Управление знаниями в информационно-образовательной среде

• Главная » Дистанционное обучение » Статьи по дистанционному обучению » Управление знаниями в информационно-образовательной среде

д.т.н., профессор И.П. Норенков

Автоматизация на основе применения компьютеров и вычислительных сетей проникает во все сферы жизни современного общества, связанные с использованием и переработкой информации. В первую очередь, информатизация на базе автоматизированных систем затронула процессы в производственной сфере. Появились автоматизированные системы проектирования, управления производством. технологическими процессами и др. В настоящее время все заметнее становится тенденция к информатизации сферы образования, особенно в связи с переходом к постиндустриальному обществу. Создаются электронные учебники, разрабатываются автоматизированные системы обучения, организуются виртуальные университеты, обсуждаются вопросы дистанционного образования.

Однако в силу очевидной сложности формализации процессов обучения и из-за новизны Internet-технологий эти проблемы находятся на начальной стадии своего решения, возможности современных информационных технологий используются в малой степени. Информатизация образования должна быть направлена, в первую очередь, на определение того, что нужно изучать в конкретных условиях, на обеспечение поиска, извлечения, передачи и представления знаний в системах дистанционного обучения (ДО).

Революционные изменения в сфере образования грядут по следующим причинам.

Первая причина связана с образовательными потребностями в постиндустриальном обществе. Нужны маршруты (траектории) обучения, соответствующие конкретным условиям, запросам и индивидуальным особенностям обучаемых. Сегодня электронные (сетевые) учебники отражают представления авторов, инвариантные к таким особенностям. Это соответствует стандартам традиционной системы образования. Однако в рамках концепции будущего открытого образования, осуществляемого по дистанционным технологиям, можно предвидеть появление большого числа пользователей, которых не удовлетворят существующие неадаптированные учебники.

Вторая причина связана с тенденциями развития информационных технологий, открывающих новые возможности в интеллектуализации автоматизированных систем и их пользовательского интерфейса. Глобальная сеть Internet открыла доступ к информационным серверам, находящимся в различных точках земного шара. Растет пропускная способность сетей, позволяя территориально разобщенным людям беседовать в реальном масштабе времени. Продолжает действовать так называемый закон Мура, по которому производительность ЭВМ увеличивается в два раза каждые полтора года. В конце 2000 г. корпорация Intel представила новый процессор Pentium 4 с частотой 1,5 ГГц. Дальнейший рост быстродействия позволит уже в ближайшее время создавать модели окружающей нас обстановки с сотнями предметов, с учетом влияния предметов друг на друга, с имитацией их перемещений, с включением в наблюдаемую на экране дисплея картину виртуальных собеседников. Все это открывает беспрецедентные возможности перед сферой образования в доступе к учебной информации и оптимизации форм ее представления.

Однако по мере расширения компьютеризации учебного процесса все заметнее становится дисбаланс между техническими возможностями хранения, передачи информации в телекоммуникационных сетях и ее представления в различных формах для воздействия на органы чувств человека, с одной стороны, и требованиями к содержанию информации в сетевых серверах, к структурированию знаний и избирательного доступа к источникам знаний, с другой. Информационное наполнение сетевых серверов и эффективное управление знаниями является главной и, в то же время, наиболее трудной для реализации задачей в проблеме создания информационно-образовательных сред в компьютерных сетях.

В концепции будущего открытого образования [1] важным элементом является возможность выбора обучаемым средств, места и времени обучения, соответствующих его запросам. Это подразумевает наличие альтернативных учебных пособий и прикладного программного обеспечения, причем они должны быть согласованными по терминологии, системам обозначений, интерфейсам для создания нужных комбинаций учебных средств.

Для выполнения этих требований нужны новые методы структуризации и поиска информации в учебных серверах.

В данной статье излагается одна из возможных точек зрения на создание распределенной обучающей среды, интегрирующей знания определенных предметных областей.

Структура информационно-образовательной среды дистанционного обучения

Под информационно-образовательной средой (ИОС) дистанционного обучения (ДО) понимается совокупность учебных материалов, средств их разработки, хранения, передачи и доступа к ним, предназначенная для ДО.

Основу ИОС составляют электронные (сетевые) учебники. В системе полномасштабного ДО необходимо иметь электронные учебники по каждой дисциплине учебного плана.

Современный электронный учебник состоит из следующих частей [2].

Основная часть, излагающая содержание предмета, представленная в виде гипертекста с графическими иллюстрациями и, возможно, с аудио- и видеофрагментами.

Глоссарий.

Контрольные вопросы, упражнения и задания для практического освоения материала и самотестирования вместе с рекомендациями и примерами выполнения заданий.

