Multimedia set of computer-integrated tools remotely using virtual learning internet technologies
Актуальность. Стремительное развитие индустрии информационных технологий (ИТ) обусловило возникновение новых средств, методов и форм обучения на базе компьютерных технологий. Перечень некоторого программного обеспечения (ПО) и фрагменты работы систем представлены на рис. 1-3. Представленное ПО демонстрирует реализацию таких форм обучения, как:
· чат-занятия - учебные занятия, осуществляемые с использованием чат-технологий. Чат-занятия проводятся синхронно, т.е. все участники имеют одновременный доступ к чату. Во многих дистанционных учебных заведениях действует чат-школа, в которой с помощью чат-кабинетов организуется связь между преподавателями и учениками (рис. 1);
Рисунок 1. - ПО Adobe Connect
· веб-занятия (вебинары) - дистанционные уроки, конференции, семинары, деловые игры, лабораторные работы, практикумы и другие формы учебных занятий, проводимых с помощью средств телекоммуникаций и других возможностей Internet-среды. Для веб-занятий используются специализированные образовательные веб-форумы — форма работы пользователей по определённой теме или проблеме с помощью записей, оставляемых на одном из сайтов с установленной на нем соответствующей программой (рис. 2);
Рисунок 2. ПО Saba Centra
· телеконференции - проводятся, как правило, на основе списков рассылки с использованием электронной почты. Для учебных телеконференций характерно достижение образовательных задач. Также существуют формы дистанционного обучения, при котором учебные материалы высылаются почтой в регионы (рис. 3).
Рисунок 3. - ПО Elluminati Elluminate
Перечисленные формы обучения в той или иной мере требуют присутствие лектора и не дают необходимой мобильности в процессе обучения, поэтому встала острая необходимость в создании современных Компьютерно-интегрированных Комплексов Средств Дистанционно-Виртуального Обучение (КИКС ДВО):
2. Ямпольский Л.С. Гибкие компьютерно-интегрированные системы: планирование, моделирование, верификация, управление. Комплекс из 2-х учебников (на укр. яз.). / Л.С. Ямпольский, П.П. Мельничук, К.Б. Остапченко, О.И. Лисовиченко. – Житомир: ЖГТУ, 2010. – 786 с.
3. Ямпольский Л.С. Системы искусственного интеллекта в планировании, моделировании и управлении / Ямпольский Л.С., Ткач Б.П., Лисовиченко О.И. Учебник (на укр. яз.). – К.: ДП «Вид. Дім «Персонал», 2011. – 544 с.
Все три комплекса создавались с использованием компьютерных технологий отображения и представления информации на всех этапах процесса обучения. На сегодняшний день почти не существует КИКС ДВО, которые бы удовлетворяли требованиям представления и обработки информации, необходимой для обучения по определенной теме. Результат должен учитывать индивидуальные особенности личности в изучении материала, наличия систем контроля знаний, автоматизации процесса контроля прогресса обучения с целью повышения креативного мышления. Следует также отметить, что система расширенного контекстного поиска информации должна учитывать обучающиеся алгоритмы, иметь историю запросов как по отдельным ключевым словам, так и по фразам в целом.
Определение 1. Дистанционно-виртуальное обучение — это обучение, которое выполняется с использованием технологических режимов клиент-сервер (на удалённых ресурсах Internet-среды) и клиент-клиент (на ресурсах клиентской машины) и организовано таким образом, что пользователь может рассматривать КИКС ДВО как единую большую обучающую среду, что существенно упрощает процедуру прохождения этапов обучения (рис. 4).
Целью создания КИКС ДВО является обеспечение пользователя дружественным интерфейсом и многофункциональным средой учебно-методической научной информации определенной проблемной области, которая может очень гибко и мобильно перенастраиваться на любую необходимую проблемную область. Дружественный интерфейс повышает интерес пользователя к использованию КИКС ДВО в процессе обучения за счет внедрения мультимедийных и интернет-технологий, а также усовершенствованной среды представления материала и поиска информации. Многофункциональная среда дает возможность изучать теоретический материал, выполнять лабораторно-исследовательские практикумы иерархического по структуре и приоритетности материала, а также проводить проектно-расчетные работы, автоматизировать процесс самоконтроля пользователя и аттестацию со стороны преподавателя.
Рисунок 4. - Структура КИКС ДВО
Реализация КИКС ДВО в таком объеме возможностей требует семантического согласования инструментальных средств, на основе которых функционируют и синхронизируются отдельные подсистемы – составляющие комплекса.
