Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Описание системы. 11
1.1 Общее описание системы 11
1.1.1 Использование логических отношений для изучения предметной области 13
1.1.2 Программа для визуализации графов логических отношений 15
1.1.3 Техническая реализация 17
1.2 Структура предметной области. причинно-следственные связи : 19
1.2.1 Поиск предшественников и следствий 19
1.2.2 Поиск предшественников выборки. 21
1.2.3 Пополнение 23
1.2.4 Уровень сложности. „... 24
1.2.5 Типы и структура статей, использование при поиске 25
1.3 Функциональные возможности системы 26
1.4 Подробное описание функций системы 28
1.4.1 Первая страница. 29
1.4.2 Структурный указатель 31
1.4.3 Предметный указатель. 36
1.4.4 Поиск по ключевым словам 37
1.4.5 Ввод номеров 40
1.4.6 Просмотр текстов выбранных статей. 41
1.4.7Вывод для печати ...44
1.4.8 Граф 46
1.4.9 Пополнение 61
1.4.10 Просмотр предшественников или следствий одной статьи 61
1.4.11 Список предшественников выборки t 65
1.4.12 Объединение и сохранение выборок 67
ГЛАВА 2. Архитектура системы 71
2.1 Принципработы "браузер-сервер-бд-сервер-браузер" 71
2.2 Формат материала-содержания энциклопедии 73
2.3 Описание бд и процесса ее наполнения 75
2.3.1 Средства ввода и редактирования информации 85
2.4 Описание сценариев работы сервера и интернет-браузера 87
2.4.1 Сценарии, относящиеся к структурному указателю 88
2.4.2 Сценарии, относящиеся к окну предметного указателя, поиска по ключевым словам и ввода номеров 92
2.4.3 Сценарии, относящиеся к функции просмотра содержимого статей. 99
ГЛАВА 3. Применение 105
3.1 Возможные применения 105
3.2 Система по линейной алгебре-линеал 105
Список литературы
- Программа для визуализации графов логических отношений
- Типы и структура статей, использование при поиске
- Формат материала-содержания энциклопедии
- Система по линейной алгебре-линеал
Введение к работе
В последние годы происходит бурное развитие дистанционного обучения, основанного на использовании компьютеров и сети Интернет. Публикация издания в Интернете существенно отличается от публикации книжного издания своей доступностью, возможностью опубликовать не только тексты и графику, но и видео, и звук, сделать электронное издание интерактивным- Многие научные области быстро развиваются, и образовательные, особенно справочные, издания в печатном виде по таким областям устаревают очень быстро. С другой стороны, электронные издания, распространяемые через сеть, можно постоянно дополнять и изменять. Даже для тех областей, которые уже устоялись и со временем меняются мало, электронные справочные издания открывают новые возможности поиска информации, позволяют ее отбирать, группировать, сохранять и обрабатывать.
Выделим основные типы электронных средств, связанных с дистанционным обучением, по функциональному признаку [22]:
Программно-методические издания и системы. В эту группу входят средства для организации учебного процесса и управления им. В английском языке для таких средств принят термин Learning Management Systems (LMS). Существуют стандарты для таких средств: Sharable Content Object Reference Model (SCORM), которые призваны обеспечить возможность взаимодействия различных аппаратных и программных платформ (интероперабильность), доступность и возможность многократного использования компонент LMS.
Обучающие издания - основные средства обучения, представляющие собой электронные учебники, справочники, курсы лекций и т.д.
Вспомогательные издания предлагают задания и упражнения практического характера, способствующие усвоению материала теоретического курса.
Контролирующие издания — тестовые программы, предназначенные как для самоконтроля обучаемых, так и для оценки их успеваемости преподавателем.
Учебно-методические издания - материалы по методике преподавания дисциплины, выполнения курсовых и дипломных проектов, контрольных работ и т.д.
Настоящая работа посвящена созданию web-ориентированных инструментальных средств, позволяющих создавать электронные энциклопедии, справочники и учебники по различным областям знаний.
Исследование показало, что новые возможности электронных изданий используются недостаточно. Одно из главных достоинств таких изданий -потенциально неограниченные возможности поиска и отбора нужной информации (статей), на практике используется очень слабо. В большинстве случаев эти возможности ограничиваются лишь структурным и предметным указателями (как и в печатных изданиях), поиском по ключевым словам и гипертекстовыми ссылками, позволяющими быстро переходить от одной статьи справочного издания к другой.
