Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем

Голубятников, Игорь Владимирович

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем

доктора технических наук: Голубятников, Игорь Владимирович
город: Москва
год: 2000
специальность ВАК РФ: 05.13.11
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем»

Автореферат диссертации по теме "Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем"

Министерство образования Российской Федерации

Московская государственная академия приборостроения и

информатики

Голубятников Игорь Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБУЧАЮЩИХ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ

Специальность 05.13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных

сетей»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Диссертация выполнена в Московской государственной академии приборостроения и информатики

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Михайлов Борис Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Савельев Александр Яковлевич доктор технических наук, профессор Фролов Вадим Николаевич доктор технических наук, профессор Валентинов Владимир Валентинович

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций.

Защита состоится 20 июня 2000 года в 12 часов на заседании Диссертационного совета Д 063.93.01 в Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу:

107076, г. Москва, ул. Стромынка, д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии приборостроения и информатики.

Автореферат разослан 16 мая 2000г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н., доцент

М.В.Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность темы определяется, в первую очередь, потребностями повышения эффективности процесса обучения при снижении материальных затрат.

Анализ передовых, в экономическом отношении стран, показывает, что информатизация образования является одним из ключевых условий, определяющих последующее успешное развитие экономики, науки и культуры. Рос-:ийская Федерация также встала на этот проверенный жизнью курс. Развитие :траны на современном этапе в значительной степени определяется прогрессом ! области компьютерных средств и внедрением новых информационных техно-югий.

Информатизация образования является одним из важнейших направлений [»форматизации России. Знания и навыки, приобретаемые при обучении бу-(ущими специалистами, в дальнейшем, во многом определяют пути развития |бщества. В вузах и других учебных заведениях сосредоточено большое коли-:ество прогрессивных и восприимчивых к новому научно-технических кадров. )то существенно облегчает внедрение новых информационных технологий в чебных заведениях и делает эффективной разработку новых информационных истем для различных государственных и коммерческих структур силами этих адров.

Целью информатизации образования является радикальное повышение ффективности и качества подготовки специалистов до уровня, достигнутого в азвитых странах, т.е. подготовка кадров с новым типом мышления, соответст-ующим требованиям постиндустриального общества. Достичь поставленной ели можно, лишь, усовершенствовав систему образования на основе широкого яедрения новых информационных технологий, решив для этого следующие щачи:

• приобретение будущими специалистами знаний в области новых информационных технологий и навыков их применения в своей профессиональной деятельности;

• повышение интенсивности и эффективности обучения, создание условий и средств для индивидуального повышения квалификации специалистами на постоянной основе;

• эффективное и оперативное управление, как образовательными учреждениями, так и всей системой образования в целом;

• коммерческое использование разработок образовательных учреждений с целью самофинансирования их оснащения и работ в области информатизации образования;

• информационная интеграция образовательных учреждений и всей системы образования Российской Федерации в мировую систему.

Современные технологии обучения характеризуются все более интенсив-[м использованием компьютерной техники. Экспертные оценки показывают

высокую зависимость эффективности усвоения и запоминания учебной информации от формы ее представления и способа подачи. Многочисленные исследования подтверждают успех систем обучения с применение компьютеров: внимание во время работы с обучающей интерактивной программой на базе мультимедиа, как правило, удваивается, а приобретенные знания сохраняются в памяти значительно дольше.

Одно из направлений компьютерной технологии, интенсивно развивающееся в настоящее время - технология мультимедиа. Применение этой технологии позволяет добиться сочетания в одном программном продукте информации различных видов - текста, аудиофрагментов, видеоизображений, графических рисунков и др. Применение технологии мультимедиа при создании обучающих систем позволяет существенно повысить их наглядность а, следовательно, и эффективность.

Необходимо отметить, что внедрение компьютерной технологии в систему образования не ставит целью полную замену человека в процессе обучения. Основная цель - расширение возможностей преподавателя и создание инструментария с помощью которого обучаемый мог бы наиболее полно удовлетворить свои познавательные потребности. Таким образом, в процессе применения мультимедийных обучающих систем (МОС) возникает необходимость решения трех основных задач:

• обеспечение передачи знаний от МОС к обучаемому;

• контроль знаний;

• предоставление справочной информации по запросу.

