Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

область объекта (в примере чувствительная область гиперссылки) — это выделенный текст или изображение, щелчок мышью по которому приводит к гипертекстовому переходу к объекту.

В отличие от традиционных изданий, например книг, электронные издания (ЭИ) благодаря гиперссылкам позволяют создавать разнообразные навигационные структуры. С помощью гиперссылок автор издания может образовать любую сеть. Другие виды структур моделируются с помощью сетевой структуры.

Следует иметь в виду, что навигационная структура очень важна для сетевых электронных изданий. Дело в том, что сетевое электронное издание первоначально представляет собой набор отдельных экранных страниц. Объем страниц ограничивается логической структурой издания и временем ее загрузки в компьютер пользователя.

Иерархическая структура. Наверное, самый легкий и логичный способ конструирования межстраничных связей в электронном издании — иерархическая структура, или, что то же самое, меню, как показано на рис. 10.22. Иерархическая структура прекрасно подходит для больших электронных изданий, так как моделирует оглавления, имеющиеся в большинстве традиционных печатных изданий. В электронном издании с иерархической структурой пользователь легко определяет свое текущее положение. Он может выбрать одно из двух направлений перемещения: вверх, т.е. к более общей информации, или вниз — к специализированной.

Линейная структура. Линейная структура напоминает обычную книгу. Как показано на рис. 10.23, страницы ЭИ следуют одна за другой, а основная страница ЭИ играет роль титульной страницы книги. В линейной структуре на каждой странице имеются только две гиперссылки — вперед и назад. Можно также добавить гиперссылку на основную страницу издания.

В линейной структуре обычно легко определить, где находишься, из-за ограниченных возможностей переходов по гиперссылкам.

Рис. 10.22. Иерархическая структура ЭИ

363

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 10.23. Линейная структура

Рис. 10.24. Линейная структура с альтернативами

Линейная структура с альтернативами. Жесткость и ограниченность линейной структуры можно ослабить, позволив пользователям отклоняться от основного пути. В линейной структуре с альтернативами на одной из страниц, как это показано на рис. 10.24, может быть несколько гиперссылок на линейные подструктуры.

Пусть, например, описывается установка в компьютер пакета программ, причем все шаги этой процедуры, кроме одного, не зависят от типа компьютера. Для такого электронного издания удобна линейная структура с альтернативами.

Иерархически линейная структура. Иерархически линейную структуру имеет практически любая книга. Действительно, иерархическую составляющую обеспечивает оглавление, а линейную — последовательность страниц книги. Иерархически линейная структура в электронном издании поддерживается лучше, чем в традиционном издании, так как, найдя нужный раздел в оглавлении, не нужно запоминать номер страницы и листать книгу, а достаточно указать на соответствующую гиперссылку. На рис. 10.25 изображено электронное издание с иерархически линейной структурой.

364

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

Рис. 10.25. Электронное издание с иерархически линейной структурой

Рис. 10.26. Сетевая структура электронного издания

Сочетание линейной и иерархической структур позволяет пользователю перемещаться в четырех направлениях: вверх, вниз по иерархии, а также вперед и назад на одном уровне иерархии.

Сетевая структура. Сетевая структура образована неупорядоченным множеством связей между страницами, причем читатель переходит от страницы к странице по произвольному маршруту, используя гиперссылки. Пример сетевой структуры изображен на рис. 10.26.

По таким электронным изданиям можно перемещаться без определенной цели. Они удобны тогда, когда автор намеренно хочет сделать изложение бессистемным, моделирующим ассоциативное мышление или побуждающим к случайному просмотру. Всемирная паутина сама является гигантской сетевой структурой.

Сетевая структура плохо подходит для электронных учебников. Облегчить ориентацию в электронном издании с сетевой структурой можно следующими способами:

•создать на каждой странице гиперссылку на основную страницу;

•поместить на каждой странице карту ЭИ с указанием положения данной страницы в издании или какими-либо иными пояснениями читателю о том, где он находится в данный момент.

365

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

10.4.3. Когнитивная графика

При подготовке данного материала использованы источники [10.4—10.7]. Человеческое познание пользуется как бы двумя механизмами мышления. Один

из них — возможность работать с абстрактными цепочками символов, с которыми связаны некоторые семантические и прагматические представления, а именно: умение работать с текстами в самом широком смысле этого слова. Такое мышление можно было бы назвать символическим или алгебраическим. Форму семантической репрезентации этого вида (алгебраическую) часто называют вербальной.

