Научная статья на тему 'Основы технологии построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения'

Основы технологии построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
563
120
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ахремчик О. Л.

Отражены основные составляющие технологии для построения моделей проблемной области, ориентированных на творческий уровень представления и усвоения материала при применении методов и средств дистанционного обучения на примере обучения проектированию систем управления технологическими процессами. Выделены описания объекта проектирования и базовые составляющие его модели. В качестве концептуальных основ предложены концепции извлечения, структуризации и формализации знаний. Рассмотрена технологическая цепочка построения модели объекта проектирования. Сформулированы вопросы и задачи для экспертов при извлечении знаний. В качестве инварианта фрагмента знаний для тренажерного комплекса в дистанционном обучении проектированию предложен объем времени на представление и освоение иерархического представления системы с общесистемных позиций, структурного представления изучаемой системы, детализации рассматриваемых описаний в методологии проблемной области.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Fundamentals of model contraction design technology for distance learning

The basic technology constituents of constructing the models of problem region directed to creative level of material presentation and learning when using the methods and means of distance learning by the example of technological process control system design are presented. Descriptions of design objects and basic model constituents are distinguished. As a conceptual bases the concept of knowledge extraction, structuralization and formalization are proposed. Technological consequence of design model construction is considered. The questions and problems for experts' at knowledge extraction are formulated. As a knowledge fragment invariant for training complex in design distance learning the time limits for presentation and learning hierarchical system presentation from the position of general system, structural presentation of the system studied, detailed elaboration of the description in the problem region methodology are suggested.

Текст научной работы на тему «Основы технологии построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения»

видуально-речевого опыта, в дискурсе развиваются умения кооперативного общения - инициативного реплицирования, аргументирования и т. д.

Таким образом, групповое и партнерское сотрудничество, как никакая другая социальная форма организации обучения, способствует формиро-

ванию мотивации, речевых навыков и умений в личностно-ориентированном общении, с тем, чтобы каждый мог говорить в соответствии со своим коммуникативным намерением, индивидуальными потребностями и заданной ситуацией.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Николаев В.Г. Интерактивность на уроке иностранного языка. - М.: Наука, 2002. - 59 с.

2. Макаров М.Л. Языковое общение в малой группе: опыт интер-претативного анализа дискурса: Автореф. дис. ... д.фил.н. -Тверь, 1998. - 40 с.

3. Schwerdtfeger I.C. Gruppenarbeit und innere Differenzierung. -München: Göthe-Institut, 1998. - 221 S.

Поступила 18.12.2006 г.

УДК 681.3:378

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

О.Л. Ахремчик

Тверской государственный технический университет E-mail: axremchic@mail.ru

Отражены основные составляющие технологии для построения моделей проблемной области, ориентированных на творческий уровень представления и усвоения материала при применении методов и средств дистанционного обучения на примере обучения проектированию систем управления технологическими процессами. Выделены описания объекта проектирования и базовые составляющие его модели. В качестве концептуальных основ предложены концепции извлечения, структуризации и формализации знаний. Рассмотрена технологическая цепочка построения модели объекта проектирования. Сформулированы вопросы и задачи для экспертов при извлечении знаний. В качестве инварианта фрагмента знаний для тренажерного комплекса в дистанционном обучении проектированию предложен объем времени на представление и освоение иерархического представления системы с общесистемных позиций, структурного представления изучаемой системы, детализации рассматриваемых описаний в методологии проблемной области.

В [1, 2] показано, что применение сетевых технологий и методов дистанционного обучения требуют комплексной разработки структурной и понятийно-сущностной моделей проблемной области; алгоритмической модели рассматриваемой области; проблемной модели изучаемого объекта; модели знаний специалиста, ориентированных на программную реализацию и использование в процессе внеаудиторной работы. Целью данного вида работ является представление системы понятий на аналитическом и творческом уровне, необходимом для осуществления как алгоритмической, так и эвристической деятельности. Поэтому при разработке моделей для лабораторных тренажерных комплексов, применяемых в дистанционном обучении для курсов общепрофессионального и специального циклов, требуются модели проблемной области, ориентированные на творческий уровень представления и усвоения материала с учетом личностно направленных аспектов самостоятельной работы при использовании методов и средств дистанционного обучения.

Одной из самых приближенных к творческому уровню является область автоматизированного

проектирования технических устройств и, в частности, область проектирования систем управления технологическими процессами (СУТП). Наиболее сложным этапом в процессе обучения проектированию СУТП является обучение начальным стадиям проектирования для которых присущи неопределенность ряда задач и представление знаний на высшем уровне усвоения.

