CC BY
74
ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ В ИНФОРМАЦИОННОМ ОБЩЕСТВЕ
И.П. Норенков, д.т.н., проф.
Тел. (495) 263-62-90, E-mail: norenkov@wwwcdl.bmstu.ru А.М. Зимин, д.т.н., проф.
Тел. (495) 263-60-67, E-mail: zimin@power.bmstu.ru Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
http://www.bmstu.ru
The paper is devoted to some problems of development and application of information technologies in education. The problems are creation of electronic textbooks by special instrumental systems based on the ontology approach, intellectualization of learning tools, development of virtual and distance placed laboratories, etc. The remote access computer-aided laboratory courses help to essentially extend the list of experimental stands available for training and research experiments. They can be used both for distance learning, and for traditional training.
Информационные технологии активно внедряются в различные сферы деятельности человека, способствуют получению новых знаний и их применению на благо развития общества. Можно без преувеличения сказать, что под влиянием информационных и те-лекоммуникаци-онных технологий меняется облик мира. Это влияние заключается в формировании обширных электронных хранилищ знаний и доступе к ним в любое время и в любом месте, в беспрецедентных возможностях коммуникаций людей с помощью Интернета, в усилении интеллектуальных возможностей человека при принятии решений в процессах управления и проектирования и др.
Выпускники вузов должны быть подготовлены к активному участию в этих процессах, должны обладать знаниями и владеть навыками применения методов и средств информатики и вычислительной техники в решении профессиональных задач избранной ими специальности.
В высшей школе информатизация может оказать существенное влияние на методологию проведения учебного процесса, интенсификацию и углубление научных исследований, на эффективность управления вузами. Однако успешное использование этих возможностей зависит от достигнутого уровня развития образовательных ресурсов, от степени владения преподавательским корпусом вопросами информационных
технологий, от подготовленности преподавателей к созданию и применению образовательных ресурсов, от состояния информационной инфраструктуры вузов.
Основные задачи информатизации связаны с созданием и сопровождением образовательных ресурсов и обеспечением доступа к ним различных категорий людей, нуждающихся в получении образовательных услуг. В ближайшем будущем развитие образования, его соответствие современным требованиям в значительной мере будет определяться состоянием и качеством электронных образовательных ресурсов (ЭОР). Понимание важности развития информационных образовательных технологий и, в первую очередь, технологий создания и развития ЭОР находит отражение в ряде научно-исследовательских работ, выполняемых по действующим научно-техническим программам.
Особую значимость разработка электронных энциклопедий, учебников и учебных пособий приобретает для новых быст-роразвивающихся направлений подготовки кадров, относящихся к числу приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. Одно из первых мест в списке приоритетных направлений занимают информационно-телекоммуникационные системы.
Центральное место отведено разработке электронных образовательных ресурсов в виде баз учебных и научных материалов и
технологий формирования таких баз. Для создания баз образовательных и научных ресурсов требуется, во-первых, предварительное принятие решения по структуризации ресурсов, во-вторых, разработка информационно-образовательной среды, включающей специальные инструментальные системы формирования учебников и учебных пособий, программные средства виртуальных лабораторий и лабораторий удаленного доступа и собственно образовательные и научные ресурсы, как результат использования разработанных инструментальных систем.
Технологии создания образовательных ресурсов должны отвечать ряду требований. К важнейшим из них, которым в то же время в существующих технологиях создания ЭОР уделяется недостаточно внимания, относится требование малых затрат времени и средств на разработку новых версий электронных учебников и учебных пособий и, как следствие, обеспечение возможности адаптации ЭОР к особенностям специфических (в том числе, индивидуальных) запросов пользователей.
Действительно, большинство существующих технологий разработки ЭОР характеризуется направленностью на создание уникальных («монолитных») продуктов, проектируемых от начала до конца как оригинальные изделия. От разработки и производства монолитных изделий отказались в большинстве областей создания сложных систем и устройств в пользу применения изделий, собираемых из унифицированных компонентов под конкретное задание. Синтез пособий из предварительно разработанных компонентов ускоряет и удешевляет их получение, позволяет более гибко реагировать на практические потребности.
