CC BY
140
// Сборники конференций НИЦ Социосфера. 2017. № 20. С. 52-54.
13.Куприянов Р.В., Виленский А.А., Куприянова Н.Е. Болонский процесс в России: специфика и сложности реализации // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 20. С. 412416.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-07-00611А).
Сведения об авторах
Ольга Аркадьевна Шабалина
к.т.н., доцент
Волгоградский Государственный Технический Университет, каф. САПР и ПК пр. Ленина, 28, Волгоград, 400005 Эл. почта: O.A.Shabalina@gmail.com Александр Георгиевич Давтян к.ф.-м. н.
Московский физико-технический институт.
ул. Максимова, Москва, 123098
Эл. почта: agvs@mail.ru
Наталья Петровна Садовникова
д.т.н.
Волгоградский Государственный Технический Университет, каф. САПР и ПК пр. Ленина, 28, Волгоград, 400005 Эл. почта: npsn1@ya.ru
Information about authors
Olga Arkadyevna Shabalina
Ph.D., associate professor
Volgograd State Technical University
kaf CAD and PC
28 Lenin Ave., Volgograd, 400005
E-mail: OA.Shabalina@gmail.com
Alexander G. Davtyan
Ph.D.
Moscow Institute of Physics and Technology.
st. Maksimova, Moscow, 123098
E-mail: agvs@mail.ru
Natalya Petrovna Sadovnikova
Doctor of Technical Sciences
Volgograd State Technical University
kaf CAD and PC
28 Lenin Ave., Volgograd, 400005
Al. Email: npsn1@ya.ru
УДК 004.4 О.А. Шабалина1, А.Г. Давтян2, А.В. Катаев1, А.А. Алимов1
1.Волгоградский Государственный Технический Университет 2.Московский физико-технический институт
АДАПТИВНЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ ИГРЫ КАК ТРЕНД РАЗВИТИЯ ОБУЧАЮЩЕГО ПО
Обучающие системы являются одним из наиболее динамично развивающихся видов ПО, востребованность в которых в условиях развития электронного и дистанционного обучения, внедрения системы непрерывного образования, повышения квалификации, переквалификации, и дигитализации образовательной сферы в целом, постоянно возрастает. Одной из наиболее востребованных категорией обучающих систем являются обучающие компьютерные игры. Новым шагом в разработке обучающих компьютерных игр является персонификация процесса обучения в игровом контексте, т.е. разработка адаптивных обучающих игр. Исследования в области разработки адаптивных обучающих игр развиваются по двум направлениям. Первое направление связано с использованием успешныхрешений по разработке адаптивных обучающих систем для разработки адаптивных обучающих игр. Однако прямой перенос моделей и методов, разработанных для обучающих систем, в обучающие игры, существенно ограничивает возможности обучающих игр и снижает их привлекательность с точки зрения игровой компоненты. Второе направление рассматривает адаптивные обучающие игры как самостоятельный класс программного обеспечения, требующий разработки оригинальных решений, учитывающих специфику этого класса. В статье рассмотрены этапы развития обучающих программных приложений, модели, методы и технологии, применяемые для их разработки, их возможности и ограничения с точки зрения применения в разработке адаптивных обучающих игр.
Ключевые слова: обучающая система, адаптивная обучающая система, компьютерная игра. обучающая игра, адаптивная обучающая игра.
O.A. Shabalina1, A.G. Davtyan2, A.V. Kataev1, A.A. Alimov1
Volgograd State Technical University 2Moscow Institute of Physics and Technology
ADAPTIVE TRAINING GAMES AS A TREND OF DEVELOPMENT OF A TRAINER
Learning systems are one of the most dynamically developing types of software, the demand for which is constantly because of the development ofelectronic and distance learning, the introduction of a system of lifelong education, advanced training, retraining, and digitalization of the educational sphere as a whole. Educational computer games are one of the most popular categories of learning systems. A new step in the development of educational computer games is personification of the learning process in the game context, i.e. development of adaptive learning games. Studies in adaptive learning games design are developing in two directions. The first direction is focused on the use of successful solutions in the development of adaptive learning systems for the development ofadaptive educational games. However, direct transfer of models and methods developed for leanring systems into learning games essentially limits the possibilities of educational games and reduces the attractiveness of the game. The second area considers adaptive learning games as an independent category of software that requires the development of original solutions that take into account the specifics of this category. The article considers the educational software development stages, models, methods and technologies used for the development, their capabilities and limitations in terms of using in adaptive learning games development.
