автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Комплекс программ генерации обучающих компонент на основе диалоговой модели информационно-управляющей системы

На правах рукописи

АКСЕНОВ ОЛЕГ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ГЕНЕРАЦИИ ОБУЧАЮЩИХ КОМПОНЕНТ НА ОСНОВЕ ДИАЛОГОВОЙ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена на кафедре "Математическое обеспечение вычислительных систем" в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ГОУ ВПО) "Московский государственный институт радиотехники электроники и автоматики (технический университет)"

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Григорьев Виктор Карлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Самохии Александр Борисович

кандидат технических наук Зотов Сергей Михайлович

Ведущая организация: Институт электронных управляющих

машин (ИНЭУМ)

Защита диссертации состоится «2^ » 2005 г. в

часов в аудитории Г-412 на заседании диссертационного совета Д 212.131.03 при ГОУ ВПО "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" по адресу: 119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)".

Автореферат разослан « 4P » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент /г Тягунов O.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Стремительно развивающиеся информационные технологии занимают в социальной жизни столь значительное место, что необходимо говорить о возникновении вслед за "индустриальным" нового -"информационного общества", которое характеризуется огромным объемом информации, необходимой каждому индивидууму. При этом "информационное общество" накладывает все большие требования на скорость приобретения знаний. Столь динамично изменяющиеся знания связаны не только с потребностью анализировать поступающий объем информации, но и с умением использовать широкий класс средств обработки этой информации.

Одной из характерных особенностей современного этапа научно-технического прогресса и становления "информационного общества" является широкое использование автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС). В ближайшие годы намечается ввести в действие и модернизировать большое число АИУС в самых различных отраслях народного хозяйства.

При этом все большую значимость приобретает проблема, связанная с дефицитом знаний и навыков применения возможностей новых и модифицируемых АИУС. Эта проблема решается путем постоянной подготовки и переподготовки кадров в течение всей их профессиональной деятельности. Здесь особую остроту приобретает эффективность методов и способов массовой подготовки кадров, включенных в обучение без вступительных экзаменов и тестов, как в системе открытого образования.

Для решения данной задачи все большую актуальность приобретает использование компьютерной техники, как наиболее экономичного средства представления и обработки информации. Являясь не только средством отображения информации, но и инструментом организации диалога "человек-машина" и косвенно "человек-машина-человек", вычислительная техника способна к активному участию в диалоге с обучаемым.

Потребность в обеспечении большого количества пользователей информационно-управляющих систем (ИУС) необходимыми навыками работы с прикладным программным обеспечением (ППО) ставит задачу создания экономически более эффективных методов передачи знаний по сравнению с очной формой обучения. При этом применение в учебных целях реально работающего ППО ИУС во многих случаях неоправданно в связи с трудоемкостью развертывания и обеспечения требований

*ОС.НАЦИОНД^-ВЙВЛИОГЕКЛ

безопасности, что делает целесообразным использование моделей ППО ИУС для обучения пользователей.

Существующая для многих областей задача разработки тренажерных моделей является новой применительно к ИУС. Основой для решения подобных задач является создание модели реального объекта, которая реализует ограниченную функциональность, достаточную для организации тренинга. Ограничения функциональности, которые не существенны для проведения обучения, вызваны необходимостью быстрого создания моделей с обеспечением низкой трудоемкости их разработки и эксплуатации.

Тем самым исследование подходов к созданию тренажерных моделей, предназначенных для получения практических навыков работы в ИУС, является актуальной задачей научного исследования, требующей как теоретических разработок, так и практической реализации в виде инструментального комплекса программ, предназначенного для автоматизации формирования тренажерных моделей и организации обучения.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности создания тренажерных моделей ИУС на основе разработки и исследования диалоговой модели ИУС, адаптированной к задачам деятельности массовых профессиональных пользователей (МПП). При этом необходимо решить задачу создания моделей и методов автоматизации процесса генерации тренажерных моделей ИУС, предназначенных для использования в виде автоматизированных обучающих систем (АОС).

Для достижения поставленной цели в диссертации проводятся следующие исследования и решаются следующие задачи:

- анализ типов пользователей ИУС и существующих моделей пользователей применительно к ИУС;

- исследование существующих подходов к разработке ИУС и моделей, используемых для их описания;

- исследование существующих решений в области создания АОС и их конкретных реализаций;

- разработка модели ИУС на основе выбора модели пользователя и постановки задачи представления среза моделируемого объекта в виде тренажерных обучающих компонент (ОК) ИУС;

- разработка модели автоматизации процесса генерации тренажерных ОК ИУС;

- разработка инструментального двухмашинного комплекса программ, реализующего модель автоматизации процесса генерации ОК ИУС;

- разработка методов использования инструментального двухмашинного комплекса программ при создании тренажерных ОК ИУС;

- экспериментальное исследование эффективности применения разработанного комплекса программ и его возможностей по реализации обучающих компонент ИУС.

Объект исследования

Объектом данного исследования является диалог пользователя с ИУС, рассматриваемый как совокупность диалоговых средств ППО ИУС и пользователей, применяющих данные средства при выполнении своих должностных обязанностей.

Методы исследования

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы теории множеств, теории графов, теории сетей Петри, теории конечных автоматов, а также методы синхронизации параллельных процессов, методы ситуационного обучения и методы автоматизированного компьютерного обучения, математические модели, описывающие структуру и функционирование информационно-управляющих систем, теория баз данных и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Основная научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана основанная на модели МПП диалоговая модель ИУС, которая позволяет описывать структуру организации взаимодействия пользователя в рамках исполнительных средств диалога и видимого среза данных информационного хранилища;

- на базе диалоговой модели ИУС разработана модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, позволяющая сформулировать и промоделировать основные аспекты автоматизированной генерации тренажерных моделей, создаваемых методом преобразования диалоговой модели к тренажерной;

- разработаны методы создания тренажерных обучающих компонент, основанные на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС;

- разработан двухмашинный инструментальный комплекс программ, реализующий разработанные методы создания тренажерных OK ИУС;

- экспериментально исследована и подтверждена эффективность применения модели процесса двухмашинной генерации тренажерных OK ИУС.

Практическая ценность

В результате исследований, проведённых в рамках диссертационной работы:

- реализован инструментальный комплекс программ, предназначенный для генерации тренажерных OK ИУС на основе диалоговой модели ИУС;

- средствами инструментального двухмашинного комплекса программ "Построитель тьюторов" создано 9 тренажерных обучающих программ, которые используются как в учебном процессе, так и процессе поддержки ряда ИУС;

- экспериментально показано повышение эффективности процесса генерации тренажерных OK ИУС относительно ручных методов создания обучающих программ. В зависимости от предметной области выбранной ИУС получены значения от 8 до 14 раз снижения времени процесса создания тренажерных OK ИУС.

Реализация результатов работы

К настоящему моменту результаты диссертации внедрены в "Центре регистра и кадастра" Министерства природных ресурсов РФ; в процессе поддержки системы автоматизации деканатов МИРЭА; в учебном процессе колледжа Сбербанка РФ; в учебном процессе "Национальной компьютерной корпорации".

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на научно-практических конференциях МИРЭА в 2002, 2003, 2004, 2005 гг., научно практических конференциях "Современные электронные технологии в образовании" ФГУП НИИ "Восход" в 2002, 2003, 2004, 2005 гт. и научно практической конференции "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании" Тверь, ТГУ в 2002 г. Данная работа демонстрировалась на выставках "Hannover-Messe 2005" Германия, Ганновер и "НТТМ-2005" Россия, Москва, ВВЦ.

Результаты разработки заняли 2-е место на конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых МИРЭА в 2004 г. и 3-е место на конкурсе "Новые информационные технологии в образовании" в

номинации преподаватели и научные работники, организованном на базе ФГУП НИИ "Восход" в 2003 г.

Публикации

Результаты теоретических и прикладных исследований опубликованы в 11 научных статьях. По теме диссертации получены 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в "Государственном фонде алгоритмов и программ РФ".

