МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА УЧЕБНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И-ИЛИ ДЕРЕВЬЕВ

,

(Волгоградский государственный технический университет, *****@)

МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА УЧЕБНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И-ИЛИ ДЕРЕВЬЕВ

В работе рассматриваются вопросы повышения эффективности труда преподавателей при создании электронных образовательных ресурсов для системы дистанционного обучения. Описывается модель представления множества учебных объектов на основе понятий древовидного графа и И-ИЛИ деревьев. Даётся формальное определение множества учебных объектов. Дана постановка задачи синтеза электронных образовательных ресурсов. Предложен алгоритм синтеза.

THE METHOD OF INFORMATION RESOURCES DESIGNING FOR THE REMOTE EDUCATION IN VSTU.

A. M. Dvoriankin

G. G. Gerkushenko

The problems which are handled in this work are concerned with the system of distant learning exactly with the questions of enhancement of the tutors’ work efficiency during the electronic educational resources designing. It’s described the model of the set of learning objects demonstration on bases of the tree graph and AND-OR trees. It’s given the formal definition of the set of learning objects. Also it’s given the target of the synthesis of electronic educational resources setting. It’s offered algorithm of the synthesis.

Введение

Интенсивное развитие системы открытого образования (ОО) и технологий дистанционного обучения (ДО), выявило проблему наличия, в достаточном количестве, электронных образовательных ресурсов (ЭОР). Одним из препятствий, мешающих решению данной проблемы, является отсутствие средств автоматизированного создания ЭОР позволяющих значительно повысить эффективность труда преподавателя при проектировании и подготовке ЭОР. Несмотря на то, что на сегодняшний день, уже существует некоторое количество различных систем для подготовки ЭОР, на наш взгляд ни одно из них в полной мере не удовлетворяет выдвигаемым требованиям, со стороны развивающейся системы ОО и ДО. Одними из наиболее важных, на наш взгляд, являются требования к уменьшению сроков проектирования и создания ЭОР, а также требование к возможности их автоматизированной индивидуализации и дифференциации, в соответствии с обучаемыми. Выполнение этих требований возможно при рассмотрении учебной информации как множества информационных модулей допускающих их комбинирование и агрегацию.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В рамках научно-технической программы “Создание системы открытого образования (СОО)” (Раздел: 2. Пилотные проекты СОО, Подраздел: 2.3. Научно-методическое и информационно-технологическое обеспечение организации и развития многоуровневых СОО), ВолгГТУ ведёт работы по разработке и вводу в эксплуатацию многоуровневого образовательного комплекса системы открытого образования. Одной задач в рамках данной работы является разработка и создание программно-методического комплекса для поддержки формирования электронных учебно-методических ресурсов. Основным требованием при этом является создание автоматизированной системы подготовки электронных ресурсов удовлетворяющих требованиями системы открытого образования РФ, и в частности федерального образовательного портала "Российское образование".

1. Использование международных образовательных стандартов

Данный подход нашёл свое отражение и в международных образовательных стандартах. В 1992 г. Вэйн Ходжинс предложил концепцию учебного объекта(УО) (learning object) [3]. Комитетом стандартов обучающих технологий IEEE (Learning Technology Standards Committee, Institute of Electrical and Electronics Engineers,[4] учебный объект определяется как любая сущность, цифровая или нет, которая может быть использована в одном и более контекстах, или на которую может быть сделана ссылка во время технологически обеспеченного обучения. Иерархичность учебных ресурсов, их базирование на элементарных учебных объектах учитывается в стандарте IMS [5]. Вопросами стандартизации понятия учебного объект занимаются также комитет стандартов обучающих технологий IEEE [4] и проект Dublin Core Metadata Initiative [6]. Модель УО, опираясь на объектно-ориентированный подход, базируется на постулате, что можно создавать независимые элементы образовательного контента, которые могут быть использованы в учебных целях. Предполагается, что эти элементы самодостаточны и содержат внутри себя всю необходимую информацию, хотя допускают связи с внешними объектами. Кроме того, они могут комбинироваться для формирования более крупных УО. Первичные (элементарные) УО могут быть любого типа. Обязательным свойством УО является наличие метаданных. В метаданные элемента включается информация о том на какую аудиторию он рассчитан, а также условия и сценарии его корректного применения. Модель УО обеспечивает методы обмена учебных материалов между системами.