Описания лабораторных работ с необходимыми ссылками на другие разделы сетевого курса, если в учебной программе такие работы предусмотрены. В описания лабораторных работ должны быть включены, кроме необходимого теоретического материала, также контрольные вопросы, сведения об используемом оборудовании и программно-аппаратном обеспечении, задание и форма представления результатов.

Разработка сетевого учебника – весьма дорогостоящая работа. Эту работу выполняют с помощью инструментальных средств.

Инструментальные средства – программное и информационное обеспечение, используемое для представления учебных материалов в форме, требуемой для использования в ИОС. По типу применяемых инструментальных средств различают технологии разработки сетевых курсов.

Инструментальные средства можно разделить на две группы:

• общедоступные средства, ориентированные на Web-технологии и не использующие дорогостоящих специальных средств;
• инструментальные средства, специально ориентированные на разработку сетевых курсов.

В первую группу входят сравнительно недорогие или свободно распространяемые программные продукты [3]. К ним относятся, например, редакторы HTML текстов, графические редакторы, конверторы форматов данных, возможно также применение средств создания аудио- и видеофрагментов. В этой технологии удается минимизировать первоначальные финансовые затраты, квалифицированные пользователи могут модернизировать и адаптировать созданные сетевые курсы. Однако создание сетевых курсов характеризуется при этом повышенными затратами времени.

Более быстрое создание сетевых курсов осуществляется с помощью интегрированных инструментальных сред, примерами которых могут служить Learning Space фирмы Lotus [4], ToolBookII компании Asymetrix [5], WebCT университета Британской Колумбии [6], AuthorWare компании Macromedia [7] и др. Имеющиеся в инструментальной среде средства позволяют решать вопросы представления учебного материала с выбором типов шрифтов, палитры цветов, расположения и насыщенности графических фрагментов, анимации, звукового сопровождения и т.п. в соответствии с рекомендациями, обеспечивающими продуктивную работу пользователей.

Сетевой учебник при своем использовании погружается в программно-информационную среду, выполняющую необходимые функции пользовательского интерфейса, телекоммуникационной связи "студент-лаборатория", "студент-преподаватель" и "студент-студент", доступа к индивидуальной рабочей тетради, содержащей график учебных занятий, результаты выполнения учебных заданий и другие заметки пользователя, связанные с изучением курса.

Практические работы, включая эксперименты и расчеты при курсовом и дипломном проектировании, могут выполняться в виртуальных или удаленных лабораториях.

Виртуальная лаборатория - учебное подразделение вуза, оснащенное компьютерным оборудованием и программным обеспечением, имитирующим процессы, протекающие в изучаемых реальных объектах. В виртуальных лабораториях характерно использование программ моделирования процессов в изучаемых или проектируемых объектах, но могут использоваться также математические пакеты, программы оптимизации, базы данных и другие компоненты программного и информационного обеспечения. Типичными примерами программного обеспечения для расчетов и анализа процессов в исследуемых системах могут служить математические пакеты типа MathCAD, программы анализа электронных схем PSpice, механических устройств Adams, систем с механическими, гидравлическими, электрическими и электронными элементами типа ПА9, логических схем на основе языка VHDL, программы моделирования полей физических величин по методу конечных элементов типа Ansys, программы геометрического моделирования и др.

и Удаленная лаборатория (лаборатория удаленного доступа) отличается от виртуальной лаборатории наличием реального учебно-исследовательского оборудования, к которому обеспечен дистанционный доступ.

Прикладные сетевые энциклопедии знаний

Использование современных инструментальных средств расширяет возможности представления учебного материала в нужной форме и облегчает работу студентов с созданным учебником. Однако собственно работа авторов по подбору материалов и их изложению, определяющая содержание учебника, остается традиционной. В результате традиционного подхода сроки написания учебников остаются излишне большими, а их содержание оказывается ориентированным на условия обучения, усредненные по запросам обучаемых и уровню их предварительной подготовки без учета индивидуальных особенностей каждого студента.

В то же время по большинству предметов в современной системе образования имеется несколько пособий разных авторов, изданных разными вузами, эти пособия текстуально различны, но по своему содержанию во многом дублируют друг друга. Адаптация содержания пособий к конкретным запросам на образовательные услуги не предусматривается.

Создание сетевых учебников на основе преобразования таких пособий не может в достаточной мере удовлетворить требования, предъявляемые к учебным материалам в сфере дистанционного обучения. В частности, значительные усилия приходится затрачивать на сопровождение каждого учебника, особенно в динамично развивающихся приложениях. Причем внесение в учебник изменений и дополнений в соответствии с авторским правом разрешается только самим авторам, что не всегда осуществимо.

