Разработка образовательной среды для дистанционного обучения по дисциплинам Компьютерная графика и Системы искусственного интеллекта. Геометрические преобразования

Разработка образовательной среды для дистанционного обучения по дисциплинам Компьютерная графика и Системы искусственного интеллекта. Геометрические преобразования

1. ВВЕДЕНИЕ

Область применения созданного программного продукта - дистанционное

образование по специальности 220400 "Программное обеспечение вычислительной

техники и автоматизированных систем" для дисциплин, связанных с

компьютерной графикой и искусственным интеллектом. Возможно использование

для других специальностей и других форм обучения, а также всеми желающими

более детально изучить отдельные вопросы машинной графики, представления и

использования знаний.

Область создания образовательных программ освоена достаточно широко,

разработана масса обучающих программ, в частности, проект "Создание единой

образовательной системы дистанционного образования (СДО) для технических

университетов России. " Однако ранее разработанные СДО обладают целым рядом

недостатков:

- жесткая привязанность к предметной области;

1. жесткая структура программы, исключающая ее модификацию поль

зователем;

2. жесткий курс обучения исключающий возможность его пополнения и

перенастройки.

Основной недостаток этих программ - обучение фактически заменяется на

демонстрацию пользователю некой информации из предметной области без

контроля обучаемого и привития практических навыков, в лучшем случае это

наличие контрольных вопросов по теоретическому курсу.

Ожидаемые результаты работы созданной образовательные среды

"Геометрические преобразования" для дисциплины "Компьютерная графика" и

"Продукционные системы" для дисциплины "Системы искусственного интеллекта"

— повышение эффективности восприятия информации и привитие практических

навыков. А также увеличение времени затраченного преподавателем на

разработку курса за счет уменьшения затраченного преподавателем времени на

представление информации и привитие практических навыков у студентов.

Научно-техническая и практическая ценность ожидаемых результатов работы.

Научно-техническая ценность результатов связана с разработкой

методических рекомендаций и инструкций по созданию образовательных сред для

различных специальностей.

Практическая ценность связана с созданием образовательных средств для

конкретных дисциплин и использование СДО в учебном процессе.

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2. 1. Анализ существующих подходов, моделей, методов

Программное обеспечение для компьютеризованного обучения прошло в своем

развитии несколько этапов. На первом этапе использования ЭВМ в учебном

процессе разрабатывались программы автоматизации отдельных этапов

расчетных, проектных, графических и других работ в ходе лабораторных и

практических занятий, курсового и дипломного проектирования. В это же время

появились первые программы контроля и оценки знаний обучаемых,

программированного обучения в тестовом режиме. Позже акцент сместился к

разработке программного обеспечения автоматизированных обучающих систем,

обеспечивающих не только обучение конкретным знаниям, но и проверку ответов

обучаемых интеллектуальную их интерпретацию, возможность подсказки и другие

функции. На этом этапе была осознана необходимость интерактивных режимов

работы, использования средств машинной графики и методов искусственного

интеллекта, а также наличие инструментальных средств разработки обучающих

программ. Следующий этап связан с новым содержанием, вкладываемым в понятие

компьютеризованного обучения, а именно с дистанционным образованием.

Автоматизация проектирования и разработки программного обеспечения

образовательных сред дистанционного образования требует разграничения между

программными средствами, обеспечивающими коммуникационную инфраструктуру

для образовательных технологий ДО, специализированными информационно-

образовательными средами и курсами ДО и инструментальными средствами

разработки обучающих программ ДО. Именно последняя группа в форме

интегрированной системы принимается как базовое программное обеспечение ДО.

К основным видам компьютерных программ, разработанных для

усовершенствования учебного процесса относятся следующие:

- электронный учебник;

1. образовательная среда;

2. лабораторный практикум;

1. тренажер;

2. контролирующая программа;

- база данных.

Цель анализа - определение функциональных характеристик, функциональных

и структурных составляющих обучающего ПО с учетом потребностей

дистанционного образования.

2. 1. 1. Электронный учебник

Электронный учебник - программно-методический комплекс, обеспечивающий

возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. Он

соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника, задачника и

лабораторного практикума.

Следует выделить два из основных требований к электронным учебникам:

— электронный учебник должен позволять изучить курс, пользуясь только

книгой и входящим в учебник ПО;

- электронный учебник должен предоставлять обучаемому оптимальное

сочетание различных способов изучения курса.

Можно отметить следующие особенности методологического подхода,

основанного только на электронном учебнике.

- Необходимость обеспечения самостоятельного освоения материала

полностью исключает преподавателя из процесса обучения, оставляя

за ним решение учебно-методических задач на стадии создании элек

тронного учебника и настройки ПО на конкретный учебный процесс.

Требование о предоставлении обучаемому оптимального сочетания

различных способов изучения курса приводит к необходимости реали

зации в ПО электронных учебников различных методических прие

мов, доступных преподавателю-разработчику, что влечет за собой ус

ложнение структуры и громоздкость ПО. Но при этом обучаемый сам

выбирает кажущуюся ему удобной форму обучения, тогда как это

должен делать преподаватель или обучающая программа при условии

формирования в ней модели обучаемого.