В настоящее время Российским государственным институтом открытого образования, совместно с Иркутским государственным университетом, на основе международных образовательных стандартов, разработана универсальная модель представления информации в образовательных системах, учитывающая специфику российской системы образования и допускающая расширение сторонними разработчиками. Предлагаемая универсальная модель, прежде всего, базируется на спецификации IMS Global Learning Consortium [7]. Базируясь на языке XML. она обеспечивает использование ресурса, как в библиотечном контексте, так и в образовательном. Предлагаемая модель органично объединяется с концепцией учебных объектов. На сегодняшний день в распределённой виртуальной библиотеке системы открытого образования [8] уже насчитывается более 2600 единиц хранения.

Использование данной модели при определении условий хранения и использования ЭОР в портале открытого образования *****, где уже на сегодняшний день насчитывается более 2600 единиц хранения, позволяет говорить о возможности построения систем автоматизированного проектирования ЭОР, отличительными чертами которых является:

-  возможность осуществления автоматизированного синтеза, допустимых вариантов ЭОР в приемлемое время из большого множества как известных вариантов УО, так и потенциально новых;

-  использование опыта других преподавателей при поиске и синтезе ЭОР;

-  удобство описаний полученных ЭОР для восприятия человеком;

-  возможность доступа к УО через формулируемое преподавателем задание на синтез;

-  возможность придания свойств индивидуализации и дифференциации ЭОР в соответствии с требованиями обучаемого.

2. Модель множества УО

2.1. Представление отдельного УО в виде дерева

Для представления множества УО предлагается использовать понятие древовидного графа, и в частности И-ИЛИ дерева [1], [2]. Это позволяет, сжато представлять описание структур сложных иерархических систем, каким и являются электронные образовательные ресурсы.

Вершинам графа сопоставляются элементы УО или их признаки из некоторого конечного множества параметров. Признаки полностью определяют характеристики УО, как на уровне отдельных информационных модулей (ИМ) так и на уровне ЭОР в целом. Непосредственно необходимо задание признаков лишь на уровне ИМ, в дальнейшем они получаются путем агрегации. Стоит отметить, что и ИМ и ЭОР также могут рассматриваться как УО. Дуги графа отражают различные отношения между элементами или признаками УО. Необходимая, для такого представления УО, информация находиться в "манифесте" XML документа.

По информационному содержанию дерево ЭОР строится от общего к частному, в направлении от корня к вершинам. Поэтому наиболее детализированные признаки элементов содержатся на конечных вершинах дерева. При составлении задания на синтез представление отдельного УО в виде дерева выполняется в следующем порядке: изучаются имеющиеся дидактические материалы, соответствующие тематике создаваемого ЭОР. Определяются цели, задачи и общая структура ЭОР; Анализируется соответствие проектируемого ЭОР требованиям образовательного стандарта, учебного плана и рабочей программы. Строится детализированная структура ЭОР; Детализированная структура дополняется признаками ЭОР и УО. Выявление существенных признаков и их связей с элементами целесообразно начинать с признаков, относящихся к элементам первого уровня, затем – к элементам второго уровня и т. д. Существенность признаков оценивается по степени их влияния на выполнение цели и задач ЭОР. Таким образом, после выявления признаков и установления их связей с элементами получается описание ЭОР в виде дерева.

Для построения дерева УО важно наличие единой терминологической базы по выбранному классу дидактических материалов. В настоящее время возникают значительные терминологические трудности, вызванные отсутствием единой устоявшейся терминологии в области компьютерных средств обучения.