Keywords: learning system, adaptive learning system, computer game, educational game, adaptive learning game.
Введение
К обучающему программному обеспечению (ПО) относят программные продукты, главным назначением которых является обучение и/или развитие некоторых навыков. Обучающие системы являются одним из наиболее динамично развивающихся видов ПО, востребованность в которых в условиях развития электронного и дистанционного обучения, внедрения системы непрерывного образования, повышения квалификации, переквалификации и дигитализации образовательной сферы в целом, постоянно возрастает.
Современные тенденции развития ПО связаны с персонификацией процессов взаимодействия пользователей с системой, Системы, способные наблюдать за действиями пользователей и приспосабливаться к их возможностям и потребностям, принято называть адаптивными системами. Особенно актуальной является задача поиска адаптивных программных решений для обучающих систем, так как от этого напрямую зависит качество результатов обучения, и, соответственно, эффективность самой системы.
Одной из наиболее востребованных категорией обучающих систем являются обучающие компьютерные игры. Сфера разработки обучающих компьютерных игр давно и активно развивается, разработаны модели, методы и технологии интеграции обучающего контента в игровой контекст.
Новым шагом в повышении качества обучающих компьютерных игр является персонификация процесса обучения в игровом контексте, т.е. разработка адаптивных обучающих игр. В статье рассмотрены этапы развития обучающих программных приложений, модели, методы и технологии, применяемые для их разработки, их возможности и ограничения с точки зрения применения в разработке адаптивных обучающих игр.
Тенденции развития обучающих систем
Под обучающей системой принято понимать программное приложение, предназначенное для поддержки самостоятельного изучения и тренировки навыков в различных предметных областях. Сфера разработки обучающих систем давно и активно развивается и хорошо систематизирована. К настоящему времени накоплен большой опыт, как в области теоретических исследований, так и в области практической разработки обучающих систем. Ключевым этапом разработки обучающей системы является разработка способа представления изучаемой области знаний. Для преставления знаний в обучающих системах используют модели предметной области (Knowledge Domain model). В большинстве случаев, модель предметной области представляется графом общего вида, задающим конечное множество фрагментов знаний, составляющих содержание области знаний, и связи между фрагментами, отражающие логику ее освоения. Для отражения структурных особенностей области знаний граф может наделяться дополнительными
свойствами. Некоторые обучающие системы сохраняют также информацию о динамике состоянии пользователя в процессе взаимодействия с системой в модели (профиле) пользователя (Learner model, Learner profile). Но стратегия обучения в обучающих системах задаётся априори и не зависит от состояния пользователя и текущих результатов его обучения.
Стремление к повышению эффективности обучающих систем привело к появлению адаптивных обучающих систем, обеспечивающих персонификацию процесса обучения. Современные подходы к разработке адаптивных систем основаны на выделении трех составляющих: модель предметной области, модель обучаемого и адаптационная модель (Adaptation model). В модели обучаемого хранятся некоторые его характеристики, которые учитываются при адаптации. В качестве характеристик обучаемого в большинстве систем используются текущие знания обучаемого и цели обучения. В некоторых системах в модели обучаемого хранятся также такие характеристики обучаемого, как стиль обучения, интересы, предыдущий опыт и т.д. Модель обучаемого может быть связана с моделью предметной областью, к таким моделям относятся векторные, стереотипные, оверлейные модели. Модели, отражающие такие характеристики обучаемого, как цели, интересы, предыдущий опыт, и т.д., могут быть не связаны с моделью предметной области. Адаптационные модели относятся к классу поведенческих моделей. Известные подходы к построению таких моделей в большинстве своем основаны на правилах, причинно-следственных связях, т.е. способах, основанных на механизмах логического вывода. Определение логики адаптации зависит от выбранной модели обучаемого.