Основные положения, выносимые на защиту

- диалоговая модель ИУС, основанная на модели МПП ИУС;

- модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, описывающая процесс двухмашинного создания ОК ИУС;

- метод автоматизированного создания тренажерных моделей ИУС, основанный на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС;

- инструментальный комплекс программ, реализующий метод автоматизированного создания тренажерных ОК ИУС.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (90 наименований) и двух приложений. Объем основного текста составляет 128 страниц, 9 таблиц и 21 изображение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненного исследования, сформулированы цели, задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность работы. Дана характеристика существующих проблем внедрения современных ИУС и предпосылки разработки автоматизированных инструментальных программных комплексов, предназначенных для создания компьютерных обучающих систем.

Первая глава посвящена анализу методов математического моделирования информационных систем (ИС) и задаче разработай компьютерных обучающих программ. Для этого дается общее определение термина информационная система (ИС), определяется набор основных функций и базовых операций, выполняемых ИС. ИУС являются развитием ИС и выделяются возможностью осуществления управляющих воздействий на основе хранимой информации.

В результате анализа литературных источников, посвященных задаче моделирования ИС (и ИУС в частности), было показано, что подавляющее большинство исследований рассматривает вопрос разработки информационной модели ИС, которая заключается в описании структуры

данных информационного хранилища, решении задач оптимизации его структуры и выделении операций по обработке информации, основными из которых являются поиск, получение и обновление. Однако в ряде работ осуществляется разработка диалоговых моделей ИС, которые, в отличие от информационных моделей, рассматривают ИС с точки зрения пользовательского взаимодействия, для которого характерно отсутствие ^

информации о внутренних процессах системы. Модели, рассматриваемые на данном уровне, описывают видимый информационный срез пользовательских данных и операции по взаимодействию пользователя с механизмами ИС посредством диалоговых элементов управления (ЭУ).

Рассматривая ключевые особенности, выделяющие ИУС на множестве ИС, было определено, что значимыми с точки зрения описания диалоговой модели являются: существование материальных последствий выполнения операций по обработке хранимой информации и наличие различных типов пользователей.

Для решения задачи генерации моделей ИУС определены следующие основные типы пользователей ИУС: руководители, специалисты и технические работники. Для каждого типа выделена отдельная категория среза информации. В связи с многочисленностью состава и сферой выполняемых задач технические работники определены термином "массовые профессиональные пользователи" (МПП). Данная категория выделена в качестве объекта при формировании модели пользователя, на основе которой уточняется диалоговая модель ИУС. При этом задача создания диалоговой модели ИУС определяется потребностью разработки автоматизированных программных средств генерации тренажерных ОК ИУС.

На основании выбора тренажерного типа АОС как средства подготовки МПП ИУС в диссертации приведен краткий обзор разработок по методике применения компьютерных средств обучения (КСО), который включает как психологические, так и дидактические аспекты. Возможности изобразительных средств компьютерной техники, заключающиеся в способности хранить и представлять большой объем текстовой, графической и звуковой информации, делают актуальным ее использование в процессе обучения. При этом важным аспектом применения индивидуальных средств обучения является то, что они способны обеспечивать индивидуальный темп и объем передачи знаний, что является проблемой аудиторного процесса обучения. '

Анализ наиболее близких к тренажерному подходу видов КСО I.

показал, что ближайшими по реализуемой функциональности являются: компьютерные задачники, компьютерные тренажеры и компьютерные

лабораторные практикумы. В рамках данного набора типов КСО был проведен обзор существующих прототипов обучающих систем путем поиска в диссертационных исследованиях, открытых журналах и сети Интернет.

Проведенный обзор показал, что область создания ОК ППО, подмножество которого образует ППО ИУС, является актуальной темой научных исследований и в рамках диссертационных работ не рассматривалась. Среди представленных на рынке программ существует ряд прототипов различных тренажерных средств обучения, главным недостатком которых является отсутствие открытых инструментальных средств разработки и технологий автоматизированного создания АОС.

Разработка и применение тренажерных средств обучения может осуществляться на большинстве стадий жизненного цикла ППО, основными из которых являются: разработка, тестирование и внедрение. В частности, вопросы применения инструментальных средств создания ОК ИУС рассматриваются для таких известных моделей разработки программного обеспечения, как "модель водопада" и "спиральная модель". В рамках данных моделей показано, каким образом могут использоваться тренажерные обучающие программы при поддержке конкретного этапа разработки.

Вторая глава посвящена разработке модели ИУС, основанной на модели МПП ИУС. На ее основе сформирована модель тренажера ИУС и модель автоматизации процесса генерации тренажерных ОК ИУС.

С целью выделения классифицирующих признаков и последующего описания модели ИУС в тексте диссертации дано определение данного термина и обозначены признаки, которые выделяют ИУС из всей совокупности систем, имеющих в своем составе ИС. Для поставленной в первой главе задачи создания диалоговой модели ИУС, основанной на модели МЕИ ИУС, дано описание формальной модели МПП ИУС, которая записана в виде следующей четверки:

я- = (Ф,/,^,Д) (1)

В контексте данной модели пользователь ж выступает в качестве субъекта выполнения задач ИУС из множества Ф, предназначенных данному пользователю, средством выполнения данных задач является множество прикладных интерфейсов пользователя I. Задачи пользователя определяются множеством функций И, выполняемых для решения данной задачи. Множество функций Д определяет тот набор функций, которые способен корректно выполнять данный пользователь. Условием идеальных умений МПП ИУС является равенство множеств Д = Р.

Обозначая потенциально значимые уровни представления ИУС, необходимые для задания диалоговой модели, в диссертации рассмотрены традиционные уровни задания моделей ИУС. В процессе рассмотрения срезов представления моделей ИУС получено, что для описания диалога пользователя требуется использование как диалогового, так и информационного уровня. Использование последнего связано с необходимостью отображения видимого с точки зрения пользователя среза данных информационного хранилища. Тем самым, основываясь на модели МПП ИУС, диалоговая модель ИУС записана пятеркой вида:

¿«(ж.С.ДЛ/') (2)

В рамках введенной модели ИУС 5 определяется как процесс диалога пользователей из множества я, осуществляемого путем выполнения функций из множества .Р в соответствии со сценарием диалога С, что обеспечивает решение задач множества Ф. Данный диалог организуется путем взаимодействия пользователя со множеством интерфейсов прикладного программного обеспечения (ППО) 1р и технических средств (ТС) I" на основании данных информационного хранилища £). Множество 1 = 1' и/" составляет совокупность ЭУ ИУС. В данном контексте сценарием диалога С называется множество возможных последовательностей шагов диалога, приводящих к выполнению задачи ИУС.

В соответствии с моделью ИУС (2) объектами взаимодействия пользователя л с информационным хранилищем Э являются пользовательские интерфейсы ППО ИУС I' и ТС ИУС 1ш. С точки зрения выполнения функций ИУС взаимодействие со всеми ЭУ определяется сценарием диалога, который предполагает использование единого аппарата для описания диалогового взаимодействия пользователя как с ЭУ ППО, так и с ЭУ ТС. Данные ЭУ ИУС являются элементами множества пар / = MxQ, где М - множество типов ЭУ ИУС, установленных в информационное состояние, которое определяется множеством £3.

Для математического описания ЭУ ИУС используется конечно-автоматная модель вида:

т = (Л,<2,Ч„8,Х), (3)

где А - А" иЛ°" - алфавит автомата, состоящий из множества входного алфавита внешних воздействий пользователя на ЭУ - А" и алфавита выходных состояний ЭУ - А""; е£? - определяет начальное состояние автомата (предустановленное состояние ЭУ на текущей стадии диалога); <5:Л" х()—><2 ~ задает функцию переходов, описывающую изменение

состояния ЭУ в зависимости от входного воздействия; Я: А" х¡2А"" -задает функцию выходов, определяющую выходное состояние автомата, которое влияет на ход выполнения сценария диалоговой системы.

Данный автомат т работает событийно, что определяет выполнение функций перехода в ответ на совершение действий пользователем. Включение ЭУ ИУС в контур взаимодействия пользователя начинается с перевода автомата в исходное состояние qo. При этом для определенных типов входного воздействия аш выходная функция X выдает управляющую информацию, которая влияет на выполнение шагов сценарного диалога.

