CC BY
38
быстрый метод «скользящего среднего». Суть его заключается в следующем: значение каждой точки ряда равно среднему значений точек ее некоторой окрестности. Размер окрестности определяет степень сглаживания.
Предварительно подготавливаем ряд:
ф. = ф. - Ф
ср
Далее последовательно для всех
точек ряда:
Е Ф1
1+j
Ф =
2п +1
где (2п+1) - размер окна среднего, определяющий степень сглаживания. Значение точек с индексами, отсутствующими в генеральной совокупности, принимаются за ноль.
Последующий спектральный анализ огибающей выявит пики, соответствующие частотам повторения пачек импульсов. Наличие похожих серий импульсов в линиях измерения других факторов, кроме Ф, повышает достоверность и ценность полученного информативного признака, которую можно выразить в виде веса соответствующей частоты. Вес частоты инкрементируется с каждым обнаружением похожей (с определенной точностью) частоты в спектре огибающей неинформативного ряда по другим линиям. Очевидно, имея текущую тахометрическую информацию с работающих механизмов, можно предположить источник возникновения этих серий импульсов.
Таким образом, в результате работы «детектора» мы получаем следующие информативные признаки:
• наличие периодических серий импульсов в сигнале измеряемого фактора Ф;
• частоту повторения серий;
• удельную плотность помех в сигнале.
Предложенные принципы детектирования информативных признаков характеризуются прежде всего простотой реализации и нетребовательностью к вычислительным ресурсам, поэтому подобные системы могут без дополнительных затрат быть запущены постоянно и работать в режиме реального времени. Предполагается, что результаты детектирования не будут использоваться непосредственно оператором, а будут переданы системе принятия решений для запуска дополнительных механизмов диагностики или управляющих воздействий на объект.
Реализация предложенных алгоритмов не составляет труда в большинстве средств разработки, в том числе предназначенных для систем реального времени. Это обусловлено их простотой, использованием широко распространенных проверенных методов, обеспечивающих хорошо предсказуемое, фиксированное, гарантированное время выполнения. В частности, предполагается их реализация в среде Borland С++ Builder в составе разрабатываемой системы автоматической идентификации и классификации аварийных ситуаций.
Список литературы
1. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов / Ф.Я. Балицкий, М.А. Иванова и др. - М.: Наука, 1984, 119 с.
2. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах. - Л: Химия, 1983.
3. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибрации машин. - М.: Машиностроение, 1987, 224 с
4. Кулаичев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. - М.: Информатика и компьютеры, 1999.
n
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МУЛЬТИМЕДИА-
ТРЕНАЖЕРОВ
Н.Н. Филатова, Н.И. Вавилова
Разработка современных адаптивных обучающих систем (АОС) осуществляется с использованием сетевых технологий (Internet или Intranet). В настоящее время имеется ряд примеров не только концептуальных, но и физических реализаций проектов АОС и интеллектуальных обучающих систем в WWW [1-4]. Как правило, все подобные системы позволяют решать три типа дидактических задач:
• предъявление / ознакомление / презентация новых теоретических / декларативных знаний,
• проверку теоретических знаний,
• формирование умений / закрепление теоретических знаний.
Для закрепления теоретических знаний и формирования собственного опыта у обучаемого целесообразно (с позиций финансовых и временных издержек) включение в состав обучающих систем специализированных программных тренажеров [2]. Расширение этого понятия в последние годы позволило включить в этот класс не только программные комплексы по выработке и закреплению моторно-поведенческих функций, но и средства обучения решению творческих задач проектирования технических решений, сборке и наладке оборудования и т.п. [3,4]. В отличие от программ по обучению базовым понятиям (математические формулы, опреде-
ления) или директивным нормам (правила дорожного движения, управления технологическим оборудованием), указанные тренажеры должны помочь обучаемому осмыслить теоретические знания, сформировать личные эвристики для их применения. С этих позиций тренажер становится не столько средством обучения, сколько инструментом извлечения знаний и формирования личного опыта.
В статье рассматриваются вопросы проектирования предметно-зависимых компонентов мультимедиа-тренажеров, ориентированных на использование в среде WWW. Иллюстрируется методика разработки интерфейсов тренажера с помощью предметных онтологий.