Компьютерные игры приставляют собой также хорошо изученный самостоятельный класс программных систем. Данные в компьютерной игре классифицируются по следующим группам: механики игры, контент игры, данные профиля игрока, настройки игры, общая игровая статистика, состояние игры (прогресс). Способы формализации и хранения данных зависят от конкретной реализации игры. Контент игры - это заранее определенные ресурсы: графические и аудио-файлы, сценарий. Профиль игрока содержит данные, которые вводит сам пользователь и которые практически не подвергаются изменениям. Настройки задают внешние параметры игрового процесса, такие как сложность или способы отображения информации. Игровая статистика хранит информацию о достижениях игрока за все время, эта информация может быть использована для показа адаптивных подсказок. Изменения в игровом мире и динамические свойства игрока сохраняются в состоянии игры. Если проводить аналогию перечисленных групп с моделями, применяемыми для разработки обучающих систем, то игровой контент по своему назначению соответствует модели предметной области; профиль игрока и игровая статистика, хранящие данные об игроке, соответствуют модели обучаемого; механика игры может быть соотнесена с моделью процесса обучения.
Адаптивные компьютерные игры, в дополнение к компонентам обычных игр, имеют встроенные механизмы изменения поведения игры в зависимости от текущих игровых результатов пользователя. Изменениям могут подвергнуться параметры игры, сценарий прохождения, контент игры. Простейшим свойством адаптации является изменение параметров: сложности игры или величины награды. С увеличением степени адаптивности может меняться сценарий прохождения игры пользователем. Адаптация контента игры подразумевает качественное изменение отдельных шагов сценария в соответствии с действиями пользователя. Технологии адаптации, применяемые в адаптивных играх, зависят от конкретной реализации игры.
Компьютерная обучающая игра представляет собой игру, имеющую обучающие цели. С другой стороны, обучающая игра может рассматриваться как обучающая система, в которой процесс обучения интегрирован в игру. Таким образом, обучающие компьютерные игры представляют собой объединение двух широко известных классов программных приложений: обучающих систем и компьютерных игр. Соответственно, для организации процесса обучения в обучающих компьютерных играх используют модели предметной области и модели сценария.
По способу представления предметной области можно выделить игры на основе имитационного моделирования, на основе ситуационного моделирования и на основе формально-логической модели. Имитационные модели реализуется в играх-симуляторах (simulator), которые моделируют реальные условия профессиональной деятельности специалиста в некоторой области знаний. Ситуационные модели используются в играх, в которых реализовано обучение на примерах (сase study-подход) с использованием возможностей компьютерных игр (организация диалогов, визуализация персонажей, событий и среды обитания и т.д.).В таких играх, как паззлы (puzzle games), игры на сопоставление объектов (matching games), различные варианты игр на тренировку памяти (memory games, brain training games) используется формально-логическая модель предметной области. Такие
игры основываются на проверке соответствия вводимых игроком данных заданным в системе паттернам. Введенные данные интерпретируются как высказывания на определенном языке, заданном грамматикой, формально-логическая модель используется для проверки истинности высказываний. Дополнительно, в обучающих играх разрабатываются способы интеграции модели обучающего контента в игровой сценарий, обеспечивающие целостность восприятия игры и возможность достижения целей обучения игровом контексте. Способ интеграции процесса обучения с игровым процессом определяется способом взаимодействия в игре игровых и обучающих действий, т.е. моделью сценария.
Традиционные компьютерные игры для повышения интереса игроков и разнообразности прохождения используют нелинейные сценарии, в которых сюжетная линия не предопределена заранее, а адаптируется к конкретному игроку. Желание повысить привлекательность обучающих игр и приблизить их по качеству к традиционным играм привело к появлению нового класса обучающих приложений - адаптивным обучающим играм. Адаптивная обучающая игра представляет собой адаптивную обучающую систему, персонифицирующую процесс обучения в игре за счет использования нелинейного сюжета. Однако, в отличие от традиционных компьютерных игр, где последовательность заданий ограничивается только логикой повествования, в адаптивных обучающих играх необходимо учитывать также взаимосвязь обучающих заданий и требуемых для их выполнения знаний. Для разработки адаптивных обучающих игр необходимо согласование моделей адаптации процесса обучения и игрового процесса, охраняющих баланс обучающей и игровой компонент.
Модели и технологии, применяемые для разработки обучающего ПО показаны на Рисунке 1.
