1.3 Архитектура электронного учебника

Архитектурой программной системы называется спецификация ее сопряжения с пользователями и внутренних компонентов системы между собой. Архитектура отражает состав основных программных и информационных компонентов системы, а также их связи друг с другом, пользователями и внешними программными системами. Вычленение программных компонентов (модулей) производится по функциональному принципу. Информационные компоненты (массивы, блоки, файлы, фрагменты базы данных и т.д.) выделяются на основании их назначения, использования, форматов представления данных, способов доступа и других признаков .

Схема обобщенной архитектуры электронных учебников (ЭУ) показана на рисунке 2. В конкретных реализациях некоторые ее составляющие могут отсутствовать. Обязательные компоненты, образующие «минимальную» конфигурацию ЭУ, помечены звездочками. В рассматриваемой схеме применены следующие вновь вводимые сокращения:

- МОРУМ - модуль обеспечения работы с учебным материалом;

МПУМ - модуль поиска учебного материала;

МОРУТЗ - модуль обеспечения работы с УТЗ;

МГУТЗ - модуль генерации УТЗ;

МУУП - модуль управления учебным процессом;

МРИО - модуль регистрации и идентификации обучаемых;

МПМОП - модуль представления моделей обучаемых и протоколов их работы;

ИАП - интерфейс с АРМ преподавателя (инструктора);

УТЗ - учебно-тренировочная задача;

ПИ - пользовательский интерфейс;

ОТеК - описание текущей конфигурации ЭУ.

Информационные компоненты ЭУ подразделяются на три класса:

1. информационные компоненты, входящие в ЭУ;

2. информационные компоненты для настройки ЭУ;

3. информационные компоненты, формируемые ЭУ и отражающие результаты работы обучаемых.

Информационные компоненты, входящие в ЭУ, в свою очередь, разбиваются на две группы. Первая включает компоненты, содержание которых ассоциируется с изучаемым предметом. К ней относятся различные составляющие учебного материала и множество учебно-тренировочных задач (УТЗ). Вторая группа объединяет компоненты, связанные в содержательном плане с ЭУ как с программным средством. На схеме архитектуры выделено два таких компонента: блок идентификации ЭУ и справка по работе с ЭУ.

Учебный материал и УТЗ могут включать ссылки на информационные и программные объекты. Структурные единицы учебного материала могут ссылаться на УТЗ и внешние КСО, УТЗ - на структурные единицы учебного материала, а также на внешние КСО или внешние программные модули (например, обеспечивающие моделирование изучаемых сущностей).

Структура учебного материала, а также система отношений между УТЗ будут рассмотрены далее.

Необходимо отметить, что понятие УТЗ здесь и далее употребляется в собирательном смысле в качестве общего наименования заданий для закрепления и контроля знаний. Эти задания могут иметь форму вопросов, задач, упражнений и др.

Отметим также двойственную интерпретацию понятия «содержание» в контексте ЭУ. С одной стороны, содержание ассоциируется с информацией предметного характера, представленной в КСО, т.е. непосредственно с учебным материалом и УТЗ. С другой стороны, содержание трактуется как оглавление, перечень структурных единиц учебного материала. Во избежание путаницы для обозначения второй интерпретации используем словосочетание «блок содержания» .

В ЭУ и КОС реализуются четыре основных способа доступа к учебному материалу:

через блок содержания, элементы которого ссылаются на соответствующие структурные единицы учебного материала, и средства навигации;

через указатели (предметные, именные и др.), словарь (глоссарий), тезаурус и подобные компоненты, содержащие ссылки на структурные единицы учебного материала;

- с помощью средств поиска учебного материала (МПУМ);

- через определяемые пользователем закладки, ассоциируемые со структурными единицами учебного материала.

МПУМ обеспечивает либо полнотекстовый поиск, либо поиск по ключевым словам. Во втором случае подразумевается, что учебный материал проиндексирован.

Блок идентификации представляет собой аналог титульного листа книги и выступает в качестве своеобразного паспорта ЭУ. Он содержит название ЭУ, краткое описание его назначения и применения, сведения о разработчиках, распространителях, авторских правах и др.