В качестве предмета исследования в настоящей работе рассматриваются теоретические основы создания и применения моделей объекта проектирования для лабораторных тренажерных комплексов, используемых для дистанционного обучения автоматизированному проектированию систем управления. Построение модельных описаний проводится с учетом проблемности, диалогично-сти, рефлексивности и вариативности процесса обучения. Основой для построения модели является набор классификаций элементов проблемной области. Согласно [3] можно выделить два признака классификации проектируемых систем - по типу элементов и по типу отношений, связывающих элементы в систему. В области программно-техни-

ческих средств, используемых для автоматизированного синтеза СУТП, выбирается признак классификации по типу элементов (функциональному назначению в проектируемой системе). Выбор обосновывается необходимостью разработки как обобщенной функциональной структуры, так и функциональной структуры в выбранном элементно-параметрическом базисе на начальных стадиях создания системы.

В связи с большим количеством производителей и многообразием номенклатуры технических средств и программного обеспечения, используемого при проектировании СУТП, большое значение при обучении приобретает терминологическая совместимость. Затраты на согласование и кодирование терминов особенно велики при переобучении, когда меняется не только термин, но и комплекс связей в сознании человека. Перекодирование локальных понятий приводит к потере аналогии и подобия. В радиотехнике и электронике идут по пути ассоциаций с эквивалентными схемами замещения. В физике устанавливается совместимость понятий на основе системы единиц. В области автоматизированного проектирования пока нет четко обоснованного подхода к терминологической совместимости, что связано с выделением инвариантов проблемной области и групп преобразований с инвариантами.

Понятийная система проблемной области и принятые в ней способы рассуждений взаимосвязаны с вопросами ее формализации. Анализ проблемной области проектирования показывает, что в нее входят подобласти: программно-технических средств, систем управления, методов проектирования, инструментов для автоматизированного проектирования, форм представления описаний разрабатываемой системы. Интеграция знаний и опыта проектировщиков обеспечивается на основе разработки моделей: возможных локальных решений, проектируемой СУТП, проектных процедур.

Предлагаемая технология построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения ориентирована на совмещение процесса создания учебной САПР с процессом извлечения знаний. При этом сокращается время извлечения и получается не система автоматизации приобретения знаний, а САПР, способная решать набор задач как в области проектирования, так и в области обучения проектированию. Формируются базы данных и правил, которые можно использовать в действующих САПР. Стартовым объектом для применения технологии является набор примеров, включающих технические задания и описания систем управления.

Описание СУТП включает текстовое, схемное и аналитическое описания. Текстовое описание содержит свойства системы и ее структурных примитивов, диапазон их изменения, целевые функции. Использование аналитического описания позволяет оценить траекторию СУТП в пространстве со-

стояний и обобщенных координат. Схемное описание проводится на этапах эскизного, технического проектирования, разработки рабочей документации. Схемное описание является результатом применения и детализации бинарного отношения соединения составляющих разрабатываемой системы.

Технология построения моделей проблемной области для тренажерного комплекса, используемого при обучении проектированию, базируется на концепциях извлечения, структуризации и формализации знаний. Извлечение знаний направлено на описание требований к системе, методов построения, результатов проектирования. В основе концепции извлечения лежит формирование иерархии обобщений и абстрактных элементов, используемых в проблемной области. Эксперт использует собственные структуры знаний, поэтому задача обучения автоматизированному проектированию - показать способ формирования знаний для осознания их структуры. Извлечение знаний предусматривает организацию информационного потока (определение носителя информации, формирование вопросов и задач, организацию диалога и записи результатов) и собственно извлечение знаний из потока (редукцию информации и выделение фрагментов).

В ходе организации информационного потока обязательным условием является учет психологических и педагогических аспектов, связанных с дистанционным обучением, когда преподаватель выступает не только как источник знаний, но и как компонент системы управления их приобретением в ходе развития и укрепления навыков самостоятельной работы обучаемого.

Результатом структуризации знаний является концептуальная модель в виде описания СУТП на языке проблемной области. Этап формализации завершается построением модели системы в виде математической модели. При этом элементы представляются в виде векторов признаков, взаимодействия элементов - в виде упорядоченных пар и алгоритмических преобразований (операторных выражений), логических и функциональных зависимостей. Выделенные концепции базируются на эвристических процедурах проектирования, включающих рекурсивные операции.