Основным недостатком «монолитных» электронных учебников и пособий является невозможность изменения содержания учебника пользователями, в число которых входят не только собственно обучаемые, но и преподаватели, ведущие учебный процесс с конкретными группами студентов. Как следствие, отсутствует возможность адаптации пособий к конкретным группам обучаемых, уровню их предварительной подготовки, появляется опасность использования морально устаревших средств.
Альтернативный способ создания учебных материалов основан на «сборке» пособий из отдельных предварительно разработанных элементов, называемых модулями
или разделяемыми единицами контента. Широко известный вариант модульной технологии реализован в стандарте SCORM, развиваемом организацией распределенного обучения ADL (Advanced Distributed Learning Initiative), курируемой департаментом политики в области науки и технологий в администрации Президента США и министерством обороны США. Другой вариант такой технологии назван технологией разделяемых единиц контента (ТРЕК) и является оригинальной разработкой МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Основные отличительные особенности ТРЕК обусловлены использованием онтологического подхода, в соответствии с которым обеспечивается логическая взаимосвязь между модулями, собираемыми в одном пособии. В ТРЕК база образовательных ресурсов, создаваемая для каждой предметной области, включает семантическую сеть понятий и множество основных и тестовых модулей. Благодаря онтологии достигается ряд преимуществ: обеспечиваются автоматическое преобразование текста в гипертекст, удобная навигация пользователя по сети понятий при компиляции новых учебных пособий, автоматическое упорядочение отбираемых пользователем модулей, контроль корректности структуры пособий и др.
Технология разделяемых единиц контента реализована в первой версии системы БиГОР (База и Генератор Образовательных Ресурсов), являющейся инструментальной средой и автоматизированной обучающей системой (http://bigor.bmstu.ru/).
Функциями системы являются создание и развитие базы учебных материалов, включая учебные модули и тезаурусы понятий; формирование новых электронных пособий из модулей базы; представление учебных материалов обучаемым в требуемой последовательности; навигация по сети понятий; оперативное получение информации в ответ на задаваемые вопросы и др. В настоящее время наполнение базы учебных материалов учебными комплексами (в виде онтологий и множеств модулей) осуществляется по дисциплинам направления подготовки «Информатика и вычислительная техника». В будущем возможно расширение базы учебных материалов применительно к другим направлениям подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов.
Применение БиГОР позволяет существенно ускорить и удешевить создание электронных учебников и пособий, что особенно
важно для быстроразвивающихся новых предметных областей и приложений, а также для предметов, преподаваемых многим категориям обучаемых с различными требованиями к глубине и подробности изложения материала.
Интеллектуализация образовательных технологий. При создании электронных учебников и пособий естественным образом используются технологии компьютерной графики, геометрического моделирования и мультимедиа. Но возможности применения компьютеров в процессе обучения не замыкаются только на формах представления ресурсов. Эти технологии способствуют эффективному усвоению знаний, однако не определяют содержание электронных учебных пособий (ЭУП) и способы доступа к знаниям. Остаются значительными затраты времени и средств на разработку учебников и пособий.
Дальнейшее развитие компьютерных средств и систем обучения идет по пути интеллектуализации электронных средств обучения. К интеллектуализации ЭУП относится ряд проблем. Это реализация интерактивных режимов обучения, создание баз учебных материалов как баз знаний, адаптация ЭУП к индивидуальным запросам пользователя, превращение компьютера в активного партнера обучаемого и др.
Потребности интерактивного взаимодействия пользователя с автоматизированной обучающей системой (АОС) прежде всего проявились в процедурах тестирования. Способы тестирования, заключающиеся в выборе одного из пунктов заранее подготовленного списка или требующие однозначного ответа, не позволяют в должной мере ни проверить фактические знания обучаемого, ни определить его способности к творческому мышлению. Для реализации интеллектуальных способов тестирования необходимо, как минимум, распознавание компьютером фраз естественного языка или некоторого его подмножества. Попытки создания таких подмножеств предпринимались неоднократно, однако их результаты сколько-нибудь широкого распространения не получили. Трудности здесь не в распознавании голоса, а в определении семантики фраз, состоящих из воспринятых слов.