Согласно модели ИУС (2) взаимодействие пользователя л со множеством прикладных интерфейсов / осуществляется в порядке сценария диалога С. Автоматная модель т (3) задает функционирование элементарных элементов сценарного диалога ИУС. Для представления структурных связей элементов сценария диалога пользователя ИУС используется ориентированный граф вида:

__ С = (Х,и), (4)

где Аг = {х„;п = 1,Лг} - множество состояний диалога ИУС, соответствующих вершинам графа, а 1/={ит;т = 1,М} - множество переходов состояний ИУС.

На множестве ЭУ ИУС / и множестве вершин графа X определяется такое соответствие, что каждой вершине графа хпеХ в текущем состоянии всей системы однозначно соответствует один ЭУ ИУС / е I. При этом в новом состоянии системы остается постоянным тип ЭУ

и изменяется только его информационное состояние.

Переходы ит рассматриваются как выполнение операций диалога пользователя ИУС, для которых существует ограничение на одну одновременно выполняемую операцию. Переходы характеризуются такими параметрами как: условная вероятность выполнения операции (дуги) «„=(*„,*,), время выполнения перехода хЛ = т"Л + т"ь {т*аЬ - время обработки пользователем ЭУ ИУС, т"ь - время обработки запроса внутренними механизмами ИУС) и информация видимого среза данных (1п е I) информационного хранилища, передаваемая от предыдущего шага диалога. При этом время выполнения переходов аддитивно по дугам графа.

Диалоговая модель ИУС (2) является основой для построения модели тренажера ИУС и модели автоматизации процесса генерации тренажерных моделей. Делается предположение, что существует

некоторый оператор % :1 хСхФхБ-+Т, задающий преобразование компонент диалоговой модели к их тренажерному аналогу для заданных состояний системы, где Т = {ст,РТ) - информационная структура тренажерной модели ИУС, состоящая из множества сценариев обучения -Ст и множества информационных образов диалоговой модели ИУС - Рт.

И I

Множество сценариев тренажерной модели С = иисы описывает

м м

структуру диалога обучения й-го пользователя, заключающегося в выполнении 1-й задачи. Каждый отдельный сценарий задается картежом который описывает последовательность шагов обучения,

являющихся проекцией графа сценария диалога ИУС С (4) на тренажерную модель. Каждый шаг сценария тренажерной модели г™ е Лг = Хт х Фт является образом вершины сценария диалога ИУС,

спроецированной на конкретную тренажерную задачу. Формируемая таким образом проекция модели является основой для организации эталонного диалога, обеспечивающего передачу знаний от эксперта в области ИУС к обучаемому.

Представленная тренажерная модель ИУС предполагает использование адаптированных аналогов ЭУ ИУС, которые обеспечивают необходимую функциональность тренажерного диалога. Адаптация ЭУ ИУС осуществляется:

- разделением сложных ЭУ на совокупность простых;

- абстрагированием от реальных данных информационного хранилища ИУС;

- имитацией реального поведения, заключающейся в воссоздании функциональности исходного ЭУ ИУС, которая удовлетворяет задаче обучения;

- контролем реальных воздействий, заключающемся в управлении функционированием ЭУ ИУС средствами обучающей системы.

На основе проведенного исследования методов формирования тренажерных моделей было получено, что наиболее важным моментом процесса их генерации является скорость создания. В качестве решения проблемы быстрого формирования тренажерных моделей ИУС в диссертации предложена модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, которая описывает процесс однопроходного формирования тренажерных моделей. Данная модель основана на

описании взаимодействия параллельных процессов, выполняющихся при двухмашинном формировании тренажерных ОК ИУС. _

Рис ]. Модель процесса двухмашинной генерации тренажернглх обучающих компонент ИУС

Компоненты модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС (рис. 1) условно разделяются на 3 группы, для каждой из которых заданы следующие буквенные обозначения: V-программные средства (ПС) генерации тренажерной модели ИУС, • расположенные на АРМ сценариста, Н-средства перехвата действий оператора ИУС, в - диалоговый срез модели ИУС на АРМ оператора ИУС.

Синхронизация взаимодействия операторских мест осуществляется при помощи специально вводимого объекта "семафор", который определяется одним из следующих состояний:

- г - состояние закрытого "семафора", при котором передача * запрещена;

- g - состояние открытого "семафора", разрешающего передачу данных с АРМ оператора ИУС на АРМ сценариста;

- у - состояние открытого "семафора", при котором запрещены действия оператора ИУС;

- с! - состояние отсутствия соединения "семафора", при котором схема двухмашинного взаимодействия завершает работу.

Состояние объекта "семафор" хранится распределенно на двух взаимодействующих АРМ и его изменение осуществляется посредством запросов. Запрашиваемое с АРМ сценариста состояние подтверждается на АРМ оператора ИУС, при этом окончательный ответ об его установке формируется средствами программного обеспечения АРМ ИУС.

В качестве аппарата моделирования работы асинхронных компонент средств синхронизации выбран аппарат сетей Петри с расширениями. В качестве расширений используются раскрашенные сети, которые применяются для моделирования состояний объекта "семафор" и ингибиторные дуги, применяемые для моделирования переключателей.

Важным аспектом генерации тренажерных моделей является выделение ситуаций, потенциально значимых с точки обучения. Выбор как недостаточного покрытия применяемой данным пользователем предметной области ИУС, так и перенасыщение обучаемого информацией является нежелательным фактором. Для выбора диапазона покрываемых ситуаций применяется алгоритм, основанный на выделении базовых ситуаций. Численный критерий принадлежности ситуации к базовой можно записать в следующем виде:

-<В■ *-У1>]; }<Н, (5)

2 к"

(-1 1-1

где Н - общее количество задач /-го пользователя, а у - индекс принадлежности ситуации к базовой. При этом упорядоченное множество Ка построено в соответствии с возрастанием коэффициентов, индексам которого сопоставлены соответствующие задачи 2" ИУС. Критерий принадлежности ситуации к базовой В выбирается индивидуально для предметной области ИУС и принадлежит диапазону от 0.5 до 1.

В третьей главе рассмотрена методика реализации тренажерных моделей ИУС, проверена возможность и способы их создания и исследованы методы анализа данных моделей.

Механизм формирования диалоговой модели ИУС в виде ОК представляет собой обоснование наиболее приемлемого, с точки зрения заданных ограничений, способа программной реализации модели. При этом на выбор способа представления влияют следующие факторы:

- заданная степень подобия модели ИУС параметрам моделируемого объекта;

- требуемая скорость создания ОК ИУС;

- квалификация персонала, участвующего в создании ОК ИУС;

- объемы памяти обучающей системы;

- наличие исходных текстов и образов ресурсов программного продукта, для которого создается обучающая компонента.

На основании анализа данных факторов следует принимать решение о выборе соответствующего подхода к представлению программной модели. Практическое исследование этих подходов привело к выделению следующих основных вариантов реализации тренажерной модели ИУС:

- фреймовые - модель ИУС представляется в виде последовательности фреймов диалога ИУС;

- имитационные - создается соответствующая имитационная модель ИУС, обеспечивающая реализацию алгоритма взаимодействия моделей объектов ЭУ ИУС;

- комбинированные - предполагают совмещение имитационных и фреймовых подходов.

Резюмируя результаты экспериментального исследования можно сказать, что основным недостатком имитационных моделей ИУС является трудоемкость их разработки. Использование сценарных последовательностей фреймов диалога является наиболее универсальным в реализации методом, что в свою очередь накладывает ряд ограничений на генерируемые модели. Это выражается в невозможности моделирования сложных ЭУ ИУС и значительном объеме базы данных модели. Реализации комбинированных подходов, основанные на использовании фреймовой модели, применяются, преимущественно, для объединения универсальности методов автоматизации разработки с требованиями функциональности формируемых моделей.