Первая реализация мультимедийного комплекса [Ямпольский Л.С. Гибкие компьютерно-интегрированные системы проектирования, моделирования и управления. Комплекс из 3-х учебников (на укр. яз.). / Л.С. Ямпольский, П.П. Мельничук, Б.Б. Самотокин, М.Н. Полищук, М.М. Ткач, К.Б. Остапченко, О.И. Лисовиченко. – Житомир: ЖГТУ, 2005. – 680 с.] была осуществлена для обеспечения родственных дисциплин «Проектирование компонентов гибких компьютеризированных систем (ГКС)», «Проектирование гибких интегрированных систем», «Алгоритмизация и верификация управления в ГКС» с логической последовательностью их изложения соответственно на третьем – четвертом – пятом годах обучения по направлению подготовки «Системная инженерия».
Презентация комплекса достоялась в 2004 году на слушаниях по науке и образованию в Верховной Раде – высшем законодательном органе Украине. Электронная версия этого комплекса, включающего расширенный теоретический материал, тестирующие, поисковая системы, лабораторно-исследовательские практикумы (ЛИП) для закрепления лекционного материала по разделам дисциплин были выполнены в HTML формате. Фрагменты комплекса представлены на рис. 5, 6.
Рисунок 5. – Демонстрация первого КИКС ДВО (2005 г.): слева– заставка комплекса; справа – состав комплекса (три книги)
Рисунок 6. - Демонстрация ЛИП по изучению задач кинематики промышленных роботов в первом КИКС ДВО
Рисунок 7. - Демонстрация второго КИКС ДВО (2010 г.): слева – титул комплекса; справа – состав и графический интерфейс комплекса
Авторами накоплен более чем десятилетний опыт по созданию подобных комплексов, которые прошли апробацию в ведущих технических университетах Украины и подтвердили высокую эффективность КИКС ДВО. В то же время, этот опыт используется в недостаточной мере при создании новых средств обучения, как нам кажется, по двум причинам: высокая трудоёмкость подготовки КИКС ДВО требует как вложения временных и материальных ресурсов, так и привлечения к его реализации специалистов высокой квалификации в области ИТ.
Проблемно-ориентированный КИКС ДВО. При создании КИКС ДВО в основу был положен принцип реализации по отдельным совокупностям знаний, объединенными учебным планом в соответствующие направления подготовки пользователей (например, проектно-технологическое, схемо- и системотехническое и т.д.).
В комплексах учебников предложен новый подход формализации и структуризации дидактического и мультимедийного материала, который с помощью КИКС ДВО как в текстовом (учебники), так и мультимедийном (диски) (рис. 8) версиях обеспечивает (в качестве иллюстрации здесь представлен реализованный в рамках системного проекта третий мультимедийный комплекс [ Ямпольский Л.С. Системы искусственного интеллекта в планировании, моделировании и управлении / Ямпольский Л.С., Ткач Б.П., Лисовиченко О.И. Учебник (на укр. яз.). – К.: ДП «Вид. Дім «Персонал», 2011. – 544 с.]):
• во-первых, использование материала в учебном процессе сразу для нескольких специальностей;
• во-вторых, представления всего материала о свойствах ГКС, подходах к созданию и применению систем искусственного интеллекта (СИИ) и их интеллектуализированных версий в логической последовательности его изложения и взаимосвязи составляющих разделов учебника без повторений и дублирования учебного материала;
• в-третьих, представление материала о ГКС и СИИ таким образом, чтобы отдельные его составляющие имели самостоятельное значение и позволяли обеспечивать учебный процесс других родственных специальностей лекционными разделами в соответствии с требованиями методического и содержательного обеспечения конкретного теоретического курса по учебной дисциплине;
• в-четвертых, сочетание обычного (бумажного) и электронного носителей, причем первый предназначен для лекционного изложения курса по ключевых аспектам проблемной области, тогда как электронная версия охватывает более широкий круг вопросов учебной дисциплины с подробным ее анализом и предназначена для студентов с учетом их самостоятельной работы с соответствующей учебно-методической литературой;
• в-пятых, сопровождение электронной версии учебника мультимедийной анимацией сложных для восприятия студентом некоторых элементов функционирования систем, представленных рисунком в статическом виде и текстовой формой описания принципа действия. Цветное анимационное «оживления» статических изображений элементов ГКС и их интеллектуализированных версий позволяет пользователю исследовать все необходимые для восприятия детали функционирования различных по сложности, физической основе и последовательности действия компонентов как при их эксплуатации, так и в процессе проектирования, моделирования и управления, в том числе, с использованием технологий искусственного интеллекта;
• в-шестых, оснащение электронных версий учебников подсистемами контроля остаточных знаний и тестирования (входят отдельными составляющими в КИКС ДВО), в результате использования которыми студенты могут выполнять самоанализ глубины усвоения учебного материала.