- Следствием вышесказанного является высокая стоимость разработок:

- затраты на разработку ПО, обеспечивающего 1 час курса, оценены в

10 тысяч долларов США; - затраты на разработку 6-семестрового

автоматизированного курса по высшей математике оцениваются в 3-5

миллионов долларов США.

- Многие проблемы, перечисленные выше, могут быть решены при ис

пользовании методов искусственного интеллекта на этапе формирова

ния учебного материала и сценария учебника.

- Использование методов искусственного интеллекта позволяет значи

тельно повысить гибкость и сравнительно легкую модифицируемость

сценария электронного учебника.

- Занимательность представляемого учебного материала обеспечивается

использованием средств машинной графики, а простота работы с ПО

поддерживается специально разрабатываемыми интерфейсами обучаемого.

- В большинстве действующих ПО электронных учебников существует база

данных контроля знаний обучаемых.

2. 1. 2. Образовательная среда

Следующим видом компьютерных обучающих программ являются образовательные

среды - обучающее ПО, которое позволяет оперировать с объектами

определенного класса. Среда реализует отношения между объектами, операции

над объектами и отношениями, соответствующие их определению, а также

обеспечивает наглядное представление объектов и их свойств. Обучаемый

оперирует объектами среды, руководствуясь методическими указаниями в целях

достижения поставленной дидактической цели, либо производит исследование,

цели и задачи которого поставлены обучаемым самостоятельно. Особенности

методологии образовательных сред:

- образовательная среда как средство обучения предоставляет возможность

развития наивысших, продуктивных форм мышления;

1. основной функцией ПО образовательной среды является моделирование;

2. визуализация процесса моделирования требует использования разнообраз

ных средств машинной графики;

3. достижение реальной самостоятельности обучаемого возможно при исполь

зовании методов искусственного интеллекта, для чего необходимо: - час

тично заменить алгоритмическую часть ПО образовательной среды на дек

ларативное описание в форме базы знаний; - заменить частично управляю

щую часть ПО образовательной среды механизмом логического вывода; -

предоставить обучаемому возможность изменения содержания базы знаний;

4. образовательная среда ориентирована на самостоятельную работу, но тем не

менее должна иметь определенные виды контроля или протоколирования

действий пользователя, что с применением методов искусственного интел

лекта поможет сформировать модель обучаемого.

2. 1. 3. Лабораторный практикум

ПО лабораторного практикума служит для проведения наблюдений над

объектами, их взаимосвязями или некоторыми их свойствами, для обработки

результатов наблюдения, для их численного и графического представления и

для исследования различных аспектов использования этих объектов на

практике.

Одно из основных требований к лабораторному практикуму имеет следующий

вид: должны быть четко определены цели эксперимента, описаны средства и

методики проведения эксперимента, методы обработки и анализа

экспериментальных данных, формы отчета.

Следует отметить, что лабораторный практикум по своему определению и

поставленным целям должен быть составной частью образовательной среды.

Функции включаемых в ПО лабораторных практикумов средств машинной

графики должны включать возможности деловой и научной графики для

визуализации различных графиков, кривых, поверхностей и других абстрактных

математических объектов. ПО лабораторного практикума должно включать

средства редактирования для представления отчета и определенные виды

контроля выполненного задания.

2. 1. 4. Тренажер

ПО тренажеров служит для обработки и закрепления технических навыков

решения задач. Тренажеры обеспечивают получение теоретической информации и

описание приемов решения задач, тренировку на различных уровнях

самостоятельности, контроль и самоконтроль и должны включать следующие

режимы работы: теория, демонстрация примеров, работа с репетитором,

самостоятельная работа, самоконтроль.

Среди основных требований к ПО тренажеров выделим следующие:

1. в режиме репетитора желательно предусмотреть все возможные пути

решения;

2. путь продвижения должен определяться самим обучаемым.

Особенности методологии тренажеров.

1. Желание «предусмотреть все возможные пути решения» значительно

усложняет ПО тренажеров и реально достижимо только для формали

зованных задач и алгоритмов.

2. ПО тренажера должно включать средства редактирования и базу кон

троля знаний.

3. Обучаемый должен решать только те задачи, которые предлагает тре

нажер, и не может самостоятельно сформулировать аналогичную за

дачу для решения, что вызвано отсутствием интеллектуализации ПО

тренажеров.

— Интеллектуализация тренажеров для повышения самостоятельности действий

обучаемого и одновременное усложнение решаемых задач трансформирует

тренажеры в образовательные среды.

- Расширение круга задач, навыки решения которых отрабатывает и за

крепляет тренажер, требует использования средств машинной графи

ки.

- требование о возможности получения любых комплексных справок по

всему курсу максимально увеличивает трудоемкость разработки требуемых

баз данных;

— решение указанных проблем возможно путем использования

интеллектуальных баз данных текстового типа.