Состав тренажерного комплекса
Предлагаемая концепция мультимедийного тренажерного комплекса базируется на технологии "клиент-сервер" и позволяет использовать его в среде WWW. Ориентация на работу с мультимедиа и необходимость мониторинга действий обучаемого привела к разработке особой распределенной структуры предметной модели тренажера. Принципиальным моментом в предлагаемом решении является декомпозиция предметной модели тренажера (ПМТ) на две взаимосвязанные составляющие [3]:
nMT=(T_extr,T_intr), причем T_extr^T_intr (1)
Составляющая T_extr играет роль интерфейса пользователя и воспроизводит графические, видео- и звуковые образы объектов, определяющих вид сцены. В зависимости от назначения тренажера и его проблемной ориентации это могут быть изображения блоков технических устройств, фрагменты чертежей и т.д. Динамические переходы между состояниями тренажера реализуются в этой составляющей в виде анимационных или видеофрагментов. Модель T_extr принимает от обучаемого команды и анализирует правомерность и возможность их выполнения. Эта составляющая располагается на клиентской части и способна поддержать работу тренажера при отсутствии постоянного соединения с сервером.
Модель T_intr играет роль интерпретатора состояний объектов системы. Она отображает в служебных кодах все отношения между объектами. В течение сеанса работы T_intr располагается на клиентской части, в любой момент времени по инициативе студента может передаваться на сервер для проверки результатов и для сохранения в архиве построенного технического решения. При необходимости обучаемый может восстановить содержание сцены в соответствии с сохраненным вариантом этой модели.
Проведенные эксперименты со студентами очной и заочной форм обучения, а также опыт внедрения тренажеров в другие вузы показали, что эффективность подобного рода комплексов зависит от двух факторов: уровня автоматизации труда преподавателей, применяющих эти тренажеры, и степени индивидуализации информационных средств поддержки пользователя и сценария работы.
Для решения первой задачи архитектура обобщенного тренажерного комплекса содержит генера-
тор задач и экспертный модуль. Оба компонента опираются на одну модель предметной области и обеспечивают решение взаимосвязанных задач: генерации вариантов заданий для студентов и проверки решений, созданных обучаемыми.
Экспертный модуль, расположенный на сервере, осуществляет оценивание результатов выполнения заданий, используя предметную базу знаний и модель Т_ш1;г. Проверка осуществляется с использованием продукционных моделей представления предметных знаний, что позволяет отказаться от прямого перечня допустимых, верных решений и ограничиться минимальным количеством запретов на действия в модели Т_ех1;г. В настоящее время разрабатывается БЗ правил для автоматической генерации принципиальных электрических схем и проверки схем, подготовленных студентами.
Задачу индивидуализации информационных средств поддержки пользователя и сценария работы с тренажером следует рассматривать как часть общей проблемы адаптации средств обучения к особенностям личности студента. Учитывая ограниченность личных контактов студента с преподавателем в системе заочного и дистанционного образования, а также сложность задач, решаемых на рассматриваемых тренажерах, в данном контексте эта проблема очень актуальна. Для ее решения в состав тренажерных комплексов включена модель обучаемого.
Модель обучаемого задается в виде информационной структуры, отображающей состояние обучаемого по результатам тестирования знаний, анализа траектории прохождения сценария и оценок психофизиологических характеристик. Учитывая два способа их определения - внешние (независимые) оценки и самооценки студента, - в модели выделяются две составляющие (экстро- и интроспекция) [3,8].
Модуль контрольного тестирования и модуль учебного курса относятся к автоматизированной обучающей системе с целью сохранения полноты восприятия идеи применения тренажера в цикле обучения.
На основе предлагаемой концепции в Тверском государственном техническом университете создано два новых класса программных тренажеров - функциональный и структурный.
Тренажеры, относящиеся к первому классу, предназначены для обучения работе с комплексом технических средств, оформленным в виде виртуального стенда. Примером является мультимедиа-тренажер "Виртуальный стенд поверки магнитного газоанализатора", предназначенный для проведения лабораторных работ по изучению измерительной техники. При работе с функциональным тренажером обучаемый преследует цель изучить методику работы с комплексом технических средств, запомнить некоторую последовательность взаимосвязанных действий, выполнение которых необходимо при проведении операций с данным оборудованием.
Тренажеры структурного типа позволяют студенту выполнять более сложные операции, связанные со сборкой оборудования, монтажом и наладкой технических устройств. Они позволяют выявить и
закрепить взаимосвязи между условными образами (разработанными схемами) и представлением решения в виде реальной коммутации блоков технических устройств. Примером структурного класса является тренажер "Сборка системы автоматизации" (рис.1). Указанная разработка входит в состав программного комплекса "Системы управления на базе контроллера Р130", который предназначен для обучения проектированию, сборке в щите и настройке систем автоматического управления технологическим объектом.
Рис. 1. Общий вид интерфейса тренажера структурного типа
Интеграция тренажеров подобных классов позволила решать довольно сложные методические задачи из области обучения проектированию систем автоматического управления, изучения методик обслуживания и ремонта медицинского оборудования.
