Мультимедійний комплекс комп’ютерно-інтегрованих засобів дистанційно-віртуального навчання з використанням інтернет-технологій

Актуальність. Стрімкий розвиток індустрії інформаційних технологій ( ІТ) зумовило виникнення нових засобів, методів і форм навчання на базі комп'ютерних технологій. Перелік деякого програмного забезпечення (ПО) і фрагменти роботи систем представлені на рис. 1-3. Представлене ПО демонструє реалізацію таких форм навчання , як:

• чат - заняття - навчальні заняття  з використанням чат-технологій. Чат - заняття проводяться синхронно, тобто всі учасники мають одночасний доступ до чату. У багатьох дистанційних навчальних закладах діє чат -школа, в якій за допомогою чат - кабінетів організується зв'язок між викладачами та учнями ( рис. 1);

Рисунок 1. - ПЗ Adobe Connect

· веб-заняття (вебінари) - дистанційні уроки, конференції, семінари, ділові ігри, лабораторні роботи, практикуми та інші форми навчальних занять, що проводяться за допомогою засобів телекомунікацій та інших можливостей Internet-середовища. Для веб-занять використовуються спеціалізовані освітні веб-форуми - форма роботи користувачів з певної теми або проблеми за допомогою записів, що залишаються на одному з сайтів з встановленою на ньому відповідною програмою (рис. 2);

Рисунок 2. ПЗ Saba Centra

·  телеконференції - проводяться, як правило, на основі списків розсилки з використанням електронної пошти. Для навчальних телеконференцій характерно досягнення освітніх завдань. Також існують форми дистанційного навчання, при якому навчальні матеріали висилаються поштою в регіони (рис. 3).

Рисунок 3. - ПО Elluminati Elluminate

Перераховані форми навчання в тій чи іншій мірі вимагають присутність лектора і не дають необхідної мобільності в процесі навчання, тому постала гостра необхідність у створенні сучасних Комп'ютерно-інтегрованих комплексів засобів Дистанційно-Віртуального Навчання (КІКЗ ДВН):

1. Ямпольський Л.С. Гнучкі комп’ютеризовані системи: проектування, моделювання і управління. Комплекс з 3-х підручників / Л.С. Ямпольський, П.П. Мельничук, Б.Б. Самотокін, М.М. Поліщук, М.М. Ткач, К.Б. Остапченко, О.І. Лісовиченко. – Житомир: ЖДТУ, 2005. – 680 с.

2. Ямпольський Л.С. Гнучкі комп’ютерно-інтегровані системи: планування, моделювання, верифікація, управління. Комплекс з 2-х підручників / Л.С. Ямпольський, П.П. Мельничук, К.Б. Остапченко, О.І. Лісовиченко. – Житомир: ЖДТУ, 2010. – 786 с.

3. Ямпольський Л.С. Системи штучного інтелекту в плануванні, моделюванні та управлінні / Ямпольський Л.С., Ткач Б.П., Лісовиченко О.І. Підручник. – К.: ДП «Вид. Дім «Персонал», 2011. – 544 с.

Всі три комплекси створювалися з використанням комп'ютерних технологій відображення і подання інформації на всіх етапах процесу навчання. На сьогоднішній день майже не існує КІКЗ ДВН , які б задовольняли вимогам подання та обробки інформації , необхідної для навчання з певної теми . Результат повинен враховувати індивідуальні особливості особистості у вивченні матеріалу , наявності систем контролю знань, автоматизації процесу контролю прогресу навчання з метою підвищення креативного мислення. Слід також зазначити, що система розширеного контекстного пошуку інформації повинна враховувати навчаються алгоритми, мати історію запитів як за окремими ключовими словами, так і за фразами в цілому.

Визначення 1. Дистанційно - віртуальне навчання - це навчання , яке виконується з використанням технологічних режимів клієнт-сервер ( на віддалених ресурсах Internet - середовища) і клієнт-клієнт ( на ресурсах клієнтської машини) і організовано таким чином , що користувач може розглядати КІКЗ ДВН як єдине велике навчальне середовище, що істотно спрощує процедуру проходження етапів навчання ( рис. 4).

