Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ лабораторного практикума вузов 15
1.1. Лабораторный практикум вуза и его технология 15
1.2. Классификация лабораторных практикумов вуза 22
1.3. Анализ использования средств вычислительной техники в качестве лабораторного практикума принципов 29
1.4. Постановка задач дальнейшего исследования 41
Выводы . 42
Глава 2. Обоснование и построение математической модели программно-лингвистического инструментария и его инвариантных компонент 44
2.1. Задачи, возникающие при исследовании объектов, принадлежащих к классу лабораторного практикума принципов, и их формализованное описание 44
2.2. Исследование вопросов формализованного описания средств взаимодействия пользователя с автоматизированным лабораторным практикумом 50
2.3. Разработка и исследование модели процесса взаимодействия пользователя с системой 65
2.4. Исследование вопросов формализованного описания внутреннего представления модели объекта 73
Выводы 78
Глава 3. Исследование вопросов построения методического обеспечения автоматизированного лабораторного практикума 80
3.1. Анализ требований, предъявляемых к материалу, на базе которого проводится исследование объектов лабораторного практикума принципов 81
3.2. Исследование вопросов построения модели структуры материала обучения 86
3.3. Критерий оценки эффективности диалога 103
3.4. Исследование вопросов взаимодействия при различных режимах диалога 105
3.5. Решение вопросов реализации материала обучения в соответствии с разработанной структурой 108
Выводы 115
Глава 4. Создание программно-лингвистического и технического обеспечения. Опытная эксплуатация полученного инструментария 117
4.1. Структура программно-лингвистического обеспечения 117
4.2. Разработка программно-лингвистического инструментария 126
4.3. Решение вопросов программной реализации лингвистического инструментария 143
4.4. Разработка методов и средств образного представления информации в системах гибридного типа 149
4.5. Экспериментальная проверка реализованного программно-лингвистического, методического и технического инструментариев 156
Выводы 159
Заключение 162
Список литературы 165
Приложение I. Результаты исследования информационных моделей лабораторного практикума и статистическая обработка
полученных данных 179
Приложение 2. Рассмотрение вопросов максимизации целевой функции процесса обучения 186
Приложение 3. К вопросу об определении расстояния между вершинами графа, описывающего структуру МАТО 190
Приложение 4. Формализованное описание процессов взаимодействия при различных режимах диалога 194
П.4.І. Режим возвращаемого диалога 194
П.4.2. Режим ретроспективного диалога 195
П.4.3. Режим прерванного диалога 196
П.4.4. Исследование режимов развитого диалога 202
Приложение 5. Дополнительные сведения по реализации версии языка АВТОР 209
Приложение 6. Дополнительные сведения по лингвистическим средствам взаимодействия обучаемого с системой 215
Приложение 7. Пример лабораторного практикума, реализованного в рамках АЛЛ. 219
- Лабораторный практикум вуза и его технология
- Задачи, возникающие при исследовании объектов, принадлежащих к классу лабораторного практикума принципов, и их формализованное описание
- Анализ требований, предъявляемых к материалу, на базе которого проводится исследование объектов лабораторного практикума принципов
- Структура программно-лингвистического обеспечения
Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость повышения эффективности труда преподавателей является одной из основных задач, поставленных 2ХУІ съездом КПСС перед вузами страны. Решение этого вопроса неразрывно связано с совершенствованием учебного процесса во всех его звеньях. Важнейшую роль в этом призваны сыграть автоматизированные обучающие системы (АОС), функционирующие на базе вычислительных комплексов /1,2,3/.
Работы этого направления базируются на кибернетических аспектах построения систем, которые отражены в трудах Глушкова В.М., Бусленко Н.П., Поспелова Д.Н., Берга А.й., Пупкова К.А., Клыкова Ю.И. и др., а также психолого-педагогических проблемах обучения, рассмотренных Архангельским СИ., Талызиной Н.Ф., Беспалько В.П., Гальпериным П.Я. и др. Теоретические и практические аспекты построения систем.типа АОС нашли.отражение в диссертационных работах Савельева,А.Я., Калацкой Л.В., Ладанова.В.И., Мухарского A.M., Дав-гялло A.M.., Кузнецова СИ., Платонова Б.А., Дятлова B.C., Бонди-на О.А. и др.