Существующие обучающие системы различаются по степени универсальности и по числу предлагаемых функций. Основная их часть, в целом, решая поставленные перед ними задачи, не лишена недостатков. Среди недостатков современных обучающих систем можно выделить следующие:

• трудность подготовки учебных материалов из-за недостаточной функциональности встроенных редакторов;

• замкнутость систем вследствие использования специфичных форматов хранения учебных материалов;

• отсутствие наглядности при представлении учебных материалов;

• отсутствие квалифицированных консультативных услуг.

Устранение отмеченных недостатков возможно при использовании МОС.

Необходимо отметить, что МОС принципиально отличаются от традиционных текстово-графических автоматизированных обучающих систем, что позволяет выделить МОС в отдельный самостоятельный класс автоматизированных систем.

технологий во всех сферах деятельности, т.е. на сколько эффективно эти технологии будут влиять на повышение производительности общественного труда.

Таким образом, разработка концепции организации МОС, принципов проектирования и построения рассматриваемого класса систем является одной из важнейших научно-технических проблем.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений, математического и программного обеспечения автоматизации процесса обучения, позволяющие создавать МОС, функционирующие как локально, так и в сетях.

Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка принципов проектирования и построения интерактивных обучающих мультимедийных систем;

• разработка архитектуры МОС;

• исследование возможности распознавания речи в МОС;

• разработка принципов организации диалога в МОС на естественном языке;

• разработка математического и программного обеспечения функционирования МОС.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы аппарата теории множеств, теории вероятностей, теории принятия решений, методы оптимизации, теории автоматов и структурного анализа. При программной реализации предлагаемых методов и алгоритмов, использованы технологии объектного, структурного и модульного программирования.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны, обобщены и сформулированы принципы проектирования и построения интерактивных МОС.

2. На основании проведенных исследований разработана архитектура МОС.

3. Предложен и обоснован метод, обеспечивающий пользователю адекватное взаимодействие с компьютером. Данный метод заключается в использовании интеллектуального интерфейса.

4. Разработан и обоснован подход, предусматривающий представление предметной области мультимедийного ОК в виде сети фреймов, узлам которой соответствуют экранные формы, содержащие учебный материал.

5. Разработана архитектура системы управления данными обучающих мультимедийных систем (СУДМОС) и предложен метод организации управления данными МОС, обеспечивающие создание и поддержание двухуровневой распределенной базы копий фрагментов учебной информации и позволяющие адаптировать различные СУБД к задачам использования их в МОС.

6. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны принципы организации диалога с ЭВМ на естественном языке, принципы организации словаря и работы со словарем и принципы обработки запроса на естественном языке.

7. Предложен метод организации данных и контекстного поиска в МОС.

Практическая значимость. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждена результатами их практического использования. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московской государственной академии приборостроения и информатики, Военной академии ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого, Московского государственного института электроники и математики (технического университета), Вятского государственного технического университета, Московской финансово-юридической академии, Русского университета инноваций. Разработанные в диссертации концепции, принципы и методы внедрены и широко используются в методических пособиях и указаниях Государственного координационного центра информационных технологий Минобразования Российской Федерации. Программные разработки, полученные в диссертации, представлены в Фонд алгоритмов и программ высшей школы и зарегистрированы в Информационно-библиотечном фонде Российской Федерации.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

• международной конференции «Информационные средства и технологии», Москва, 24-26 октября 1995г.

• международной научно-технической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении», Санкт-Петербург, 25-27 июня 1996г.

• II международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», Сочи, 27 сентября - 3 октября 1999г.

• научно-технических семинарах и конференциях кафедр «Системное программное обеспечение ЭВМ», «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Персональные компьютеры и сети» МГАПИ.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано около 60 печатных работ, в том числе монография «Основные принципы проектирования и применения мультимедийных обучающих систем», М.: «Машиностроение», 1999. - 318с.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика решаемой проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования и научная новизна, определены методы исследования.