Другой механизм мышления — способность работать с чувственными образами

ипредставлениями об этих образах. Такие образы обладают куда большей конкретностью и интегрированностью, чем символические представления. Но они

изначительно более расплывчаты, менее логичны, чем то, что скрывается за элементами, которыми оперирует алгебраическое мышление. Однако без них мы не могли бы отображать в нашем сознании окружающий мир в той полноте, которая для нас необходима. Способность работать с чувственными образами (со зрительными образами) определяет то, что можно назвать геометрическим образным

мышлением. Образная репрезентация — это форма хранения информации в памяти о наглядных образах в пространстве и времени или форма хранения сенсорных компонентов, сенсорного опыта, приобретенного в прошлом.

Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление — с правым полушарием. Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в этом мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Естественно-языковая речь, мышление словами, рационально-логические процедуры переработки информации — все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей, открытий и др. Весь тот сложный механизм образного мышления, который нередко определяют одним термином «интуиция», и является правополушарной областью деятельности мозга.

Нередко правополушарное мышление связывают с деятельностью в искусстве. Иногда это мышление даже называют художественным. Однако и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления.

Человеческое мышление и человеческое поведение обусловлены совместной работой обоих полушарий человеческого мозга. В одних ситуациях преобладает логический компонент мышления, в других — интуитивный. По мнению психологов, все люди делятся на три группы: с преобладающим левополушарным, с правополушарным, со смешанным мышлением. Это разделение генетически предопределено, и существуют специальные тесты для выяснения склонности к тому или иному типу мышления.

Эксперименты показывают, что способность к переходу от одной формы репрезентации к другой представляет собой важный источник творческих возможностей человека. Связи и трансформации, которые при одной форме репрезентации могут

366

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

быть замаскированы, после смены репрезентации становятся вдруг очевидными, что может привести к быстрому решению проблемы.

Многие специалисты в области психологии мышления убеждены, что именно наличие двух способов представления информации: в виде последовательности символов и в виде картин-образов — вместе с умением работать с ними и соотносить оба способа представления друг с другом обеспечивают сам феномен человеческого мышления.

Описанные выше фундаментальные различия между лево- и правополушарной стратегией переработки информации имеют прямое отношение к формированию различных способностей. Так, для научного творчества, т.е. для преодоления традиционных представлений, необходимо восприятие мира во всей его целостности, что предполагает развитие способностей к организации многозначного контекста (образного мышления). И действительно, существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная монотонная работа.

Люди, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы «закрепощены» собственным формально-логическим мышлением. Из этого ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным рассудочностью, чтобы не иссякал творческий потенциал человека.

Появление и развитие средств интерактивной компьютерной графики (ИКГ) открывает для сферы обучения принципиально новые графические возможности, благодаря которым учащиеся могут в процессе анализа изображений динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности. Применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное «чутье», образное мышление.

Воздействие ИКГ на интуитивное образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного

когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой.

В настоящее время интерактивная компьютерная графика — это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. В связи с этим начинают четко различать две функции компьютерной графики: иллюстративную и когнитивную.

Иллюстративная функция позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная же функция ИКГ состоит в том, чтобы с помощью некоего изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста, знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Иллюстративные функции графики реализуются в учебных системах при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными иллюстрациями, аудио- и видеоиллюстрациями. Когнитивная же функция проявляется тогда, когда

367

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

учащиеся «добывают» знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов и процессов; причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему.

Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Роль компьютерной графики в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и во всем многообразии связей. Несомненно также, что изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не «вкладывались» преподавателем—разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом, иллюстративная по замыслу функция графического изображения превращается в функцию когнитивную. В то же время когнитивная функция ИКГ-изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах превращается в функцию иллюстративную для уже «открытого» и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта.

Тем не менее принципиальные отличия логического механизма мышления человека от интуитивного, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функций компьютерной графики. Это позволяет более четко формулировать дидактические задачи ИКГ-изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

Когнитивная графика и искусственный интеллект. В искусственном интеллекте термин «когнитивная графика» трактуется как совокупность методов и средств представления знаний и работы с ними на уровне графических (статических и/или динамических) образов. Такие системы предполагают единообразное описание не только графических примитивов, но и сложных графических представлений. Созданные компьютером образы могут рассматриваться как декларативные структуры, трансформирующиеся во внутреннее представление компьютера с помощью процедур, отражающих знания о законах преобразования сформированных образов, и позволяют активизировать представления об объектах, недоступных прямому наблюдению или вообще не имеющих образного представления в обычной реальности.

368

Г л а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

Установление связи между текстами, описывающими сцены, и соответствующими изображениями потребовало наличия в базах знаний специальных представлений для зрительных образов и процедур соотнесения их с традиционными формами представления знаний.