Тем более проблематичным остается превращение компьютера в интеллектуального собеседника, не только распознающего отдельные фразы, но понимающего их смысл и способного адекватно реагировать
на поведение партнера в различных ситуациях. Создание таких интеллектуальных роботов-партнеров обучаемых принципиально возможно. В частности, для этого нужно, во-первых, существенно повысить быстродействие компьютеров по сравнению с сегодняшним уровнем, во-вторых, продолжить совершенствование онтологических и семантических систем, подобных семантическому Web.
Построение интеллектуальных тестирующих систем - только одно из направлений применения онтологий для интеллектуализации образования. Онтологии могут успешно применяться для поиска информации в базах знаний, кластеризации и классификации образовательных и научных ресурсов, поддержки принятия решений. Кроме онтологий, в автоматизированных обучающих системах перспективно использование и ряда других технологий интеллектуализации.
Существуют два подхода к построению интеллектуальных систем:
1. Интеллектуальная система имитирует решение задач человеком; например, в нейрокибернетике изучают способы реализации механизмов функционирования мозга в искусственных нейронных сетях, а в бионике воспроизводят явления живой природы в технических системах.
2. Интеллектуальная система рассматривает сложные задачи без соблюдения аналогий с решением этих задач человеком; аналогии имеют место в отношении результатов решения, но не процедур решения.
Для сферы образования первостепенное значение имеет проблема создания баз знаний и методов доступа к ним. К этой проблеме среди других относятся задачи кластеризации и классификации. Кластеризация нужна для структурирования баз знаний, а классификация - для пополнения баз и поиска ресурсов. Классификация - процедура отнесения заданного ресурса к одному из имеющихся кластеров или отнесение запроса на получение информации к определенной предметной области.
Одной из перспективных технологий интеллектуализации автоматизированных систем считается технология мультиагент-ных систем. Эта технология применяется для принятия решений в узлах распределенных информационных и вычислительных сетей. В мультиагентных системах управление осуществляется с помощью программ (агентов), обладающих способностями авто-
номной работы, обмена данными с внешней средой, принятия решений.
Примерами агентов в информационно-образовательных средах могут служить программы, выполняющие функции интерфейса, персонального обслуживания пользователей, групповой работы, поиска информации и др.
Лаборатории виртуальные и удаленного доступа. В технических и естественнонаучных университетах важную часть учебного процесса составляют лабораторные практикумы, научно-исследовательская работа, курсовое и дипломное проектирование. Традиционно эти работы выполнялись на реальном физическом оборудовании. В рамках компьютеризации появляется возможность часть работ непосредственно на реальном оборудовании заменить на математическое моделирование процессов или на дистанционный доступ к физическому оборудованию. В первом случае учебный процесс проводится в классе, на компьютерах которого установлены программы математического моделирования. Такой класс называют виртуальной лабораторией. Во втором случае аппаратура и программное обеспечение для дистанционного управления оборудованием называют лабораторией удаленного доступа (http://www.alpud.ru/).
Задачи моделирования и соответственно программно-методические комплексы анализа и моделирования подразделяются на группы, определяемые предметной областью и/или иерархическим уровнем описания исследуемого объекта. В области техники и технологий наиболее распространены программы моделирования объектов машиностроения, радиоэлектроники, микроэлектроники с использованием моделей с распределенными параметрами на микроуровне, с сосредоточенными параметрами на макроуровне, структурных моделей на функционально-логическом уровне и имитационных моделей на системном уровне с использованием математического аппарата соответственно решения дифференциальных уравнений с частными производными, систем алгебро-дифференциальных уравнений, логических уравнений, систем массового обслуживания. Кроме того, в системах проектирования и научных исследований применяют программное обеспечение оптимизации и структурного синтеза создаваемых технических объектов, комплексы компьютерной графики и геометрического моделирования, программы технологического про-
ектирования и др. Очевиден широкий спектр прикладных программ, которые желательно привлекать к учебному процессу в технических вузах. Их приобретение и последующее освоение оказываются не всегда по силам учебным заведениям. В этих условиях могут быть полезными математические пакеты или программные комплексы многоаспектного моделирования, учитывающие особенности моделей из многих приложений и иерархических уровней.