Программа для визуализации графов логических отношений
Другим важным нововведением разработанной системы является программа для визуализации направленного графа логических отношений между статьями. Новизна данной программы заключается не только и не столько в методе расположения вершин графа на плоскости, сколько в богатом наборе уникальных функций для работы с графом, позволяющих получить как общую информацию о свойствах всего графа в целом, так и подробно изучить ограниченные области графа. Благодаря этим функциям пользователь может исследовать графы практически неограниченных размеров.
Проір&мма представляет собой /ета-штает. На вход ему передаются данные о номерах выбранных сіатей, их уровнях сложности и логических связях между ними. Кроме того, лередеется информация о номерах параграфов, в которые входят статьи, "гак мак по номеру статьи нельзя определить, к какому параграфу она относится.
Средствами языка Java осуществляется построение на экране в окне Интернет-браузера графа логических отношений Статьи предсташшотся вершинами графа, а логические отношения - дугами грйфа. Можно строить как граф логических отношений межщ набором статей, так и между параграфами и глтжж, в которые входят выбранные статьи. Пример графа логических отношений между статьями изображен на рис- 2 По этой программе был сделан доклад ш конференции 3,Имформациомно-вычислмгельные технологам в фувдамеетшшшх и прикладных физико-математических исследованиях" [9], в котором подробно рассказывалось о функциональности данной программы. В этом же докладе были описаны алгоритмы построения графов, применяемые в данной программе, и технические аспекты ее работы. Подробно программа визуализации графов логических отношений будет описана ниже.
Техническая реализация системы сочетает в себе обеспечение широких функциональных возможностей с доступностью и простотой интерфейса. Исследование общедоступных справочных изданий показало, что системы с достаточно широким набором функций в большинстве случаев либо реализованы в виде программ, устанавливаемых на компьютер пользователя, либо требуют специальных средств, В обоих случаях, это ограничивает возможность использования данного справочного издания компьютерами с какой-то определенной операционной системой или, в лучшем случае, несколькими операционными системами, для которых существуют необходимые специальные средства, В отличие от них разработанная нами система требует наличия только стандартного Интернет-браузера с Java-плагином, существующем для всех распространенных операционных систем и браузеров.
На первом этапе работы над системой рассматривалось несколько вариантов технической реализации. Две альтернативы реализованному варианту были следующими: во-первых, использование технологии Macromedia Flash, которая реализована в виде плагина для всех распространенных браузеров, и, во-вторых, использование технологии Java, также существующей в виде плагина. Напомним, что технология Java используется и в реализованном варианте, но ограниченно, только в одном качестве: для визуализации графов логических отношений между статьями энциклопедии. Обе упомянутые альтернативы, так же, как и реализованный вариант технологии, требуют у пользователей наличия лишь минимальных, широко распространенных специальных средств. К другим достоинствам варианта с использованием Macromedia Flash можно отнести простоту и удобство разработки, надежность технологии. Недостатком этого варианта является то, что для разработки необходим довольно дорогой программный продукт компании Macromedia- Вариант с использованием технологии Java не так удобен для разработки, но имеет несколько более широкие технические возможности. Он также в достаточной степени надежен, хотя надежность упомянутых технологий сравнивать трудно, ведь она определяется надежностью плагинов, позволяющих использовать данную технологию в том или ином браузере на компьютере с той или иной операционной системой. На надежность также могут влиять различные факторы, зависящие от характеристик компьютера пользователя и от самой программы, использующей данную технологию.
Главным же недостатком, общим для упомянутых двух технологий, и сыгравшим решающую роль в выборе, явилось то, что они имеют слабую поддержку отображения HTML кода. Ведь одним из достоинств разработанной системы является возможность использования в тексте энциклопедии картинок, звука, видео и интерактивных вставок - с одной стороны, и возможность удаленной работы с системой через сеть без использования специальных средств — с другой. Все эти возможности обеспечивает использование HTML в качестве основного языка разметки текста для содержимого энциклопедии. Язык HTML обладает и другим важным качеством: создание содержимого энциклопедии с использованием HTML относительно просто и не требует специальных платных средств разработки. Кроме того, HTML позволяет использовать упомянутые выше альтернативные технологии там, где они необходимы.