Графическая информация стала трактоваться с позиций знаний, содержащихся в ней. Если до этого ее функция сводилась к иллюстрации тех или иных знаний и решений, то теперь она стала включаться равноправным образом в те когнитивные процессы, которые моделируются в базах знаний и на основе их содержимого. Термин «когнитивная графика» отражает этот принципиальный переход от иллюстрирующих изображений к видеообразам, способствующим решению задач и активно используемым для этого.

Когнитивная функция изображений использовалась в науке и до появления компьютеров. Образные представления, связанные с понятиями граф, дерево, сеть

идругими, помогли доказать немало новых теорем. Круги Эйлера позволили визуализировать абстрактное отношение силлогистики Аристотеля, диаграммы Венна сделали наглядными процедуры анализа функций алгебры логики. Систематическое использование когнитивной графики в компьютерах в составе человекомашинных систем сулит многое.

Примеры когнитивной графики. Образное мышление в решении математических задач, особенно на эвристическом этапе решения, имеет весьма существенное значение. Также невозможно представить себе решение геометрических задач без наличия у человека способностей к пространственному воображению.

Основой принципа визуализации служит когнитивная графика, цель которой состоит в создании комбинированных когнитивных моделей представления знания, сочетающих в себе символический и геометрический способы мышления

испособствующих активизации процессов познания.

Появление вычислительных машин с развитыми системами графики, дающими возможность пользователю строить изображение на дисплее, оказалось явлением намного более серьезным, чем это представлялось. Во всей познавательной деятельности человека и, в частности, в деятельности, связанной с решением практических задач, все время присутствуют две возможности. Одна из них состоит в использовании разного рода символьных систем, в которых реальные объекты и явления заменены абстрактными символами. Вторая возможность позволяет применять для решения задач наглядные образные представления объектов и явлений.

Сравним две эти возможности, решив системы двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными. Пусть надо решить систему

3x – 2y=32.

Существуют два пути. Можно выразить х из первого уравнения, подставить во второе, найти из него у, а затем вычислить х. При этом получается ответ: х = 10, у = –1.

Но можно воспользоваться общим алгебраическим выражением, дающим для системы

ax + by=c,

dx + ey=f

369

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

решение в виде x = (ce – bf)/(ae – bd)y = (af – cd)/(ae – bd). В любом случае, решая задачу, надо осуществлять подстановки и другие алгебраические преобразования, а также выполнять арифметические операции.

Можно, однако, поступить иначе. Вводится система координат и строятся два графика, уравнениями которых являются выражения, входящие в систему. Решение системы задается точкой пересечения этих графиков. Эти два подхода иллюстрируют достоинства и недостатки алгебраического и геометрического подходов. Алгебраический подход дает возможность найти решение в общем виде, пригодном для любой конкретной системы уравнений. Геометрический подход не обладает такой степенью общности. Нельзя нарисовать в системе координат прямые «в общем виде», а значит, для каждой конкретной системы уравнений соответствующие прямые должны быть построены. Однако если нас интересуют не конкретные значения х и у, а лишь вопрос о наличии или отсутствии решения, то при алгебраическом подходе надо и в этом случае провести те же самые выкладки, что и при решении системы. При геометрическом же подходе, взглянув на изображение, можно дать мгновенный ответ. Если графики пересекаются, то решение существует.

Наглядность — одна из основных особенностей когнитивной графики как совокупности приемов и методов образного представления условий задачи, которые позволяют либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения.

Другим примером использования когнитивной графики в учебном процессе является применение современных математических пакетов при проведении учебноисследовательских работ.

Существует множество интегрированных математических программных систем для научно-технических расчетов: Eureka, Derive, Mercury, MathLab, Mathcad, Maple, Mathematica.

Системы Mathcad традиционно занимают особое место среди этого множества программных продуктов и по праву могут называться наиболее современными, универсальными и массовыми математическими системами. Новые версии системы просты в использовании и обучении. Mathcad обладает широкими графическими возможностями. Это позволяет создавать математические графики практически всех типов (в том числе анимационные), а также фрагменты видеофильмов, что значительно облегчает визуализацию и анализ данных.

Облегчая решение сложных математических задач, система снимает психологический барьер при изучении математики, делая процесс изучения интересным и достаточно простым. Целесообразное применение системы в учебном процессе способствует повышению фундаментальности математического и технического образования, содействует подлинной интеграции процесса познания.

10.4.4. Восприятие учебной информации

Процесс передачи информации как составная часть обучения может и должен оптимизироваться в целях улучшения качества обучения [10.8—10.10].

Общие закономерности восприятия. Восприятие является чувственным этапом познания, оно неразрывно связано с мышлением, имеет мотивационную направленность, сопровождается эмоциональным откликом. Восприятие — непосредственное чувственное отражение предметов и явлений в целостном виде в результате осознания их опознавательных признаков.