В ряде вузов создаются центры компетенции и учебно-научные центры совместно с ведущими компаниями-производителями и распространителями программного обеспечения или с компаниями, заинтересованными в приеме на работу выпускников учебного заведения. Подобные центры могут стать основой виртуальных лабораторий, функционирование которых может быть использовано в интересах не только конкретного вуза или специальности, но и более широкого круга обучаемых, например, в рамках объединений вузов, осуществляющих дистанционное обучение.
Поскольку реальное проектирование в промышленности в настоящее время является автоматизированным, в состав виртуальной лаборатории должны входить программы САПР. С учетом тенденций развития технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support) и PLM (Product Lifecycle Management) желательно иметь в лаборатории одну из программ PDM (Product Data Management) и средства поддержки лингвистического обеспечения CALS (языки Express или 3D-XML).
Для программ САПР характерна частая модернизация - новые версии продуктов выходят значительно чаще, чем могут готовиться и выпускаться традиционные учебные пособия. Эта одна из причин необходимости использования электронных пособий и применения технологий их подготовки, аналогичных применяемым в процедурах интегрированной логистической поддержки при разработке интерактивных электронных технических руководств для сложных промышленных изделий.
В связи с интенсивной разработкой методик использования в учебном процессе технологий дистанционного обучения все большее значение приобретают лаборатории удаленного доступа (ЛУД), которые проводят занятия на реальном физическом оборудовании для условий эксперимента, индиви-
дуально задаваемых самими обучающимися. Другие названия ЛУД, часто используемые в литературе, - автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом (АЛП УД), система автоматизированного лабораторного практикума, Интернет-лаборатория.
В лабораториях удаленного доступа исследования проводятся при территориальном разнесении экспериментатора и оборудования. Это позволяет использовать в учебном процессе уникальные установки и стенды, расположенные на значительном удалении от учебных классов, в том числе оборудование, непосредственный контакт с которым является небезопасным.
Задача создания и последующего коллективного использования ЛУД в целях существенного повышения уровня практической подготовки студентов является весьма актуальной для большинства вузов Российской Федерации. В связи с постоянно расширяющимся использованием глобальной сети Интернет не только для победителей конкурса инновационных программ, а практически для любых учебных заведений открываются возможности доступа не только к лабораторным установкам и новейшим методикам ведущих университетов РФ, но и к уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций, что позволяет включить их в активное проведение учебного процесса.
Целевое использование ресурсов глобальной сети Интернет существенно расширяет кругозор и исследовательские навыки специалистов в процессе обучения. При подготовке специалистов для ключевых наукоемких отраслей последнее обстоятельство является особенно важным, т.к. крупные уникальные установки требуют весьма больших капиталовложений и создаются только в единичных экземплярах.
В соответствии с разработанной концепцией использование ЛУД начинается с младших курсов, где наряду с традиционными формами лабораторных практикумов используется сетевой доступ к учебным стендам других университетов. Такие общие банки лабораторных практикумов существенно расширяют перечень доступных студентам экспериментальных стендов и допускают значительно большие возможности выбора при индивидуализации обучения. На старших курсах в практическую подготовку включаются лабораторные практикумы и учебно-исследовательская работа на уни-
кальных стендах ведущих научных организаций по соответствующему профилю знаний. В целом ряде направлений науки и техники (физика частиц высоких энергий, ядерная техника, физика плазмы, приемно-передающие устройства и др.) с учетом особых условий работы на уникальных стендах и наличием ряда опасных для человека факторов (высокие напряжения, СВЧ- и рентгеновское излучение, нейтронные потоки и т.п.) пультовая, оснащенная сложными дистанционными системами управления и диагностики, вынесена на достаточно большое расстояние от установки и отгорожена от нее различными защитными сооружениями. Методы измерения большинства параметров в таких системах являются бесконтактными.
В этих условиях сбор информации о протекающих процессах и управление таким сложным устройством производятся практически всегда дистанционно. Поэтому в подготовке специалистов для различных отраслей, и прежде всего, для энергетики, в учебно-исследовательском процессе должно большое внимание уделяться методам дистанционного управления экспериментом. Они, безусловно, должны применяться в сочетании с лабораторными и учебно-исследовательскими работами, проводимыми традиционным способом, но желательно, чтобы освоение новых информационных технологий в этом направлении не было какой-то кампанией в рамках того или иного проекта, а шло целенаправленно, начиная с применения ЛУД при изучении общих и общетехнических (или общефизических) дисциплин. В этих целях в МГТУ им. Н.Э. Баумана создана единая система ИНДУС для поддержки разработки и функционирования лабораторий удаленного доступа и на ее основе разработаны ЛУД по ряду учебных дисциплин (http://lud.bmstu.ru/).
