НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Технологии разделяемых единиц контента и удаленного доступа к учебным ресурсам

Для современных информационно-образовательных сред характерны следующие противоречия.

·       между информационными запросами пользователей и содержанием доступных электронных изданий (ЭИ), поскольку адаптация и индивидуализация существующих ЭИ не предусматриваются.

·       между  динамикой развития приложений и инерционностью создания ЭИ,          поскольку  модернизация учебника в процессе его сопровождения может выполняться лишь автором и, как правило, сводится к написанию нового ЭИ  (особенно отставание содержания учебников от современного уровня характерно для динамично развивающихся приложений, таких как информационные технологии);

·       между финансированием и реальными затратами на написание ЭИ, поскольку очевидна большая трудоемкость  создания "с нуля"  множества учебников высокого качества для  имеющихся дисциплин;        

·       между авторским правом и свободой использования фрагментов ЭИ в новых разработках;             

·       между потребностями унификации лабораторных циклов и разнообразием прикладного ПО, имеющегося в лабораториях   разных учебных заведений.

Разрешение имеющихся противоречий возможно на путях использования новых информационных образовательных технологий, к числу которых относятся  технологии  разделяемых единиц контента (ТРЕК),   удаленного доступа к хранилищам учебных материалов и к учебному  лабораторному оборудованию. 

 Основу технологии  разделяемых единиц контента составляют способ структурирования знаний  предметной области (приложения), их представления в электронных энциклопедиях (ЭЭ), методы селекции структурных элементов и их упорядочения при синтезе конкретных учебных пособий.

Созданию ЭЭ предшествует разработка  онтологии приложения. Структурирование знаний при разработке онтологии заключается в выделении понятий (сущностей) приложения. Множество понятий и их отношений составляет тезаурус. Характеристика понятий, присущие им свойства и связи  между понятиями описываются в   модулях знаний.            Множества понятий и модулей вместе с соответствующей системой управления базой знаний образуют ЭЭ.

Разработка конкретного учебного пособия начинается с выбора подмножества модулей  из предметной базы знаний. Выбор определяется   заданной учебной программой или   выраженными в той или иной форме информационными потребностями пользователя с учетом результатов предварительного тестирования его готовности к восприятию материала.   Далее из выбранных модулей    формируется линейная последовательность и выполняется адаптация формы материала к индивидуальным особенностям обучаемого. В процессе изучения материала по сформированному пособию должна быть обеспечена возможность облегченной навигации по разным частям базы знаний.

Система управления ЭЭ предназначена для поддержки процедур синтеза учебников и пособий и выполнения функций по сопровождению тезауруса и базы модулей.  Перечислим основные функции системы управления ЭЭ.

1.       Поиск и устранение циклов. Моделью ЭЭ является направленный граф, вершины которого соответствуют модулям, а ребра входам и выходам модулей. Наличие цикла в графе свидетельствует о нелогичности изложения материала - в конечном итоге некоторое понятие определяется через само себя. Система управления должна обнаруживать такие циклы и выдавать рекомендации по их устранению.

2.    Упорядочение модулей. После устранения циклов упорядочение может быть выполнено с помощью ранжирования вершин графа и применения эвристических критериев в неоднозначных ситуациях.

3.    Простановка гиперссылок. Это может быть выполнено, например, путем сопоставления терминов в тексте с терминами  тезауруса.

4.    Выбор синонимов и обозначений. Система автоматически заменяет синонимы и обозначения величин на основной вариант, предлагаемый в тезаурусе, или на вариант, указанный пользователем.

5.    Выбор модуля при наличии дублей. Критериями выбора могут быть такие атрибуты  модуля, как автор, тип, дата последнего изменения.

6.    Интерфейс с пользователем - навигация по тезаурусу, отображение совокупности терминов из тезауруса, отобранных пользователем и т.п..

7.    Формирование супермодулей, т.е. модулей верхнего уровня, представляющих собой типичное для приложения сочетание модулей нижнего уровня. В дальнейшем для супермодуля формируются метаданные и он может использоваться наравне с исходными модулями нижнего уровня.

8.    Управление версиями учебника, ведение словарей.

9.    Согласование форматов данных,  регистрация модулей  и др.

Отметим основные преимущества  ЭЭ:

существенное упрощение и ускорение разработки новых учебных пособий, соответствующих новым достижениям науки и техники, изменившимся запросам промышленности, потребностям новых нарождающихся дисциплин и т.п., поскольку значительная часть нового пособия может покрываться имеющимися модулями;

легкость сопровождения сетевых учебников, поскольку  локальные преподаватели  могут самостоятельно вносить изменения, создавая свои версии пособий путем замены или добавления модулей, в том числе модулей собственной разработки;

расширение возможностей оптимизировать информационную поддержку выбранной студентами траектории обучения в системах открытого образования.