370

Гл а в а 10. Проектирование электронных учебно-методических комплексов

Взависимости от целенаправленности, участия воли восприятие делится на две формы: непроизвольное (непреднамеренное, не связанное с волевым напряжением

изаранее поставленной целью) и произвольное (преднамеренное, целенаправленное).

Существуют четыре уровня восприятия:

•сенсорный — чувственный охват объекта, попадание его в поле зрения;

•перцептивный — осмысление объекта, отнесение его к определенной категории, классу объектов;

•оперативный — охват какой-либо функции, стороны объекта;

•деятельностный — взаимодействие с объектом как целью деятельности. Восприятие представляет собой отражение в сознании человека предметов,

явлений, целостных ситуаций объективного мира при их непосредственном воздействии на органы чувств. В процессах восприятия формируется целостный образ: образ предмета, образ ситуации, образ другого человека и др. Образ восприятия нередко обозначают как перцептивный образ.

Составной частью процесса восприятия является ощущение как отражение отдельных сторон предметов и явлений. Ощущение выполняет функцию ориентации субъекта в самых элементарных, непосредственных свойствах объективного мира. Если восприятие отражает целостные предметы и ситуации, то ощущение доставляет сведения об отдельных элементах предметов или ситуаций. Глядя на стол, мы воспринимаем его как целостную конструкцию, целостный предмет, в то же время органы чувств информируют нас об отдельных свойствах стола (например, его окраске). Прикасаясь ладонью к столу, мы ощущаем тепло или холод, гладкость или шероховатость поверхности и т.п.

Основные виды и свойства восприятия. Восприятие как непосредственное отражение мира классифицируется по разным основаниям. Традиционно выделяют пять видов восприятия в соответствии с ведущим анализатором, участвующим в построении перцептивного образа — зрительное, слуховое, осязательное (тактильное), вкусовое, обонятельное.

Различают также виды восприятия в зависимости от объекта восприятия, например восприятие пространства, времени, движения, скорости; произведений живописи, музыки, основных явлений социальной жизни человека (другого человека, событий общественной жизни) и т.п. Восприятие окружающего мира, как правило, комплексно; оно представляет собой результат совместной деятельности различных органов чувств. Более того, восприятие сложных явлений предметного и социального мира осуществляется прежде всего благодаря участию процессов памяти, мышления и воображения. Иначе говоря, вести речь о процессе восприятия в «чистом виде» во многих случаях неправомерно. В психологии существует деление видов восприятия в зависимости от участия в нем других психологических образований: эмоциональное восприятие (восприятие мира, искусства), рациональное восприятие (восприятие, подчиненное процессу мышления) и др.

Каждый из видов восприятия имеет свои специфические особенности и механизмы. Их описание представляет задачу как психологии, так и других отраслей знания: физиологии, кибернетики.

Психологическая сущность восприятия в полной мере может быть представлена через описание его основных свойств. В качестве ведущих свойств восприятия в психологии выделяют предметность, целостность, осмысленность и обобщенность, структурность, избирательную направленность, апперцепцию, константность.

371

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Предметность восприятия проявляется в отнесенности образов восприятия к реальным предметам или явлениям объективной действительности. Предметность восприятия означает адекватность, соответствие образов восприятия реальным предметам.

Целостность восприятия выражается в том, что образы восприятия представляют собой целостные, законченные, предметно оформленные структуры. Целостность предмета определяется его функциональным назначением в деятельности или жизни человека. Отельные части объекта мы стремимся объединить в единое знакомое нам целостное образование (рис. 10.27). Тенденция сознания к целостности объекта, изображенного на рис. 10.27, настолько велика, что мы даже видим стороны прямоугольника.

Осмысленность и обобщенность. Воспринимая предметы и явления, мы осознаем, понимаем то, что воспринимается.

Восприятие связано с отнесением данного предмета к определенной категории, понятию и с обозначением его словом. Только определив категорию воспринимаемого объекта, мы распознаем его признаки. Восприятие в значительной мере зависит от цели и задач деятельности. В объекте на передний план выступают те его стороны, которые соответствуют данной задаче.

Наиболее простая форма осмысливания предметов и явлений — узнавание. Здесь восприятие тесно связано с памятью. Узнать предмет — значит воспринять его в соотношении с ранее сформированным образом.

Осмысленность восприятия устраняет некоторые зрительные иллюзии (рис. 10.28). На рис. 10.28, а возникает иллюзия преломления прямой, проходящей через перекрывающие ее объекты. На рис. 10. 28, б эта иллюзия исчезает благодаря осмысленности восприятия.

Рис. 10.27. Иллюстрация целостности восприятия

Рис. 10.28. Иллюстрация осмысленности восприятия

372