В главе 1 проведен современного состояния проблемы использования систем мультимедиа в обучении и разработаны принципы построения обучающих мультимедийных комплексов и систем.

Мультимедийные обучающие системы - это класс интегрированных систем, совмещающих функции обучения, экспертизы и управления, обеспечивающих эффективное манипулирование мультимедиа-информацией, за счет наличия адекватных систем управления базами данных (СУБД).

Такие системы предоставляют возможность не только проводить обучение и тестирование, но и консультировать, контролировать каждый шаг решения задачи, адаптировать действия системы к знаниям и умениям конкретного пользователя.

Использование технологии мультимедиа и применение обучающих мультимедиа-систем, по результатам исследования группы Media Labs Массачусет-ского технологического института, увеличивает "обучаемость" в 3-4 раза, а способность к запоминанию со средних 30-35% до 75-85%. Это достигается за счет комбинированного воздействия разнообразной аудио- и видеоинформации, а также, за счет использования интерактивных приложений, позволяющих вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения.

Целью внедрения МОС, в конечном итоге, является рационализация процесса обучения, улучшение его качества. Использование МОС дает много преимуществ:

• индивидуализация обучения в условиях массового учебного процесса;

• адаптация процесса обучения к индивидуальным характеристикам обучаемых;

• развитие творческой активности и способностей студентов в процессе обучения;

• возможность распределенного обучения;

• возможность самостоятельного обучения;

• планирование и контроль процесса обучения.

• разгрузка преподавателя от' трудоемких операций, не требующих творческих действий;

• возможность сбора и анализа статистики учебного процесса.

Как показали исследования, мультимедийный комплекс целесообразно ^осматривать как сочетание компьютера (базовый компонент), и подсистемы 1ультимедиа, являющейся его расширением. Использование технологии муль-имедиа предполагает наличие специализированных программно - аппаратных редств, расширяющих возможности стандартного компьютера.

В программных и аппаратных средствах, используемых при создан! мультимедиа - приложений, необходимо применение технологий, обеспеч вающих динамическое сжатие/восстановление видео- и аудиоданных, а таю использование специализированных форматов, обеспечивающих эффективш методы хранения данных.

Программное обеспечение мультимедийных комплексов предъявляет п вышенные требования к техническим характеристикам как самого компьютер так и его периферийных устройств. Это связано с необходимостью обрабоп больших объемов информации в реальном режиме времени и обеспечению и терактивности программной системы.

Одной из ключевых задач, требующих решения при разработке мульт медийных обучающих систем, является задача построения адекватных с иск управления базами данных (СУБД), обеспечивающих эффективное манипул рование мультимедиа-информацией.

В последнее время начали появляться обучающие системы с использов нием элементов мультимедиа, однако все они либо не используют формальш технологии баз данных, оставаясь в рамках файловых систем, либо использук универсальные СУБД.

В табл.1, приведены основные особенности и примеры реализации на более широко применяемых моделей данных.

Следует отметить, что выбор конкретной модели данных для использов ния в конкретном приложении в значительной мере зависит от задач, которв поставлены перед создаваемой системой.

Выбор степени централизации данных непосредственно связан со степ нью их обобществления и определяется, прежде всего, следующим соображ нием: данные должны храниться в непосредственной близости от места их о новного использования.

Как показал анализ, в отличие от прочих моделей сетевого взаимодейс вия, опирающихся на двухзвенную схему разделения функций, при которс прикладной компонент сливается либо с компонентом представления, либо компонентом доступа к информационным ресурсам, в модели сервера прил< жений реализована трехзвенная схема разделения функций. При этом прикла, ной компонент выделен как важнейший изолированный элемент приложени для его определения используются универсальные механизмы, а его интерфе; сы с двумя другими компонентами - стандартизованы.