Второй класс информационных компонентов ЭУ включает профили обучаемых, ОТеК и ЭИЗО.

Под профилем понимается описание параметров пользователя, влияющих на настройку системы. В профиле обычно хранятся: идентификационные данные обучаемого; сделанные им заметки и закладки; «история» работы обучаемого с системой (в общем случае - запись его действий: введенных команд, сформированных поисковых запросов, траектории навигации по учебному материалу и т.д.), описание настройки ПИ и др. ОТеК отражает текущую системную конфигурацию ЭУ, т.е. настройку программного средства на применение в конкретных программно-технических и организационных условиях. ОТеК, фиксирующее типовую конфигурацию, действующую по умолчанию, как правило, входит в дистрибутив ЭУ и устанавливается на компьютер программой его инсталляции. При использовании ЭУ в КК учебного заведения изменения в ОТеК вносятся системными администраторами. Различия между информационными компонентами для настройки КУ (КОС) иллюстрирует таблица.

Таблица. Различия между информационными компонентами для настройки КУ (КОС)

Информационный компонент	Кем или чем формируется	Что отражает
Профили обучаемых	ЭУ (КОС) автоматически и по командам обучаемых «сохранить настройку (конфигурацию, параметры)»	параметры обучаемых; выполненные ими настройки ПИ ЭУ (КОС)
ОТеК	системными администраторами	системную конфигурацию ЭУ (КОС)
ЭИЗО	преподавателями	индивидуальные задания обучаемых

К третьему классу информационных компонентов относятся модели обучаемых и протоколы их работы с ЭУ.

В протоколах представляются данные, отражающие взаимодействие обучаемых с ЭУ и результаты выполнения ими контрольных мероприятий. Процесс работы с учебным материалом характеризуется временем, затраченным на изучение составляющих его разделов и тем, числом обращений к справочным базам (словарю, глоссарию и т.д.), количеством возвратов к пройденному материалу и др.

Модель обучаемого описывает текущее состояние его знаний по данному предмету и индивидуальные особенности, важные с точки зрения учебного процесса. По сравнению с протоколом она является более глубокой и семантически выразительной формой представления сведений о ходе и результатах работы обучаемого с ЭУ. Если в протоколе содержатся объективные данные, фиксируемые системой в процессе взаимодействия с пользователем, то в модели обучаемого отражаются результаты их обобщения и интерпретации, а также выводы, сформированные на их основе. Наличие модели обучаемого свойственно интеллектуальным КСО. В таких средствах она сопоставляется с целевой моделью представления ПО, между ними выявляются различия, исходя из которых определяется характер управления учебным процессом.

Рассмотрим назначение программных компонентов архитектуры ЭУ.

Взаимодействие пользователя с учебным материалом осуществляется с помощью МОРУМ. Основные функции данного модуля:

- доступ к структурным единицам учебного материала через блок содержания, указатели, словарь (глоссарий), тезаурус;

выбор текущего фрагмента учебного материала и передача его для представления (отображения) модулю ПИ;

выполнение сценариев представления учебного материала (воспроизведение демонстраций, презентаций и т.п.);

моделирование изучаемых объектов и процессов и обеспечение условий для взаимодействия пользователя с этими моделями;

выполнение переходов к структурным единицам учебного материала в соответствии с командами пользователя, передаваемыми ПИ (навигация по учебному материалу);

вызов МОРУТЗ для выполнения УТЗ, ссылки на которые содержатся в учебном материале;

вызов на выполнение внешних КСО, ссылки, на которые содержатся в учебном материале;

выполнение команд МУУП;

фиксирование сведений о работе пользователя с учебным материалом, передача их МУУП и запись в протокол.