Наибольший эффект дает использование ЭВМ в качестве универсального моделирующего устройства, позволяющего изучать различные физические явления на основе математических моделей /1,8,9,11/. Это дает возможность исследовать критические и аварийные режимы, а также изучать процессы, которые невозможно наблюдать непосредственно. Наличие оперативных устройств графической информации, типа графического дисплея, работающего под управлением ЭВМ, позволяет обеспечить наглядность и образность исследуемых процессов и явлений.
Использование таких систем для постановки и проведения лабораторного практикума вуза позволяет реализовать наряду с вышеуказан- ными преимуществами и ряд других /10/, среди которых следует выделить : высокую технологичность на этапах постановки, тиражирования и модернизации лабораторных работ; новые методологические возможности в плане индивидуализации обучения, а также постановки работ, которые принципиально нельзя осуществить на традиционной лабораторной базе; возможность использования выразительных средств отображения графической информации, характеризующей процессы физического и математического моделирования.
Системы такого типа мы будем называть автоматизированным лабораторным практикумом (АЛЛ).. Для внедрения АЛЛ в учебный процесс имеются необходимые предпосылки, т.к. многие вузы располагают комплексами автоматизированных рабочих мест с графическими дисплеями, которые используются в учебном процессе пока не достаточно эффективно. В настоящее время наша промышленность приступает к серийному выпуску персональных ЭВМ с устройствами отображения, реализованными на базе цветных телевизоров. Это позволит внедрять АЛЛ в вузы страны в массовом масштабе.
Работы по созданию систем типа АПЇЇ ведутся в ряде вузов нашей страны /3,38,52,54,65,151/. Следует отметить системы АТОС и ТЕВУС Белорусского и Новосибирского государственных университетов. В этих системах решены многие вопросы технического обеспечения и их прикладного использования для ряда предметных областей. В тоже время вопросы программно-лингвистического и методического обеспечения требуют своего дальнейшего развития, в первую очередь, в области интерактивной машинной графики, что является основой при постановке работ в рамках АЛЛ.
Весьма перспективным является создание гибридных систем /23/, позволяющих одновременно отображать данные, поступающие от физической и математической модели одного и того же объекта исследований. Такие системы позволяют проводить оценку аналитических расчетов физической модели, выполненных различными методами, с результатами экспериментальных исследований той же модели.
Работа выполненная автором в данном направлении проводилась в соответствии с приказом Минвуза СССР В 535 от 20 мая 1981 г. по разделу 5 целевой межвузовской программы исследований по решению научно-технической проблемы "Создание учебно-исследовательских систем автоматизированного проектирования и разработки методологии построения САПР" и приказом по МЭЙ В 123 от 4 мая 1981 г. по разделу "Разработка методического и математического обеспечения для машинных тренажеров, функционирующих на базе технических средств САПР". Эта работа проводилась в тесном контакте с НИИ проблем высшей школы.
Эффективность функционирования МП будет определяться, в первую очередь, наличием инвариантных, к различным предметным областям, средств технического и программно-лингвистического и методического обеспечения. Необходимо определить, какие средства могут быть инвариантными, обосновать требования к ним, с учетом которых они (средства) должны быть разработаны. Среди всего множества Ж вуза мы будем рассматривать те работы, которые могут быть отнесены к лабораторному практикуму принципов (ЛПП). Под ЛПП понимаются работы, связанные с исследованием структур, характеристик, принципов действия изучаемой аппаратуры, отдельных узлов и целых технических систем. Проведенные исследования показывают, что к ЛПП может быть отнесено более 85$ всех существующих Ж /10/.
Целью данной работы является выделение и разработка инвариантных компонент программно-лингвистического и методического инструментария, обеспечивающего преподавателей и студентов простыми и доступными языковыми средствами, необходимыми для постановки и проведения лабораторных работ в режиме интерактивного графического взаимодействия, с обеспечением наглядности отображения информации об объекте исследования. Данная цель достигается в результате решения следующих задач: исследования существующего лабораторного практикума (ЛИ) вуза и определения требований, предъявляемых к АЛЛ; разработки и обоснования методов построения программно-лингвистического и методического инструментариев и их инвариантных компонент; синтеза и разработки инвариантной части программно-лингвистического и методического инструментария; разработки методов и средств образного представления информации.