Метою створення КІКЗ ДВН є забезпечення користувача дружнім інтерфейсом і багатофункціональним середовищем навчально -методичної наукової інформації певної проблемної області , яка може дуже гнучко і мобільно перенастроюватися на будь-яку необхідну проблемну область. Дружній інтерфейс підвищує інтерес користувача до використання КІКС ДВО в процесі навчання за рахунок впровадження мультимедійних та інтернет- технологій, а також вдосконаленої середовища представлення матеріалу і пошуку інформації. Багатофункціональна середовище дає можливість вивчати теоретичний матеріал, виконувати лабораторно-дослідні практикуми ієрархічного за структурою та пріоритетності матеріалу, а також проводити проектно - розрахункові роботи, автоматизувати процес самоконтролю користувача та атестацію з боку викладача.

Рисунок 4. - Структура КІКЗ ДВН

Реалізація КІКЗ ДВН в такому обсязі можливостей вимагає семантичного узгодження інструментальних засобів, на основі яких функціонують і синхронізуються окремі підсистеми - складові комплексу.

Перша реалізація мультимедійного комплексу [Ямпольський Л.С. Гнучкі комп’ютеризовані системи: проектування, моделювання і управління. Комплекс з 3-х підручників / Л.С. Ямпольський, П.П. Мельничук, Б.Б. Самотокін, М.М. Поліщук, М.М. Ткач, К.Б. Остапченко, О.І. Лісовиченко. – Житомир: ЖДТУ, 2005. – 680 с.] була здійснена для забезпечення споріднених дисциплін «Проектування компонентів гнучких комп'ютеризованих систем (ГКС)», «Проектування гнучких інтегрованих систем», « Алгоритмізація та верифікація управління в ГКС" з логічною послідовністю їх викладу відповідно на третьому - четвертому - п'ятому роках навчання за напрямом підготовки « системна інженерія ».

Презентація комплексу відбулася у 2004 році на слуханнях з науки і освіти у Верховній Раді - вищому законодавчому органі України. Електронна версія цього комплексу, що включає розширений теоретичний матеріал, тестуючі, пошукова системи, лабораторно - дослідні практикуми ( ЛДП ) для закріплення лекційного матеріалу по розділах дисциплін були виконані в HTML форматі. Фрагменти комплексу представлені на рис. 5, 6.

Рисунок 5. - Демонстрація першого КІКЗ ДВН (2004р.): зліва-заставка комплексу; праворуч - склад комплексу (три книги)

Рисунок 6. - Демонстрація ЛДП з вивчення завдань кінематики промислових роботів в першому КІКЗ ДВН

У наступному (другому) комплексі [Ямпольський Л.С. Гнучкі комп’ютерно-інтегровані системи: планування, моделювання, верифікація, управління. Комплекс з 2-х підручників  / Л.С. Ямпольський, П.П. Мельничук, К.Б. Остапченко, О.І. Лісовиченко. – Житомир: ЖДТУ, 2010. – 786 с.] із забезпеченням логічно- пов'язаних дисциплін четвертого - п'ятого років навчання «Планування, моделювання, верифікація та управління в комп'ютерно - інтегрованих системах» і «Штучний інтелект у плануванні та управлінні виробничими процесами» було прийнято рішення мультимедійний контент подати не в HTML - формат, а перейти на PDF - формат (зручність форматування, вбудована пошукова та навігаційні системи, захист контент, підтримка анімації тощо ). Фрагменти комплексу представлені на рис. 7 .