Одними из важнейших составляющих практической и конструкторской подготовки студентов в технических университетах естественнонаучного и инженерного профиля  являются лабораторный практикум и курсовое проектирование. Существенное расширение ресурсов, которые могут быть использованы образовательными учреждениями для повышения уровня выпускаемых специалистов в этих направлениях, может быть достигнуто с помощью сетевых технологий. В этом случае появляются весьма широкие возможности применения в практической подготовке не только учебных экспериментальных стендов, расположенных в ведущих университетах РФ, но и уникального оборудования и новейших методик передовых научных организаций. При курсовом проектировании уровень подготовки может быть существенно улучшен, если использовать новейшие конструкторские разработки, в том числе зарубежные.

Задача создания и последующего коллективного использования автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом (АЛП УД), проводимых через сеть Интернет на реальном оборудовании, весьма актуальна при разработке концепции исследовательского университета и формировании его информационного пространства. Целевое использование ресурсов глобальной сети Internet существенно расширяет кругозор и исследовательские навыки будущих специалистов в процессе обучения. При подготовке специалистов для ключевых наукоемких отраслей последнее обстоятельство является особенно важным, поскольку крупные уникальные установки требуют весьма больших капиталовложений и создаются только в единичных экземплярах.

В МГТУ им. Н.Э.Баумана уделяется большое внимание использованию сети Интернет не только в рамках дистанционного и открытого образования, но и в традиционных очных технологиях проведения учебного процесса. В соответствии с разработанной концепцией использование АЛП УД начинается с младших курсов, где наряду с традиционными формами лабораторных практикумов применяется сетевой доступ к учебным стендам, в том числе, расположенных и в других университетах. Такие общие банки лабораторных практикумов существенно расширяют перечень доступных студентам экспериментальных стендов и допускают бульшие возможности индивидуализации обучения. На старших курсах в практическую подготовку включаются лабораторные практикумы и учебно-исследовательская работа на уникальных стендах ведущих научных организаций по соответствующему профилю обучения. В этих условиях сбор информации о протекающих процессах и управление сложными устройствами выполняются практически всегда дистанционно. Поэтому в подготовке специалистов для различных отраслей, и прежде всего, для энергетики, в учебно-исследовательском процессе большое внимание уделяется методам дистанционного управления экспериментом. Они применяются в сочетании с лабораторными и учебно-исследовательскими работами, проводимыми традиционным способом.

Информация о перечне, разработчиках и возможностях АЛП УД размещена на специализированном сайте автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом МГТУ им. Н.Э. Баумана http://lud.bmstu.ru.

Здесь должное внимание уделено определениям, стандартам на практикумы, методическим вопросам, а по каждому практикуму, размещенному на сайте, имеется демо-версия, а по некоторым из них – и бета-версии на нескольких языках. Представлены разработанные в МГТУ им. Баумана практикумы по общим (различные разделы физики - механика, электромагнетизм, квантовая физика), общетехническим (механика деформируемого твердого тела) и специальным (диагностика низкотемпературной плазмы, ядерные энергоустановки) дисциплинам. Здесь также размещена информация о перспективных проектах, среди которых следует отметить уникальный объект – один из крупнейших в Европе радиотелескоп МГТУ им. Н.Э. Баумана миллиметрового диапазона длин волн, к которому организуется удаленный доступ через сеть Интернет. В соответствии с планом ввод в строй этого автоматизированного оборудования должен состояться в 2004 г. В этом же году должна начать опытную эксплуатацию Интернет-лаборатория по испытаниям материалов ИЛИМ. Кроме того, на сервере размещены ссылки на ресурсы научных и учебных организаций, совместно с которыми создаются удаленные практикумы, а также других организаций-разработчиков АЛП УД.

Широко применяются в учебном процессе и базы экспериментальных данных, полученных на уникальных установках, и содержащие первичные данные измерений, которые могут быть доступны через сеть Internet. Использование при курсовом и дипломном проектировании, разработка эффективных алгоритмов обработки для получения требуемых научных данных также предоставляют студентам новые исследовательские возможности. Такая практика сложилась, в частности, при подготовке специалистов совместно с РНЦ «Курчатовский институт». Кроме того, для конструкторской подготовки студентов по специальности «Плазменные энергетические установки» используется созданный совместно с этой организацией электронный атлас конструкций термоядерного реактора (http://indus.fusion.ru), где размещены чертежи в форматах gif и pdf. 

Для курсового и дипломного проектирования используются также и графические файлы конструкций. Студенты имеют возможность взять такие системы в качестве прототипов, видоизменить их и скомбинировать с файлами своих узлов и подсистем.