Введение к работе
Актуальность и
Образовательные мультимедийные технологии активно внедряются в учебные процессы, неся с собой большую энергию информационного и эмоционального воздействия на пользователей, создавая при этом им комфортную образовательную среду в удобном для них месте и в любое выбранное ими время. Появляются новые обучающие методики, новые инструменты и новые ресурсы, интенсифицирующие способность к умственному восприятию, постижение знаний и учебного процесса в целом.
В теории информационных процессов и систем термин «когнитивность» используется в широком смысле, как «акт познания» в частности, обозначая меру приращения знания. Извлечение и применение контекстных знаний опирается на понятия лингвистической и логической семантики, определяющие смысловую сторону языка слов, логических знаков и словосочетаний (см., например, публикации Е.В. Рахилиной, И.М. Кобозевой, Джона Лайонза).
В работе впервые на основе семиотики объединены смысловые оценки сетевого отклика, т. е. его семантика, с оценкой самого акта познания в одном понятии - когнитивная семантика, как раздела семантики, изучающего влияние формы представления знаниевого материала на степень восприятия этого материала пользователем при сохранении его смыслового содержания (семантики). При этом автором с учетом широко используемой в образовательных технологиях мультимедийности в представлении знаниевой информации в преподавании, уточнены и дополнены существующие определения когнитивной семантики (см., например, труды И.М. Кобозевой, В.З. Демьянкова, А.Г. Шмелёва, Е.С. Кубряковой), представляющие её как «часть лингвистики» (языкознания),
Проведенный в работе тщательный поиск аналогов авторской концепции не выявил патентов или публикаций со сходным определением «когнитивной семантики» в
образовательных технологиях. Между тем интенсификация мультимедиа образовательных потоков ещё более повышает роль когнитивно-семантических методов в различных формах и видах обучения, в том числе, и активно, в формах дистанционного обучения. Одновременно с этим учитывается возрастающая роль человеческого фактора в неразрывной триаде «оператор-система-объект» с ростом интенсивности информации, потребляемой и обрабатываемой оператором через человеко-машинный интерфейс.
Точное и быстрое восприятие, постижение и усвоение входящей информации во всех сферах жизни человека во многом зависит от формы её подачи. В диссертации предпринята попытка выявить синергию когнитивно-семантических методов в преподавании и подтвердить плодотворность этой парадигмы на примерах образовательных мультимедийных портальных систем (консорциумов), разработкой и сопровождением которых автор длительное время занимается в рамках соответствующих отраслевых и московских научно-производственных образовательных программ.
В работе основное внимание уделено технической проблеме
эффективного поиска и выделения «когнитивных» файлов в
информационном ресурсе образовательных портальных систем,
абстрагируясь от психо-эмоциональных и компетентностных
характеристик конкретного потребителя информации. При этом
применён феноменологический подход, в котором экспертная
оценка «когнитивности» знаниевого документа происходит с
применением специальной балльно-рейтинговой системы,
разработанной диссертантом. Для количественной оценки
«когнитивности» информационного ресурса сетевого портала и
его подсистем (микропорталов) автором введен метод когнитив-
энтропии. Речь идёт о поддающейся количественной оценке
энтропии когнитивного информационного поля (для краткости
«когнитив-энтропии») портально-сетевого консорциума,
находящегося в распоряжении объекта обучения. Это понятие положено в основание модельных подходов к выявлению
наилучшей пригодности того или иного портала и его ресурса к использованию в учебном процессе. Формализацию нового понятия когнитив-энтропии предлагается выполнить с привлечением вероятностной теоремы Байеса (Bayes). Эти оценки опираются на классические методы анализа и моделирования меры эмерджентности проектируемых архитектур с позиций научных школ Колмогорова, Хартли и Харкевича, что является вполне установившимся требованием к моделированию и проектированию информационных систем.
Объектом исследования являются портально-сетевые
комплексы - консорциумы (ПСК), под которыми понимается
совокупность функционирующих совместно под единым
управлением многоуровневых распределенных хранилищ
информации, составляющих объединённый ресурс
микропорталов ПСК, подлежащий оценке на «когнитивность».
Целью диссертационной работы является разработка и применение перспективных когнитивно-семантических методов и алгоритмов в мультимедийных интенсифицированных, портальных системах, используемых в образовательных технологиях. Данная цель, как полагает автор, полностью соответствует наукоёмкому тезису доктора физ-мат. наук, Главного директора института синергийной антропологии С.С. Хоружего о том, что «существует единая универсальная парадигма синергии, обладающая значительной эвристической мощностью и способная стать одним из основных элементов возникающей сейчас постсекулярной и неклассической формации знания» (В.Ф., №12, 2011). В данной работе, синергия объединённого понятия «когнитивная семантика» это -, «особый ареал, очертания которого сразу не различимы» (ibid). Поэтому первоочередной задачей данной работы диссертант посчитал выявить эти очертания, перейдя от аргументации в пользу когнитивной семантики, как «легко усвояемой семантики», к формализации этого понятия.
Предмет исследования отражен в перечне задач, решаемых в диссертации:
-
Развитие и применение когнитивно-семантических методов «когнитив-энтропии» и «условной когнитив-энтропии» в оценке когнитивности знаниевого материала мультимедийных образовательных портальных систем.
-
Определение количественной оценки когнитивности портального ресурса на основе введённого в работе когнитивно-семантических методов «когнитив-энтропии» и «условной когнитив-энтропии».