Проводя анализ применимости различных моделей данных в рассматр) ваемых СУБД, можно прийти к следующему выводу: выбор той или иной I применяемых моделей данных не оказывает существенного влияния на эффе: тивность обучающей системы в целом. Такой вывод вытекает из следующ! особенностей обучающих систем:

• из трех основных типов операций над базами данных (поиск, измен ние, передача информации) в БД МОС подавляющее большинстЕ операций относится к третьему типу (передача информации), незнач!

тельное их количество - к первому (поиск), операции второго типа отсутствуют;

• в силу отсутствия операций изменения, практически не возникает необходимость поддержки логической целостности данных, целиком переносящаяся на этап разработки обучающей системы.

Таблица 1. Сравнительная характеристика моделей данных и сетевого

взаимодействия

Модель Особенности Примеры систем

Плоские файлы Низкоуровневое управление данными, зависимость программ от организации данных; высокая эффективность при малоизме-няющихся небольших БД Professional File, Reflex

Иерархическая IMS, PC/Focus, Team-Up, Data-Edge

Сетевая IDMS, db Vista

Реляционная Независимость прикладных программ и обрабатываемых данных DB/2, Oracle, Sy-ase, Informix, In-rrBase

Объектно-ориентированная Инкапсуляция данных и обрабатывающих процедур 02, Jasmine

Комбинированная Соединение реляционной модели с сетевой или ОО-моделыо ORION,Velocis, UniSQL

Файловый сервер (ИБ-модель) Высокий сетевой траффик, Низкие возможности по манипулированию данными CA-CIipper, FOXPRO, Paradox, Clarion

Удаленный доступ к данным (ЯОА-модель) Универсальный интерфейс "клиент-сервер" за счет специализированного языка (SQL), снижение траффика, повышение нагрузки на сервер Oracle,Informix, CA-Openlngress, Sybase, InterBase, MS SQL Server

Сервер баз данных (ОВв-модель) Низкий траффик, централизованное администрирование прикладных функций Oracle,Informix, CA-Open Ingress, Sybase, InterBase, MS SQL Server

Сервер приложений (АЭ-молель) Трехзвенное разделение функций, низкий траффик, снижение нагрузки на сервер Tuxedo, Encina, CICS

Таким образом, модель данных СУБД мультимедийных обучающих сис-ем должна выбираться, исходя из требований подсистемы создания обучаю-шх курсов.

Единственным требованием, предъявляемым со стороны обучающей под-истемы к модели данных, используемой в СУБД, может быть требование воз-

можности реализации на базе выбранной модели эффективных средств навигационного доступа к данным.

Признавая важность совершенствования централизованных обучающих систем, нельзя не отметить все возрастающую актуальность построения обучающих систем (в первую очередь - мультимедиа-систем) на основе локальных и глобальных сетей. Это связано в первую очередь с глобальной тенденцией роста информационной интеграции. Кроме того, в пользу приведенного тезиса говорят следующие аргументы:

• высокая стоимость и длительные сроки разработки мультимедийных обучающих систем, что приводит к необходимости совместного использования разработок различных коллективов в стране и за рубежом;

• возможность оптимизации использования аппаратных средств, обладающих разной производительностью и объемами памяти;

• возможность оперативного доступа к научной, учебной и справочной информации из множества источников, как отечественных, так и зарубежных.

Основной проблемой при построении МОС на основе локальной сети и при активном использовании в процессе обучения средств мультимедиа является обеспечение высокой производительности системы.

На решение этой задачи должно быть обращено основное внимание при проектировании системы: начиная с выбора физической среды передачи информации в сети, топологии ЛВС, аппаратной платформы и заканчивая программными средствами высокого уровня, позволяющими, используя статистические данные, изыскивать возможности увеличения производительности системы.

Необходимо отметить, что, несмотря на то, что разработки аппаратного обеспечения и протоколов сетевого обмена низкого уровня проводятся со все возрастающей интенсивностью, широкому их использованию в системе образования препятствуют, прежде всего, экономические факторы.

Отмечая особую важность обеспечения высокой производительности именно для систем с использованием элементов мультимедиа, следует подчеркнуть необходимость поддержки режима работы в реальном масштабе времени при воспроизведении на рабочих станциях видеоинформации, мультипликации и звука.

