978-5-7764-0767-3

ния такой задачи необходимо использовать эталонные понятия, представляе-

мые вершинами сети описания предметной области. Разумно употреблять эталоны для элементарных (базовых) понятий, которые позволяют предста-

вить любое понятие, сформированное и используемое информационной си-

стемой в ходе своего функционирования. Тогда понятие, поступающее из ис-

точника с другим форматом представления знаний, будет преобразовано к эталонному базису и комплексировано с существующими знаниями за счет применения определенных операций над ними [16].

Для работы с описаниями сущностей используются различные опера-

ции. Способ их выполнения часто зависит от языка описания действительно-

сти. Основными операциями для интегрированного подхода к представлению знаний являются преобразование представления фрагмента знаний к полному виду, поиск фрагмента по образцу, вставка/исключение фрагмента, обобще-

ние, операции сходства/различия, планирование [13, 14].

Создание базы знаний интеллектуальной обучающей системы. Сформи-

рованные знания об учебных объектах заносятся в базу знаний ИОС. Редак-

тор базы знаний должен обеспечивать не только сам процесс редактирова-

ния, ввода знаний, но и возможность контроля содержимого базы, например,

с помощью визуализации.

Формирование предметной области – сложная и ответственная задача.

Для снижения вероятности ошибок в описании предметной области целесо-

образно использовать вспомогательные инструменты как для создания новых описаний элементов действительности, так и для анализа существующих.

Целесообразно использовать сети Петри [3,4], которые предназначены для моделирования систем, состоящих из множества взаимодействующих друг с другом компонент. В качестве компонент рассматриваются вершины-

сущности. Им, как и другим компонентам реальных систем, присущ паралле-

лизм. В одном из подходов к проектированию и анализу различных объектов сети Петри используются как вспомогательный инструмент анализа суще-

ствующих систем.

211

При создании нового описания предметной области применяется другой подход, при котором предполагается построение модели предметной области сразу в виде сети Петри, а затем сеть Петри преобразуется в описание пред-

метной области в формате интегрированного метода представления знаний.

Сеть Петри, моделирующая фрагмент описания предметной области, пред-

ставлена на рис. 5.1. Построенная сеть теперь может использоваться при ана-

лизе моделируемого множества учебных объектов для формирования фраг-

мента компетенции. Основными подходами к анализу сетей Петри являются методы, основанные на использовании дерева достижимости, на матричном представлении сетей Петри, решении матричных уравнений и методах пре-

образования сетей.

t0

s0

Рис. 5.1. Сеть Петри, моделирующая множество учебных объектов

На основе дерева достижимости могут выполняться анализ безопасности и ограниченности, анализ сохранения, покрываемости, живости.

Создание тестовых объектов (заданий) для выявления степени усвоения учебного объекта. В настоящее время совершенствуются существующие и появляются новые формы оценки компетенций, особое место среди которых занимают различные тесты. Создаются электронные системы, позволяющие проводить оценку знаний обучающихся.

212

Одним из таких инструментов является система тестирования INDIGO (Indigo Software Technologies) [6]. В этой системе тесты задаются в виде иерархической структуры, состоящей из вопросов и групп вопросов. Группы,

в свою очередь, могут содержать как вопросы, так и другие группы. На дан-

ный момент доступны пять типов вопросов:

–выбор одного варианта ответа;

–выбор нескольких вариантов ответа;

–ввод ответа с клавиатуры;

–установка соответствия;

–расстановка в нужном порядке.

Другим инструментом тестирования является редактор электронных

курсов CourseLab [5], в котором выбор метода тестирования напрямую зави-

сит от особенностей материала курса, целевой установки и применяемых по-

казателей обученности.

Все имеющиеся виды тестов не выходят за рамки версии 1.2 стандарта

IMS QTI (Question & Test Interoperability) [20], поэтому должны быть доступ-

ны для быстрой разработки большинством редакторов электронных курсов.

Редактор электронных курсов CourseLab предоставляет возможность простой и быстрой вставки в учебные модули как отдельных вопросов, так и тестов,

состоящих из множества вопросов. Необходимо только заполнить параметры вопросов.