Задача проектирования мультимедиа-тренажера
В структуре тренажерного комплекса целесообразно выделить универсальные (экспертный модуль, генератор заданий, модель обучаемого) и предметно ориентированные компоненты (ПМТ, БЗ, архив ПМТ). При таком подходе проектирование каждого нового тренажера можно рассматривать как задачу создания предметно зависимых компонентов, и в первую очередь предметной модели мира тренажера в виде моделей Т_ех1г и Т_1п1г. Указанные модели предназначены для интерпретации одних и тех же сущностей и создаются последовательно на основе одной схемы представления знаний предметной области. В качестве такой схемы предлагается использовать специальную онтологию.
Модель Т_1п1г, представляющая собой символьное описание сцены тренажера на каждом шаге сценария, может быть развита в традиционную реляционную структуру. Модель Т_ех1г определяет интерфейс пользователя и должна предусматривать ввод в сцену различных мультимедиа-объектов для воспроизведения необходимых по сценарию предметных отношений.
Сценарий тренажера рассматривается как множество заданных последовательностей ключевых кадров (ситуаций, 81). Каждая ситуация включает:
8,=(О, Оь Е81), (2)
где О1 - 1-тый вариант множества графических или видеообъектов, интерпретирующих состояния соответствующих физических сущностей (концептов предметной модели); Е81 - множество служебных объектов интерфейса (кнопки); О - свободное поле интерфейса, имитирующее стенд, стол, монтажный щит, стойку и т.п.
Переход от одного ключевого кадра к другому связан с изменением ситуации:
8. п 81+1 = 8Ь, 8Ь 81+1\ 81=Ка^+1, (3)
где 8Ь - множество объектов, не изменивших свои топологические атрибуты (размеры, точку привязки); Ка/1+1 - множество объектов, изменивших свои топологические атрибуты или введенных впервые в сцену (дополнение ситуации 81).
Для создания тренажеров, сценарий которых допускает на большинстве шагов альтернативные варианты действий пользователя, в том числе альтернативы правильных решений, необходимо, учитывая определения (2,3), включить в макет сцены расширенное множество объектов, содержащее все состояния объектов, которые возможны при любом варианте развития сценария:
1=т
О = 8ь и (и ^а/1) . (4)
1=1
Главными показателями качества макета сцены являются его когнитивные свойства. Для их улучшения в ходе проектирования макета целесообразно учитывать следующие требования.
1. Обеспечивать высокое визуальное качество графических или видеообъектов, интерпретирующих концепты предметной модели; необходимо полное визуальное соответствие этих интерпретаций объектам физического мира, обеспечивающее безошибочную идентификацию концептов, устойчивую за пределами мира тренажера.
2. Размещать элементы из множества О в соответствии с рекомендациями по восприятию экранной информации [7]. Внимание обучаемого неравномерно распределяется между объектами на экране. Интерпретации, несущие наибольшую когнитивную нагрузку, целесообразно помещать в зоны повышенного внимания обучаемого.
3. Согласовывать количество одновременно присутствующих в сцене тренажера интерпретаций с объемом восприятия видеоинформации обучаемым. На рабочем поле тренажера одновременно допустимо располагать интерпретации для 7±2 концептов. Число экземпляров концептов может быть произвольным, если для экземпляров каждого концепта используются одни и те же интерпретации. При невозможности сократить число концептов до указанного значения их целесообразно разместить в двух и более сценах.
4. Создавать условия для минимизации числа ошибок обучаемого при выполнении моторных операций (коммутации объектов, воздействия на органы управления объектами, снятие показаний со шкал). Исследования показали, что для выполнения моторных операций без ошибок, площадь каждой зоны воздействия в интерпретации должна достигать минимально допустимого значения. Минимальная
площадь зоны воздействия зависит от площади экрана, под которую проектируется тренажер, и состав-
Smin
Secr/3000 . Площадь экрана определяет-
ся разрешением, под которое проектируется макет, и рассчитывается в условных экранных единицах -пикселях (рх).
5. Проектировать макет сцены точно под размер экрана. Наличие полосы прокрутки дезориентирует обучаемого:
8есг=8Т_ех1г+8о81 , 8Т_ех^= 8е + 58, (5)
где 8Т_ех1г - площадь макета сцены тренажера; 8ой -свободная площадь; 8Е - суммарная площадь элементов множества О; 58 - площадь, зарезервированная под элементы множества Е.