Рисунок 7. - Демонстрація другого КІКЗ ДВН (2010 р.): зліва - титул комплексу; праворуч - склад і графічний інтерфейс комплексу

Авторами накопичено більш ніж десятирічний досвід зі створення подібних комплексів, які пройшли апробацію в провідних технічних університетах України і підтвердили високу ефективність КІКЗ ДВН. У той же час, цей досвід використовується в недостатній мірі при створенні нових засобів навчання, як нам здається, з двох причин: висока трудомісткість підготовки КІКЗ ДВН вимагає як вкладення часових і матеріальних ресурсів, так і залучення до його реалізації фахівців високої кваліфікації в галузі ІТ .

Проблемно-орієнтований КІКЗ ДВН. При створенні КІКЗ ДВН в основу було покладено принцип реалізації за окремими совокупностям знань, об'єднаними навчальним планом у відповідні напрями підготовки користувачів (наприклад, проектно-технологічне, схемо - і системотехнічне і т.д.).

У комплексах підручників запропоновано новий підхід формалізації та структуризації дидактичного і мультимедійного матеріалу, який за допомогою КІКЗ ДВН як у текстовому (підручники ), так і мультимедійному (диски ) (рис. 8) версіях забезпечує (в якості ілюстрації тут представлений реалізований у рамках системного проекту третій мультимедійний комплекс [Ямпольський Л.С. Системи штучного інтелекту в плануванні, моделюванні та управлінні / Ямпольський Л.С., Ткач Б.П., Лісовиченко О.І. Підручник. – К.: ДП «Вид. Дім «Персонал», 2011. – 544 с.]) :

• по-перше, використання матеріалу у навчальному процесі відразу для декількох спеціальностей;

• по-друге, викладення всього матеріалу про властивості ГКС, підходах до створення і застосування систем штучного інтелекту ( СШІ ) та їх інтелектуалізованих версій в логічній послідовності його викладу і взаємозв'язку складових розділів підручника без повторень і дублювання навчального матеріалу;

• по-третє, викладення матеріалу про ГКС і СШІ таким чином, щоб окремі його складові мали самостійне значення і дозволяли забезпечувати навчальний процес інших споріднених спеціальностей лекційними розділами відповідно до вимог методичного та змістовного забезпечення конкретного теоретичного курсу з навчальної дисципліни ;

• по-четверте, поєднання звичайного (паперового) і електронного носіїв, причому перший призначено для лекційного викладу курсу з ключових аспектів проблемної облас , тоді як електронна версія охоплює більш широке коло питань навчальної дисципліни з докладним її аналізом і призначена для студентів з урахуванням їх самостійної роботи з відповідною навчально - методичною літературою;

• по-п'яте, супровід електронної версії підручника мультимедійної анімацією складних для сприйняття студентом деяких елементів функціонування систем, представлених малюнком у статичному вигляді і текстової формою опису принципу дії. Кольорове анімаційне «оживлення» статичних зображень елементів ГКС та їх інтелектуалізованих версій дозволяє користувачеві дослідити всі необхідні для сприйняття деталі функціонування різних за складністю, фізичній основі і послідовності дії компонентів як при їх експлуатації, так і в процесі проектування, моделювання та управління, в тому числі, з використанням технологій штучного інтелекту;

• по-шосте, оснащення електронних версій підручників підсистемами контролю залишкових знань і тестування (входять окремими складовими в КІКЗ ДВН), в результаті використання якими студенти можуть виконувати самоаналіз глибини засвоєння навчального матеріалу.

Дружній інтерфейс (рис. 9) підвищує інтерес користувача до використання КІКЗ ДВН в процесі навчання за рахунок впровадження мультимедійних та інтернет - технологій, а також удосконалення середовища подання навчального матеріалу і пошуку информации. мультифункціональне середовище надає можливості для вивчення ієрархічного за структурою та пріоритетності теоретичного матеріалу, виконання лабораторно - дослідних практикумів і проектно - розрахункових робіт, самоконтролю користувача і його атестацію з боку викладача. Проблемна орієнтованість комплексу визначається спрямованістю та специфікою навчальної дисципліни (або сукупності споріднених дисциплін, які охоплюються комплексом), а також повнотою завдань, для реалізації яких він призначений.