Успех создания сложных систем, а к ним относятся МОС, во многом зависит от тех принципов, которые заложены в основу их проектирования. Правильно сформулированные принципы задают направление поиска технологических процессов проектирования. Оценка и выбор конкретного технологического процесса проектирования производятся на основе методов и средств его обеспечения с учетом эффективности реализации и эксплуатации.

Принцип встречного проектирования. В соответствии с данным принципом проектирование осуществляется от общего к частному (сверху вниз) путем

декомпозиции системы на составные функциональные части по обоснованным критериям (функциям) и от частного к общему (снизу вверх) путем проектирования функциональных частей нижнего уровня и объединения их по заданным критериям в функциональные части более высокого уровня.

Применительно к МОС, принцип встречного проектирования предусматривает декомпозицию системы на подсистемы с учетом системотехнических . требований их взаимодействия, определения класса задач, решаемых каждой подсистемой.

Универсальность автоматизированной системы для различных групп пользователей. Этот принцип позволяет снижать затраты труда на адаптацию системы к разным обучающим курсам.

Иерархичность построения системы. Данный принцип позволяет снижать затраты труда на создание и модернизацию системы за счет упорядочения связей между частями системы. Части системы одного уровня иерархии по управлению не должны взаимодействовать между собой.

Относительная автономность частей системы. Этот принцип, с одной стороны, предусматривает организацию независимого ввода исходных данных для каждой подсистемы, что является необходимым условием автономности создания и эксплуатации этой подсистемы; с другой стороны, в каждой подсистеме необходимо предусмотреть согласование входной информации с необходимой выходной информацией взаимосвязанных частей. Таким образом, этот принцип позволяет расширять и усложнять систему параллельно с ее эксплуатацией.

В диссертационной работе были разработаны требования к обучающим системам, содержащим мультимедиа-информацию:

• при проектировании мультимедийных обучающих систем необходимо дублирование информации, передаваемой по различным каналам;

• учебную информацию следует представлять фрагментами, усвоение которых не вызовет утомления у обучаемого;

• скорость представления материала должна адаптироваться к возможностям обучаемого;

• разные части мультимедийного ОК должны содержать равные пропорции информации различных типов. Так, отсутствие звукового сопровождения при изучении одной темы и чрезмерное его количество при изучении другой могут снизить эффективность его использования, так как процесс перенастройки каналов занимает определенное время;

• объем информации, передаваемой по различным каналам, должен быть согласован с их пропускной способностью;

• информация на экране дисплея должна располагаться в удобном для пользователя месте. Желательно обеспечивать возможность ее перемещения по экрану с целью создания обучающей среды, наиболее удобной для конкретного ученика;

• необходимо систематизированное представление информации обучаемому.

В диссертации разработана обобщенная структура МОС с точки зрения процесса обучения.

Обучение в МОС ведется в форме диалога на ограниченном естественном языке, в процессе которого обучаемый и интеллектуальная система поочередно становятся инициаторами обмена сообщениями. При этом, цель учащегося — получение максимального объема знаний за минимальное время; цель системы — максимальное удовлетворение познавательных потребностей учащихся и управление их действиями.

В МОС взаимная инициатива в диалоге имеет большое значение, так как система должна, в педагогических целях, указывать пользователю на его ошибки и составлять задачи, в которых учитываются причины этих ошибок. Это вызвано необходимостью понимания учащимся всего материала. Иными словами, МОС интерпретирует процесс решения задачи и определяет действия в соответствии с возникшей ситуацией.

Формулировка задачи управления начинается с уточнения целей обучения существующих условий. Условия управления учебными действиями уточняются путем диагностики состояния знаний учащегося. Затем распознается класс полученной ситуации. Целенаправленная система управления должна обеспечивать достижение поставленных целей при любых условиях, относящихся к некоторым допустимым классам. При недостатке данных для достоверной классификации состояния учащегося сбор данных продолжается до тех пор, пока его состояние не будет отнесено к одному из допустимых или недопустимых классов. Для каждого допустимого класса состояний в системе должна порождаться эффективная последовательность управляющих воздействий. Такую систему можно считать адаптивной к классу параметров при заданном множестве целей.