Решение задачи автоматизации процесса генерации тренажерных моделей ИУС лежит в основе создания инструментальных программных средств, ключевым аспектом разработки и реализации которых является выбор метода представления модели ИУС. Согласно модели $ (2) переход к следующему фрейму диалога осуществляется при потере активности текущего ЭУ ИУС, что описывается сменой текущей вершины графа диалога. Тем самым, при преобразовании к тренажерной модели важным моментом является граница выделения самостоятельных ЭУ. Сложные ЭУ являются комбинацией простых ЭУ и обладают внутренней памятью, модифицируемой в ходе пользовательского диалога. Это в некоторых случаях позволяет заменить сложные ЭУ последовательной комбинацией

фреймов диалога, что выражается в замене сложных ЭУ последовательной комбинацией нескольких простых ЭУ.

Анализ результатов экспериментального исследования, проводимого путем разработки ряда сценариев обучения и создания обучающих компонент на их основе, позволил разработать классификацию базовых интерфейсных ЭУ ИУС. Данная классификация подразумевает общее разделение ЭУ на простые и сложные, которые, в свою очередь, разбиваются на системные объекты без модификации и упрощенные модели. Отдельной категорией являются модели пользовательских интерфейсов ТС ИУС, которые заменяются имитирующими программными компонентами. Для приведенных в классификации ЭУ ИУС составлена таблица их соответствия шести базовым типам пользовательских операций.

В рамках инструментального комплекса программ сформирован действующий прототип модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, реализующий ее прототип в виде программных компонент. Анализ результатов экспериментального исследования программной реализации комплекса позволил сформировать методику создания тренажерных обучающих компонент с использованием двухмашинных средств. В основе исполнительных механизмов данной методики лежит алгоритм последовательного взаимодействия операторов АРМ сценариста и АРМ ИУС, состоящий из блока активизации средств перехвата и блока последовательного выполнения действий по формированию сценария обучения механизмами обоих АРМ.

Для исследования генерируемых моделей были разработаны программные средства, позволяющие производить сбор и анализ статистических данных процесса обучения, организуемого на базе программных средств комплекса. Собранная статистическая информация позволяет получить численную оценку параметров времени и количества ошибок выполнения диалоговых операций. Эти параметры исследуются во взаимосвязи с остальными компонентами тренажерной модели, которыми являются: структура диалога ИУС, формулировка тренажерных задач и формулировка элементов помощи, сопровождающих тренажерный диалог.

Для представления экспериментальных данных используются матрицы: (¿г - ошибочных действий, - времени прохождения элементарных шагов и -вызовов функции пропуска шага сценария. Матрицы горизонтально нумеруются по обучаемым я, принимавшим участие в испытании, а вертикально - по шагам сценария Для оценки качества сценария на основе построенных матриц строится матрица безошибочного выполнения шагов и матрица выполненных шагов .

На основе данных матриц строятся столбцы частоты возникновения ошибок РЕ, среднего времени выполнения шага Рт и процента безошибочного выполнения шагов Р"Е вида:

2Х , , 2Х ±9?

5>; 2>;

'-1 (-1 1.1

В пронумерованных диалогах для каждой пары 1Ь5) задается подмножество вершин графа сценария диалога Х% с X, принадлежащих

£

Ьи-му уровню 4-ГО диалога. Множество X" = ХЦ задает единые для

/-1

го диалога вершины, которые используются в данном задании. На основе полученных данных для каждого ^-го диалога строится набор графиков, основанных на значениях следующих матриц:

С? = у О"/, с? = ,к=Щк=\х" * » =р*

ОТ = 1)0?,О? = = Щ & = р] (7)

/-1 * '

где V/ верно (сЦ) е ) л (/" (у) = А) л (/* О', = О

Графики, построенные на основе матриц О™ и С?, показывают относительные изменения среднего числа ошибок и среднего времени прохождения шага диалога у испытуемых, что делает возможным экспериментально получить оценку данных параметров на нескольких однотипных реализациях диалога.

Эксперимент, проведенный с использованием тренажерных обучающих компонент инструментального комплекса программ на тестовой группе, показал, что проявляется тенденция уменьшения времени и количества ошибок в зависимости от реализации диалога. Это говорит об эффекте обучения. Исследование графиков времени и количества ошибок выполнения тренажерных задач показало, что существует тенденция превышения средних значений данных параметров в два и более раза на сложных для восприятия, с точки зрения экспертных оценок, местах сценария. Наличие указанной тенденции позволяет использовать данный аппарат для анализа сценариев тренажерных моделей.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической стороны реализации и применения двухмашинного инструментального комплекса программ, заключающиеся в описании структуры и функций комплекса, а также в методике создания тренажерных ОК ИУС с его использованием.

Разработка методических материалов для обучения кадров может вестись как обособленно, так и совместно с разработкой ИУС. При этом разработка тренажерных ОК ИУС предпочтительна во взаимодействии с разработчиками программного обеспечения ИУС. Подобная организация процесса разработки дает дополнительные преимущества, связанные с возможностями анализа и тестирования ППО ИУС на уровне пользователя, что обеспечивается процессом создания тренажерных ОК ИУС.

ЧТЗна

проектирование ТОК

Специфике!* 1М ИУС

Описание

базовых

ситуаций

Разработка сценария ТОК

Материалы предметной области Эксперт по предметной области ИУС

Метод проектирования

ОКИУС

Уточнение требований ТОК

Описание -<естандарт эбъектое сценария

& енарий е терминах пред летной области

Список

в модели ОП

Формирование

дополнений к исполнительному

голо)

АРМ разработчик ТОК

Сценарий

Разработчики ТОК

Отпад<миые версии ТОК

механизмам

ТОК

Построение ТОК

Допопн! тег ьны в материалы г о курсу

Специалист по методике создания ТОК

Отладка ТОК

Инструменты »здания ТОК

рис. 2. Модель бизнес-процессов создания тренажерных ОК Предложенная модель бизнес-процессов разработки учебных курсов, основанная на использовании инструментальных средств создания тренажерных ОК ИУС, описывает основные стадии подготовки спецификаций и создания тренажерных ОК ИУС. В показанной на рисунке 2 декомпозиции блока создания тренажерных ОК присутствует пять основных компонент, которые связанны с разработкой сценария обучения, уточнением требований и построением тренажерных ОК с последующей их отладкой.

Далее в четвертой главе рассмотрена программная реализация двухмашинного инструментального комплекса программ "Построитель тьюторов", структура которого показана на рис. 3, состоящего из инструментальных средств, исполнительного механизма обучающей программы и средств сбора и анализа статистических данных. В основе

создания инструментальных средств комплекса лежит представление ИУС диалоговой моделью $ (2), на базе которой реализуется процесс

: ОК ИУС.

автоматизированнойгенерациитренажерньк

С^ОбучаемыйТ^1"

АРМ Обучаемого

Обучающая программа

I статистика

.! сценарий и

¡образы ИУС

С^Обучаемый^>~

АРМ Обучаемого

Обучающая программа

статистика

-+

.! сценарий и

¡образы ИУС

Сервер обучения

¡С^Тестировшик

АРМ Тестировщика

Обучающая программа

^АМ)арий и образы ИУС |„.

НПО анализа сценариев и статистики *

Информация о пользователях

Данные статистики

рис 3. Структура двухмашинного инструментального комплекса программ создания тренажерных ОКИУС "Построитель тьюторов" Ключевой программой инструментального комплекса является редактор сценариев, который обеспечивает визуальное создание обучающих компонент. Данное средство может работать как самостоятельно на АРМ сценариста, так и в совокупности со средствами перехвата действий оператора АРМ ИУС, поддерживающими двухмашинную методику создания тренажерных ОК ИУС.

Визуальный интерфейс редактора сценариев выполнен в соответствии со структурой конечных обучающих компонент, что обеспечивает схожесть процесса обучения с процессом составления сценария. Для оптимизации процесса генерации сценариев в редакторе были реализованы и апробированы следующие средства: визуальные механизмы редактирования шагов сценария тренажерного диалога, словари быстрой подстановки и средства импорта и экспорта сценарной информации.

Исполнительный механизм обучающей программы, входящей в данный комплекс, является средством организации диалога обучения на базе тренажерной модели ИУС. Обучение осуществляется при помощи сценарного алгоритма. Выполняя поставленные задачи, пользователь может совершать ошибки, возникновение которых сопровождается выводом подсказки. Важной особенностью обучающей компоненты является возможность использования разнородных источников данных сценарной информации, что позволяет на одном и том же программном коде создавать как локальные, так и сетевые обучающие программы.