Рисунок 8. - Демонстрація третього КІКЗ ДВН (2011р.): зліва - титульна частина підручника; праворуч - мультимедійний диск

Створення мультимедійних навчальних комплексів з такими властивостями як для бакалаврського, так для спеціально і магістерського рівнів підготовки є актуальним, так як ні у вітчизняній, ні в зарубіжній практиці немає подібних видань з комплексним представленням логічно пов'язаних дисциплін, електронні версії яких оснащені елементами як статичного, так та інтерактивного (на базі flash - технологій) анімаційного супроводу, тестуючими системами і ЛДП .

Властивості КІКЗ ДВН. Комплекси мають наступні властивості, сукупність яких підтверджує їх унікальність:

• паперовий і розширений електронний варіанти;
• сучасні технології подання навчальних матеріалів;
• інтерпретація графічного матеріалу у вигляді мультимедійний додатків статичного та інтерактивного характеру;
• інтерактивний інтерфейс в процесі дистанційного навчання;
• ефективна самонавчаюча пошукова система;
• вкладені ЛДП;
• автоматизоване оцінювання знань студента викладачем;
• самоконтроль залишкових знань вкладеними тестуючими системами.

Рисунок 9. - Електронна версія КІКЗ ДВН третього комплексу

Підручники ілюстровані численними прикладами реальних систем обраної предметної області - інтегрованої підтримки при вирішенні задач розпізнавання образів, планування підготовчої стадії виробництва, зокрема, діяльності інженерно - конструкторських і технологічних підрозділів, а також проектування, моделювання та управління.

Вибір принципів реалізації системи тестування. Існує досить багато різновидів систем тестування (СТ), які використовують різні алгоритми проходження тесту.

У комплексах використовуються три режими тестування: навчальний, режим закріплення та атестаційний.

Визначення 2. Навчальний - режим, при якому користувач на основі загального ознайомлення з теоретичним розділом (представлений у вигляді «теорії» задопомогою функції «Help» ) відповідає на ключові питання «Меню тестування».

Основна мета цього режиму тестування полягає в тому, щоб користувач для себе міг оцінити складність індивідуального сприйняття навчального матеріалу в цілому, що фіксується спеціальним вбудованим механізмом визначення залишкових знань у різних системах оцінювання. На рис. 10, 11 представлені фрагменти відповідних інтерфейсів.

Рисунок 10. - Демонстрація тесту по зворотному висновку в системі продукційних правил

Визначення 3. Закріплення - режим, при якому користувачеві пропонуються поглиблені тестові набори з можливостями: використання спроб виправлення відповідей у ??процесі поточного проходження тестування за його результатами; поліпшення при бажанні користувача показників тестування після його проходження шляхом повторного ініціювання тих фрагментів тесту, на які дані неправильні відповіді. В останньому випадку функцією «Help» для користувача забезпечується виклик фрагментів теорії, які відповідають контексту тіста з неправильною відповіддю.

Таким чином, багаторазово використовуючи режим закріплення, користувач «натаскується» на зрозумілий його рівень володіння теоретичним матеріалом. На рис. 11 представлено фрагмент, який ілюструє режим закріплення тестування.

загальний вид ЛДП с тестуючою системою

фрагмент тесту

відображення результатів тестування

Рисунок 11. - Демонстрація ілюструє режим тестування – «закріплення»

Визначення 4. Атестаційний - режим, відповідний захист користувачем теоретичного курсу викладачеві.

Для користувача це остаточна перевірка рівня засвоєння навчального матеріалу, коли підказки й донавчання неможливо, а формований СТ результат використовується викладачем для атестації. На рис. 12 представлені фрагменти атестаційного режиму.

безпосередньо питання тесту

атестаційний журнал

Рисунок 12. - Демонстрація ЛДП

У СТ враховані наступні функціональні вимоги:

• наявність ефективних засобів розробки тестів та адміністрування;

• наочність і простота процесу самоперевірки залишкових знань;

• інформативність;

• стабільність і безвідмовність роботи;

• гнучкість у створенні користувачів і груп, їх авторизація;

• гнучкість адміністрування та підготовки тестів.