МОРУТЗ служит для поддержки выполнения УТЗ. В этом модуле реализованы следующие основные функции:

- предъявление пользователю УТЗ, выбранной из множества УТЗ или сформированной МГУТЗ;

передача условий УТЗ для представления (отображения) модулю ПИ;

моделирование объектов и процессов, рассматриваемых в УТЗ, и обеспечение условий для взаимодействия пользователя с этими моделями;

обеспечение условий для поэтапного выполнения УТЗ пользователем, проверка и оценивание его действий;

обеспечение условий для ввода результата (ответа) УТЗ, его проверка и оценивание;

- предоставление информационной помощи по запросам пользователя;

демонстрирование эталонного выполнения УТЗ;

вызов на выполнение внешних КСО (внешних программных модулей), ссылки на которые содержатся в УТЗ;

вызов МОРУМ для работы с учебным материалом, на который ссылается УТЗ (по команде пользователя или автоматически при неверном выполнении УТЗ);

выполнение команд МУУП;

фиксирование сведений о ходе и результатах выполнения УТЗ, передача их МУУП и запись в протокол.

МГУТЗ предназначен для формирования (генерации) УТЗ по запросам МОРУТЗ. ЭУ и КОС, обладающие данной возможностью (т.е. содержащие МГУТЗ), называются генерирующими. В таких средствах множество УТЗ представляет собой описания шаблонов и моделей задач, служащих основой для генерации их условий.

Модуль настройки обеспечивает настройку ЭУ на конкретные условия применения, параметры пользователя и решаемые педагогические задачи. Он устанавливает системную конфигурацию ЭУ и параметры ПИ, а также загружает информацию из профиля обучаемого. ЭИЗО и сведения о предыдущих сеансах работы обучаемого с ЭУ, выбираемые из протоколов, используются для настройки учебного материала и УТЗ на текущий уровень его подготовленности и задачи, поставленные перед ним преподавателем. Данный модуль также позволяет устанавливать и удалять закладки, переходить по ним к структурным единицам учебного материала, сохранять в профиле обучаемого сделанные им настройки и установки.

МУУП осуществляет управление прочими программными компонентами ЭУ в части обеспечения эффективной реализации определенной психолого-педагогической стратегии. Его основные функции:

- прием данных, фиксируемых МОРУМ и МОРУТЗ и отражающих ход и результаты работы обучаемого с учебным материалом и УТЗ;

формирование и корректировка на основе этих данных модели обучаемого;

оценивание уровня знаний обучаемого;

выработка решений по корректировке хода учебного процесса и представления учебного материала и УТЗ, а также передача соответствующих команд МОРУМ, МОРУТЗ, МГУТЗ и модулю настройки;

- передача на АРМ преподавателя (через ИАП) информации о ходе и результатах работы обучаемого;

обеспечение доступа преподавателя к модели обучаемого и протоколам его работы;

выполнение команд преподавателя по управлению учебным процессом, поступающих через ИАП.

МРИО используется на этапе инициализации и настройки системы. Он предлагает обучаемому указать его идентификационные данные (фамилию и инициалы, номер учебной группы и т.п.). Введенная информация передается модулю настройки, который ищет соответствующие профиль, ЭИЗО и записи в протоколах. Если обучаемый работает с ЭУ в первый раз, то МРИО регистрирует его в протоколе, а модуль настройки создает новый профиль. Обучаемым, для которых не предусмотрены ЭИЗО, предлагается задание по умолчанию. Идентификационные данные и текущее задание обучаемого передаются МУУП.

МПМОП обеспечивает доступ обучаемого к протоколам его работы и модели, созданной МУУП. Модуль позволяет просматривать данные информационные компоненты и выводить их фрагменты на печать. В нем также могут быть реализованы функции анализа модели обучаемого и содержания протоколов, а также формирования методических рекомендаций по развитию знаний обучаемого и совершенствованию учебного процесса.

ИАП служит для сопряжения ЭУ с АРМ преподавателя в ЛВС. Это сопряжение позволяет контролировать работу обучаемого и управлять учебным процессом через МУУП, не привлекая его внимания, т.е. осуществлять скрытый контроль. Другая функция ИАП - обеспечение условий для явного взаимодействия (диалога) обучаемого с преподавателем. При использовании ЭУ в режиме ДО вне УЦ на ИАП может возлагаться задача отправки на сервер УЦ или сервер ДО учебного заведения протоколов работы обучаемого и приема скорректированных версий ЭИЗО.