Формально основное системное отношение может быть описано выражением:

2у= 2Н * Б / (1 - Б * Т), (1)

где

Ъч, 2Н — усвоенные и необходимые знания (соответственно);

Б, Т — коэффициенты эффективности деятельности учащегося и преподавате- -

ля.

Одна из основных задач при проектировании МОС— задача синтеза целенаправленной системы рационального управления учебными действиями, при выполнении которых состояние знаний и умений учащегося приближается к требуемому. Обучение в МОС ведется в форме диалога, в процессе которого система и учащийся попеременно становятся инициаторами обмена сообщениями.

Цель системы — информационное обслуживание и управление. Цель учащегося — получение максимума знаний за отведенное время или достижение требуемого уровня знаний за минимальное время.

Множество текущих целей партнеров учебного диалога определяется возникающими перед ними задачами и проблемными ситуациями. Формулировка задачи управления начинается о уточнения ее условий и требований (цели). Условия управления учебными действиями уточняются путем диагностики состояния знаний учащегося. Затем распознается класс полученной ситуации. Целенаправленная система должна достигать цели управления при любых условиях, относящихся и некоторым допустимым классам. При недостатке данных для достоверной классификации состояния учащегося сбор данных продолжается до тех пор, пока его состояние не будет отнесено и одному из допустимых или недопустимых классов. Для каждого допустимого класса состояний в системе должна порождаться эффективная последовательность управляющих воздействий. Такую МОС можно назвать адаптивной к классу неопределенных параметров при заданном множестве целей.

В главе 2 посвящена вопросам разработки архитектуры мультимедийных обучающих систем.

Пользователю предоставляется возможность получать знания по конкретному курсу, контролировать приобретенные знания и обращаться к системе за консультацией. Структура системы общения в МОС предполагает использование ограниченного естественного языка как средства общения с вычислительной системой. При этом осуществляется не только ввод символов с клавиатуры, но и речевой ввод. Разработанная архитектура обеспечивает функционирование МОС в среде локальных вычислительных сетей с приемлемым уровнем эффективности, как при индивидуальном, так и при групповом обучении (рис.1.).

Разработанная общая организация вычислительного процесса в МОС имеет следующие особенности:

• решение любой задачи рассматривается как представление пользователю по его запросу нужного знания, удовлетворяющего некоторой спецификации;

• информационная потребность пользователя определяется как отсутствие информации, необходимой для решения некоторой подзадачи в составе общей задачи;

• ход решения задачи в любой момент времени оценивается по состоянию системы знаний МОС;

• несоответствие реального состояния требуемому определяет внутреннюю активность МОС и вызывает направленную перестройку процесса обработки информации.

МОС, в диссертационной работе, трактуется как структура, состоящая из компонентов, выполняющих такие функции, как обучение, консультирование, решение некоторой задачи, формулирование запроса к другим компонентам и пр.

Таким образом, в МОС реализуются возможности автоматизированных обучающих систем (с функциями обучения и тестирования) и экспертных систем.

Рис.1. Архитектура мультимедийной обучающей системы

При выполнении МОС функций эксперта, задается только постановка задачи в виде описания требуемого результата и условий его получения, а алгоритм решения определяется системой.

Автоматизированное решение задач базируется на некоторых эмпирических правилах, эвристических соображениях и системе знаний.

Интеллектуальный интерфейс обеспечивает любому пользователю адекватное взаимодействие с компьютером. Такое взаимодействие достигается не только за счет увеличения степени "дружественности" интерфейса, но и путем изменения структуры системы общения и разработки аппарата решения трудно формализуемых задач.

В МОС используется подход, основанный на взаимодействии различных средств и методов, применяемых к решению задач одного и того же класса или пересекающихся классов.