Топологические атрибуты элементов множества О определяются следующими соотношениями: N
о = и ф,(У,), У,е¥, ф,еФ 1=1
(VI) ф1(у1) :: <пате„ Х„ ¥1, АХ„ А¥,>
КЕ={АХ А¥1}, КЕ={Х ¥1}, 1= 1,N
где (Х1, ¥1) - координаты точки привязки графического или видеообъекта, интерпретирующего концепт предметной модели, на поле С; (ДХ15 А¥() -размер этого объекта; КЕ - множество размеров этого объекта; КЕ - множество точек привязки объектов.
На рисунке 2 показан общий вид фрагмента макета сцены тренажера. Полный макет сцены может включать 40 и более объектов. Например, макет сцены тренажера "Системы управления на базе контроллера Р130" включает более 200 объектов.
Исходными данными при проектировании макетов сцен является предметная модель тренажера, включающая список необходимых интерпретаций концептов. Макет сцены тренажера считается сфор-
ЛУх
(X X 9 Ух) (Xn , Y N) Х
х ф i(y х) (X Ч 9 Yi) ф (y )
yi) С
Y
АХх
Рис. 2. Фрагмент макета сцены T_extr
мированным, если определены размеры всех интерпретаций концептов и их точки привязки.
Учитывая, что формирование ПМТ осуществляется в условиях нечетко определенной цели, в предлагаемой методике проектирования предметно-зависимых компонент тренажера широко применяются корректирующие итерации. В частности, производится коррекция сценария по результатам тестирования прототипа, если обнаружено неполное воспроизведение множества предметных ситуаций. Возможна коррекция ЫЕЬР-системы и сценария тренажера по результатам опытной эксплуатации, если выявлено значительное количество однотипных ошибок, допускаемых группой обучаемых.
Проектирование макетов сцен тренажера
Начальным этапом процесса проектирования и разработки мультимедиа-тренажера является концептуализация предметных знаний с целью последующего создания его предметной модели. Структурирование информации для электронных обучающих средств, как обычно, приводит к выделению множества понятий предметной области, организованных в виде сетевой структуры, отображения множества отношений между понятиями, а также множества интерпретаций понятий и отношений, выраженных в
Таксономия Т1 "Технические средства Р130"
Управляющий модуль (БК) Логический Регулирующий (Р130) Непрерывно-дискретный Пульт настройки (ПН) Питающий модуль
Переменного тока Постоянного тока
Стабилизированный Нестабилизированный (БП) Нормирующий преобразователь
Блок усилителя сигналов резистивных датчиков (БУС20) Блок усилителей сигналов низкого уровня (БУТ20) Блок усилителей мощности (БУМ20) Исполнительное устройство Пускатель
Магнитный Бесконтактный (ПБР) Регулирующий орган Заслонка Вентиль
Исполнительный механизм постоянной скорости Электромагнитный клапан
Таксономия Тц "Элемент соединения"
Линия связи
Межблочный соединитель (МБС) Провод отдельный (ПРВ) Соединительная колодка
Размножительная колодка (КБР)
Ответвительная колодка (КБО220) *****************************************************************
Таксономия Тщ "Область воздействия" ("Управляющая область")
Разъем
Штыревой разъем (ШР9,25рт) Клеммно-винтовой разъем (КВР) клемма (КЛМ) винт (ВИНТ)
Кнопка (КНП) Выключатель (ВКЛ)
Таксономия Т^ "Область индикации"
Индикатор
Ламповый (ЛИ) Цифровой (ЦИ) Шкальный (ШИ)
Рис. 3. Таксономии, выделяемые в предметной области "Системы автоматизации на базе МПК" (фрагменты)
Таблица 1 Атрибуты классов и концептов
Класс / концепт Атрибут Значения
Таксономия I "ТС Р130"
Управляющий модуль 1. Модель Регулирующая/ управляющая/ непрерывно-дискретная
Регулирующий БК 1. Модификация 2. Имеющиеся объекты индикации 3. Объекты воздействия 12,.., 14, ... (30 вар.) экземпляры из Т1У экземпляры из Т111
Питающий модуль 1. Ток переменный/ постоянный
ПМ постоянного тока 1. Стабилизация да / нет
Блок питания 1. Имеющиеся объекты индикации 2. Объекты воздействия экземпляры из Т1У экземпляры из Т111
Нормирующий преобразователь (НП) 1. Преобразуемый сигнал резистивных датчиков / низкого уровня
НП резистивных датчиков (БУС) 1. Имеющиеся объекты индикации 2. Объекты воздействия экземпляры из Т1У экземпляры из Т111
НП сигналов низкого уровня 1. Имеющиеся объекты индикации 2. Объекты воздействия экземпляры из Т1У экземпляры из Т111
Блок усилителей мощности 1. Имеющиеся объекты индикации 2. Объекты воздействия экземпляры из Т1У экземпляры из Т111
Исполнительное устройство 1. Тип П/РО/ИМПС/ЭМК
Измерительный преобразователь 1. Выходной сигнал дискретный/ аналоговый
Измерительный преобразователь с дискр. вых. сигналом 1. Защита от дребезга да / нет
виде текстовых, графических, анимационных, звуковых и видеообъектов. Систематизация знаний, которая позволяет интегрировать разнородные источники знаний на единой основе, может быть выполнена с помощью онтологий.