Пересмотр и дополнение результатов извлечения, структуризации и формализации знаний после программной реализации, разработки и апробации методики применения тренажерного комплекса изменяет модели и вносит итеративность в процесс их построения. Особенность дистанционного обучения проектированию СУТП определяет наличие двух составляющих системы знаний: область проектирования и область обучения с применением компьютерных технологий.

В качестве инварианта процесса построения моделей для лабораторных тренажерных комплексов, используемых в дистанционном обучении начальным стадиям автоматизированного проекти-

рования, предлагается рассматривать объем времени, затрачиваемый на извлечение, структуризацию, формализацию знаний.

Базовыми составляющими модели объекта проектирования являются модели: проблемной области (определяет семантику данных), прикладной логики (определяет действия, которые могут быть выполнены над данными), взаимодействия с пользователем (определяет модель визуального представления информации).

Технологическая цепочка построения модели объекта проектирования является итеративной и включает основные стадии: анализ проблемной области, выделение ситуации, выделение элементов ситуации, выделение набора признаков и значений признаков для элементов, выделение понятий для элементов и признаков, выделение набора признаков и значений признаков для понятий, концептуальное описание ситуации, сравнение описания с ситуацией, выделение дидактических особенностей разрабатываемой модели, выделение блоков материала для организации обучения.

На множестве определенных наборов признаков {Ргк({Л&п})} каждый к-й набор указывает нау-й элемент соответствующей ситуации 87к. Ситуация 8ц является частью структуризации процесса изучения взаимодействия СУТП - окружающая среда. При извлечении необходимо подобрать число к ситуаций для описания взаимодействия проектируемой системы с окружающей средой и структуризации самой системы. На множестве наборов признаков {Ртк({Л1гп})} образуется последовательность классов, за каждым из которых закрепляется определенное понятие Бв. Система понятий 8Вв индивидуальна и порождает базу имен {Ш} для распознавания элементов систем, подсистем и систем в окружающей среде. Система понятий индивидуальна и изменяется во времени:

8в=8Ве№}А

Формируется система понятий на множестве объектов обучающей выборки (примеров). Множество {Ргк({Л1гп]})} составляет экспериментальную основу выборки. Формирование набора признаков происходит при регистрации: наличия свойства у объекта, наличия отношений между двумя объектами, принадлежности объекта классу.

В ходе построения модели объекта проектирования закономерна постановка вопроса: какие атрибуты включить в модель и сколько значений атрибутов рассматривать? При этом учитываются достоверность, непротиворечивость, избыточность и универсальность данных. Одновременно рассматриваются дидактические свойства модели после ее программной реализации: наличие гипермедийных элементов, возможность общения в реальном и отложенном времени, открытый доступ к значительному объему образовательных ресурсов, направленность обучения на практическую значимость, формирование системы понятий с учетом произвольного и непроизвольного запоминания.

При постановке вопросов экспертам при извлечении знаний предлагается решить классическую прямую задачу, основанную на операции абстрагирования: имеется ситуация, требуется выделить существенные свойства и отношения, значения свойств, логическую форму представления и т. д., а также закодировать выделенное (представить в форме для дальнейшей обработки на содержательном уровне). При построении модели объекта проектирования постановка задачи осуществляется в контексте выделения границ СУТП - окружающая среда. Ситуации представляются в виде иерархической структуры:

8/(а,/)<^>8/1(а1, /)... $1п(ап, /), 8к(аъ 0<^1>8/п(аи, О-. Я„(а1Ш /)..., где а - свойства набора признаков, системоо-образующий оператор.

Алгоритм построения иерархий в области проектирования СУШ базируется на: выделении типового технологического оборудования, определении основных физических параметров, управление которыми осуществляется в оборудовании, получении выборки проектных решений по построению систем управления выделенными параметрами.

Получение и анализ выборки преследует цели выделения перечней: системных компонентов, входящих в объект проектирования; свойств; одинаковых объектов; общих свойств для синтеза функциональной структуры; новых свойств, которые появляются при установлении внутрисистемных связей. Применительно к данным стадиям свойствами объекта проектирования, в части которых объект заменяется моделью, являются: иерархичность, целостность и связность.

Ограничениями на область принятия решений при автоматизированном проектировании СУТП являются: набор программно-технических средств, заданный тип системы, детализация представления описаний системы и ее составляющих.