Научная новизна работы состоит в: получении достоверных оценок, характеризующих графический элементный базис, на основе которого может быть реализован интерактивный диалог с пользователем; получении математической модели, описывающей инвариантные компоненты программно-лингвистического инструментария АЖ вплоть до отдельных синтаксических конструкций и лексем; разработке теоретико-множественного описания, определяющего инвариантные компоненты методологического инструментария,вплоть до отдельных логических блоков программы,управляющей диалогом; разработке метода, обеспечивающего одновременное физическое и математическое моделирование, с отображением полученных данных на одном информационном поле в соответствии с функцией топологии. - II -
Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в том, что: разработанные средства программно-лингвистического, методического и технического обеспечения позволяют решать вопросы построения и проведения лабораторного практикума на принципиально новом уровне, характеризующемся высокой технологичностью, индивидуальностью обучения, большими методологическими возможностями, предоставляемыми при создании новых лабораторных работ; на базе полученного описания программно-лингвистического инструментария разработан и реализован язык АВТОР, предоставляющий пользователям простые и доступные средства для подготовки и проведения лабораторных работ в рамках АЛЛ; разработанное цветное устройство отображения графической информации на основе стандартного телевизионного приемника позволяет реализовать на достаточно доступной технической базе гибридные системы, обеспечивающие образность и наглядность визуализируемой информации с одновременным отображением данных, поступающих от физической и математической моделей; - реализованные компоненты программно-лингвистического, ме тодического и технического инструментария используются в учебном процессе Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института, Московского института электронного ма шиностроения, Московского института радиотехники электроники и ав томатики. Акты о внедрении результатов диссертационной работы при ведены в приложении.
Апробация работы проводилась в процессе обсуждения на следующих .научно-теоретических конференциях:
I. Всесоюзная научно-техническая конференция по системам отображения, г.Киев, 1971 г.
Научно-техническая конференция по системам отображения, г.Москва, 1975 г.
Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиотехники в народном хозяйстве", г.Москва, 1977 г.
Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы энергетики и электротехники", г.Москва, 1977 г.
Всесоюзная научная конференция,посвященная 60-летию образования СССР "Проблемы создания и развития АСНИ, САПР и измерительно-вычислительных комплексов", г.Москва, 1982 г.
У Московская городская конференция молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, г.Москва, 1983 г.
Наиболее важные результаты, полученные в диссертационной работе, отражены в 24 научных работах, включая 3 авторских свидетельства. В списке литературы они стоят под номерами /10,11, 23*25, 97,107,108,125,126, 1304-138, 145+147, 149,150/.
Работа состоит из четырех глав и восьми приложений.
В первой главе проводится исследование существующего лабораторного практикума вуза и его технологии с целью определения требований, предъявляемых к нему, и путей устранения существующих трудностей; выделяется класс лабораторных работ, выполнение которых возможно на базе математических моделей, реализуемых на вычислительных комплексах, имеющих в своем составе графические дисплеи; формулируются требования, предъявляемые к этим системам, и показываются их преимущества; определяются основные задачи диссертации.
Вторая глава посвящена решению вопросов формализованного описания программно-лингвистического обеспечения автоматизиро- - ІЗ - ванного лабораторного практикума, с целью определения компонентов языка описания информационных моделей и выявления инвариантных средств этого инструментария МП. Данные вопросы решаются на основе построения алгебраических моделей входного и выходного языков, описания моделей исследуемых объектов, а также формализации средств взаимодействия пользователя с АЛЛ и классов задач, возникающих при выполнении лабораторного практикума.
Третья глава посвящена решению вопросов построения методического обеспечения, предоставляющего возможность создавать обучающие программы, на основе единых принципов организации материала обучения, обеспечивая цри.этом адаптацию к пользователю в процессе его диалога с системой. Решение этого вопроса рассмотрено на базе иерархического представления материала, на основе которого проводится изучение объектов в рамках МП. Показано, что такая структура описывается мультиграфом со взвешенными вершинами и раскрашенными дугами. Проведено исследование различных режимов диалога, которые могут возникать на базе такой структуры. С использованием аппарата семантических сетей и алгебры логики получено теоретическое описание для всех режимов диалога, что позволило синтезировать программу, убавляющую диалогом с адаптацией к пользователю.
Четвертая глава посвящена созданию программно-лингвистического и технического обеспечения МП и опытной эксплуатации полученного инструментария. Зто осуществляется на основе разработки и построения языков пользователей, подготавливающих материал обучения и выполняющих на этой базе лабораторный практикум, а также создания цветного графического устройства отображения информации, позволяющего реализовать на доступной технической базе МП гибридного типа.