Формальная модель онтологии [5] имеет вид:
ОЭТ=<У, ^ Ф>, (6)
где У - конечное множество понятий предметной области (концептов); Z - конечное множество отношений между концептами; Ф - конечное множество функций интерпретации, заданных для концептов или отношений онтологии.
Создание онтологии предметной области позволяет выделить минимально необходимые наборы отношений и объектов, которые можно использовать для проектирования множества тренажеров, определить необходимую глубину декомпозиции объектов.
На начальном этапе построения онтологии производится составление словаря концептов. В него включаются концепты, значимые для предметной области, а также их естественно-языковые описания.
Выявленные концепты составляют таксономии. Каждая таксономия может рассматриваться как вырожденная онтология, при этом множество интерпретаций концептов Ф = 0:
Т=ОЭТ=<У,{1э_а},{}>. (7)
Множество Z в таксономии ограничивается простыми отношениями (например, отношение "1.$_а" -"является", отношения вида "subclass_of1 - "подкласс для...").
Количество необходимых таксономий зависит как от числа базовых сущностей предметной области, так и от необходимой степени их детализации при решении предметных задач на тренажере. Например, при разработке предметной модели тренажера "Системы управления на базе контроллера Р130" сформировано 4 таксономии. Их фрагменты показаны на рисунке 3.
Следует отметить, что нет необходимости раскрытия ветвей таксономий на одинаковую глубину. Раскрытие ветвей таксономий Т1 "Технические средства Р130" и Т11 "Элемент соединения" прекращается, когда в них включаются концепты, соответствующие изучаемым физическим объектам (блок питания, провод, Р130 и т.д.). Сигналом к прекращению раскрытия ветвей таксономии Т111 "Область воздействия" служит появление в таксономии всех концептов, соответствующих элементам концептов из таксономии Т1", которые подвергаются воздействию человека при коммутации, сборке или наладке системы (кнопки, разъемы). Аналогичным образом развивается и таксономия Т1У "Область индикации".
Для каждого концепта определяются множества атрибутов и их значений, формируются множества экземпляров (табл. 1).
Введением дополнительных отношений (табл. 2), соответствующих специфике предметной области, полученные таксономии объединяются в онтологию. Онтология предметной области "Системы управления на базе контроллера Р130" нуждается в ограниченном наборе нетаксономических отношений. Указанные семь типов отношений достаточны
для построения онтологических систем в более широкой предметной области "Технические средства систем автоматизации".
Таблица 2
Нетаксономические отношения онтологии
Отношение Инверсное отношение Исходные концепты Целевые концепты
Включает в себя. Входит в состав... У е Т1 у е Тш , у е Т1у
Соединяет ¿2 Соединяется у = "ПРВ", у = "МБС" у = "КЛМ", у ="ШР", у="ВИНТ"
Включает/ выключает ¿3 Включает ся/выклю-чается у = "ВЫКЛ" у = "ПН"
Переключает ¿4 Переключает-ся у = "КНП" у = "Р130", у = "ПН"
Отображает ¿5 Отображается У е Т1У у е Т1
Управляет ¿6 Управляется у = "ПН", у = "Р130" у = "Р130", у = "ПБР",
г7 Питает ¿7 Питается от. у="БП" у е Т1 & у * "БП"
Создание ПМТ предусматривает включение в модель T_extr множества мультимедиа-объектов различного типа (видео, аудио, анимация), представляемых разными форматами. Независимость процедур анализа состояния ПМТ от конкретного мультимедиа-наполнения сцен при имитации ситуаций предметной области могут обеспечить атрибутивные модели. Информационные атрибутивные модели (ИАМ) создаются для всех экземпляров концептов, являющихся конечными вершинами таксономий TI, TII, TIII, TIV, и включают имя экземпляра и набор характеристик: am, :: < name, chrx, ..., chrr >.
В множестве концептов можно выделить три подмножества:
Y3{Objects}u{ Elements,.} и u{Elementskn}u{Elementsind}. (8)
1) {Objects} - подмножество концептов из Tj и Tn. Это объекты, которые могут быть включены в рабочие сцены тренажера, но не могут подвергаться воздействию обучаемого.