Дружественный интерфейс (рис. 9) повышает интерес пользователя к использованию КИКС ДВО в процессе обучения за счёт внедрения мультимедийных и интернет-технологий, а также усовершенствования среды представления учебного материала и поиска информации. Многофункциональная среда представляет возможности для изучения иерархического по структуре и приоритетности теоретического материала, выполнения лабораторно-исследовательских практикумов и проектно-расчетных работ, самоконтроля пользователя и его аттестацию со стороны преподавателя. Проблемная ориентированность комплекса определяется направленностью и спецификой учебной дисциплины (или совокупности родственных дисциплин, охватываемых комплексом), а также полнотой задач, для реализации которых он предназначен.
Рисунок 8. - Демонстрация третьего КИКС ДВО (2011 г.): а – титульная часть учебника; б - мультимедийный диск
Создание мультимедийных учебных комплексов с такими свойствами как для бакалаврского, так для специально и магистерского уровней подготовки является актуальным, так как ни в отечественной, ни в зарубежной практике нет подобных изданий с комплексным представлением логически связанных дисциплин, электронные версии которых оснащены элементами как статического, так и интерактивного (на базе flash-технологий) анимационного сопровождения, тестирующими системами и ЛИП.
Свойства КИКС ДВО. Комплексы обладают следующими свойствами, совокупность которых подтверждает их уникальность:
• бумажный и расширенный электронный варианты;
• современные технологии представления учебных материалов;
• интерпретация графического материала в виде мультимедийный приложений статического и интерактивного характера;
• интерактивный интерфейс в процессе дистанционного обучения;
• эффективная самообучающая поисковая система;
• вложенные ЛИП;
• автоматизированное оценивание знаний студента преподавателем;
• самоконтроль остаточных знаний вложенными тестирующими системами.
Рисунок 9. - Электронная версия КИКС ДВО третьего комплекса
Учебники иллюстрированы многочисленными примерами реальных систем выбранной предметной области – интегрированной поддержки при решении задач распознавания образов, планирования подготовительной стадии производства, в частности, деятельности инженерно-конструкторских и технологических подразделений, а также проектирования, моделирования и управления.
Выбор принципов реализации системы тестирования. Существует достаточно много разновидностей систем тестирования (СТ), которые используют различные алгоритмы прохождения теста.
В комплексах используются три режима тестирования: обучающий, закрепляющий и аттестационный.
Определение 2. Обучающий – режим, при котором пользователь на основе общего ознакомления с теоретическим разделом (представлен в виде «теории» в функции «Help») отвечает на ключевые вопросы «Тестирующего меню».
Основная цель этого режима тестирования заключается в том, чтобы пользователь для себя мог оценить сложность индивидуального восприятия учебного материала в целом, что фиксируется специальным встроенным механизмом определения остаточных знаний в различных системах оценивания. На рис. 10, 11 представлены фрагменты соответствующих интерфейсов.
Рисунок 10. - Демонстрация теста по обратному выводу в системе продукционных правил
Определение 3. Закрепляющий – режим, при котором пользователю предлагаются углубленные тестовые наборы с возможностями: использования попыток исправления ответов в процессе текущего прохождения тестирования по его результатам; улучшения при желании пользователя показателей тестирования после его прохождения путем повторного инициирования тех фрагментов теста, на которые даны неправильные ответы. В последнем случае функцией «Help» для пользователя обеспечивается вызов фрагментов теории, которые соответствуют контексту теста с неправильным ответом.
Таким образом, многократно используя закрепляющий режим, пользователь «натаскивается» на удовлетворяющий его уровень владения теоретическим материалом. На рис. 11 представлен фрагмент, иллюстрирующий закрепляющий режим тестирования.
общий вид ЛИП с тестирующей системой
фрагмент теста
отображение результатов тестирования
Рисунок 11. – Демонстрация закрепляющего режима тестирования
Определение 4. Аттестационный - режим, соответствующий защите пользователем теоретического курса преподавателю.