Пользовательский интерфейс (ПИ) ЭУ включает две составляющие: информационную и программную. Информационная составляющая воплощается в информационных компонентах первого класса и выражается описаниями схем представления и оформления их содержания и схем диалога. Программная составляющая обеспечивает построение и функционирование ПИ в соответствии с данными описаниями. Модуль ПИ на схеме архитектуры ЭУ ассоциируется с программной составляющей и выполняет функции, традиционные для ПИ программных систем. Основные из этих функций:

- отображение на экране информации согласно описанным схемам ее представления и оформления;

воспроизведение аудио- и видеофрагментов, анимаций и интерактивных трехмерных представлений;

обеспечение функционирования управляющих элементов ПИ;

прием данных и команд, вводимых пользователем, их первичная обработка и передача другим программным компонентам ЭУ;

реализация аудио- и видеоэффектов.

Отметим три важные служебные функции ЭУ, не охватываемые программными компонентами, выделенными на схеме архитектуры:

- контроль целостности программного и информационного обеспечений ЭУ;

защита от несанкционированного доступа к информационным компонентам второго и третьего классов;

защита программного продукта от несанкционированного копирования.

Важной характеристикой ЭУ, относящейся к уровню архитектуры, является состав форм представления информации, используемых в информационных компонентах первого класса. Речь идет о таких формах, как:

- гипертекст;

графика (матричная, векторная, функциональная, реалистичные фотоизображения) и гиперграфика;

видеокомпоненты;

анимации;

- интерактивные трехмерные представления;

аудиокомпоненты.

Коротко остановимся на структуре учебного материала, т.е. системе отношений между его структурными единицами. Под структурной единицей понимается адресуемая часть учебного материала. Адресация позволяет ссылаться и переходить на данную структурную единицу из других единиц, блока содержания, указателей, словаря (глоссария), тезауруса и УТЗ.

На рисунке 3 структурные единицы представлены вершинами графа, отношения - ребрами и гиперребрами (овалами). Между вершинами существуют отношения трех типов. Основу структуры учебного материала составляют иерархические структурные отношения. Они обозначены жирными ребрами, направленными от подчиняющих к подчиненным вершинам. В соответствии с этими отношениями структурным единицам приписаны индексы, каждый из которых отражает путь к соответствующей вершине от корневой вершины.

Учебный материал в целом	Главы	Разделы (параграфы, темы)	Подразделы (пункты)	Кадры (страницы, статьи, экраны)
Иерархические уровни учебного материала

Рис. 3. Структурные единицы учебного материала

Индексы используются для идентификации и адресации структурных единиц. Их компоненты ассоциируются с иерархическими уровнями учебного материала. Количество и наименования уровней в конкретных реализациях КУ (КОС) могут быть разными. На рисунке выделено пять уровней, считая корневую вершину. Последняя помечена символом «К» и представляет самую общую структурную единицу, соответствующую учебному материалу в целом. Ее уровень обычно не учитывается в индексах.

Структурные единицы, не имеющие подчиненных, называются кадрами, страницами, статьями или экранами. Трактовку данных понятий в указанном смысле следует четко отличать от их интерпретации как форм представления структурных единиц информации (учебного материала), используемых инструментальными средствами. Во втором значении они соотносятся с реализациями любых вершин, а не только листьев. Например, раздел может быть представлен в виде страницы, содержащей информационную часть (введение и заключение) и совокупность ссылок на подчиненные подразделы.

Отношения второго типа определяются на множествах соподчиненных вершин, т.е. вершин одного иерархического уровня, имеющих на предыдущем уровне общую подчиняющую вершину, и служат для описания порядка предъявления пользователю соответствующих структурных единиц (последовательности переходов или навигации по учебному материалу). В некоторых реализациях такие отношения называются просмотровыми последовательностями. На рисунке они обозначены гиперребрами.

