможные значения свойства «тип теста» Тп = {/, ,...,4. j, / = 1,4.
Тем самым для каждого вида контрольных заданий получаем подмножество схем компоновки Н є Н Модель выбора вариантов проектирования элементов
МИ представления контрольного задания по УЭ аналогична модели выбора варианта проектирования элементов МИ представления учебной информации АОС на основе дедуктивного логического вывода из заранее известного числа вариантов, которая описана выше (см. подраздел 3.3 раздела 3).
Предложенная методология на основе выделенных свойств объектов, составляющих МИ АОС, позволяют выбрать подмножество схем компоновки для представления контролирующих УЭ. Уточнение схемы компоновки целесообразно производить разработчиком-педагогом с учетом требований к контрольным заданиям: валидности, определенности (общепонятности), простоты, однозначности, надежности. Данные требования определены и подробно описаны в работах [82, 83] и позволяют с помощью некоторых количественных характеристик и показателей оценить качество подготовки тестового задания.