Структурные компоненты экземпляров конкретных СУТП имеют свою вероятность попасть в состав системы. Данные вероятности описываются неизвестным многомерным распределением, математический аппарат для исследования которого отсутствует. Эксперт пользуется аналогиями при рассмотрении отдельных элементов и оперирует обобщенными понятиями. Критерием отбора является частота выделенных задач, решаемых СУТП (отношение числа рассматриваемых задач к общему числу) и частота управления выделенным параметром. Допущение ошибки при выборе элементов из приборного ряда в составе модели в учебном варианте приводит к тому, что будущий специалист в своей практике никогда не сталкивается с выбранными приборами, параметрами и системами. Поэтому технология построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения предусматривает формирование эвристических приемов по выработке у него аналогий на другие объекты проблемной области.

Анализ вариантов реализации СУТП [4] показывает, что различия между системами управления давлением, температурой, расходом, уровнем, концентрацией появляются на приборном уровне при подстановке для входов структурных компонент значений физической величины. Другими словами приемы топологической идентификации в процессе проектирования СУТП типовые, что позволяет дать обоснование задания структуры в текстовом описании системы и сформировать начальные нуль-граф и орграф для модельного представления СУТП. Предлагаемые графовые модели соответствуют классической структуре системы автоматического управления.

Составляющей технологии построения моделей объекта проектирования является задача выделения подсистем. В случае представления модели схемного описания системы ориентированным графом традиционная декомпозиция системы основывается на выделении части графа в подсистему на основе принципа сильных связей. Большая часть работы выполняется разработчиком на основе информации о функциональном назначении подсистем.

Для выделенной подсистемы задача синтеза может быть сформулирована как многопараметрическая и многокритериальная задача с ограничениями: Сг(Мрп ¿¡г, ф)^тт/тах, /е{7};

О%г(М¥, Яг, ф)<О^ГдОП, и¥ей;, Яге ¿У, где Мрг _ алгоритмическая модель функционирования, ¿¡г - модель структуры, ф - оператор взаимодействия МрГ и Яг,{7} - множество критериев и ограничений, С^ - г-й критерий для оценки варианта, - г-ое ограничение на допустимые решения, Мрг* и ¿¡г - пространство решений.

В области проектирования СУТП при извлечении знаний от экспертов постановка вопросов может быть организована следующим образом: перейти от текста задания к 0-графу, перейти от 0-графа к орграфу, перейти от орграфа к мультигра-фу, осуществить конфигурацию программируемых приборов для работы в разработанной схеме.

Выделение набора задач для эксперта при построении модели объекта проектирования для дистанционно обучения позволяет выделить следующие задачи. Задача 1. Имеется четыре формы представления проектируемой системы {текст}, {схема 1}, {схема 2}, {схема 3}. Вопрос - в чем различие описаний? Сопряженный с ним вопрос - что одинакового в описаниях? Задача 2. Имеется набор элементов для построения СУТП. Какие свойства позволяют отличать элементы? Какие свойства элементов одинаковы? Задача 3. Имеется набор схем разных систем. Отыскать соответствие систем друг с другом. Задача 4. Имеется схема. Выявить правила для установки связи между элементами.

Из задач 1 - 3 следует вывод набора аксиом, направленных на устранение различий в описаниях. Из задачи 4 следует установление связей и их

свойств. В ходе решения задач выявляются ограничения налагаемые на ситуации при нахождении причинно-следственных связей. Концепция извлечения правил направлена на формирование перехода от метода проб и ошибок в поисках закономерностей проблемной области к целенаправленному поиску с оценкой промежуточных результатов и перспективности применяемых процедур. Поиск направлен на выявление множества терминов для определения понятий Бе, структура которых в различных описаниях должна совпадать при определении их семантической близости.

В ходе построения модели объекта проектирования выделяются уровни детализации методологии описания СУШ при проектировании: уровень обобщенных свойств СУШ (системное исследование), логико-функциональный уровень (отражает структурные свойства и логические функции независимо от технической реализации), функциональный уровень - определяет реализацию функции в конкретных функциональных элементах и типах приборов функциональной схемы), уровень аппаратной реализации (представление физической структуры, отраженной в функциональной и принципиальной электрической схемах, уровень программной реализации (конфигурация программируемых приборов для выполнения функций в рамках разработанных схемных решений), уровень конструктивной реализации (размещение приборов в щитах и пультах с прокладкой внутри и межщитовых соединительных линий).

Три последних уровня можно представить как подуровни уровня технической реализации.

Технология разработки модели объекта проектирования предусматривает взаимосвязанные: архитектурное отображение СУТП; логическое отображение; отображение в рамках определенного элементного базиса; программно-технико-конструктивное отображение. Базовой процедурой рассматриваемой технологии является построение структурных моделей СУТП и их частей (подсистем, компонентов).

Для геометрической интерпретации процесса структурирования знаний об объекте проектирования выделим три базовых координаты в евклидовом пространстве ХЛс переменной метрикой. Координаты отражают уровни: иерархии структуры систем по Дж. Клиру [3], структурирования объекта, методологии в детализации представления проблемной области.

Терминологическая совместимость при разработке модели в рамках иерархических уровней функциональной иерархии осуществляется посредством определения понятий одного уровня через понятия другого.

При введении трехмерного пространства для тренажерного комплекса для дистанционного обучения проектированию СУТП инвариантом при представлении знаний и обучении является объем времени, необходимый для исследования и осво-

ения фрагментов знаний проблемной области. Каждая составляющая инварианта отражает время движения вдоль осей ^ГХИнвариант позволяет сравнивать системы знаний и методики обучения. Две методики эквивалентны, если один и тот же индивид с использованием разных методик для изучения одной и той же системы знаний, представленной в виде куба, затрачивает один и тот же объем времени.

Таким образом, появляется возможность осуществления перехода от несравнимой терминологии в системах представления знаний к инвариантам, имеющим физический смысл и являющихся параметрами, характеризующими программно-инструментальные комплексы для дистанционного обучения.

Введение времени как характеристики модели объекта проектирования для тренажерных комплексов дистанционного обучения позволяет перейти к осмысленному использованию понятий «поток знаний» и выделить три класса систем: с уменьшением потока, с сохранением потока, с увеличением потока знаний.

Основы рассматриваемой технологии использованы при разработке системы с сохранением потока знаний, ориентированной на изучение процесса синтеза схемных решений при построении системы управления температурными режимами в хлебопечении. Базой системы является интегрированный лабораторный практикум по дисциплинам «Технические средства автоматизации» и «Проектирование систем управления». Оценка образовательного процесса с использованием практикума проводилась по реакции участников на сам тренинг, сравнительному анализу схемных решений участников тренинга с использованием и без использования методов и средств дистанционного обучения.

Анализ результатов апробации практикума в течение двух лет показал, что в процессе обучения появляются психологические и педагогические аспекты, свойственные процессу передачи знаний при дистанционном обучении:

• наглядность представления материалов при самостоятельной работе студента;

• отсутствие психологического барьера при выполнении работ с реальным оборудованием на

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орчаков О.А., Калмыков А.А. Проектирование дистанционных курсов. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2002. - 50 с.

2. Филатова Н. Н., Ахремчик О. Л., Вавилова Н. И. Проектирование тренажерных комплексов для технического образования. - Тверь: Изд-во Тверского гос. техн. ун-та, 2005. - 160 с.

физическом стенде в лабораториях вуза после самостоятельной работы;

• в процесс взаимодействия обучающего и обучаемого в ходе изучения спецдисциплины вводится новое звено - мультимедийный обучающий комплекс с сетевым доступом и образовательными ресурсами Интернет, изменяющие психологию общения;

• совмещение изучения сетевых и мультимедийных технологий с изучением специальных дисциплин;

• формирование у обучаемых новых ассоциативных связей между условными обозначениями элементов принципиальных схем и внешним видом реальных устройств для их технической реализации.

Использование программной реализации полученных моделей объекта проектирования в ходе дистанционного изучения спецдисциплин приводит к:

• интегрированности учебных материалов, что изменяет требования к уровню подготовки и методике проведения занятий;

• повышению качества образовательного процесса за счет одновременного применения компьютерных тренажеров и реального стенда;

• повышению эффективности работы преподавателя за счет рубежного контроля до и после выполнения лабораторных работ с помощью компьютерного тестирования;

• уменьшению числа ошибок при монтаже технических средств на стенде при выполнении индивидуальных заданий и сокращению времени на их поиск преподавателем;

• выделению фрагментов и понятий учебного курса, которые вызывают затруднения при усвоении;

• выявлению неточностей и ошибок в компьютерном обеспечении;

• повышению интенсификации труда преподавателя в части подготовки методического обеспечения тренажеров для дистанционного обучения;

• повышению затрат времени и машинных ресурсов на сопровождение и поддержку практикума по изучению объекта проектирования.

3. Клир Дж. Системология: автоматизация решения системных задач. - М.: Радио и связь, 1990. - 544 с.

4. Ахремчик О.Л., Сердобинцев С.П., Семенов А.А. Автоматизация линии по производству пресервов // Рыбное хозяйство. -1992. - № 5. - С. 35-37.

Поступила 09.10.2006 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.