2) {Elements,} - подмножество концептов из TnI, являющихся подклассами концепта y = "Разъем", связанные отношением ("входит в состав...") с концептами из TI или TII. Это элементы объектов входящих в состав сцены тренажера. Обучаемый может выполнять с ними определенную последовательность операций, в результате которых элемент соединяется с другим элементом этой категории.
3) {Elementskn} - подмножество концептов из TIII, не являющихся подклассами концепта y = "Разъем", связанные отношением z^ с концептами
из TI или TII. Это элементы объектов входящих в состав сцены тренажера, на которые обучаемый может оказывать однократное воздействие (например, кнопки управления).
4) {Elementsind} - подмножество концептов из TIV, связанных отношением zt с концептами из TI
или TII. Эти элементы объектов зависят от состояния других элементов, они не могут подвергаться непосредственному воздействию обучаемого (например, индикаторы).
Атрибутивные модели для экземпляров концептов каждого подмножества содержат полный набор их характеристик. В ходе работы обучаемого с тренажером их значения могут изменяться на каждом шаге.
Для построения полной предметной модели тренажера необходимо создание множества интерпретаций (Ф). Они задаются для концептов (In_Y) и отношений онтологии (In_Z).
Ф = In_YuIn_Z (9)
(Vi) {y, е Y|y, ^ {ф,}, {ф,} с In_Y} (Vj) {Zj е Z|zj ^ {фj}, {фj} с In_Z}. (10)
In_Y можно рассматривать в качестве интерпретаций унарных отношений концептов <y,> ("имеет характеристику") <chrj>. Множество In_Y необходимо для создания сцены, интерпретации позволяют определить статичные объекты, на фоне которых развиваются события в мире тренажера. Одному
концепту обычно соответствует множество интерпретаций (9), при этом они задаются так, чтобы определять концепт во всех его состояниях, соответствующих его атрибутивной модели. Множество 1п_У объединяет в себе интерпретации:
- унарных отношений;
- отношений ("«_д...", "subclass_of...");
- отношений типа часть-целое ("входит в состав.").
Для дальнейшего развития модели ПМТ введены утверждения.
1. Каждому концепту из предметной онтологии можно поставить в соответствие по крайней мере одну интерпретацию, состоящую из одного визуального или звукового образа.
2. Существует по меньшей мере один концепт предметной онтологии, которому можно поставить в соответствие интерпретацию, состоящую из нескольких образов.
3. Интерпретация любого концепта предметной онтологии может включать только визуальные или звуковые образы.
4. Для каждого концепта можно сформировать множество интерпретаций, различающихся набором образов и отношениями между ними.
Для конструирования интерпретаций достаточно использовать восемь образов: символьный (текстовой и формульный), звуковой (тональный и речевой сигналы), графические (2Б и 3Б), видео (в том числе анимация). В простейшем случае в соответствие каждому концепту ставится интерпретация, задаваемая образом любого вида, что в конечном итоге формирует простейшую справочную систему, обеспечивающую в качестве результата поиска быстрый вывод однородной информации по каждому концепту -термину предметной области.
Исследования в области применения АОС показали, что использование в качестве интерпретаций отдельных образов малоэффективно [4,6]. Необходимо полисенсорное воздействие на обучаемого в процессе работы с тренажером [4]. Так, схемы (образ "2Б-графика") лучше понимаются пользователем, если снабжены голосовыми пояснениями (образ "речевой сигнал"). Комбинация звуковых и графических образов более эффективна, чем отдельные анимационные или графические образы, при создании интерпретаций предметных отношений, возникающих в "тупиковых" ситуациях сценария тренажера, связанных с ошибочными решениями обучаемого.
Для создания интерпретаций, обладающих свойством полисенсорного воздействия на обучаемого, используется модель интерпретации.
т|п' :: < пате0"-1 , е1т8 , zelmg >. (11)
Здесь пате0"- - имя объекта (концепта), которому соответствует интерпретация; е™8 - множество мультимедиа образов, на основе которых по-е1т8
строена интерпретация; z - множество отношений, заданных между образами и определяющих порядок активизации каждого из них.
Модель интерпретации может быть создана в
виде одного образа, если II eimg II = 1 и ze ^ = 0. Наибольшее распространение в настоящее время имеют интерпретации, полученные интеграцией двух-трех мультимедиа-образов. Интерпретации, состоящие из трех и более образов, обычно создаются для альтернативного представления концепта.
Общее количество интерпретаций целесообразно ограничить. Это возможно за счет создания интерпретации в виде интеграции всех необходимых образов. Активизация каждого образа (или их комбинации) должна осуществляться исходя из особенностей модели восприятия обучаемого [4,8].