В приложениях к диссертации приведены результаты исследования существующего ЛИ вуза и статистической обработки полученных данных; рассмотрены вопросы нахождения расстояния между вершинами взвешенного мультиграфа; приведены результаты исследования различных режимов диалога, сведения по реализованным языкам АВТОР и СТУДЕНТ, примеры диалога поставленных работ, а также акты о внедрении результатов работы.
Автор выражает свою искреннюю признательность кандидату технических наук доценту Башмакову И.А. за то внимание, которое он уделял данной работе и за консультации и замечания, сделанные им по ряду вопросов, посвященных построению программно-лингвистичес-кого и методического инструментария. Автор также благодарит всех сотрудников и студентов СКВ МЭИ, принимавших участие в реализации конкретных прикладных задач данного направления.
Лабораторный практикум вуза и его технология
Лабораторные занятия являются одним,из видов самостоятельной практической работы студентов в вузе. Их цель - углубление и закрепление теоретических знаний, развитие навыков самостоятельного экспериментирования с применением новейших технических средств /13,14/. В связи с быстрым развитием эксперимента в его современных формах с применением новейшей техники и теории МО - 16 делирования они приобрели в вузах первостепенное значение. Работа в лаборатории является более эффективной, если она приближена к процессу проведения научного эксперимента. В большинстве случаев при этом демонстрируется правильность законов, излагаемых в дисциплине. Однако это имеет существенные недостатки, т.к. студент заранее знает результат испытаний. Отмечая их проф. К.Г.Марквард /15/ указывает на необходимость такой постановки работы, при которой студент сам полностью решал бы задачу. В процессе выполнения лабораторной работы многие теоретические положения, казавшиеся абстрактными и отвлеченными, становятся конкретными. Таким образом происходит объединение теории и практики, что содействует не только усвоению учебного материала, но и развивает мышление, придавая ему диалектико-материалистические черты и активный характер.
Большое значение имеет правильная организация лабораторного практикума от обстановки (интерьера), в которой проводятся занятия, до форм проведения.
Высокоэстетичное лабораторное оборудование с соответствующим интерьером создает необходимый "микроклимат", организующе действующий на студентов и вызывающий у них желание творчески работать. Обычно лабораторный практикум идет вслед за лекциями, в которых дается основной теоретический материал /16/, что позволяет сделать научные положения более наглядными и убедительными.
Во многих вузах принято фронтальное проведение Ж, при этом все студенты /группы/ выполняют одну и ту же работу. Это значительно облегчает организацию и проведение ЛП, а также руководство работой студентов, но имеет и недостатки:
- некоторая трафаретность работ и приемов их выполнения /14/;
- невольное заимствование студентами не только техники работы, но и существа решения поставленной задачи;
- использование для каждого лабораторного практикума больших площадей и значительного количества однотипного, иногда дорогостоящего оборудования, что влечет излишние расходы на него.
Кроме этого метода в практике нашли широкое применение цикловая, индивидуальная или смешанная формы организации Ж.
При цикловой форме Ж делится на несколько циклов соответственно определенным разделам лекционного материала. Опыт Московского энергетического института показывает, что при объединении четырех-пяти лабораторных работ в один цикл, (при наличии четырех-шести одинаковых стендов по каждой из работ) имеется возможность получить хорошие результаты при обучении группы студентов в 25 30 человек при небольших материальных затратах /14/.
Задачи, возникающие при исследовании объектов, принадлежащих к классу лабораторного практикума принципов, и их формализованное описание
Проведенный анализ ЛПП показал, что объекты данного класса необходимо рассматривать на структурно-функциональном уровне, с учетом того, что структура объекта может меняться в процессе исследования /97/. В силу того, что нам необходимо разработать инвариантное описание объекта вне зависимости от его принадлежности к предметной области, будем использовать подход, состоящий в том, что любой объект может быть описан посредством элементов Э, его характеризующих, отношений R между этими элементами и свойствами Q этих отношений и элементов /19/.
Это позволяет представить описание объекта (ОБ) в виде выражения
Выражение (2,1) носит самый общий характер описания любого объекта. При определении компонент, характеризующих конкретный объект, необходимо учитывать, что они (компоненты), естественно, носят объективный характер, но должны выбираться с учетом задач, для решения которых разрабатывается данное описание.