2.2. Представление нескольких учебных объектов в виде И-ИЛИ дерева

Два различных УО, имеющих одно назначение, в большинстве случаев имеют часть одинаковых элементов и признаков. Соответственно, деревья таких УО имеют некоторое множество одинаковых вершин и дуг. Это позволяет представить оба УО в виде одного дерева, содержащего кроме вершин И вершины ИЛИ, каждая из которых объединяет несколько альтернативных элементов или признаков, характеризующих индивидуальные особенности обоих УО. При этом на общем дереве представлены как общие для нескольких УО элементы и признаки, так и элементы и признаки, присущие только отдельным УО.

Процесс построения общего И-ИЛИ дерева осуществляется совмещением деревьев отдельных УО от корня к вершинам, от наиболее общих функциональных элементов к более частным. Возможны следующие случаи:

1)  элементы двух совмещаемых деревьев одинаковы; при этом имеются только различные признаки на одном или нескольких уровнях;

2)  элементы двух совмещаемых деревьев неодинаковы на одном или нескольких уровнях, за исключением первого;

3)  элементы двух совмещаемых деревьев неодинаковы на всех уровнях. В этом случае общей вершиной является корень дерева (корень дерева - ИЛИ вершина).

При построении общего И-ИЛИ дерева ТР можно использовать три подхода:

1)  общее дерево ЭОР строится последовательно, путем анализа и присоединения альтернативных элементов и признаков различных отдельных УО;

2)  сначала строятся деревья по каждому отдельному УО, которые затем объединяются в одно общее И-ИЛИ дерево;

3)  множество исходных УО разбивают на подмножества наиболее близких УО (по целям, задачам, структуре, уровню образования и. т. п.); затем строятся И-ИЛИ деревья подмножеств близких УО; последние объединяются в одно общее дерево.

Выбор того или иного подхода зависит от особенностей рассматриваемого класса технических систем. Общее И-ИЛИ дерево, построенное на основе исходного множества УО содержит в себе не только это множество, но и УО, которые получаются комбинированием альтернативных элементов и признаков. Рекомендуется достраивать общее И-ИЛИ дерево, включая в него новые дополнительные и альтернативные элементы и признаки, с целью получения наиболее эффективных и новых ЭОР.

2.3. Формальное определение множества УО

Пусть Т=(X, U) – ордерево, растущее из корня хo. Обозначим через K множество всех висячих вершин ордерева T. Пусть задано разбиение множества X\K на два подмножества: X\K=Xи U Xили, причем эти подмножест­ва не пересекаются. Вершины из Xи, будем называть И – вершинами; вершины из Xили – ИЛИ - вершинами. Обозначим через F(x) множество вершин - сыновей вершины x, т. е. множество вершин ордерева T в которые входят дуги, исходящие из вершины x. Определим множество RT – множество решений на И-ИЛИ дереве T следующим образом. Поддерево w = (Xw, Uw) дерева T является решением, если его можно построить по правилам:

1)  корень хo дерева T принадлежит Хw;

2)  если x из Xw является И - вершиной, то в Xw включаются все вершины из F(x), т. е. все сыновья вершины x;

3)  если x из Xw является ИЛИ вершиной, то в Xw включается только одна из вершин, из множества F(x), т. е. только один сын вершины x;

4)  в Uw включаются все дуги дерева T, связывающие вершины из Xw.

Модель множества УО определим как набор компонент:

W = <T(X, U), S1, S2, q1, q2, M, G>,

где T(X, U) – И-ИЛИ дерево; S1 – справочник для описания элемен­тов и признаков УО; S2 – справочник для описания отношений, q1, q2 – отображения вершин и дуг дерева T в соответствующие спра­вочники (q1:X→S1, q2:U→S2);

М = М1  X M2  X ... X Mn – прямое произведение множеств Mi, каждое из которых есть множество воз­можных значений показателя gi; G=(g1,...,gn) – вектор показа­телей параметров УО, определенный на вершинах дерева. Отображение G является моделью оценки УО и состоит из показателей, измерен­ных в шкалах наименований, отношений или интервалов. Если gi измерен в шкале наименований, то Mi=0,1,...,N. При этом, если gi(х)=0, то считаем, что вершина х не оценивается относительно этого показателя. Для решения w=(Xw, Uw) определим значение Gi(w) – показателя gi на решении w как объединение зна­чений gi(x) по всем вершинам x из Xw. Для показателя gi, измеренного в шкале порядка, значение на решении w определяется как нижний pgi(w) и верхний Pgi(w) значе­ния показателя gi на вершинах x из Xw: pgi(w) = min gi (x), Pgi (w) = max gi (x). Определим аддитивный показатель для шкалы интервалов. Пусть на вершинах x из X заданы некоторые числовые значения C(x). Для решения w=(Xw, Uw) значение показателя Gi(w) определим как сумму значений C(x) по всем x из Xw.