Для пользователя это окончательная проверка уровня усвоения учебного материала, когда подсказки и дообучение невозможно, а формируемый СТ результат используется преподавателем для аттестации. На рис. 12 представлены фрагменты аттестационного режима.
непосредственно вопрос теста
аттестационный журнал
Рисунок 12. – Демонстрация ЛИП
Поскольку, как правило, допуску на выполнение ЛИП предшествует аттестационный режим, для преподавателя представляется возможным не допускать пользователя с неудовлетворительными результатами тестирования к выполнению соответствующих практикумов.
В СТ учтены следующие функциональные требования:
• наличие эффективных средств разработки тестов и администрирования;
• наглядность и простота процесса самопроверки остаточных знаний;
• информативность;
• стабильность и безотказность работы;
• гибкость в создании пользователей и групп, их авторизация;
• гибкость администрирования и подготовки тестов.
Особенности построения и функционирования подсистем тестирования и самоконтроля знаний (ПТСЗ) рассмотрены в [3]. Здесь отметим, что поскольку комплекс создавался с целью обеспечения возможности и дистанционно-виртуального обучения, то основным средством представления материалов является PDF-формат. Учитывая эту особенность, ПТСЗ интегрирована в КИКС ДВО и может загружаться как с рабочего места пользователя, так и через Internet-среду.
Подсистема самоконтроля состоит из модуля подготовки теста, которая используется для формирования эффективной базы данных (БД) тестовых вопросов с вариантами ответов.
В КИКС ДВО применен вариант работы с пользователем типа клиент-клиент (вся необходимая информация размещается на клиентской машине), который позволяет загружать систему на локальном компьютере без необходимости подключения к сети.
Наглядность и простота обеспечиваются гибкой структурой и разновидностями форм построения тестов, а информативность поддерживается контекстными подсказками во время прохождения теста.
Подсистема проверки знаний создана по технологии клиент-сервер, учитывая требование компактности и легкой настройки на функционирование. Указанные тренинги реализуются за счет создания модуля подсистемы, который функционирует в режимах администратора и обычного пользователя с предоставлением следующих возможностей:
• прохождение теста студентом по выбранной тематике;
• административные действия преподавателя, связанные с ведением БД тестов и студентов;
• формирование отчетов с рейтинговыми оценками по результатам тестирований;
• активный мониторинг процесса прохождения тестирования.
Особенностью реализации подсистем СТ является возможность восстановления работоспособности и обновления информации прохождения теста в случае возникновения нештатных ситуаций в функционировании (зависания и внезапное отключение компьютера), что достигается такой реализацией структуры БД, в которую оперативно вносится информация при каждой завершенном ответе пользователя.
Особенности реализации поисковой системы. Система поиска информации (СПИ) (рис. 13) для представленных КИКС ДВО разрабатывалась с учетом возможности реализации следующих задач:
• адаптация СПИ к любому локальному ресурсу;
• автоматическое обновление БД ресурсов;
• формирование критериев поиска с учетом различных видов (текст, рисунки, анимация, видео, таблицы и .д.) представление информации.
Поскольку эффективность любой СПИ определяется скоростью поиска и качественной фильтрацией данных с учетом их видов, в КИКС ДВО используется структурированность по видам информации и ее индексация по ключевым словам в каждом из видов. Кроме того, результаты в данной реализации СПИ позволяют подавать найденные ресурсы согласно оценке вхождения поисковой информации в каждый найденный ресурс в нисходящем порядке. Информация предоставляется как в количественном (количество вхождения слова или фразы) формате и процентном формате (процент вхождения в данный раздел от максимального количества вхождений).
Поисковая система в КИКС ДВО предусматривает:
• легкую адаптацию под автоматизированное учебное место различных направлений;
• автоматизированное обновление базы данных ключевых слов;
• поиск информации различного типа;
• обработку слов с разным языковым вложением;
• удобное представление результата поиска;
• комбинированное использование различных параметров поиска.
Рисунок 13. - Свойства поисковой системы КИКС ДВО
Дополнительные возможности расширенного поиска обеспечиваются использованием БД синонимов ключевых слов, что позволяет принимать запросы в виде сокращенных ключевые слов и аббревиатур.
Итак, результатом разработки системного проекта КИКС ДВО является создание удобного по интерфейсу и многофункционального по назначению рабочего места пользователя и преподавателя, которое, учитывая реализованные свойства, дает возможность использовать его как базовую оболочку обучающей системы для различных направлений подготовки в системе образования.
TEMPUS
