Реализация инструментальной среды семантического моделирования учебного процесса

УДК 681.3

Грегер С.Э. ГОУ ВПО «Уральский федеральный  университет  имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Нижнетагильский технологический институт (фил.). Факультет экономики и менеджмента, кафедра информационных технологий, доцент. Россия. Нижний Тагил. segreger@gmail.com

Распространение дистанционного образования  и внедрение информационно-коммуникационных технологий  в образовательный процесс выявили растущую потребность как в   разработке образовательных электронных изданий (ОЭИ), так и в способах электронного   представления нормативных документов.  Обычно содержимое ОЭИ сильно зависит от учебного плана соответствующей дисциплины и должно быть  скорректировано  при изменении последнего.

Для специальностей, связанных с одной предметной областью, например с областью информационных технологий, наблюдается интеграционный характер  их дидактических единиц.  Так, такая дидактическая единица как тема дисциплины может  иметь множественное представление в разных учебных курсах, иметь различное лексическое представление, но семантически  представлять собой одну тему учебной  дисциплины.  Вместе  с этим, одноименные  темы учебных  курсов могут  поддерживаться  различными дидактическими единицами – презентациями лекций, описаниями лабораторных работ и т.п., использование которых определяется степенью подготовки  обучаемых, целями учебного курса, временными ограничениями учебного плана.

Для разрешения этих противоречий при создании  инструментальных средств  эффективным является использование семантических моделей предметных областей. В основе семантических моделей лежит понятие сети, образованной помеченными вершинами и дугами. В семантической модели проблемная область представлена в виде сети, представляющей собой набор вершин и связей. В качестве вершин в сети могут выступать классы объектов, объекты и свойства из проблемной области.

В качестве семантических моделей при разработке программного обеспечения чаще всего используются онтологии и словари (таксономии). Онтология – спецификация концептуализации  или явное, формальное описание предметной области. Как и в объектно-ориентированном описании, онтология состоит из классов и их экземпляров. У классов и экземпляров выделяются свойства, на свойства могут накладываться логические ограничения.

Представленная инструментальная  среда  предназначена для  построения семантической модели учебного процесса и управления и отображения  различных его составляющих.  Инструментальная среда реализована как специализированный веб-сервис, входящий в состав  портала дистанционного обучения.

При разработке программного продукта ставились цели предоставить  пользователю возможность:

  • создание модели учебного процесса как системы специальностей, учебных дисциплин и обеспечивающих их учебных курсов в соответствии с разработанной онтологией.
  • разработки  моделей электронных курсов как системы учебных тем  и обеспечивающих их учебных объектов
  • создания учебных объектов, как элементов ресурсного обеспечения учебного курса
  • определения соответствия тем курса и соответствующих им ресурсов

Для обеспечения данных возможностей была создана  онтология, включающая в себя соответствующе концепты и связи между ними. При ее построении были использованы два известных подхода к  проектированию содержания образования— модели Д.Ш. Матроса [7] и  модели, предложенной  Т.И. Михеевой и И.Е. Михеенковым [8].

Д.Ш. Матрос предложил автоматизировать проектирование содержания образования на основе структурной целевой модели – совокупности взаимосвязанных целевых единиц, отражающих отдельные элементы содержания обучения [7, с. 41-42]., а их взаимосвязи отображены на ориентированном графе.  Т.И. Михеева и И.Е. Михеенков [8] рекомендуют для проектирования содержания гипертекстовых обучающих программ применять таксономическую модель.

Следование этим  принципам  выражено в использовании двух типов связей — связи «родитель-потомок» и  отношения ассоциации.  Выразить  всю сложность взаимосвязей между отдельными  элементами дисциплины  или курса, используя только иерархическое отношение, невозможно.  Поэтому  простая таксономия  используется только в отдельных случаях, когда можно  четко выделить семантически  предопределенную иерархическую структуру, или когда  для создания такой  структуры  вводится дополнительная концептуальная единица. Так при организации учебных объектов можно ввести концепт «Медиа» для группировки всех мультимедийных элементов. Для  устранения такого ограничения  используется  отношение ассоциации между концептами и соответствующими им компонентами. Этот тип отношений  позволяет   устанавливать связи между элементами, находящихся в разных таксономиях. Использование  двух  видов отношений позволяет строить над единой базой элементов системы различные семантические сети и использовать их как для целей обучения, так и для целей управления учебным процессом. В нашем случае была разработана онтология,  отображающая концептуальную модель предметной области. Онтология отражает семантическую структуру учебной информации. Прикладное приложение призвано поддерживать ее визуализацию в формах, ориентированных  на  управление учебными материалами и их изучение.  Часть концептуальной схемы онтологии, отображенной в редакторе онтологии Protege-OWL, представлена на рисунке (Рисунок 1).

структура онтологии учебного процесса

 

Рис.1. Структура онтологии

Онтология создается как совокупность двух частей — части, описывающей модель концептов (классов) с указанием их свойств и связей между концептами, и части, представляющую собой базу знаний, состоящую из  реализаций классов (объектов). Аналогичным образом прикладную систему можно рассматривать как совокупность двух подсистем, одна из которых представляет собой подсистему управления метаданными, а вторая — подсистема обработки данных.