С этой целью создаются настраиваемые интерпретации:
m|1-int :: < nameobj , eimg , zeimg , kad > (12)
здесь k ad - коэффициент адаптации, введенный для конкретизации множества мультимедиа-образов и ограничения числа образов, активизированных в данный момент.
Множество отношений онтологической системы In_Z позволяет определить изменения объектов виртуального мира тренажера, происходящие под воздействием обучаемого. Множество In_Z задается для всех отношений онтологии, за исключением таксономических ("is_a..."), видовых ("subclass of...") и отношений типа "часть-целое" ("входит в состав."), которые включены в In_Y.
Виртуальный мир рассматриваемых классов тренажеров имеет ряд особенностей.
1. Отсутствует имитация событий в реальном масштабе времени. Тренажеры, обучающие монтажу и коммутации, а также пуску и наладке оборудования выполняются на основе статической модели мира, которая допускает имитацию развивающихся во времени процессов в некотором искусственном масштабе времени, ее объекты не подвержены влиянию внешних факторов.
2. Наибольшее значение приобретает последовательность событий, которую обучаемому необходимо сформировать и выполнить для решения предметных задач.
Интерпретации In_Z создаются для группы отношений, наиболее полно отображающих специфику предметной области. В качестве примера создания элементов этого множества рассмотрим интерпретацию отношения "соединяет" (Z2 ), которое является одним из основных при разработке сценария любого тренажера на темы монтажа. Модель этой интерпретации можно представить тройкой:
Inz2 :: <y_ex? ,y_ex2,yp > (13)
где Inz2 - интерпретация отношения <экземпляр объекта (yp) соединяет экземпляры (y_exj ) и
z e \ e e
(y_ex2 )>; y_ex1, y_ex2 - экземпляры ye е {Elementsr }; yp - концепт соединительного
элемента (ур е Тп) , являющийся висячей вершиной таксономии.
В результате активизации интерпретации меняется сцена тренажера. Происходит формирование у _ ехр - нового экземпляра концепта ур с атрибутами, полученными в результате операций с атрибутами у_ехе и у_ех2. Интерпретация полученного экземпляра концепта активизируется в сцене тренажера.
Интерпретация данного отношения может строиться в виде отдельных образов и их интеграции. Рассмотрены варианты построения интерпретаций этого отношения на основе:
- текста или речевого сигнала; интерпретация задается указанием номеров контактов, соединенных
экземпляром ур ;
- образов "2Б-графика"; интерпретация задается традиционно в виде электрической схемы. В этом
случае экземпляр ур представляется линией, соединяющей контакты;
- образов "3Б-графика"; интерпретация задается в виде объемного провода, помещенного в объемную сцену и соединяющего контакты;
- видеообразов; интерпретация может задаваться в виде анимационной имитации процесса соединения контактов проводом.
Проектирование сценария тренажера на основе интерактивной модели преобразования ситуации
В основу проекта сценария развития событий в мире мультимедиа-тренажера положено множество ситуаций {8-}, определяющих модель мира тренажера:
8с=<8, оа>, 8= и^, оа= иоа1-, (14)
где 8 - множество ситуаций; Od - множество действий, обеспечивающих преобразование ситуаций.
Для проектирования интерактивных сценариев введем следующие утверждения.
Утверждение 1. Каждая ситуация 8- соответствует совокупности состояний экземпляров концептов онтологии ПМТ и отражается в обеих составляющих предметной модели (Т_ех№ и Т_1п1г).
Утверждение 2. Каждому действию Odj соответствует последовательность элементарных предметных операций, допустимых в условиях 81.
Утверждение 3. Применение любого действия из множества Od в условиях ситуации 81 приведет к преобразованию данной ситуации Odj(Sl)^Sl+1.
Учитывая большую размерность пространства состояний, отображаемого сценарием, в атрибутивной модели тренажера (Т_1п1г) фиксируются только завершенные ситуации, характеризующие выполнение некоторой элементарной предметной операции (Ор-). В однослойном функциональном тренажере могут существовать ситуации, для изменения кото-
рых достаточно применить одну элементарную операцию Ор^^^^Ф^
Для более сложного сценария структурного тренажера (виртуального монтажного щита) в понятие преобразование ситуации целесообразно объединить нескольких операций, выполняемых обучаемым. Графическая интерпретация отношений, положенных в основу процедуры агрегирования операций, может быть представлена в виде треугольной структуры. Каждая новая элементарная операция порождает одну из вершин в треугольной структуре и вызывает изменение в модели (Т_ех1г). Две из сторон в треугольнике интерпретируют предметные аксиомы, третья - создается в случае выполнения соответствующего правила конструирования (табл. 3) [3].