В ходе исследования возможностей инструментального двухмашинного комплекса программ генерации тренажерных ОК ИУС "Построитель тьюторов" было создано 9 обучающих программ для различного рода ИУС. В диссертации рассмотрены два конкретных примера реализаций тренажерных ОК ИУС. На данных примерах была показана целесообразность привлечения к процессу создания тренажерных ОК ИУС специалистов в предметной области ИУС, специалистов по использованию ГОТО ИУС, а также разработчиков ИУС.

В заключении приведено краткое резюме диссертационной работы и перечислены основные задачи, решенные ходе исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При достижении поставленной цели и решении сформулированных задач диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана основанная на модели МПП диалоговая модель ИУС, которая позволяет описывать структуру организации взаимодействия пользователя в рамках исполнительных средств диалога и видимого среза данных информационного хранилища.

2. Разработана модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, основанная на использовании диалоговой модели ИУС, позволяющая сформулировать и промоделировать основные аспекты автоматизированной генерации тренажерных моделей, создаваемых методом преобразования диалоговой модели к тренажерной.

3. Разработаны методы создания тренажерных обучающих систем, основанные на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС.

4. Разработан и реализован инструментальный двухмашинный комплекс программ, поддерживающий разработанные методы создания тренажерных ОК ИУС.

6. Средствами инструментального двухмашинного комплекса программ "Построитель тьюторов" создано 9 тренажерных обучающих программ, которые используются как в учебном процессе, так и процессе поддержки ряда ИУС.

7. Экспериментально показано повышение на порядок эффективности процесса генерации тренажерных ОК ИУС относительно ручных методов создания тренажерных обучающих программ. В зависимости от предметной области выбранной ИУС получены значения от 8 до 14 раз снижения времени (с учетом исправления ошибок) процесса создания тренажерных ОК ИУС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аксенов О.А. Событийная модель взаимодействия процесса исполнения ИУС с созданием ее обучающей компоненты. // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2005. - с.190-196.

2. Аксенов О.А. Экспериментальное исследование эффективности инструмента для реализации обучающей компоненты ИУС. // Educational Technology & Society 6(3), 2003.-е. 129-133.

3. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Инструментальный двухмашинный комплекс для создания обучающих компонент Информационно Управляющих Систем «Построитель тьюторов» // Государственный фонд алгоритмов и программ РФ, регистрация №50200301100 от 26 декабря 2003 г.

4. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Методы реализации пользовательской модели ИУС в обучающих системах // Educational Technology & Society 7(3), 2004. - с. 165-172.

5. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Генератор моделей пользовательского диалога в профессионально-ориентированных ИУС II Сборник трудов 54-й научно-технической конференции М.:МИРЭА, 2005. -с. 74-80.

6. Аксенов О.А. Опыт использования двухмашинного инструментального комплекса для реализации обучающих компонент ИУС // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2003. - с. 188-195.

7. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Модель процесса разработки комплексов компьютерных обучающих программ для МПП ИУС // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2002. - с. 147-152.

8. Григорьев В.К., Аксенов O.A., Григорьев A.B. Модель системы обучения кадров большой территориально-распределенной корпорации // Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУДО-2002), Тверь, ТГУ, 2002. - с. 81-85;

9. Аксенов O.A., Григорьев В.К. Программная модель реализации образа ИУС в составе тьюторной обучающей системы И Сборник трудов 53-й научно-технической конференции М.:МИРЭА, 2004. - с. 67-73.

Ю.Аксенов O.A., Каминецкая И.Р. Тренажерные обучающие компоненты информационно-управляющих систем // Всероссийская выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005 (Сборник материалов), М.: ОАО «ГАО ВВЦ», 2005. - с. 137-138.

П.Аксенов O.A., Григорьев В.К. Инструментарий для создания тьютора системы CMS SmartCity 1.5 // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2001. - с. 203-207.

12.Григорьев В.К., Аксенов O.A., Бондарь М.А. Практика использования в учебном процессе тестирующего комплекса И Сборник научных трудов V региональной научно-практической конференции «Профессиональная ориентация и методика преподавания в системе школа-вуз». Т.1, М.: МИРЭА, 2004. - с. 73-76.

13. Григорьев В.К., Аксенов O.A., Борисова C.B. Обучающая система «Обучение персонала центра эмиссии карт работе в системе «SmartCity» // Государственный фонд алгоритмов и программ РФ, регистрация №50200500019 от 14 января 2005 г.

14.Григорьев В.К., Аксенов O.A., Антонов A.A., Грушин A.B., Зорин Д.С. Обучающая система «Обучение персонала гидрологических служб информационно-аналитической системы «Каскад» // Государственный фонд алгоритмов и программ РФ, регистрация №50200500010 от 14 января 2005 г.

Подписано в печать 02.11.2005. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.1,16. Усл. кр.-отт. 4,64. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 798

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ''Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

»2132t

РНБ Русский фонд

2006-4 23015

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Задачи создания и внедрения информационных систем.:.

1.1.1 Модели информационных систем.¡

1.1.2 Определение типов пользователей информационно-управляющих систем.

1.1.3 Постановка задачи обучения пользователей информационно-управляющих систем.

1.2 выбор метода обучения пользователей.

1.2.1 Обзор видов компьютерных средств обучения.

1.2.2 Обзор прототипов автоматизированных обучающих систем.

1.2.2.1 Диссертационные и научные исследования.

1.2.2.2 Коммерческие разработки.

1.3 Методы сопровождения информационно-управляющих систем.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2 ГЕНЕРАЦИЯ ТРЕНАЖЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИАЛОГОВОЙ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

2.1 модель пользователя информационио-управляющей системы.

2.2 Разработка модели информационно-управляющей системы.

2.2.1 Модель типовых элементов управления.

2.2.2 Модель сценарного поведения пользователя.

2.2.3 Формирование базы знаний обучающих компонент.

2.2.4 Формирование тренажерных аналогов элементов управления.

2.3 Модель процесса двухмашинной генерации тренажерных обучающих компонент.

2.3.1 Выбор аппарата моделирования процесса взаимодействия компонент двухмашинного комплекса.

2.3.2 Модель взаимодействия параллельных процессов двухмашинного комплекса.

2.3.3 Описание работы модели.

2.4 Модель выделения базовых ситуаций в сценарии диалога.

2.5 Представление сценария тренажерной обучающей компоненты.

2.6 Методика анализа генерируемых тренажерных моделей ИУС.

2.6.1 Модель вОМБ.

2.6.2 Теория функциональных сетей.

2.6.3 Выработка методики оценки тренажерных моделей. выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ТРЕНАЖЕРНЫХ

МОДЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ.

3.1 Реализация диалоговой модели в виде тренажерных обучающих компонент.

3.1.1 Разработка метода реализации диалоговой модели.

3.1.2 Отображение сценария диалоговой модели на основе комбинированного метода реализации тренажерной модели.

3.1.3 Метод двухмашинного формирования обучающих компонент.

3.2 Экспериментальное исследование эффективности применения модели процесса двухмашинной генерации тренажерных обучающих компонент.

3.3 Методика анализа генерируемых моделей.

3.3.1 Эксперимент по исследованию характеристик тренажерного диалога.

3.3.2 Методика исследования результатов эксперимента.

3.3.3 Анализ экспериментальных данных.

3.3.4 Общие результаты обучения с использованием тренажерных обучающих программ.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 КОМПЛЕКС ПРОГРАММ СОЗДАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ КОМПОНЕНТ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ.

4.1 Модель процесса разработки обучающих компонент.

4.2 Реализация разработанных методов инструментального создания обучающих компонент

4.2.1 Двухмашинный инструментальный комплекс «Построитель тьюторов».

4.2.1.1 Обучающая программа.

4.2.1.2 Инструментальное средство рабочего места сценариста.

4.2.1.3 Структура данных комплекса.

4.2.2 Примеры реализаций обучающих компонент с использованием инструментального комплекса.

4.2.2.1 Обучающая компонента ИУС «Моделирование пропуска высоких вод водохранилищ Волжско-Камского каскада».

4.2.2.2 Обучающая компонента системы автоматизации работы деканатов. выводы по четвертой главе.