Рис. 1. Модели и технологии обучающего ПО Модели и технологии в адаптивных обучающих играх
Исследования в области разработки адаптивных обучающих игр развиваются по двум направлениям. Первое направление связано с использованием успешных решений по разработке адаптивных обучающих систем для разработки обучающих игр. Однако опыт показывает, что прямой перенос моделей и методов, разработанных для адаптивных обучающих систем, в адаптивные обучающие игры, не всегда возможен. Адаптация к пользователю с точки зрения процесса обучения подразумевает разработку нелинейного обучающего сценария, а в обучающих играх обучающий сценарий так или иначе привязан к игровому. Поэтому разработка адаптивных обучающих игр в дополнение к задаче обеспечения баланса игровой и обучающей компоненты требует также разработки проектных решений по обеспечению совместимости нелинейных обучающего и игрового сценариев. Второе направление рассматривает адаптивные обучающие игры как самостоятельный класс программного обеспечения, требующий разработки оригинальных моделей и технологий, учитывающих специфику этого класса.
Разработка моделей предметной области для адаптивных обучающих игр требует в большинстве случаев серьезных усилий экспертов при разработке модели и обновления профилей игроков [1]. В [2] предложены методы автоматического поиска моделей обучаемого для создания моделей предметной области на основе Q -matrix метода. Q-матрица строится на основе результатов оценок тестирования студентов. В [3] разработан метод автоматического создания модели предметной области (e-Learning domain) на основе применения технологии text mining к журнальным и конференционным статьям, используемым как источники данных. Однако предложенный метод не учитывает результатов взаимодействия обучаемых с предметной областью. В [4] предлагается для построения модели предметной области использовать кривые обучения (learning curves). Похожий подход предложен в [5], в котором ищутся возможные пространства альтернативных моделей предметной области и находится лучшая по некоторому заданному признаку модель. Однако добавление новых концептов и отношений предметной области при этом не предусмотрено. В наиболее поздних работах для разработки модели предметной области предлагается использование концептуальных карт (concept maps) [6] и онтологий [7].
В работе [8] предлагаются различные модели обучаемого (игрока), разработанные для адаптивных игр. Модели адаптации для адаптивных обучающих игр используют подходы на основе педагогических агентов [9-11], технологии на основе игровых трасс и анализа агрегированных данных [12]. В [13] предлагается модель адаптации на основе адаптивного сценария (adaptive digital storytelling), в [14] метод построения адаптивных стратегий обучения в игре.
Наиболее общей моделью адаптации на сегодняшний день считается модель ALGAE (Adaptive Learning GAme dEsign) [15]. Модель объединяет в себе последние достижения в области разработки игр, стратегий обучения и адаптивного обучения и ориентирована на использование в игровой индустрии и научных кругах.
Заключение
В работе проведена систематизация моделей, методов и технологий, применяемых при разработке обучающих компьютерных приложений, и рассмотрена специфика разработки адаптивных обучающих игр как нового тренда в развитии обучающего ПО. Результаты исследования могут быть полезны разработчикам адаптивных обучающих приложений для изучения накопленного опыта, и также поиска новых решений, улучшающих качество разработки таких приложений и повышающих эффективность процесса обучения с применением адаптивных обучающих игр.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-07-01308а
Литература
1. Plamondon, K. E., Donovan, M. A., Pulakos, E. D., & Arad, S. Adaptability in the Workplace: Development of a Taxonomy of Adaptive Performance // Journal of Applied Psychology, 85, 2000, pp.612-624.
2. Barnes, T. The Q-matrix method: Mining student response data for knowledge // AAAI Workshop - Technical Report, WS-05-02, 2005, pp.39-46.
3. Chen, N. Kinshuk, Wei, C., Chen, H. Mining e-Learning domain concept map from academic articles // Computers and Education, vol. 50, no. 3, 2008, pp.1009-1021.