В классических и технических университетах Российской Федерации разработаны и используются несколько десятков АЛП УД по различным дисциплинам. В условиях недостаточного количества учебников и учебных пособий по соответствующей проблеме Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана и Московский энергетический институт (технический университет) создали специализированный сервер, на котором размещены материалы по АЛП УД (http://www.alpud.ru).
Отличительной особенностью сервера является последовательное развитие инфор-
мационно-справочных функций существующих Интернет-порталов и сайтов традиционного типа до функций централизованной среды создания и поддержки лабораторных образовательных ресурсов, а также координирующей среды сопровождения учебного процесса в части практической подготовки будущих специалистов.
Основу сервера составляет информационная база данных, предназначенная для централизованного размещения и представления структурированной информации об электронных ресурсах (прежде всего, лабораторных практикумах удаленного доступа), применяемых при подготовке бакалавров, инженеров, магистров и аспирантов прежде всего по направлениям в области техники и технологий.
Большое методическое значение при подготовке к проведению АЛП УД имеет демонстрационная версия практикума. Ее целью являются ознакомление с объектом экспериментального исследования, теоретическими положениями, оборудованием лабораторного стенда, методиками исследования и др. Крайне важные вопросы здесь - знакомство с интерфейсом удаленного управления оборудованием, а если АЛП УД комплексный, - моделирование процессов в исследуемой системе с помощью предлагаемых разработчиком программных сред и инструментов.
При подготовке и публикации на сервере информации об автоматизированных практикумах использовались два подхода к созданию демо-версий, отличающихся технологиями исполнения. Каждая технология исполнения имеет свои достоинства и недостатки: использование возможностей только браузера накладывает ограничения на функциональность пользовательского интерфейса, при этом значительно упрощая работу с ним; клиентское же программное обеспечение практически не ограничено в реализуемых интерфейсных возможностях (включая, например, этапы математического моделирования процессов), однако требует множества подготовительных операций (скачивания с сервера, установки, настройки и т.п.), к тому же оно, как правило, оснащено более сложным, трудным для понимания интерфейсом, требующего более детального изучения.
В первом случае удаленный пользова-
тель, используя только возможности своего браузера, переходит к демо-версии практикума, щелкнув по соответствующей гиперссылке на сервере, и получает доступ к описанию объекта экспериментального изучения и теоретическим сведениям, может проверить свою готовность к проведению лабораторной работы, пройдя входное тестирование и ответив на серию контрольных вопросов, а также ознакомиться с интерфейсом удаленного управления и т.д.
Во втором случае в качестве демонстрационной версии лабораторной работы пользователю предлагается загрузить с сервера и установить на своем компьютере сокращенную версию клиентского программного обеспечения для поддержки проведения удаленного практикума. Отметим, что при первом подходе в большей мере реализуется роль созданного специализированного сервера как среды использования электронных образовательных ресурсов в учебных целях.
На сервере размещены средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие территориально распределенных пользователей с образовательными ресурсами, находящимися либо непосредственно на сервере, либо в различных образовательных учреждениях. Здесь опубликованы данные и демо-версии по более чем 50 сетевым лабораторным практикумам (в том числе - комплексного характера, с использованием методов математического моделирования), предусмотрена возможность их дальнейшего накопления, классификации и расширения сферы их использования. Электронные ресурсы включают не только сами лабораторные практикумы, но и программно-методические средства, способствующие их эффективной разработке и эксплуатации.
Заключение. В условиях информационного общества имеют место беспрецедентные возможности коммуникаций людей с помощью глобальной сети Интернет, что приводит к формированию обширных электронных хранилищ знаний и доступу к ним в любое время и в любом месте. Это существенно усиливает интеллектуальные возможности человека при принятии решений в процессах управления и проектирования. Информационные и телекоммуникационные технологии активно внедряются в различные сферы деятельности человека, способствуют получению новых знаний и их применению на благо развития общества.