В CourseLab поддерживаются следующие типы вопросов:

единственный выбор (выбор одного варианта из набора значений, вклю-

чая и вопросы типа true-false);

множественный выбор (выбор нескольких вариантов из набора значе-

ний);

ранжирование (расположение вариантов в правильном порядке);

числовой ввод одного или нескольких значений;

текстовый ввод одного или нескольких значений;

парное соответствие (подбор правильных пар вариантов).

213

Можно использовать случайную выборку вопросов из списка. Редактор

CourseLab дает возможность построить практически любое упражнение или тест с использованием полей ввода, элементов форм, зон нажатия мыши, пе-

ретаскивания объектов и т.п.

Система тестирования INDIGO и редактор электронных курсов

CourseLab [5,6] – типовые примеры современных систем электронного кон-

троля результатов обучения. Их особенностью является ориентация на зара-

нее заготовленные схемы тестирования. Такие схемы не способны адекватно оценить обучающегося в силу его индивидуальных особенностей и имею-

щихся знаний. Кроме того, одна схема не может оценивать полученные ре-

зультаты обучения, осуществляемого с помощью различных форм. Требуется более тонкий подход, учитывающий как используемые формы обучения, так и индивидуальные особенности обучаемых, в основу которого может быть положена индивидуальная траектория тестирования (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Структура системы тестирования

При построение индивидуальной траектории тестирования учитываются полученные компетенции и форма обучения. Для учета компетенций обучае-

214

мого предполагается использование электронной карты, в которой фиксиру-

ются все полученные в ходе обучения и подтвержденные проверкой (тести-

рованием) знания (компетенции).

В этом случае возможны проверки только новых знаний, а также кон-

троль части ранее полученных и новых знаний.

Рассматриваемая система оценки результатов обучения (знаний, компе-

тенций) предполагает решение следующих задач:

оформление обучаемого (формирование электронной карты);

определение начального уровня знаний у обучаемого (формирование те-

кущей компетенции);

формирование индивидуальной траектории тестирования обучаемого;

наполнение оболочки индивидуальной среды тестирования;

реализация траектории тестирования;

формирование оценки обучаемого.

В перспективе оценка знаний должна строиться на основе методов из-

влечения знаний, которые могли бы полно отражать текущие компетенции обучающихся.

Использование формальных методов в виде сетей Петри [3,4] для синте-

за баз знаний с корректным содержанием может стать основой компьютер-

ных методов создания ИИС. Методы анализа описаний компетенций с ис-

пользованием дерева достижимости, матричной теории сетей Петри привле-

кают возможностью компьютеризации многих процессов.

215

5.2. Формирование репозитория учебных объектов

Репозиторий учебных объектов является важной составляющей ИОС. В

общем случае репозиторий является хранилищем учебных объектов, каждый из которых представляет собой пакет учебных материалов и, самое главное,

который может использоваться многократно [9,19] и создаваться различными источниками. Для интеграции разнородных источников учебных объектов в репозитории целесообразно использовать методы онтологического инжини-

ринга. Онтологии учебных объектов строятся в соответствии со специфика-

циями SCORM [21]. Это дает возможность формировать индивидуальные траектории обучения в виде последовательности многократно используемых учебных объектов.

К настоящему времени сложилась определенная методология создания онтологий. Практическая разработка онтологии включает:

определение классов в онтологии;

расположение классов в таксономическую иерархию (ПОДКЛАСС-

НАДКЛАСС);

определение слотов и описание их допустимых значений;

заполнение значений слотов экземпляров.

Выполнив данную последовательность, можно создать базу знаний,

определив отдельные экземпляры этих классов, введя в определенный слот значение и дополнительные ограничения для слота.

Среди разработчиков сформировались некоторые фундаментальные правила разработки онтологии. Они выглядят довольно категоричными, но во многих случаях помогут принять верные проектные решения.

Не существует единственно правильного способа моделирования пред-

метной области – всегда существуют жизнеспособные альтернативы.

Лучшее решение почти всегда зависит от предполагаемого приложения и ожидаемых расширений.

Разработка онтологии – это обязательно итеративный процесс.

216

Понятия в онтологии должны быть близки к объектам (физическим или логическим) и отношениям в интересующей предметной области. Ско-

рее всего, это существительные (объекты) или глаголы (отношения) в

предложениях, которые описывают предметную область.