Особливості побудови і функціонування підсистем тестування і самоконтролю знань (ПТСЗ). Тут відзначимо, що оскільки комплекс створювався з метою забезпечення можливості і дистанційно - віртуального навчання, то основним засобом представлення матеріалів є PDF -формат. Враховуючи цю особливість, ПТСЗ інтегрована в КІКС ДВО і може завантажуватися як з робочого місця користувача, так і через Internet -середовище.

Підсистема самоконтролю складається з модуля підготовки тесту, яка використовується для формування ефективної бази даних ( БД) тестових питань з варіантами відповідей.

У КІКЗ ДВН застосований варіант роботи з користувачем типу клієнт - клієнт (вся необхідна інформація розміщується на клієнтській машині), який дозволяє завантажувати систему на локальному комп'ютері без необхідності підключення до мережі.

Наочність і простота забезпечуються гнучкою структурою і різновидами форм побудови тестів, а інформатівність підтримується контекстними підказками під час проходження тесту.

Підсистема перевірки знань створена за технологією клієнт -сервер, враховуює вимогу компактності і легкої настройки на функціонування. Зазначені тренінги реалізуються за рахунок створення модуля підсистеми, який функціонує в режимах адміністратора і звичайного користувача з наданням наступних можливостей:

• проходження тесту студентом з обраної тематики;

• адміністративні дії викладача, пов'язані з веденням БД тестів і студентів;

• формування звітів з рейтинговими оцінками за результатами тестувань;

• активний моніторинг процесу проходження тестування.

Особливістю реалізації підсистем СТ є можливість відновлення працездатності та оновлення інформації проходження тесту у разі виникнення нештатних ситуацій у функціонуванні (зависання і раптове відключення комп'ютера), що досягається такою реалізацією структури БД, в яку оперативно вноситься інформація при кожній завершеній відповіді користувача.

Особливості реалізації пошукової системи. Система пошуку інформації (СПІ) ( рис. 13) для представлених КІКЗ ДВН розроблялася з урахуванням можливості реалізації наступних завдань:

• адаптація СПІ до будь-якого локального ресурсу;

• автоматичне оновлення БД ресурсів;

• формування критеріїв пошуку з урахуванням різних видів (текст, малюнки, анімація, відео, таблиці і т.д. ) подання інформації.

Оскільки ефективність будь СПІ визначається швидкістю пошуку та якісної фільтрацією даних з урахуванням їх видів, у КІКЗ ДВН використовується структурованість за видами інформації та її індексація за ключовими словами в кожному з видів. Крім того, результати в даній реалізації СПІ дозволяють подавати знайдені ресурси згідно з оцінкою входження пошукової інформації в кожен знайдений ресурс у порядку спадання. Інформація надається як в кількісному (кількість входження слова або фрази) форматі так і в процентному форматі (відсоток входження в даний розділ від максимальної кількості входжень).

Пошукова система в КІКЗ ДВН передбачає:

• легку адаптацію під автоматизоване навчальне місце різних напрямків;

• автоматизоване оновлення бази даних ключових слів;

• пошук інформації різного типу;

• обробку слів з різних мовних вкладенням;

• зручне представлення результату пошуку;

• комбіноване використання різних параметрів пошуку.

Рисунок 13. - Властивості пошукової системи КІКЗ ДВН

Додаткові можливості розширеного пошуку забезпечуються використанням БД синонімів ключових слів, що дозволяє приймати запити у вигляді скорочених ключових слів і абревіатур.

Отже, результатом розробки системного проекту КІКЗ ДВН є створення зручного по інтерфейсу і багатофункціонального за призначенням робочого місця користувача та викладача, яке, враховуючи реалізовані властивості, дає можливість використовувати його як базову оболонку навчальної системи для різних напрямків підготовки в системі освіти.