Типы и структура статей, использование при поиске
Выше мы описали, как те или иные функции системы используют разные методы структуризации информации. Теперь рассмотрим, как их комплексное использование помогает пользователям при работе с энциклопедией.
Работа пользователя с системой заключается в поиске и выборе нужных статей и отображении информации об этих статьях и их логических взаимосвязях. Существуют следующие возможности поиска статей: поиск по структурному указателю, поиск по предметному указателю, поиск по ключевым словам, поиск статей по номерам, переход от статьи к статье по ссылкам, ограничение поиска статьями с уровнем сложности не выше заданного.
В отдельную группу можно выделить функции, использующие логические связи между статьями: пополнение, поиск логических предшественников и следствий, поиск предшественников группы статей, отображение графа логических отношений между выбранными статьями, выделение конечных вершин среди предшественников.
К еще одной группе относятся функции по работе с группами статей: сохранение списка выбранных статей, объединение нескольких групп статей в одну.
К последней группе относятся функции по отображению содержания статей: просмотр содержания найденных статей на экране, подготовка содержания найденных статей для вывода на печать.
Чтобы выбрать статью, пользователь отмечает ее галочкой в соответствующем поле Е . Номера выбранных статей образуют так называемые "выборки"- Существует четыре разные выборки, которые соответствуют четырем основным режимам выбора статей: структурному указателю, предметному указателю, поиску по ключевым словам и поиску по номерам. Выборки во время работы хранятся в оперативной памяти компьютера пользователя. Пользователь может применять к этим выборкам операции сложения, вычитания и пересечения множеств. Полученная в результате "объединенная" выборка загружается в структурный указатель.
Пользователь может сохранить выборки, как отдельные, так и "объединенную", у себя на компьютере, чтобы продолжить работу с ними позже.
Отображение информации из выбранных статей и информации об их логических взаимосвязях может осуществляться четырьмя основными способами. К первой группе — функциям просмотра статей — относятся функции просмотра текстов статей для чтения с экрана и для распечатки на принтере. Ко второй группе относятся функции просмотра графа логических отношений выбранных статей и вывод списка предшественников или следствий одной или нескольких статей. Отображение осуществляется в новых окнах браузера, что позволяет пользоваться различными функциями системы по выбору статей и отображению информации одновременно.
Таким образом, каждый способ просмотра и выбора статей: структурный и предметный указатели, поиск по ключевым словам и поиск по номерам, просмотр текстов статей на экране и вывод их на экран для печати, и, наконец, просмотр графа логических отношений, отображается в отдельном окне браузера. Исключение составляют предметный указатель, поиск по словам и по номерам, которые отображаются в одном и том же окне (но не одновременно).
Тексты статей и список предшественников или следствий снабжены полями для пометки, состояние которых соответствует выборке структурного указателя. То есть поля возле тех статей, которые входят в выборку, отмечены галочками, а возле статей, которые не входят — пустые. Отмечая невыбранные статьи, пользователь добавляет их к выборке структурного указателя, а убирая галочки возле них, исключает их из выборки. Таким образом, осуществляется синхронизация выбранных статей между окнами браузера с текстами статей, со списком предшественников или следствий и со структурным указателем.
Теперь проследим за возможным ходом работы пользователя, рассматривая подробнее каждую из упомянутых выше основных функций, а также те, о которых еще не упоминалось.