Таблица 3
При успешном построении всех вершин треугольной схемы модель (Т_ех1г) дополняется новым графическим объектом (генерируются параметры размещения в слое выбранного графического образа) и происходит изменение в атрибутивной модели соединений (Т_т1г). На основе треугольной структуры реализуется отношение z2 ("соединяет"), реализация остальных отношений происходит на основе п-угольных структур, которые для отношений z3, z4, z5 могут вырождаться в линию. Обобщенная интерактивная модель преобразования ситуаций является основой универсального алгоритма сценария мультимедиа-тренажеров.
Элементарные предметные операции, использующиеся при формировании элементов множества действий в сценариях, представлены в таблице 4.
Операции 1 и 4 реализуются указанием экземпляра концепта в сцене тренажера, а операция 3 - указанием концепта, экземпляр которого должен быть построен в результате успешного завершения действия и перехода к новой ситуации. Операции 5 и 6 выполняются автоматически: осуществляется проверка правила совместимости указанных обучаемым экземпляров концептов и концепта соединительного
элемента, а в случае положительного результата производится генерация экземпляра концепта Б1 и помещение его интерпретации в сцену тренажера.
Таблица 4
Множество действий тренажера _структурного типа_
Действие Элементарные предметные операции
Opj(Sj) Операция 1 - Выбрать объект О1; Операция 2 - Открыть окно выбора средства соединения; Операция 3 - Выбрать соединительный элемент Вь Операция 4 - Выбрать объект О2; Операция 5 - Проверка совместимости Оь Б1 и О2; Операция 6 - Соединение другого конца В1 с объектом О2.
Разработка компьютерных ситуационных тренажеров с использованием мультимедиа-технологий дает возможность реализовать: практически любые по сложности эксперименты с оборудованием; методики отработки любых нештатных ситуаций; виртуальные стенды, не существующие в реальности (например, состоящие из элементов, недоступных в данный момент для соединения, находящихся в разных частях страны или только за рубежом). Рассмотренная методика проектирования позволяет создавать эффективные средства обучения с высокими презентационными характеристиками, которые можно использовать как в дистанционном образовании, так и при самостоятельной работе студентов очной формы обучения.
Список литературы
1. Brusilovsky, P., Adaptive and Intelligent Technologies for Web-based Education. In C. Rollinger and C. Peylo (eds.), Special Issue on Intelligent Systems and Teleteaching, Konstliche Intelligenz, 4, 19-25.
2. Nakabayashi, Maruyama, Koike, Kato, Touhey, Fukuhara, Architecture of an Intelligent Tutoring System on the WWW, Proceedings of the 8th World Conference on Artificial Intelligence in Education - Knowledge and Media in Learning Systems (AI-ED'97), Kobe, Japan, 1997.
3. Филатова Н.Н., Ахремчик О.Л., Вавилова Н.И., Туло-ва С.А. Тренажеры для обучения разработке систем автоматизации, реализованные в WWW // Сб. матер. междунар. конф.: ICALT-2002. - Казань. - 2002. - С. 288-294.
4. Filatova N.N., Vavilova N.I. The trainer-simulator's models of the world on the basis of the plurality of the figurative representations // Information Theories and Applications, Sofia. 2001, v. 8, № 4, pp. 176-184.
5. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб., 2000.
6. Зайцева Е.Н. Оценка эффективности самостоятельного обучения студентов в телекоммуникационной среде средствами непараметрической статистики // Сб. матер. междунар. конф.: ICALT-2002. - Казань - 2002. - С. 107-111.
7. Арнхейм Р. Искусство и визуальное восприятие. -М.: Прогресс, 1974. - 392 с.
8. Филатова Н.Н., Тулова С.А., Ахремчик О.Л. Разработка и исследование программно-методического комплекса для построения ПФК модели обучаемого // Educational Technology & Society, 2004, v.7, №1.
Множество аксиом (А) Множество правил конструирования (РК)
- цель имеет атрибуты [А,]; - элемент имеет атрибуты [А^; - соединение контактов осуществляется с помощью линии связи; - линия связи имеет два контакта; - любой контакт линии связи соединяется с контактами разъема или колодки; - разъем имеет контакты; - если элемент - не линия связи, то он имеет колодку или разъем. - если (контакту) присвоен (п) и (контакт) принадлежит (разъему) или (колодке), выделенной не на (блоке питания) или не на (размножительной колодке), то к нему присоединяется (линия связи), - если (контакту) присвоен (п), то к нему присоединяется (линия связи), - если (на ХО выделен (колодка) или (разъем), то ему присваивается (номер К).
t