Стремительно развивающиеся информационные технологии занимают в социальной жизни столь значительное место, что необходимо говорить о возникновении вслед за "индустриальным" нового - "информационного общества" [43], которое характеризуется огромным объемом информации, необходимой каждому индивидууму. При этом "информационное общество" накладывает все большие требования на скорость приобретения знаний. Столь динамично изменяющиеся знания связаны не только с потребностью анализировать поступающий объем информации, но и с умением использовать широкий класс средств обработки этой информации.

Одной из характерных особенностей современного этапа научно-технического прогресса и становления "информационного общества" является широкое использование автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС). В ближайшие годы намечается ввести в действие и модернизировать большое число АИУС в самых различных отраслях народного хозяйства [51].

При этом все большую значимость приобретает проблема, связанная с дефицитом знаний и навыков применения возможностей новых и модифицируемых АИУС. Эта проблема решается путем постоянной подготовки и переподготовки кадров в течение всей их профессиональной деятельности. Здесь особую остроту приобретает эффективность методов и способов массовой подготовки кадров, включенных в обучение без вступительных экзаменов и тестов, как в системе открытого образования.

Для решения данной задачи все большую актуальность приобретает использование компьютерной техники, как наиболее экономичного средства представления и обработки информации. Являясь не только средством отображения информации, но и инструментом организации диалога "человекмашина" и косвенно "человек-машина-человек", вычислительная техника способна к активному участию в диалоге с обучаемым.

Потребность в обеспечении большого количества пользователей информационно-управляющих систем (ИУС) необходимыми навыками работы с прикладным программным обеспечением (ППО) ставит задачу создания экономически более эффективных методов передачи знаний по сравнению с очной формой обучения. При этом применение в учебных целях реально работающего ППО ИУС во многих случаях неоправданно в связи с трудоемкостью развертывания и обеспечения требований безопасности, что делает целесообразным использование моделей ППО ИУС для обучения пользователей.

Существующая для многих областей задача разработки тренажерных моделей является новой применительно к ИУС. Основой для решения подобных задач является создание модели реального объекта, которая реализует ограниченную функциональность, достаточную для организации тренинга. Ограничения функциональности, которые не существенны для проведения обучения, вызваны необходимостью быстрого создания моделей с обеспечением низкой трудоемкости их разработки и эксплуатации.

Тем самым исследование подходов к созданию тренажерных моделей, предназначенных для получения практических навыков работы в ИУС, является актуальной задачей научного исследования, требующей как теоретических разработок, так и практической реализации в виде инструментального комплекса программ, предназначенного для автоматизации формирования тренажерных моделей и организации обучения.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности создания тренажерных моделей ИУС на основе разработки и исследования диалоговой модели ИУС, адаптированной к задачам деятельности массовых 4 профессиональных пользователей (МПП). При этом необходимо решить задачу создания моделей и методов автоматизации процесса генерации тренажерных моделей ИУС, предназначенных для использования в виде автоматизированных обучающих систем (АОС).

Для достижения поставленной цели в диссертации проводятся следующие исследования и решаются следующие задачи:

- анализ типов пользователей ИУС и существующих моделей пользователей применительно к ИУС;

- исследование существующих подходов к разработке ИУС и моделей, используемых для их описания;

- исследование существующих решений в области создания АОС и их конкретных реализаций;

- разработка модели ИУС на основе выбора модели пользователя и постановки задачи представления среза моделируемого объекта в виде тренажерных обучающих компонент (ОК) ИУС;

- разработка модели автоматизации процесса генерации тренажерных ОК ИУС;

- разработка инструментального двухмашинного комплекса программ, реализующего модель автоматизации процесса генерации ОК ИУС;

- разработка методов использования инструментального двухмашинного комплекса программ при создании тренажерных ОК ИУС;

- экспериментальное исследование эффективности применения разработанного комплекса программ и его возможностей по реализации обучающих компонент ИУС.

Объект исследования.

Объектом данного исследования является диалог пользователя с ИУС, рассматриваемый как совокупность диалоговых средств ППО ИУС и пользователей, применяющих данные средства при выполнении своих должностных обязанностей.

Методы исследования.

В основе проводимых в диссертационной работе исследований используются методы теории множеств, теории графов, теории сетей Петри, теории конечных автоматов, а также методы синхронизации параллельных процессов, методы ситуационного обучения и методы автоматизированного компьютерного обучения, математические модели, описывающие структуру и функционирование информационно-управляющих систем, теория баз данных и методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

Основная научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана основанная на модели МПП диалоговая модель ИУС, которая позволяет описывать структуру организации взаимодействия пользователя в рамках исполнительных средств диалога и видимого среза данных информационного хранилища;

- на базе диалоговой модели ИУС разработана модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, позволяющая сформулировать и промоделировать основные аспекты автоматизированной генерации тренажерных моделей, создаваемых методом преобразования диалоговой модели к тренажерной;

- разработаны методы создания тренажерных обучающих компонент, основанные на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС;

- разработан двухмашинный инструментальный комплекс программ, реализующий разработанные методы создания тренажерных ОК ИУС;

- экспериментально исследована и подтверждена эффективность применения модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС.

Практическая ценность.

В результате исследований, проведённых в рамках диссертационной работы:

- реализован инструментальный комплекс программ, предназначенный для генерации тренажерных ОК ИУС на основе диалоговой модели ИУС;

- средствами инструментального двухмашинного комплекса программ "Построитель тьюторов" создано 9 тренажерных обучающих программ, которые используются как в учебном процессе, так и процессе поддержки ряда ИУС;

- экспериментально показано повышение эффективности процесса генерации тренажерных ОК ИУС относительно ручных методов создания обучающих программ. В зависимости от предметной области выбранной ИУС получены значения от 8 до 14 раз снижения времени процесса создания тренажерных ОК ИУС.

Реализация результатов работы.

К настоящему моменту результаты диссертации внедрены в "Центре регистра и кадастра" Министерства природных ресурсов РФ; в процессе поддержки системы автоматизации деканатов МИРЭА; в учебном процессе колледжа Сбербанка РФ; в учебном процессе "Национальной компьютерной корпорации".

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на научно-практических конференциях МИРЭА в 2002, 2003, 2004, 2005 гг., научно практических конференциях "Современные электронные технологии в образовании" ФГУП

НИИ "Восход" в 2002, 2003, 2004, 2005 гг. и научно практической конференции "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании" Тверь, ТГУ в 2002 г. Данная работа демонстрировалась на выставках "Hannover-Messe 2005" Германия, Ганновер и "НТТМ-2005" Россия, Москва, ВВЦ.

Результаты разработки заняли 2-е место на конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых МИРЭА в 2004 г. и 3-е место на конкурсе "Новые информационные технологии в образовании" в номинации преподаватели и научные работники, организованном на базе ФГУП НИИ "Восход" в 2003 г.

Публикации.

Результаты теоретических и прикладных исследований опубликованы в 11 научных статьях. По теме диссертации получены 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в "Государственном фонде алгоритмов и программ РФ".

Основные положения, выносимые на защиту.

- диалоговая модель ИУС, основанная на модели МПП ИУС;

- модель процесса двухмашинной генерации тренажерных OK ИУС, описывающая процесс двухмашинного создания OK ИУС;

- метод автоматизированного создания тренажерных моделей ИУС, основанный на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных OK ИУС;

- инструментальный комплекс программ, реализующий метод автоматизированного создания тренажерных OK ИУС.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (90 наименований) и двух приложений. Объем основного текста составляет 128 страниц, 9 таблиц и 21 изображение.