Интернет-версии системы и избавляют от необходимости заново изучать руководство каждый раз, когда такие изменения появляются. На первой же странице расположен переключатель уровня сложности и ссылка "начало работы", активация которой загружает структурный указатель. В старых версиях браузера Netscape (в четвертых версиях), изменение размеров окна во время работы приводило к сбоям, поэтому на первой странице указана минимальная ширина окна и стоит предупреждение, что размер окна надо установить сразу и не менять его во время работы. Кроме того, первая страница предупреждает, что после активации ссылки "начало работы" системе необходимо некоторое время, чтобы загрузить структурный указатель. Это время может сильно варьироваться в зависимости от мощности компьютера пользователя, работает ли он с версией на компакт-диске или с Интернет-версией, и в последнем случае от пропускной способности канала связи. На первой же странице системы расположено предупреждение о невозможности пользоваться в процессе работы кнопками браузера "обновить" и "назад". Это ограничение связано с тем, что в системе активно используется язык сценариев "JavaScript"- История его работы не сохраняется в браузерах, и поэтому применение стандартных кнопок навигации браузера может привести к потере данных — списков выбранных пользователем статей, и даже к нарушению работоспособности системы. Последнее из предупреждений, расположенных на первый странице, .указывает на необходимость не закрывать окно браузера со структурным указателем. Все переменные JavaScript-a привязаны к одному из открытых окон браузера. Система устроена так, что списки выбранных статей и другая необходимая для работы информация хранится в виде переменных JavaScript-a, относящихся к окну со структурным указателем
Формат материала-содержания энциклопедии
В качестве формата материала для названий статей, их текстов и дополнений к ним был выбран язык разметки HTML, стандарт для формата информации в сети Интернет, Он был выбран по нескольким причинам. Во-первых, одним из условий создания системы была возможность работы с ней через сеть, а естественным интерфейсом для работы в сети являются Интернет-браузеры, которые созданы для отображения информации, отформатированной при помощи языка HTML, Во-вторых, язык HTML идеально подходит для комбинирования различных видов информации: текста, картинок, звуковой, видео и т,д. Использование не только текста и картинок, но и анимации, звука и интерактивных вставок выгодно отличает электронные образовательные системы от традиционных книг, делая электронные системы более наглядными и способствуя, таким образом, лучшему усвоению материала пользователем.
Конечно, существуют альтернативные технологии, позволяющие пользователям работать через сеть и использовать различные виды информации. Это, например, технология Flash, разработанная фирмой Macromedia, или Java, разработанная фирмой Sun. Эти две технологии рассматривались на начальном этапе разработки системы как альтернативы HTML, и о них уже упоминалось выше в разделе, посвященном техническому описанию системы. Там же был приведен аргумент, который сыграл решающую роль при выборе технологии, на основе которой была построена система: это ограниченная поддержка упомянутыми технологиями языка разметки HTML. Но что если совсем отказаться от HTML и строить интерфейс системы и наполнение полностью в рамках одной из альтернативных технологий? Такие варианты тоже рассматривались. Действительно, обе альтернативные технологии позволяют использовать не только текстовую информацию и картинки, но и звук и видео. Они также позволяют использовать в содержании интерактивные вставки. Главным недостатком обеих технологий является сложность разработки такого наполнения. Они требуют использования специальных программ, которые в случае Flash к тому же платные. Кроме того, наполнение при этом, только если это не просто текст, должно строго соответствовать программному интерфейсу системы, поэтому создатели наполнения для энциклопедий должны будут не только освоить специальные программы, упомянутые выше, но и строго следовать требованиям программного интерфейса. По сравнению с этими технологиями, разработка наполнения с использованием языка HTML чрезвычайно проста и не требует, вообще говоря, никаких специальных программ. Для этого даже не нужно знать HTML в полном объеме. Достаточно быть знакомым с приемами форматирования текста и, при необходимости, со способами вставки в текст различных объектов. Все это можно без труда изучить за самое короткое время.
Вставляемые объекты создаются при помощи специальных программ или без них и представляют собой отдельные файлы. Эти файлы выкладываются в поддиректорию директории с файлами системы и ссылки на них вставляются в текст по правилам HTML,
Не рекомендуется использовать для подготовки HTML-документов такие WYSIWYG-редакторы (аббревиатура What You See Is What You Get), как Word или FrontPage компании Microsoft. Хотя некоторые источники (например [17]) и предлагают их в качестве одной из альтернативы подготовки электронных изданий, горький опыт показывает, что их использование в конечном итоге приносит больше проблем- Получаемые с их помощью документы имеют ряд существенных недостатков, таких как несовместимость со многими Интернет-браузерами и неоправданно большой объем, а редактирование документов, подготовленных при помощи указанных выше программ, в других редакторах практически невозможно,
Система по линейной алгебре-линеал
Рассматриваемая система "Ареола" сделана независимой от наполнения и может быть использована для создания энциклопедий по самым различным предметным областям. Для этого предметную область нужно представить в виде отдельных статей, и между статьями должны быть установлены направленные логические отношения, о которых уже говорилось в первом абзаце раздела "Общее описание системы".