Для репозитория ИОС предлагается использование технологий Wiki и

языков разметки данных XML и YAML. Их применение для создания репози-

тория накладывает на этот процесс некоторые особенности. Основные этапы создания репозитория включают операции связанные с изучением предметной области, ее структуризацией на отдельные информационные единицы и пред-

ставление их в виде учебных объектов. В дальнейшем происходит наполнение репозитория. Для выполнения этой задачи необходим инструментарий, связы-

вающий учебные объекты и метаданные об учебных объектах.

Предлагаемый инструментарий, для создания репозитория учебных объ-

ектов, состоит из двух основных модулей (рис. 5.3): web-редактора метадан-

ных об учебных объектах (1) и редактора описаний учебных объектов Wiki (2), а также слоя интеграции двух модулей. Основу модуля описаний учеб-

ных объектов Wiki составляет технология Wiki и программное обеспечение для создания Wiki сайтов. Web-редактор использует XML/YAML как язык представления данных.

Пользователи

Рис. 5.3. Основные компоненты рассматриваемого репозитория

Наличие множества приложений для создания Wiki сайтов позволяет до-

статочно быстро создавать редактор описания учебных объектов с широкими

217

функциональными возможностями. В качестве примера может рассматривать-

ся программное обеспечение XWiki, которое находится в свободном доступе

(лицензия LGPL). XWiki реализовано на языке Java и может быть установлено практически на любой платформе, включая Windows и Linux. Среди основных функциональных особенностей XWiki можно отметить следующие:

–простота установки везде, где есть Java;

–поддержка синтаксиса Wiki и наличие мощного редактора WYSIWG;

–экспорт во множество форматов;

–поддержка различных СУБД для хранения данных;

–интернационализация и поддержка множества языков;

–авторизация пользователей;

–поддержка программных интерфейсов REST и XML/RPC API.

Редактор метаданных об учебных объектах также представляет собой

web-приложение. Это обусловило выбор широко распространенного языка

Ruby и инструментария Ruby on Rails для его разработки. В базовом варианте

Ruby on Rails поддерживает формат YAML и позволяет достаточно быстро создать в web-приложение с требуемым функционалом.

Использование web-технологий для построения пользовательского ин-

терфейса позволяет обеспечить прозрачную для пользователя интеграцию между модулями. Используя гиперссылки, пользователь может переходить с

HTML страницы описания учебного объекта в Wiki к HTML странице связей данного учебного объекта в модуле редактирования метаданных и обратно.

Разработка рассматриваемого инструментария может включать несколь-

ко этапов. При этом последовательность операций разработки инструмента-

рия не представляют собой жестко заданную последовательность: на каждом шаге разработки возможно возвращение на один или несколько предыдущих шагов, с учетом изменившихся условий и выявленных недостатках в запла-

нированной архитектуре. Ниже представлен набор основных операций, ис-

пользуемых при разработке инструментария:

218

проектирование общей архитектуры приложения, выделение модулей и отдельных компонент системы, описание интерфейса их взаимодей-

ствия;

выбор средств разработки для реализации отдельных модулей и компо-

нент. Изучение существующих программных продуктов, которые могут выполнять функции отдельных модулей;

разработка формата представления метаданных об учебных объектах в формате YAML;

разработка утилиты планирования на языке программирования Ruby для проверки используемого формата в YAML;

разработка web-редактора метаданных в формате YAML;

интеграция редактора метаданных и Wiki;

тестирование редактора метаданных и Wiki на примерах из различных предметных областей.

В разработке утилиты планирования, на языке программирования Ruby,

следует отметить удобство использования методологии TDD (Test-Driven

Development) или разработка через тестирование [22]. Основой данной мето-

дологии является использование коротких циклов разработки, в каждом из которых сначала пишется автоматический тест для требуемого функционала,

затем пишется код, который позволит пройти тест, и затем производится из-

менение кода к требуемым стандартам. Ключевыми преимуществами, кото-

рые достигаются при использовании данной методологии, можно отметить надежность получаемого кода, т.к. он фактически покрыт автоматическими тестами, а также возможность вносить изменения в код, в соответствии с ме-

няющимися условиями, без влияния на его стабильность. Любое негативное изменение в коде будет выявлено автоматизированными тестами. Разработка через тестирование также поощряет простой дизайн, т.к. очень трудно напи-

сать авто-тест для сложной и запутанной компоненты системы. При разра-

ботке модели репозитория применялась методология использования автома-

тических тестов. На рис. 5.4 представлен фрагмент кода автотеста [22].

219