Все современные концепции построения обучающих систем при их глубоком,

осмысленном представлении достаточно примитивны по своей сути. Если

исключить из рассмотрения безусловно красивый, но для нас в данном случае

совершенно неважный интерфейс, исключить обилие выводимого оцифрованного

видеоизображения, звуковые эффекты и т. п., то большинство современных

обучающих систем функционируют по приблизительно одной нехитрой стратегии.

Суть ее состоит в следующем: обучаемому предоставляется достаточно

широкий информационный канал, по которому он получает информацию

обучающего, а скорее познавательного характера. В данном случае обучаемому

уготована роль стороннего наблюдателя за происходящим, что в совокупности с

обилием выдаваемой информации приводит к тому, что постепенно человек

запутывается в этом информационном потоке, либо что-то пытается усвоить и

часто формирует у себя неверное представление о предмете, изучаемым таким

образом.

Кроме того, даже в случае успешного запоминания обучаемым переданного

материала вероятность того, что он сможет использовать его в дальнейшем без

посторонней помощи достаточно невелика. Дело в том, что после выдачи всей

обучающей информации большинство обучающих систем в лучшем случае проводит

небольшое контрольное тестирование по теоретическим вопросам или

стандартным задачам, описанным же в выдаваемой информации. Таким образом,

получив достаточный объем обучающей информации, пусть даже в виде прекрасно

подготовленного курса, по конкретной теме, обучаемый по окончании работы с

системой не имеет достаточного практического опыта для применения на

практике полученных знаний и дальнейшем ему могут понадобится

дополнительные практические занятия или непосредственные занятия с

преподавателем - составителем учебного курса для системы дистанционного

образования, что в конечном итоге сводит на нет всю ценность разработанной

обучающей системы и ставит под сомнение смысл ее разработки.

Для устранения указанных недостатков в разработанной системе

дистанционного образования изначально была заложена принципиально иная

концепция, в основном направленная на формирование у обучаемых достаточно

хороших практических навыков по изучаемым курсам. Этой цели подчинены 75%

режимов работы созданной системы.

Разработчиками сделана попытка заложить в разработанную систему некоторую

универсальность путем определения в ней некоторого расширяемого небольшого

набора примитивов: "текст", "рисунок", "трехмерная модель объекта", что

позволяет достаточно легко перенастраивать систему на ряд "родственных"

курсов, а при расширении количества примитивов расширяется список возможных

дисциплин, которые могут быть заложены в систему. Очевидно, что указанная

универсальность довольно относительна и создать универсальную обучающую

систему с широкими возможностями по привитию практического опыта если и

возможно, то весьма проблематично.

В данном случае такой задачи и не ставилось, разработанная система

изначально предполагалась для дисциплин "Компьютерная графика" и "Системы

искусственного интеллекта" а также для близких с ними дисциплин.

Использование одного и того же набора примитивов для создания курсов по

указанным дисциплинам привело к тому, что при последовательном их изучении

происходит плавный переход от одной дисциплины к другой. Часть указанных

примитивов имеет режим динамической работы с ними. Интерактивная работа с

примитивами более интересна обучаемому, нежели простое созерцание

выдаваемой информации по его чисто человеческой природе, что положительно

сказывается на повышении эффективности обучения.

Кроме новизны самой концепции построения обучающей среды, в

разработанной системе заложен целый ряд новых подходов и методов,

применительно к конкретным рассматриваемым дисциплинам ("Компьютерная

графика" и "Системы искусственного интеллекта").

Геометрическая модель вводится как совокупность изменяемых и

неизменяемых структур данных, однозначно определяющих моделируемый

трехмерный объект. Изменяемая компонента структур данных модели определяет

привязку объекта к системе отсчета. Неизменяемая компонента определяет

характеристики самого объекта с помощью топологических элементов и

отношений между ними. Изменяемая информация задается линейной списковой

структурой дескриптором вершин 8(Х, У, 2), содержащим координаты каждой

вершины. Неизменяемая информация представляется отношениями между

топологическими элементами моделируемого объекта.

Получение искомого геометрического преобразования происходит посредством

накапливания элементарных преобразований в матрице результирующего

преобразования при последовательном ее домножении на матрицы элементарных

геометрических преобразований.

Опыт обучения вопросам геометрических преобразований показывает, что

рассматриваемые в среде задачи, соответствующие алгоритмам геометрических

преобразований следует распределить по трем уровням сложности следующим

образом:

высший получение любого преобразования относительно произвольной плоскости,

заданной несколькими способами.

средний получение любого преобразования относительно произвольной

прямой.

низший получение любого преобразования относительно произвольной точки,

а так же элементарные геометрические преобразования.

Основным связывающим звеном между дисциплинами "Компьютерная графика" и

"Искусственный интеллект" является способ решения задач геометрических

преобразований с помощью механизма логического вывода продукционных систем.

При всем разнообразии задач геометрических преобразований их решение

процедурными методами привело бы к значительному увеличению объема и

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7