Энциклопедии, построенные на базе системы "Ареола" имеют богатый набор функций, которые упрощают процесс получения нужной информации, что позволяет использовать их для дистанционного обучения [30]. Такие энциклопедии могут работать через сеть Интернет и распространяться на компакт-дисках, и поэтому они могут быть использованы в учебном процессе в качестве глубоко структурированного учебника по теоретическому курсу [13].
Примером энциклопедии, построенной на основе системы "Ареола" является базовая электронная энциклопедия по линейной алгебре "Линеал". Она доступна для работы через сеть Интернет по адресу http://lineaLguru.ru. Подробно работа с ней описывается в [12]. Приведем пример, демонстрирующий использование некоторых функций системы.
Предположим, мы хотим изучить матрицы и операции над ними. Отметим статьи, посвященные этой теме, в оглавлении (структурном указателе). Для этого нажимаем на ссылку "начать работу" на первой странице системы. Уровень сложности оставим 5+. Осуществляется он через формирование в структурном указателе объединенной выборки путем нажатием на ссылку "Сохранить выборки" и дальнейшего выполнения появляющихся инструкций. Поскольку в рассматриваемом случае выбранных статей мало, проще и быстрее пометить их в структурном указателе непосредственно. Нажав на кнопку "+" раздела 3, раскрываем содержание раздела по главам. Далее, раскрываем содержимое главы 3.2 и параграфа 3,2.1. В открывшемся списке статей помечаем статью 3,2-1 "Матрица". Аналогично, раскрывая последовательно раздел 6, главу 6.2 и параграф 6.2.2, доходим до статьи 6.2-9 "Приведение к каноническому виду" и помечаем ее. Обе помеченные статьи показаны в структурном указателе справа в выборке. Рассматривая содержание параграфа 6.2.2, решаем, что полезно включить в цикл сведения об общем решении канонической системы, задаваемые статьей 6.2-12. Помечаем также и эту статью. Тем самым в выборке структурного указателя помещены все три выбранные опорные статьи строящегося цикла.
Нажимаем на ссылку "Пополнение". В выборке структурного указателя появляются номера 49 статей. Номера новых статей окрашены красным цветом (рис. 41). Эти и только эти статьи обладают следующим свойством: все они прямо или опосредовано зависят от статьи 3.2-1 и от какой-то из них прямо или опосредованно зависит либо статья 6.2-9, либо статья 6.2-12, Вес 49 статей заведомо должны входить в цикл. Но, возможно, не только они. Могут существовать другие важные статьи, на которые опираются какие-то из этих 49 статей и которые тоже целесообразно включить в цикл.
Программная оболочка "Ареола" на сегодняшний день является завершенным продуктом, позволяющим строить на его основе электронные энциклопедии, справочники и учебники по различным областям знаний, которые могут работать как через сеть Интернет, так и с компакт-дисков. Приведем основные результаты диссертационной работы:
1. Разработана технология создания предметно-независимых web ориентированных инструментальных средств для изучения семантически структурированных областей знаний,
2. Технология реализована в виде программной системы "Ареола" и комплекса сервисных программ, обеспечивающих наполнение и функционирование системы.
3. На основе системы "Ареола" созданы и успешно апробированы информационно-справочные системы "Линеал" и "Параллель", доступные из сети Интернет и предназначенные для изучения линейной алгебры и
У параллельных вычислении.
Для его выполнения окно, в которое загружается страница с содержимым статей для их просмотра с экрана, всегда открывается из вложенной страницы окна со структурным указателем, независимо от того, в каком окне активируется ссылка "Тексты" или ссылка в виде номера статьи. Это — страница selection.html, в которой отображается список номеров статей из выборки структурного указателя. Для того, чтобы получить доступ к функциям и переменным JavaScript-a страницы selection-html из страницы с содержанием статей, надо перед названиями подставить слово opener с точкой после него. Поскольку вызываемая функция относится к основной странице структурного указателя, а страница selection.htmI является вложенной, надо еще добавить слово top с точкой, і Щ например: opener op. add (num) для вызова функции add с параметром num.
Поле для отложенного просмотра статей представляет собой поле HTML-формы типа text. Оно расположено на одной из вложенных страниц окна структурного указателя, которая имеет имя botpane. Это имя служит для адресации в функциях JavaScript и отличается от имени файла.