Отношения третьего типа являются семантическими (ассоциативными). Они связывают пары структурных единиц учебного материала, содержания которых обладают смысловой корреляцией. Часто такие отношения называют гиперссылками или гиперсвязями. Они показаны тонкими стрелками, отражающими направления переходов между вершинами. Как правило, подобные отношения двунаправлены.

Нетрудно заметить, что отношения первого типа образуют древовидную структуру, а отношения третьего типа - сетевую. Структура, порождаемая отношениями второго типа, может быть разной. В одних случаях это линейная последовательность связей между вершинами, в других - сложная разветвленная структура.

Двойные стрелки (рисунок 3) обозначают ссылки на УТЗ и внешние КСО. Соответствующие отношения, по сути, являются ассоциативными, но, в отличие от отношений третьего типа, вторым коррелятом в них выступает внешний применительно к учебному материалу объект. Таким образом, эти отношения определяются на трех множествах: структурных единиц учебного материала, УТЗ и внешних КСО.

Ссылки на УТЗ исходят из кадров (т.е. листьев). Связь, ведущая к УТЗ, служит для вызова МОРУТЗ для выполнения этой задачи с целью закрепления или проверки знаний, приобретенных при изучении данного кадра. В свою очередь, УТЗ ссылаются на кадры. Эти связи специфицируют учебный материал, знание которого необходимо для выполнения УТЗ, и используются для перехода к соответствующим вершинам в случаях ошибок и затруднений.

Отличия отношений кадры - УТЗ и УТЗ - кадры обусловлены не только их направленностью. Если для выполнения УТЗ требуется знание учебного материала, представляемого в нескольких кадрах, то ссылка на эту задачу реализуется в последнем кадре просмотровой последовательности (рис. 4). Такая логика вытекает из общих принципов работы с учебным материалом, согласно которым при навигации по нему в прямом направлении выход на какой-либо кадр предполагает, что содержание предыдущих кадров изучено. На отношения УТЗ - кадры подобное ограничение не накладывается, и они связывают УТЗ со всеми кадрами, включающими фигурирующий в ней учебный материал, а не только с кадром, вызывающим данную задачу.

Как и структурные единицы учебного материала, УТЗ могут включать ссылки на внешние КСО и внешние программные модули.

Собственно на множестве УТЗ задаются три отношения эквивалентности, определяющие его разбиения на классы по тематике, типам и сложности задач (рисунок 5). Тематические классы соответствуют делению учебного материала на одном из промежуточных иерархических уровней (как правило, уровне разделов). В принципе разбиение на них можно осуществить на основе отношений УТЗ - кадры и иерархических структурных отношений на множестве структурных единиц учебного материала. Тематические классы обеспечивают структуризацию множества УТЗ, используемую при прямом доступе к нему, т.е. обращении к: задачам не по ссылкам из кадров, а по наименованиям соответствующих подмножеств (разделов) .

Рассмотренные отношения могут быть ситуативными. Ситуативность означает, что отношение задается не жестко, а меняется (активируется и деактивируется) модулем настройки в соответствии с текущим уровнем подготовленности обучаемого, его индивидуальными особенностями и задачами, поставленными перед ним в ЭИЗО. Ситуативный характер отношений, определяющих разбиения на классы множества УТЗ, и отношений УТЗ - кадры обусловливается вариативностью состава используемых УТЗ, регулируемого модулем настройки (изменение объема множества, на котором задано отношение, может повлечь изменение этого отношения).

. Современный учебный процесс обязательно должен использовать компьютерные средства обучения и электронные учебники в том числе;

. Электронный учебник может быть использован на пассивном и активном уровнях применения информационных технологий в учебном процессе;

. При разработке электронного учебника целесообразно использовать гипертекстовые технологии;

. Основными отличительными особенностями электронного учебника на основе гипертекстовых технологий от традиционного являются:

нелинейная структура;

возможность закладывать в учебник траекторию изучения материала;

5. Архитектура электронного учебника на основе гипертекстовых технологий соответствует обобщенной архитектуре электронного учебника и может быть изменена в соответствии с содержанием и областью применения конкретного электронного учебника.