-
Определение дополнительных регуляторов когнитивной семантики на основе теории Байеса и применение балльно-рейтинговой системы для экспертной оценки образовательного ресурса портальных систем.
-
Разработка и формирование коллекции терминов и дефиниций, определяющих онтологию образовательного портала с целью проведения экспериментальных оценок качества когнитивно-семантического поиска.
-
Разработка эффективных алгоритмов и программного обеспечения поиска когнитивных файлов в ПСК.
-
Внедрение научных положений диссертации в учебный процесс факультета «Информационные технологии» МГТУ МИРЭА. Разработка методических и рабочих материалов для образовательной отрасли на базе практических выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации.
К этому в диссертации добавлена задача оценки вероятности когнитивности того или иного файла, случайно вызванного из ПСК, а также задача определения конкретных микропорталов, которым принадлежит случайно выбранный из консорциума некогнитивный файл. Обширная проблематика, связанная с внедрением в практику нового раздела семантики, включает в себя также решение задач, связанных с определением уточняющих коэффициентов когнитивности для типовых рабочих программ образовательных стандартов, а также с разработкой программного обеспечения когнитив-энтропии на основе платформ python 2.7, PyQt4 и Qwt5 для практических расчетов условной когнитив-энтропии.
Методы исследования базируются на теоретических и методологических основах теории вероятности, теории групп, теории множеств, теории программирования, методов компьютерного моделирования, методов экспертных оценок, методических основ построения сетевых порталов.
Обоснованность и достоверность теоретических выводов и практических рекомендаций определяются корректностью математических выкладок, объективностью физических основ и теоретических предпосылок, лежащих в основе экспериментальной верификации теоретических положений, использованием методов компьютерного моделирования, положительным опытом применения апробированных критериев и оценок при проведении многолетних экспериментов по качеству поиска, точности, отображению и восприятию учебной информации студентами факультета «Информационные технологии» МГТУ МИРЭА.
Теоретическая значимость исследования обоснована тем,
что в диссертации впервые на основе единого модельного
подхода к управлению информационным морфизмом открытых
макромедиа образовательных систем объединены два
существенных для информационных технологий понятия -
когнитивность и семантика. При этом выявлена синергия этого
объединения и дано определение новому разделу семантики,
изучающего степень восприятия и постижения знаниевой
информации в зависимости от формы её подачи. В работе
изложены научные положения, аргументация и предложен
математический аппарат формализации идеи когнитивной
семантики в образовательном процессе. Разработана
математическая модель поиска когнитивных файлов в
информационном ресурсе мультимедийного микропортального
консорциума. Определены количественные оценки
«когнитивное» портального ресурса на основе введённых понятий «когнитивный файл», «когнитив-энтропия» и «условная когнитив-энтропия».
Значение полученных в работе результатов исследования для практики подтверждается тем, что разработаны и внедрены в практику методы, алгоритмы и
программное обеспечение для расчета значений когнитив-энтропии. Впервые применено положение о балльно-рейтинговой системе оценки качества усвоения основных образовательных программ, положенное в основу экспериментальной верификации когнитивности учебного материала, заложенного в ресурс мультимедийной учебно-исследовательской интегрированной портальной системы. Проанализированы, отобраны и сведены в специальный «когнитивный задачник» более 100 задач, связанных с оценкой вероятности когнитивности того или иного файла, случайно вызванного из ПСК, а также с определением конкретных микропорталов, которым принадлежит случайно выбранный из консорциума некогнитивный файл. В работе использованы современные методы сбора и обработки большого объёма экспериментальной информации, полученной за 4 года от 168 студентов, участвовавших в экспериментах.
Апробация и внедрение результатов диссертации. Научные положения диссертации внедрены в учебный процесс факультета «Информационные технологии» МГТУ МИРЭА, а также отражены в разделах отраслевых руководящих материалах, подготовленных диссертантом по заданию руководства образовательной отраслью на базе практических выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации.
Результаты работы диссертанта способствуют внедрению федерального государственного образовательного стандарта №1657 от 18.05.2011г. по подготовке информационных систем и технологий по квалификации 230400 «БАКАЛАВР». Опубликовано учебное пособие в поддержку дисциплины дополнительного развивающего образования "Информсреда образования" и дисциплины ВШ РФ "Адаптивные информационные системы", где учтен ряд результатов диссертации. Для расчета когнитив-энтропии диссертантом разработана специальная компьютерная программа, на которую получено свидетельство о государственной регистрации. В настоящее время результаты диссертационной работы используются в учебно-исследовательской работе, курсовом и дипломном проектировании на кафедре ТИССУ МИРЭА.
Результаты диссертации опубликованы в 11 научных статьях и рефератах, доложены и обсуждены на четырёх российских и международных научных семинарах и конференциях.
Личный вклад диссертанта состоит в создании эффективных когнитивно-семантических методов и алгоритмов для исследовательского учебного ПСК и проведение на нём всего объёма экспериментальных работ отраженных в диссертации. Все научные положения, выводы и рекомендации, вынесенные на защиту, получены диссертантом лично.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 3-х глав основного текста, Заключения, Библиографии (125 источников) и 4-х приложений. Общий объем работы - 184 стр., в том числе основной текст - 136 стр., содержащий 57 рисунков и 29 таблиц. Текст диссертации предваряет Глоссарий, содержащий 74 современных технических терминов и дефиниций, относящихся к теме исследования.