4. Martin, B., Mitrovic, A., Koedinger, K. R., & Mathan, S. Evaluating and improving adaptive educational systems with learning curves // User Modeling and User-Adapted Interaction, 21(3), 249283. doi: 10.1007/s11257-010-9084-2, 2011
5. Cen H., Koedinger K., Junker B. Learning Factors Analysis - A General Method for Cognitive Model Evaluation and Improvement // Intelligent Tutoring Systems. ITS 2006. Lecture Notes in Computer Science, vol 4053. Springer, Berlin, Heidelberg, 2006
6. Chen S., Sue P.-J. Constructing concept maps for adaptive learning systems based on data mining techniques // Expert Syst. Appl. 40, 7, 2013, pp. 2746-2755
7. Lopes, R., Bidarra, R. Adaptivity challenges in games and simulations: A survey // IEEE Transactions on Computational Intelligence and AI in Games 3(2), 2011, pp.85-99
8. Houlette, R. Player modeling for adaptive games // AI game programming wisdom 2. Hing-ham: Charles River Media, 2003
9. Hussaan, A. M., Sehaba, K., & Mille, A. Tailoring serious games with adaptive pedagogical scenarios: A serious game for persons with cognitive disabilities // Proceedings of the 2011 11th IEEE
International Conference on Advanced Learning Technologies, ICALT 2011, pp. 486-490. doi:10.U09/ICALT.201L152, 2011
10.Tumenayu, O. O., Shabalina, O., Kamaev, V., & Davtyan, A. Using agent-based technologies to enhance learning in educational games // Proceedings of the International Conference e-Learning 2014 - Part of the Multi Conference on Computer Science and Information Systems, MCCSIS 2014, 2014, pp.149-155
11.Tumenayu, O. O., & Shabalina, O. Digital educational games: Adopting pedagogical agent to infer leaner's motivation and emotional state // 7th European Conference on Games Based Learning, ECGBL 2013, 2013, pp.546-552.
12.Reuter, C., Mehm, F., Göbel, S., & Steinmetz, R. Evaluation of adaptive serious games using playtraces and aggregated play data // 7th European Conference on Games Based Learning, ECGBL 2013, 2013, pp.504-511.
13.Göbel, S., Mehm, F., Radke, S., & Steinmetz, R. 80 Days: Adaptive digital storytelling for digital educational games // CEUR Workshop Proceedings, 2009, p.498
14.Morizane, M., Nakano, Y., Shimohara, K., & Tanev, I. Personalized adaptive strategies in human-PC learning game // Proceedings of the ICCAS-SICE 2009 - ICROS- SICE International Joint Conference 2009, 2009, pp.2728-2731.
15. E. Lavieri Jr., E. D. A study of adaptive learning for educational game design // Colorado Technical University. ProQuest database, 2014.
Сведения об авторах
Ольга Аркадьевна Шабалина, к.т.н., доцент Волгоградский Государственный Технический Университет, каф. САПР и ПК пр. Ленина, 28, Волгоград, 400005 Эл. почта: O.A.Shabalina@gmail.com Александр Георгиевич Давтян, к.ф.-м.н., Московский физико-технический институт. Институт нано,-био, информационных, когнитивных и социогуманитарных технологий ул. Максимова, Москва, 123098 Эл. почта: agvs@mail.ru Александр Вадимович Катаев, к.т.н. Волгоградский Государственный Технический Университет, каф. САПР и ПК пр. Ленина, 28, Волгоград, 400005 Эл. почта: alexander.kataev@gmail.com А.А. Алимов, к.т.н.
Волгоградский Государственный Технический Университет, каф. САПР и ПК пр. Ленина, 28, Волгоград, 400005, Эл. почта: velorth@yandex.ru
Information about authors
Olga Arkadyevna Shabalina, Ph.D., associate professor Volgograd State Technical University kaf CAD and PC
28 Lenin Ave., Volgograd, 400005,
E-mail: O.A.Shabalina@gmail.com
Alexander G. Davtyan, Ph.D.,
Moscow Institute of Physics and Technology.
Institute of Nano, Bio, Information, Cognitive and Social
Humanitarian Technologies
st. Maksimova, Moscow, 123098
E-mail: agvs@mail.ru
Alexander Vadimovich Kataev, Ph.D.
Volgograd State Technical University
kaf CAD and PC
28 Lenin Ave., Volgograd, 400005
E-mail: alexander. kataev@gmail. com
A.A. Alimov, Ph.D.
Volgograd State Technical University
kaf CAD and PC
28 Lenin Ave., Volgograd, 400005, E-mail: velorth@yandex.ru
УДК 004.942 Е.А. Куликов, Я.В. Куликова, А.В. Матохина
Волгоградский Государственный Технический Университет
ИГРОВАЯ ПЛАТФОРМА С ЭЛЕМЕНТАМИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ ДЕТЕЙ С ОСОБЕННОСТЯМИ РАЗВИТИЯ
В статье описан метод обучения детей с особенностями развития техническим специальностям, рассмотрены положительные стороны и влияние современных технологий и игровой формы обучения, а также рассмотрена их практическая значимость.
Ключевые слова: дополненная реальность, обучение детей с особенностями развития, технология дополненной реальности, современные технологии в обучении, визуальное обучение, обучающие игры.