Выводы по четвертой главе

1. Процесс создания тренажерных обучающих компонент предполагает участие специалиста по предметной области ИУС, компьютерного методиста и разработчиков обучающей программы

2. Использование обучающих программ может снизить стоимость и ускорить процесс внедрения новой и модифицированной версии ИУС

3. Создана инструментальная система, реализующую двухмашинную модель генерации обучающих компонент и позволяющая создавать независимые от основной ИУС тренажерные обучающие программы

4. Инструментальная система прошла апробацию и подтвердила свою работоспособность на создании ряда обучающих программ

5. Создание обучающих программ позволяет оптимизировать такие стадии разработки информационно-управляющей системы, как тестирование и внедрение, тем самым оптимизируя задачи разработчиков и процесс обучения конечных пользователей

Заключение

В ходе диссертационного исследования была рассмотрена задача математического описания и разработки инструментального комплекса программ, предназначенного для генерации тренажерных моделей информационно управляющих систем. Основой для генерации данных моделей явилось представление ИУС и происходящих в ней процессов с позиции диалоговых моделей. С этой целью была разработана диалоговая модель ИУС применительно к модели МПП ИУС. Для формализованной таким образом модели ИУС были разработаны модели и методики инструментального создания тренажерных обучающих компонент, что послужило основой для реализации комплекса программ, использующего разработанные модели.

При достижении поставленной цели и решении сформулированных задач диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана основанная на модели МПП диалоговая модель ИУС, которая позволяет описывать структуру организации взаимодействия пользователя в рамках исполнительных средств диалога и видимого среза данных информационного хранилища.

2. Разработана модель процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС, основанная на использовании диалоговой модели ИУС, позволяющая сформулировать и промоделировать основные аспекты автоматизированной генерации тренажерных моделей, создаваемых методом преобразования диалоговой модели к тренажерной.

3. Разработаны методы создания тренажерных обучающих систем, основанные на применении модели процесса двухмашинной генерации тренажерных ОК ИУС.

4. Разработан и реализован инструментальный двухмашинный комплекс программ, поддерживающий разработанные методы создания ОК ИУС.

5. Средствами инструментального двухмашинного комплекса программ "Построитель тьюторов" создано 9 тренажерных обучающих программ, которые используются в учебном процессе и в процессе поддержки ряда ИУС.

6. Экспериментально показано повышение на порядок эффективности процесса генерации тренажерных ОК ИУС относительно ручных методов создания тренажерных обучающих программ. В зависимости от предметной области выбранной ИУС получены значения от 8 до 14 раз снижения времени (с учетом исправления ошибок) процесса создания тренажерных ОК ИУС.

Проведенные исследования показали, что предложенные модели имеют научное и практическое значение и могут применяться в качестве базы для создания тренажерных ОК ИУС и инструментальных средств, автоматизирующих их создание. Практическая возможность использования исследованных подходов была подтверждена реализацией программного комплекса «Построитель тьюторов», эффективность применения которого была подтверждена как в ходе эксперимента, так и созданием ряда ОК ИУС.

Результаты разработки докладывались на нескольких различных научно-практических конференциях, выставлялись на выставках «Наппоуег-теББе 2005» Германия, НТТМ-2005 Россия и используются как в учебном процессе, так и при поддержке ряда ИУС о чем имеются акты о внедрении.

По теме диссертации автором опубликовано 11 работ и получены 3 свидетельства о государственной регистрации ОФАП программных продуктов. Основные публикации перечислены ниже:

1. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Инструментальный двухмашинный комплекс для создания обучающих компонент Информационно Управляющих Систем «Построитель тьюторов» // Государственный фонд алгоритмов и программ РФ, регистрация №50200301100 от 26 декабря 2003 г.

2. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Методы реализации пользовательской модели ИУС в обучающих системах // Educational Technology & Society 7(3), 2004.-с. 165-172.

3. Аксенов О.А. Опыт использования двухмашинного инструментального комплекса для реализации обучающих компонент ИУС // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2003. - с. 188-195.

4. Аксенов О.А. Экспериментальное исследование эффективности инструмента для реализации обучающей компоненты ИУС. // Educational Technology & Society 6(3), 2003. - с. 129-133.

5. Аксенов О.А. Событийная модель взаимодействия процесса исполнения ИУС с созданием ее обучающей компоненты. // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2005. - с. 190-196.

6. Аксенов О.А., Григорьев В.К. Программная модель реализации образа ИУС в составе тьюторной обучающей системы // Сборник трудов 53-й научно-технической конференции М.:МИРЭА, 2004. - с. 67-73.

7. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Модель процесса разработки комплексов компьютерных обучающих программ для МПП ИУС // Современные информационные технологии в управлении и образовании. Сборник научных трудов. М: ФГУП НИИ «Восход», 2002. - с. 147-152.

8. Григорьев В.К., Аксенов О.А., Григорьев А.В. Модель системы обучения кадров большой территориалыю-распределенной корпорации // Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУДО-2002), Тверь, ТГУ, 2002. - с. 81-85.

Словарь сокращений

АИУС Автоматизированная информационно-управляющая система

АОС Автоматизированная обучающая система

АРМ Автоматизированное рабочее место

АСУ Автоматизированная система управления

АСУ ТП АСУ технологическими процессами

ГЛС Граф локального сценария гсд Граф сценариев диалога

РЖ Инструментальный комплекс ис Информационная система

ИУС Информационно-управляющая система ксо Компьютерное средство обучения ми Множество интерфейсов мпп Массовый профессиональный пользователь ок Обучающие компоненты по Программное обеспечение пп Программный продукт ппо Прикладное программное обеспечения

ПС Программные средства

ПФ Процесс функционирования

САПР Система автоматизированного проектирвоания сд Сценарий диалога

СППР Система поддержки принятия решений

СУБД Система управления баз данных

ТФС Типовые функциональные структуры экн Эффективность, качество, надежность

ЭУ Элементы управления

GOMS Goals, objects, methods and selection rules

WYSIWYG what you see is what you get

1. Агафонова В.В. Интерфейсы информационных систем в экономике. М: Финансы и статистика, 2003.

2. Аксенов O.A. Опыт использования двухмашинного инструментального комплекса для реализации обучающих компонент ИУС. Современные информационные технологии в управлении и образовании, М: ФГУП НИИ "Восход", МИРЭА, 2003, стр. 188-195.

3. Аксенов O.A. Событийная модель взаимодействия процесса исполнения ИУС с созданием ее обучающей компоненты. Современные информационные технологии в управлении и образовании, М.:ФГУП НИИ "Восход", МИРЭА,2005,стр.190-196.

4. Аксенов O.A. Экспериментальное исследование эффективности инструмента для реализации обучающей компоненты ИУС. IEEE Educational Technology & Society" 6(3), 2003, стр. 129-133.

5. Аксенов O.A., Григорьев B.K. Инструментарий для создания тьютора системы CMS SmartCity 1.5. Современные информационные технологии в управлении и образовании, М: ФГУП НИИ "Восход", МИРЭА, 2001, сс. 203207

6. Аксенов O.A., Григорьев В.К. Программная модель реализации образа ИУС в составе тьюторной обучающей системы, сборник трудов 53-й научно-технической конференции МИРЭА, Москва 2004, сс. 67-72.

7. Андреев A.C. Моделирование адаптивной системы дистанционного обучения. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.18, Новгород, Гос. ун-т имени Ярослава Мудрого, 2001.

8. Бауэр В. Введение в теорию конечных автоматов. М.: Радио и связь, 1987.

9. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М: Информационно-издательский дом "Филинъ", 2003.

10. Бусленко Н.П. Моделирование систем. -М.: Наука, 1978.

11. И.Вертгеймер М. Продуктивное мышление. М.: Мир, 1983.

12. Н.Гайдамакин H.A. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. М.: Гелиос, 2002.

13. Гайнетдинов М.Л., Иванов Ю.С. Элементы теории систем автоматизированного обучения. Казань: Дента, 1995.

14. Гальперин П.Я. Психология как объективная наука (избранные психологические труды). М.,-Воронеж, 1998.

15. Гаврилова Т. А. Интеллектуальные и обучающие системы. — СПб.: СПбГТУ, 1996.

16. Голубятников И.В. Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем. Дис. на соиск. уч. степ, д.т.н. спец. 05.13.11, М.:МГАПИ, 2000.

17. Гостин A.M. Математическое и программное обеспечение операциональной модели обучаемого и ее синтез в программных приложениях открытой гипермедийной среды. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.11, Рязань, 2000.

18. Григорьев В.К. Обучающая подсистема тьюторного типа: принципы создания и использования, часть 1, часть 2. Банковские технологии, №6, стр. 72-75, №7-8 стр. 109-113,2001.