Разработка содержания учебников и их версий, адаптированных под конкретные запросы, оказывается существенно проще при наличии информационных моделей предметных областей (приложений) и специальных предметных баз знаний в виде сетевых энциклопедий.

Основой для создания информационно-образовательных сред для ДО на основе сетевых энциклопедий является структурирование знаний, унификация интерфейсов структурных единиц и построение системы управления структурированными знаниями. Возникающие здесь проблемы напоминают аналогичные проблемы построения систем управления данными в автоматизированных промышленных системах, хотя управление слабоструктурированными знаниями в системе ДО выглядит более сложной задачей, чем управление фактографическими данными о промышленной продукции.

Структурирование учебного материала заключается в его разделении на модули. Каждый модуль дополняется спецификацией, включающей интерфейсные и регистрационные атрибуты. Интерфейсные атрибуты служат для согласования данного модуля с другими модулями в составе компилируемых учебных пособий и включают списки терминов, специфичных для данной предметной области и используемых символических обозначений величин. Особо выделяются термины и понятия, определяемые в модуле. Примерами регистрационных атрибутов могут служить имена авторов модуля, даты внесения изменений, данные о сертификации модуля и т.п.

Сетевая энциклопедия представляет собой совокупность учебных модулей вместе с соответствующей системой управления. Для каждой темы учебных программ в энциклопедии желательно иметь несколько модулей в целях обеспечения адаптации к конкретным условиям обучения. Модули будут различаться методическими особенностями, подробностью и стилем изложения материала, ссылками на те или иные примеры и т.п. Система управления выполняет такие функции, как управление версиями учебника, ведение словарей, управление гиперссылками, согласование форматов данных, регистрация модулей, интерфейс с пользователем на языке, близком к естественному, и др.

Из модулей энциклопедии компилируются учебные пособия, причем компиляция возможна на трех уровнях [8]. Первый уровень относится к ресурсному центру ДО, который создает и рекомендует некоторую базовую версию сетевого учебника. На втором уровне имеется возможность формирования адаптированных версий учебника локальными преподавателями, имеющими дело с конкретными группами обучаемых. На третьем уровне сами обучаемые компилируют свои индивидуальные версии, которые можно рассматривать как конспекты курса. При таком подходе появляется категория авторов-составителей электронных пособий, при естественном сохранении авторских прав на модули у их разработчиков, желательно наличие системы сертификации скомпилированных версий.

Отметим основные преимущества подобной информационно-образовательной среды ДО:

Существенное упрощение и ускорение разработки новых учебных пособий, соответствующих новым достижениям науки и техники, изменившимся запросам промышленности, потребностям новых нарождающихся дисциплин и т.п., поскольку значительная часть нового пособия может покрываться имеющимися модулями.

Легкость сопровождения сетевых учебников, поскольку локальные преподаватели могут самостоятельно вносить изменения, создавая свои версии пособий путем замены или добавления модулей, в том числе модулей собственной разработки.

Расширение возможностей оптимизировать информационную поддержку выбранной студентами траектории обучения в системах открытого образования.

Для поддержки рассмотренной ИОС в системе управления знаниями необходимо иметь средства автоматического формирования интерфейсов на основе глоссариев и согласования модулей в составе версий на основе интерфейсных атрибутов. Очевидным фактором, способствующим согласованию модулей, является стандартизация терминов, их определений внутри приложений, преобразование предметных указателей в словари типа прикладных протоколов STEP.

Структурирование знаний и построение ИОС в виде сетевых энциклопедий является первым, но весьма полезным шагом на пути дальнейшей интеллектуализации систем ДО. Будущие системы будут способны в среде виртуального учебного класса вести диалог с обучаемым, определять его текущие потребности и автоматически формировать порции учебного материала, удовлетворяющие эти потребности. Создание первых сетевых энциклопедий приближает появление интеллектуальных систем ДО. 

Литература

1. Открытое образование: предпосылки, проблемы, тенденции развития / Под ред. В.П. Тихомирова // Изд-во МЭСИ, М.: 2000.
2. Усков В.Л. Дистанционное инженерное образование на базе Internet/Библиотечка журнала "Информационные технологии", 2000, № 3.
3. Путилов Г.П. Концепция построения информационно-образовательной среды технического вуза/ М.: МГИЭМ, 1999.
4. http://www.lotus.com/learningspace
5. http://www.asymetrix.com
6. http://www.webct.com
7. http://www.macromedia.com
8. Норенков И.П. Концепция модульного учебника. – Информационные технологии, 1996, № 2.

Инженер Электронный журнал