3. Задача синтеза ЭОР. Алгоритм синтеза.

Сформулируем основную задачу на модели W множества УО – синтез допустимых вариантов ЭОР. В процессе поиска допустимых ЭОР преподаватель формулирует требования на синтез, где указываются параметры, которым должен удовлетво­рять искомый ЭОР. Пусть имеется модель W множества УО определенного класса дидактических материалов. Задание на синтез определим как некоторое подмножество S из M допустимых значений показателей УО. Будем говорить, что решение wRT является допустимым относительно технического задания S, если для любой вершины x из Xw значение векторного показателя G на этой вершине находится в области S.

Задача поиска допустимых вариантов формулируется следующим образом: на множестве RT необходимо найти подмножество RT(S) такое, что для любого w из RT(S) образ G(Xw) есть подмножество множества S.

Предположим, что в модели W множества УО показатели измерены в двух шкалах: шкале наименований и шкале порядка. Один из способов определения множества S может быть следующим. Пусть для классификационных показателей gi (i=1,...,l) задан набор подмножеств B1,...,Bl, причем нулевой элемент принадлежит каждому подмножеству Bi (i=1,...,l). Для показателей gj (j=l+1,...,r) в шкале порядка заданы двухсторонние ограничения: [Cminj, Cmaxj]. Тогда задача синтеза ЭОР формулируется следующим образом: необходимо найти все решения w из RT, удовлетворяющие системе ограничений:

gi(w) = Bi, (i=1,...,l);

pgj(w) >= Cminj, (j=l+1,...,r);

Pgj(w) <= Cmaxj, (j=l+1,...,r).

Для нахождения RT(S) предлагается следующий алгоритм: 1 шаг. Построить множество Xd. 2 шаг. Построить множество Xr. 3 шаг. Если корень xo дерева T не принадлежит Xr, то решений нет; конец. 4 шаг. Из дерева T удалить все поддеревья с корнями из множества X\Xr; результат - дерево Tr, растущее из корня xo. 5 шаг. RT(S) = RTr; конец.

Отметим, что трудоемкость алгоритма эквивалентна числу вершин дерева T.

Заключение

Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:

-  Произведена постановка, формализация и типизация проектных процедур и процессов проектирования УО;

-  Разработана модель для представления учебных объектов, которая, в отличие от известных, позволяет ста­вить и решать задачу их синтеза. Предложена модель для представления знаний о множестве учебных объектов заданного класса дидактическим материалов в виде семантического И-ИЛИ дерева с компонентой оценки относительно набора показателей;

-  на модели сформулирован ряд поисковых задач: синтез допустимых вариантов УО, поиск оптимального варианта УО. Модель отличается от известных возможностью многоу­ровневого представления множества структур учебных объектов.

С авторами доклада Вы можете связаться Волгоград, пр. Ленина, 28, Телефон: (8442), E-mail: *****@, *****@***ru

Список литературы:

1.  Искусственный интеллект. Пер. с англ. - М.: Мир, 19с.

2.  Слэйгл Дж. Искусственный интеллект. Пер. с англ. - М.: Мир, 19с.

3.  http://ifets. ieee. org/periodical/vol_2_2000/discuss_summary_0200.html (на февраль2003 года)

4.  http://ltsc. ieee. org/ (на февраль2003 года)

5.  http://www. imsproject. org/ (на февраль2003 года)

6.  http://dublincore. org/ (на февраль2003 года)

7.  http://www. imsglobal. org (на февраль2003 года)

8.  http://www. ***** (на февраль2003 года)