Для решения задач, поставленных в данном разделе, является достаточным рассмотрение объекта на уровне множества структур, его характеризующих. Тогда множество элементов Э будет характеризоваться кортежем.
В зависимости от того,какие элементы из 3 и Q определяют V и V/ , будут решаться различные классы задач, возникающие при исследовании моделей объектов. В силу того, что различные классы задач могут возникать при исследовании моделей одного и того же объекта,необходимо предусмотреть в программном обеспечении моделирующего комплекса такие средства, которые бы давали возможность решать все возникающие задачи при исследовании данной модели. Определение требуемых программных средств вызывает необходимость формализованного описания задач, возникающих в процесее исследования моделей объектов из класса ЛЗШ.
На основе проведенного анализа ЛЇЇП вуза и.с учетом предложенной формализации описания объекта (выражения 2.1 2.4) можно выделить следующие основные классы задач: прямые задачи; обратные задачи; задачи настройки; задачи синтеза структур, задачи преобразования структур; задачи взаимодействия структур; задачи анализа операторов. Для описания решаемых задач воспользуемся теоретико-множественным аппаратом, используемым в /101/.
Анализ требований, предъявляемых к материалу, на базе которого проводится исследование объектов лабораторного практикума принципов
Нашей задачей является определение требований, предъявляемых к структуре материала, позволяющего организовать проведение исследований объектов класса ЖІ в режиме индивидуального диалога с обучаемым. Под материалом обучения (МАТО) здесь понимается информация, приведенная к виду интерактивного взаимодействия в МП.
Требования, предъявляемые к диалогу человека и ЭВМ, во многом зависят от назначения системы /41/. Применительно к АЛЛ в процессе диалога должна осуществляться адаптация к пользователю, позволяющая каждому из них проводить все необходимые исследования объекта за минимальное для данного обучаемого время.
Диалог представляет собой ряд последовательных актов, каждый из которых характеризуется взаимным обменом информации, дозами (порциями) сообщений ( U/ - от машины и о г - от человека). Под порцией будем понимать всю совокупность знаковых сообщений, выдаваемую одной из сторон на соответствующем шаге диалога. В общем случае порция сообщения может содержать информативу и директиву. Информативой может быть текст, цифровые данные либо другие знаковые образования, предъявление которых отдельно от директивы не требует от пользователя каких-либо действий по преобразованию этой информации. Директива (задание) указывает, для каких целей выдан материал информативы и на что должна быть направлена деятельность пользователя.
В силу того, что АШ реализуется на основе математической модели исследуемого объекта, анализ О; можно проводить автоматически, сопоставляя данные, полученные в результате работы (активизации) программного модуля, с данными, содержащимися в ответе п пользователя. При этом диалог можно строить таким образом, чтобы исходные данные задавал сам пользователь.
В качестве примера, иллюстрирующего сказанное выше, рассмотрим задачу, связанную с исследованием циклических кодов /НО/. Пусть система располагает программой, моделирующей работу кодирующего регистра (рис. 3.1) циклического кода. Здесь ПІ, П2 и ПЗ - ячейки памяти, а - сумматор по модулю 2. На вход устройства подается последовательность информационных символов в виде нулей и единиц. На выходе регистра получим закодированную последовательность. Стоит задача проверки понимания работы данного устройства обучающимся.
Структура программно-лингвистического обеспечения
Реализация программно-лингвистического обеспечения требует определения перечня необходимых программных и информационных компонентов системы и их взаимодействия между собой. Нашей задачей является выделение из этого множества компонент инвариантной части программно- лингвистического обеспечения и создание инструментария, реализующего эти компоненты.
Рассматривая общую структуру программно-лингвистического инструментария АЛЛ, которая должна обеспечивать все режимы работы Ж /II/ и учитывать специфику автоматизированного лабораторного практикума, мы можем выделить две основные его части:
- "ядро" (инвариантное к различным предметным областям);
- проблемно-ориентированная часть.
В каждой из этих частей можно выделить различные уровни математического обеспечения (МО), предназначенные для решения определенных задач соответствующим контингентом пользователей. Основными пользователями в АШ являются:
- администраторы системы;
- разработчики обучающих программ (в дальнейшем мы будем называть их "разработчиками");
- преподаватели, проводящие занятия в рамках АШ;
- пользователи, для которых работа с моделями является средством познания и исследования изучаемых объектов (в дальнейшем именуемые "учениками").