19. Григорьев В.К. Оценка эффективности использования тьюторных систем. -Банки и технологии, 2002, №1, стр. 66-69.

20. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Инструментальный двухмашинный комплекс для создания обучающих компонент Информационно Управляющих Систем "Построитель тьюторов". ОФАП №50200301100 от 26.12.2003.

21. Григорьев В.К., Аксенов О.А. Модель ИУС компоненты типового интерфейса тьюторной обучающей системы. IEEE Educational Technology & Society 7(3), 2004, стр. 165-172.

22. Григорьев В.К., Аксенов О.А., Антонов А.А., Грушин А.В., Зорин Д.С. Обучающая система "Обучение персонала гидрологических служб информационно-аналитической системы "Каскад". ОФАП №50200500010 от 14.01.2005

23. Григорьев В.К., Аксенов О.А., Борисова С.В. Обучающая система "Обучение персонала центра эмиссии карт работе в системе "SmartCity". ОФАП №50200500019 от 14.01.2005.

24. Григорьев В.К., Борисова C.B. Как учить кассиров, занятых в эквайринге пластиковых карточек. Мир карточек №4, 2000

25. Гринченков Д.В. Разработка математического и программного обеспечения для компьютерных тренажеров в энергетике. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.11, Ростов на дону, 2001.

26. Гриф М.Г. Современные методы проектирования информационно-управляющих систем: Учеб пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.

27. Губинский А.И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. JL: Наука, 1982.

28. Губинский А.И., Евграфов В.Г. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: исследование, проектирование, испытания: Справочник. М.: Машиностроение, 1993.

29. Гультяев А.К. Help. Разработка справочных систем. Учебный курс. СПб: Питер, 2004.

30. Гурвиц М., Мак Кейб Лора. Использованием Macromedia Flash MX. Специальное издание. Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003.

31. Дейкстра Э. Дисциплина программирования. М: Мир, 1978.

32. Дейт Дж. Введение в системы баз данных 7. изд. М. - и др.: Вильяме, 2001.

33. Дракин В.И., Попов Э.В., Преображенский А.Б. Общение конечных пользователей с системами обработки данных. М.: Радио и Связь, 1988.

34. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. Дис. на соиск. уч. степ, д.т.н. спец. 05.13.01, М.: ИПУ РАН, 1999.

35. Дудин A.A. Применение языков декларативного программирования в автоматизированных обучающих системах. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.11, М.: МИЭМ, 2003.

36. Зайцев К.С. Разработка методов и средств представления и обработки документов в АИУС. М.: ИПУ РАН, 2003.42.3инченко В.П., Мунипов В.М. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды. М.: Логос, 2001.

37. Ильин Г.Л. Философия образования, идея непрерывности, М.: Вузовская книга, 2002.

38. Касьянов O.A. Математические модели и технология создания сетевых интерактивных ресурсов дистанционного обучения. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.18, Долгопрудный, МФТИ, 2003.

39. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984.

40. Криницкий H.A., Миронов Г.А., Фролов Г.Д. Автоматизированные информационные системы. М.: Наука, 1982.

41. Кузнецов H.A., Кульба В.В., Ковалевский С.С., Косяченко С.А. Методы анализа и синтеза модульных информационно-управляющих систем. М: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

42. Леонтьев А.Н. Деятельность, сознание, личность. М. Политиздат, 1975

43. Леффингуэлл Д., Уилдриг Д. Принципы работы с требованиями к программному обеспечению. Унифицированный подход. Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме" 2002.

44. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько C.B., Романов М.П. Система дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике на базе современных информационных технологий. IEEE Educational Technology & Society 7(3), 2004, стр. 196-209.

45. Микрин Е.А. Предложения по проектированию новых компонентов и технологий информационно-управляющих систем РКК "Энергия". М.:ИПУ РАН, 2003

46. Ope Остин. Графы и их применение. Пер. с англ. М: УРСС, 2002.

47. Павлов И.П. Полное собрание сочинений. М.Госкомиздат, 1951.

48. Петров В.Н. Информационные системы. СПб, Питер, 2002.

49. Пиаже Ж. Избранные психологические труды. М., 1994

50. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. М: Мир, 1984.

51. Прохоров А. Программы для обучения программам. "Компьютер Пресс", №5, 2001, с. 174.

52. Раскин Дж. Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем. Пер. с англ. СПб: Символ-Плюс, 2003.

53. Рященцев Д.В. Адаптивная дистанционная обучающая система, основанная на структурном анализе предметной области. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.01, Санкт-Петербургский гос. ун-т, 2001.

54. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов. М: Высшая школа, 1987.

55. Сагула А.И. Исследование и разработка комплекса обучающих программ для повышения эффективности подготовки офицеров запаса войсковой ПВО. -Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.18, М., МАТИ, 2003.

56. Саливан Эд. Время деньги, Создание команды разработчиков программного обеспечения/Пер. с англ. М: Издательско-торговый дом "Русская редакция", 2002.

57. Скиннер Б.Ф. Наука об учении и искусство обучения. М.: Программированное обучение за рубежом, 1968.

58. Скутин A.A. Разработка и реализация математической модели корпоративной информационной системы. Дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. спец. 05.13.01,Томский гос. ун-т, 2002.

59. Уэно X., Кояма Т., Окамото Т. и др. Представление и использование знаний: Пер. с япон. М.:Мир, 1989.

60. Филлипс Д.Т., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей, пер. с англ. М.: Мир, 1984.

61. Харрари Ф. Теория графов. Пер. с англ., 2-е издание. М.: УРСС, 2003.

62. Царегородцев А.В. Теоретические основы построения информационных систем. М: РУДН, 2004.

63. Чеппел Д. Технологии ActiveX и OLE. Пер. с англ. М.: Издательский отдел "Русская редакция", 1997.

64. Щукина Г.И. Проблема познавательного интереса в педагогике. М. Педагогика, 1971.

65. Boehm Barry. A spiral Model of Software Development and Enhancement. IEEE Computer 21,15, May, 1988, pp. 61-72.

66. Codd E.E. A relational model for large shared data banks. Comm ACM 13.6, 1970, pp. 377-387.

67. Crad, Stuard K., Thomas P. Moran, Allen Newell. The Psychology of HumanComputer Interaction. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1983.

68. Crad, Stuard K., Thomas P. Moran, and Allen Newell. The Psychology of HumanComputer Interaction. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1983.

69. Grigoriev V.K. ITS required component of Front Office Applications for Teaching Mass Professional Users. IEEE Educational Technology & Society 6(3), 2003, pp. 139-154.

70. Grigoriev V.K. The computer tutor for mass professional users. IEEE Inter. Conference on Advanced Learning Technologies, 2002, pp. 379-383

71. Grigoriev V.K., Krichevec A.N. A correlation connecting educational methods and types of users. IEEE Educational Technology & Society 6(4), 2003, pp. 194-203.

72. Jonn , Bonnie E. Why GOMS? Interactions, October 1995, pp. 80-89.

73. Ketamo H. An Adaptive Geometry Game for Handheld Devices. IEEE Educational Technology & Society 6(1), 2003, pp. 83-95.

74. Kruchten P. The 4+1 View of Architecture. IEEE Software 12,6. November, 1995, pp. 45-50.

75. Lian A., Transfer and technology in education: toward a complete learning environment. IEEE Educational Technology & Society 3(3), 2000, pp. 13-26.

76. Petri C.A. Introduction of general net theory. Lecture notes in Computer Science. Berlin:Springer-Verlag, 84, 1980, pp. 1-26.

77. Royce Winston. Managing the Development of Large Software Systems: Concepts and Techniques. Proceedings of WESCON, August, 1970.

78. Watson H., Kroeberg D. Computer Based Information Systems. A management approach. Addison-Wesley, 1984,

79. Официальный сайт компании Recor : www.recor.com

80. Официальный сайт компании Униар : www.uniar.ru

81. Официальный сайт компании Медиахауз : www.mediahouse.ru

82. Официальный сайт компании TeachPro : www.teachpro.ru

83. Официальный сайт компании Компактбук : www.cbook.ru90.0фициальный сайт компании Macromedia: www.macromedia.com