Существует противоречие между объектной моделью, используемой для представления  метаданных и объектной моделью  клиентского приложения. Для хранения метаданных важно наличие унифицированной формалистики описания метаданных и объектная модель, используемая для отображения этого будет оптимизирована с точки зрения представления метаданных. Объектная модель прикладного приложения  должна быть «заточена» под конкретную предметную область. Таким образом,  даже в рамках одной объектной базы  должны существовать две системы объектов,  одна их которых отображает онтологическую модель в выбранной спецификации, а другая — предметную область.

Обычно для хранения онтологий  используются решения, основанные на использовании реляционных баз данных.  В нашем случае в качестве слоя хранения была выбрана объектная база данных  ZODB[6]. Управление базой и интерфейс пользователя обеспечивается системой  управления  содержимым  Plone.

В данной реализации инструментальной системы не предусмотрена  возможность  добавления  в онтологию новых концептов и связей между ними. Это позволило создать  набор компонентов, каждый из которых  предназначен объектно-ориентированного представления соответствующего концепта онтологии. Такая реализация позволяет пользователю  оперировать  привычными  понятиями «Учебный курс», «Специальность», «Учебная тема», «Учебный объект».[3,4,5], Связи между концептами в онтологии реализованы  соответствующими атрибутами  классов, хранящих  множество ссылок на связанные объекты. Объектная диаграмма UML представлена на рисунке (Рисунок 2).

 

Объектная диаграмма

Рис.2. Объектная диаграмма

 

Каждый компонент инкапсулирует методы, обеспечивающие хранение объектов объектной базе. Система управления  содержимым автоматически генерирует формы редактирования и формы отображения объекта, используя описание атрибутов класса. Кроме этого каждый компонент  обладает  методами, позволяющими  генерировать  представление  его реализаций в спецификации OWL. Использование этих методов  в рекурсии по объектной базе  позволяет  получать  текстовое представление онтологии в спецификации OWL.

Подобная организация  компонентов обеспечивает два уровня представления онтологии. Для функционирования системы используется внутренне по отношению к ней представление онтологии через набор  объектно-ориентированных классов и реализующих их объектов. Для внешнего  представления  используется  представление онтологии в спецификации OWL, что позволяет использовать различные  инструментальные средства, производящие семантическую обработку.

С точки зрения  упрощения использования системы  недостаточно квалифицированным пользователем  операции над  экземплярами этих компонент, предельно ограничены и сведены к операциям «Добавить», «Удалить», «Копировать», «Вставить», «Установить ссылочную связь». Такой подход позволил создать достаточно простой интерфейс пользователя.

Инструментальная система реализована как веб-приложение [1,2,3], и используется  в составе сайта кафедры информационных технологий Нижнетагильского технологического института.

Литература

1.Грегер С.Э. Сервер приложений «Zope». Учебное пособие для вузов
М.:Горячая линия — Телеком, 2009.-256 с.:ил.

2.Грегер С.Э.  Администрирование и интерфейс пользователя CMS Plone (монография).
Федер. Агентство по образованию, ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ им.первого Президента России Б.Н.Ельцина». Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). -Нижний Тагил: НТИ(ф) УГТУ-УПИ, 2009. — 140с.

3.Грегер С.Э. Пакет компонентов обеспечения информационной поддержки  образовательного процесса для учебного портала на базе CMS Plone. Тезисы докладов V конференции «Свободное программное обеспечение в высшей школе» . М:Институт логики 2010г. с.15-17

4. Грегер С.Э. Разработка дополнительных компонентов для обеспечения информационной поддержки образовательного процесса для учебного портала на базе CMS Plone.  Новые образовательные технологии в вузе: сборник материалов седьмой международной научно-методической конференции, 8 – 10 февраля 2010 года. В 2-х частях. Часть 1. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2010. С.97-100

5.Грегер С.Э. Реализация задач дистанционного обучения средствами  CMS  Plone.
Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе: Материал всероссийской научно-практической конференции, Нижний Тагил, Россия, 2010г. /НТГСПА — Нижний Тагил, 2010.С 166-169.

6.Грегер С.Э., Сковородин Е.Ю. Построение онтологического портала с использованием объектной базы // Объектные системы — 2010: Материалы I Международной научно-практической конференции. Россия, Ростов-на-Дону, 10-12 мая 2010 г / под общ. ред. П.П. Олейника. —  Ростов-на-Дону,  2010. С. 74-78.

7.Матрос Д.Ш. Электронная модель школьного учебника // Информатика и образование. – 2000. – № 8. – С. 41-42.

8.Михеева Т.И., Михеенков И.Е. Программная таксономия – основа для создания гипермедийных обучающих программ // Информационные технологии. – 1998. – №8   – С. 40-43

 

 


Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ответить с помощью ВКонтакте: