CC BY
24
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.896
Н. Н. ВОЙТ, А. Н. АФАНАСЬЕВ
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО, МЕТОДИЧЕСКОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АОС ДЛЯ САПР KOMHAC-3D
Представлена модель сценария обучения САПР КОМПАС-Зй. Рассматриваются задачи: а) описать концептуальную модель сценария обучения; б) описать метод диагностики знаний, умений и навыков автоматизированной системы обучения (ACO); в) описать метод интеграции САПР КО МП АС-3D и графического конструктора; г) рассмотреть инструмент создания и редактирования электронных учебных курсов.
Концептуальная модель сценария обучения
Модель сценария обучения показывает пути освоения учебного курса по изучению САПР КОМ-I1AC-3D. Путь - это последовательная человеческая деятельность по выработке умений, навыков, знаний и опыта у обучаемого во взаимодействии с ACO. Учебный курс декомпозирует на учебные элементы, а учебные элементы - на лекции, пользовательские программы, тренажеры, тесты [1,2].
Сценарий должен адекватно соответствовать возможностям САПР KOMIIAC-3D. В сценарии должна присутствовать процедура диагностики ответов, которая нацелена на устранение незнаний. Диагностика выполняет навигационную функцию обучаемого по учебному курсу и указывает дополнительную информацию, с которой необходимо познакомиться обучаемому, чтобы устранить «зацикливание» обучения. В зависимости от заданного вопроса и полученного ответа система принимает решение по выбору дальнейшего пути обучения. Механизмы учёта, контроля, анализа и диагностики работают на основе содержания вопросов, ответов и учебного материала. На рисунке i показана схема изучения учебного курса с процедурой диагностики.
Модель многоуровневого сценария представлена ориентированным графом с нагруженными дугами [3], (рисунок 2).
Каждая вершина включает, кроме учебного элемента, элемент диагностики - процедуру диагностики. Для диагностики автор курса указываются правила принятия решения по дальнейшему пути изучения. Конструкция сценария состоит из уровней, каждый уровень представлен ориентированным графом.
© Н. Н. Войт, А. Н. Афанасьев, 2005
учебный курс
Рис. 1. Схема изучения учебного курса
п-урсвень
Рис. 2. Многоуровневая модель сценария (стрелки указывают переходы, точечные стрелки указывают межуровневые переходы)
Процедура диагностики определяет уровень знаний, умений, навыков и опыта обучаемого и определяет дугу, по которой нужно двигаться.
Возможна ситуация, когда дуги имеют одинаковый вес, тогда действует модель принятия решения по определённым критериям. Критерии представлены вектором и определяются разработчиком учебного курса для каждой вершины отдельно. Критериями могут быть: время, точность, обоснованность.
Разработка графовой модели производится с помощью графического конструктора [4].
Под графовой моделью учебного курса понимается система:
вМ = {в(У,Е)ЖЯ},
где С(У,Е) - граф сценария;
УЯ-{0и02} - множество отображений;
Я - многокритериальные правила принятия решения по выбору пути обучения.
Граф сценария определяется следующим образом:
где V = (У1,У2,...,У.) - множество нагруженных
0] :У ->(HvPvSvT)
■ множество ориентированных графа, состоящее из подмно-
вершин:
Е~ {ES, EL }
нагруженных дуг жеств:
ES -{ES^,ES2,...,ES,} - множество дуг, дуги
соединяют вершины одного уровня;
EL-{ЕЦ,EL2ELk} - множество межуров-
невых дуг;
i,k,l е N.
Вес межуровневых дуг должен быть либо меньше
R R кл
величины max—, где — = U,4,
Т Т
R - количество правильных ответов; Т - общее число вопросов в процедуре диагностики;
max - максимальный вес среди исходящих инцидентных дуг вершины;
R R „ Л
либо больше величины max—, где — = 0,у .
Т Т
Вес одноуровневых дуг должен принадлежать интервалу [max-осmax-а2], где оц =0,4, а2 =0,9.
Каждой вершине ставится в соответствие учебный элемент. Учебный элемент представлен учебным электронным гипермедиа материалом (УЭГМ)(Я), учебным пакетом прикладных программ (ППП)( Р), тренажёром( S), тестом( Т):
О,: У -> D
H,P,S,T,D - десигнаты (метки) типов сущностей
D - процедура диагностики пользователя;
03 : Я -> Ф,
Os:S 06:Т
Ф. Ф.
Ф, = {*.html, *.doc, *.rtf, *.ppt} Ф2 = Фъ - {*.ехе, *.com} Ф4 = {*.html /иФ2
Ф,,Ф2,Ф3,Ф4 - множества терминальных сущностей-файлов.
Алгоритмическая модель процесса обучения
олок ппйлпоучёнчя
диалог «компьютер-человек», создание профиля до обучения
выбор пути
блок обучения"
прохождение обучение по учебному элементу
Т
диалог «компьютер-человек», оценка умений, навыков, знаний, опыта
i
выбор пути
диалог «компьютер-человек», создание профиля постобучения
О* - конечная вершина графа?
Рис. 3. Блок-схема процесса обучения
процедура диагностики
Алгоритм
1. Задание вопроса
2. Получение письменного ответа
3. Лексический, синтаксический, онтологический, дефиниционный анализ ответ
4. Принятие решения
вопрос
текст программы, заданный .^разработчиком курса
предложения установление лексических зависимостей
построение онтологического дерева разбора
сравнение с эталонами полученной конструкции, вычисление сходства
Рис. 4. Структурная схема процедуры диагностики
решение
Метод диагностики знаний, умений
и навыков ACO
Диагностическая процедура выполняет задачи: выявление уровня подготовленности обучаемого, определение его незнаний, оценивание его знаний, умений, навыков; выбор дальнейшего пути следования обучаемому. В электронных тестах используется обычно алгоритм, определён заранее автором теста, возможные пути на развилке ранжируются в соответствии с баллами. Такое решение являются недостаточным и неполным, так как анализируется только багаж знаний, а креативность человека остается непроверенной либо слабо проверенной. Диагностическая процедура должна обеспечивать не только проверку знаний, но и проверку навыков, умений и креативности обучаемого, последнее является наиболее важным. Уточним, что креативность понимается как создание нового на основе существующего путём «смешивания» разнородного. Чтобы проверить креативность человека, нужно оценить его интуитивное мышление, для этого в диагностике должен присутствовать раздел с нестандартными задачами. Человек, решая такие задачи, вспоминает свой опыт и пытается применить его в решении. Такие задачи обьгчно невозможно решить логическим мышлением, так как в логике действуют определённые правила, которые служат запретом и являются часто помехой на пути решения. Дня демонстрации креативных способностей, как пример задания, в САПР КОМПАС-ЗВ
построить трёхмерную модель космического межпланетного корабля.
В основу методики диагностики положены определённые правила, описанные с помощью формального языка. Правила и язык задают авторы графического конструктора. На этом языке пишется текст программы разработчиком курса обучения. Процедура диагностики выполняет эту программу. Язык предусматривает следующие конструкции: последовательность действий, развилки, выбор с условием, циклы. В тексте программы пишутся вопросы, очерёдность задания которых определяется алгоритмом, задуманным разработчиком курса. Задастся вопрос, на него обучаемый даёт свой письменный ответ. Ответ принимается системой, проходит лексический, синтаксический, онтологический, дефиниционный разбор. Строится дерево разбора ответа, устанавливаются смысловые зависимости на основе дерева разбора. Система пытается выстроить логическую цепочку рассуждений, определить смысловую нагрузку. Например, система задала вопрос: «Что такое КОМПАС-ЗБ?», обучаемый ответил: «КОМПАС-ЗВ - это система автоматизированного проектирования». Получив такой ответ, система выстраивает цепочку -<КОМ.ПАС-ЗБ, система, проектирования, автоматизированного^ Построенная цепочка сравнивается с эталоном, эталон строится по
правилам разработчиком курса. Если расхождение не превышает допустимый предел (установленный разработчиком курса), то ответ принимается. Сравнение происходит по членам предложения - подлежащие, сказуемое, дополнение, определение, обстоятельство. Если системе удается выстроить логическую цепочку рассуждений, то ответ считается правильным; если не удается, то уточняется место, где логическая цепочка прервана. Задаётся дополнительный вопрос по непонятному месту. Если ответ не приводит к построению логической цепочки, то это место считается незнанием обучаемого, и система рекомендует изучить раздел по данному вопросу. Если система построила логическую цепочку на дополнительный вопрос, то ответ принимается, так как данная логическая цепочка является недостающей для полноты ответа. На вопрос система получает ответ, который либо принят ей, либо не принят. Цену вопроса указывает создатель сценария. Как только был получен неправильный ответ, то диагностика прекращается. Структурная схема процедуры диагностики изображена на рисунке 4.
Выбор пути осуществляется по набранным баллам в соответствии с весами дуг. Баллы начисляются по учебным элементам, если учебный элемент - определённое задание. Если же учебный элемент не является определённым заданием, тогда балл за учебный элемент равен нулю. Также баллы начисляются в процедуре диагностики. Если диагностика была прекращена в результате неправильного ответа, то обучаемый изучает материал, необходимый для прохождения диагностики, затем возвращается к диагностике заново. Причём вопросы ему будут задаваться другие, такой подход предусмотрен системой - учёт «пересдачи».
Процедура диагностики пользователя
Процедура включает: понимание текста на естественном языке, оценка сходства полученного ответа с эталоном.
Анализ ответа включает синтаксический разбор, семантический разбор, прагматический разбор [5].
Синтаксический разбор представлен синтаксической процедурой. Синтаксическая процедура, на основе информации, заложенной в словаре, строит грамматический разбор предложения: выделение подлежащего, сказуемого, дополнения и т. п., между которыми указываются связи управления в виде дерева зависимостей.
Семантический разбор придаёт смысл синтаксическому дереву. Используется специальная структура - ролевой фрейм, которая описывает
нужное, необходимое окружение,, с которым связано слово на этапе его понимания. Строиться семантический граф предложения, от которого можно делать переход к тем знания, которые соответствуют данному предложению и хранятся в предметной базе.
Прагматический разбор совмещает текст и контекст. В роли текста выступает предложение, в роли контекста - окружающие предложения.
Прагматический анализ позволяет соотносить предложения друг с другом. При соотношении можно получить оценку сходства предложений. Чем больше эта оценка, тем больше корреляция предложения с эталоном.
F} : TERMS ( Р),
где Р = (Р\,Р2>Р2>->Рп) ~ множество
предложений; neN.
F2: RELATIONSHIP(Fx)
Функция Fx выделяет из текста отдельные
термины, обозначающие объекты и их свойства.
Функция F2 определяет отношения между
терминами, уточняющие их роль в том контексте, в котором они встретились.
Многокритериальные правила принятия
решения в модели графа
Правила определяют маршрут следования пользователя.
Положим, у нас есть область возможных маршрутов (область решения) Г, из которой нам нужно выбрать один маршрут t. Каждый маршрут характеризуется совокупностью критериев F = (fl,f2,f2,—,fn)9nGN.
Важность критериев задана весовым вектором
п
где af е [ОД], ]Га. =1.
ЫИп ,'=1
Оптимальное (рациональное) решение будет
t = opt(F(T),А), где opt - оператор оптимизации, он выбран определённым принципом оптимизации.
Принцип максимина формально выражается следующим образом:
t — max min ( fn - а П ) FeTl<q<n q q '
В случае применения этого принципа из области компромиссов выбираются варианты с минимальными значениями локальных критериев и среди них ищется вариант, имеющий максимальное значение. Равномерность в этом случае обеспечивается за счёт «подтягивания» критерия с наименьшим уровнем.
Пусть п = 3 и из вершины выходят две дуги -маршрут №1 и маршрут №2. Тогда
— (f\\> fl\>fl\ )> = (fn> /гг> /ъг) >
где fu - качество обучения, fu = Il^bL^
totalx
где right - количество правильных ответов данных пользователем, total^ - общее количество вопросов для маршрута №1; /2] - относительное
время обучения, /21 =
time
neededtime,
где time -затраченное время пользователем на ответ, neededtimex - требуемое время на выполнение задания для маршрута №1. /3. - вес дуги маршрута №1, /31 е N. Для маршрута №2 получаем: . right . time r
In = —~> /22 = —-> /32 - вес ДУГИ
total2 neededtime2
маршрута №2, fne N -
Метод интеграции САПР КОМПАС в графический конструктор
Интеграция в графический конструктор САПР KOMTIAC-3D должна быть такой, чтобы задания, данные в графическом конструкторе, исполнялись в системе КОМПАС-ЗБ. При исполнении задания необходимо наличие контрольных точек (контрольных заданий). Результаты контрольных точек и результат работы в целом передаются в графический конструктор посредством файла или ввода данных в форму графического конструктора. К вершине учебного элемента «пристёгивается» задание, исполняется это задание в системе КОМПАС-ЗВ, результат передаётся в графический конструктор, а именно в диагностику.
Передача результатов решения в форму означает заполнение полей формы указанными величинами. Причём форма должна вызываться автоматически
при прохождении задания. Так как задания могут быть разные, то разработчику курса следует определить поля, которые будут заполняться, и тип значений полей.
Файл изменяется (редактируется) пользователем при передаче результатов работы через файл. Имя файла и шаблон содержания определяет разработчик курса. Файл создаётся системой, система записывает в файл шаблон и предоставляет его для редактирования обучаемому в редакторе. Шаблон составляет разработчик курса. Все действия по редактированию определены в окне подсказки. Обучаемый действует в соответствии с инструкцией - пишет требуемые значения в пустые места шаблона. По окончанию заполнения обучаемый записывает и закрывает файл. Дальше графический конструктор передаёт полученные значения из файла в процедуру диагностики.
Графический инструментарий (конструктор) реализован в среде разработки ЛВшИег.
Графический инструмент создания и редактирования электронных
учебных курсов
На рисунке 5 показан внешний вид графического конструктора, вверху находится главное меню, ниже - панель инструментов, в середине - рабочее поле.
Инструментальная панель содержит кнопки добавления вершины орграфа Ш, открытия, записи сценария и проигрывание сценария. В главном меню, в сервисе, есть пункт - путь к прикрепленным файлам. Этот пункт выполняет перезапись сценария, меняя все пути прикреплённых файлов вершин на путь, где находится файл записи сценария.
Название учебного материала Удалить
Прикрепить файл Установить ребро Удалить ребро Правила диагностики... Интеграция с КОМПАС...
Рис. 6. «Всплывающее» меню вершины
от
Рис. 5. Внешний вид графического конструктора
буйреп V .
I
«•
Юоккг:
&п
Ведав»*« Аагу*лехтъ1
1.
■ -
j300ti2.DLL |АРЯ>5.0и. АРТ2С6СОМ.Т1_8 !АГО05.СХ1 :АЛ305С0М.Т1В : |АЛ5ХХ1
Робслми стол ;А*5Л1В !АР!7Ш.
»
Л-5 | ^
С 1
:ар17.Т1В
мои
: м
■'11
APS3C.DLL
5 доосу>лент1я
V. АррСХ1 'АЙГ-ОИ.
Мои компьютер
ш
Сетевое _ окружен*»
свои. ;секе$ оа I ЬеШВсе
®кС1ег<.Нр
3 кСпуЗО-Ш. (ЗЭ кОАХ.ОСХ Щ кОАХ.ТиВ
Э^иыхл.
3 ttth20.DLL кМ1П301.011 Э к)АЬ302.Ш_ кМНтЗОЗ 1X1
Ч) kMth309.DLL
Щ КОЮАБ.С*
У КОМРАЗЛр
^кРгпГХХ ^кРгосП!
кРго(ес«.Сг* @ kPrcXect.Exe Чр кРгс*ей.Нр
кЯезШ. 13Й| кзСопЯап^.'П.В Щ к &С0ПЗ№л( $30 ,Т1 В Л) kSMBTT.DLL
¡3) к$*/©тт.тге
kSpcApp.DLL kSpcPrj.DLL Э к$У31 ИХ
ктеахчх
Ш *
— :; -
КТЫАррШ. кТПигпЫХЛ. ИИ .1X1 *)кИ2Ш-3 NetHASP.tr* оомаргоуш.
п
Г.:' Ге :
1.
I :-
|-[¿;_. .1. .■•- - """ " ^ •• у"" .V"........ :>|
Рве поте: :~КС**>А$£хе 1 [ Орео ?
^с^'й; ' ..................... . -)____
Я!« о11урв: д1 р** 1 -С»ж:о1
'."".......................
*1«5оПурв: А|Рк* _ __ _
Рис. 7. Указание файла запуска КОМПАС-ЗБ
Рис. 8. Пример одноуровневой модели сценария обучения
На рисунке 6 показано «всплывающее» меню, с помощью команд этого меню можно редактировать вершину графа.
Пункт меню название учебного материала позволяет ввести имя вершины учебного элемента, пункт удалить - удалить выделенную вершину, пункт прикрепить файл - связать учебный материал с вершиной посредством файла, пункт установить ребро и удалить ребро - соединить две выбранных вершины ребром и удалить выбранное ребро соответственно.
Инструмент интеграции заключается в указании файла запуска программы КОМПАС-ЗБ, как показано на рисунке 7.
Пример одноуровневой модели сценария обучения построения окружности в KOMPAS-3D
На рисунке 8 изображен сценарий обучения построения окружности в среде KOMPAS-3D (весовые нагрузки дуг не показаны).
А1. Построение геометрической фигуры - окружность.
А2. Описание геометрической фигуры - окружность (центр окружности, радиус).
A3. Различные возможности построения окружности в инженерной графике.
А4. Вычисление «вытекающих» характеристик окружности - площадь, периметр.
А5. Использование циркуля, лекала, шаблонов в построении окружности.
А6. Местоположение инструмента построения окружности, способы построения окружности в среде KOMIIAC-3D.
А7. Ознакомление с интерфейсом KOMPAS-3D. Описание панели компактная панель.
А8. Рассмотрение в компактной панели инструмента построение окружности. Способы построения.
А9. Уникальность применения способов построения окружности. Рассмотрения различных способов построения окружности.
А10. Построение окружности по указанному центру и заданному радиусу.
All. Построение окружности по трём точкам.
А12. Построение окружности по двум точкам.
А13. Построение окружности с центром на объекте.
А14. Построение окружности через одну касательную.
А15. Построение окружности через две касательные.
А16. Построение окружности через три касательные.
Заключение
Разработанный графический конструктор используется в учебной программе подготовки студентов кафедры ВТ УлГТУ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Афанасьев, А. Н., Максимов, А. В. Разработка графо-алгебраических методов и средств обучения проектной деятельности в САПР // Вестник УлГТУ. - 2004. - № 3. - С 49.
2. Башмаков, А. И. Разработка компьютерных учебников и обучащих систем / И. А. Башмаков. - М.: Информационно-издатель-ский дом «Филинъ», 2003. - 616 с.
3. Войт, Н. Н. Разработка графического конструктора электронного учебно-методического комплекса: Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинфор-матика в науке и технике». - Ульяновск: УлГТУ.-2005.-Т. 2.-С. 26.
4. Войт, Н. Н., Афанасьев А. Н., Шаров О. Г. Графический конструктор электронных учебно-методических комплексов / Свидетельство официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610662, выданное федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
. 5. Поспелов, Д. А. Искусственный интеллект: Кн. 2. модели и методы / Д. А. Поспелов. - М.: Радио и связь, 1990.
Войт Николай Николаевичу бакапавр техники и технологии, кафедра «Вычислительная техника», УлГТУ. Занимается проблемами автоматизированного обучения, имеет публикации по исследованию методов и средств обучения проектной деятельности в САПР КОМПАС-3 Б.
Афанасьев Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительная техника» УлГТУ. Занимается проблемами организации вычислительных процессов и обучения в САПР.