К ним относятся средства и методы программируемых доказательств (логический решатель), средства концептуального решателя и средства базового решателя, непосредственно взаимодействующего с прикладными программными модулями.

Функции логического решателя основаны на методе программируемых доказательств, то есть на представлении процесса поиска решения задачи в терминах пространства поиска (ПП), когда решение задачи ищется в виде некоторого пути в ПП, удовлетворяющего определенным условиям.

Для эффективного решения задач необходимо редуцировать ПП к некоторому определенному фрагменту, содержащему решение и обладающему небольшой размерностью, сравнимой с размерностью решения.

Логический решатель предполагает, что пользователь может изменять аксиоматику (множество правил построения) ПП и выделять различные фрагменты ПП, которые по его представлению содержат решение.

Предложенный подход для поиска решения задач не требует априорного понимания решения в целом - достаточно представлять лишь некоторый начальный фрагмент ГОТ, который заведомо содержит часть решения. По мере накопления знаний уточняются как все ПП, так и фрагмент, содержащий решение.

Средства разработанного концептуального решателя основаны на представлении знаний в виде структурированных семантических сетей и их частного случая - функциональных сетей, представляющих собой аналоги вычислительных моделей. В качестве схем рассуждения используются эвристические дедуктивные схемы.

Основу построенного концептуального решателя составляет концепция разбиения ПП решения на отдельные подобласти, соответствующие классам и подклассам решаемых задач, дальнейшая структуризация и упорядочивание информации в этих областях. Результатом процесса структуризации является построение моделей функциональных зависимостей (МФЗ), представляющих :обой функциональные сети, и упорядочение информации в них по отношению зхождения.

Структуризация ПП на базе функциональных зависимостей позволяет зешателю оперировать только с адекватной информацией и резко уменьшает перебор при поиске решения.

Разработанная архитектура позволяет, при организации процесса обучения, использовать знания трех типов:

• знания о предмете обучения (чему учить);

• знания о стратегии обучения (как учить);

• знания об обучаемом (кого учить).

Специфическая организация вычислительного процесса и наличие интеллектуального интерфейса позволяет МОС проводить обучение, тестирование, консультирование, проверку каждого шага решения задачи обучаемым, осуществлять сопровождение выбранного обучаемым пути решения задачи, адаптировать поддерживающие действия системы к знаниям конкретного пользователя.

Кроме того, МОС имеет возможность предоставлять обучаемому, по его запросу, комплекс поддерживающих услуг на любом шаге взаимодействия с системой.

В процессе решения задачи входящая в состав МОС экспертная система (ЭС) проводит двусторонний диалог с пользователем, запрашивая его о фактах, касающихся конкретного случая. После получения ответов ЭС пытается получить заключение. Эта попытка осуществляется машиной вывода, решающей, какая стратегия эвристического поиска должна быть использована для определения порядка применения к данной проблеме знаний из базы знаний. Пользователь может запросить объяснение поведения ЭС и ее заключений. Качество вывода определяется методом, выбранным для представления знаний, объемом базы знаний и мощностью машины вывода.

В диссертационной работе были определены категории пользователей МОС, представленные на рис. 2.

Учащиеся, использующие АОС для обучения какому-либо предмету

Учащиеся, использующие АОС в качестве справочника

Преподаватели, применяющие АОС в учебном процессе или при подготовке лекций, используя готовые ОК

Преподаватели, являющиеся авторами ОК и использующие их в учебном процессе

Авторы учебных курсов, создающие их для дальнейшего использования другими лицами

Рис. 2.Категории пользователей МОС.

Каждая из приведенных категорий предъявляет свои требования к функционированию МОС, интерфейсу, структуре хранимых данных и использует подмножество функций, реализованных в программной системе. Среди общих требований можно выделить следующие:

• наглядность представления информации, то есть способность системы хранить и отображать информацию в виде, наиболее подходящем для описания объекта или явления предметной области (текст, рисунок, видеофрагмент);

• полнота информации;

• возможность быстрого поиска информации;

• возможность выбора учебного материала, то есть поддержка функции просмотра оглавления обучающего курса (ОК), из которого возможен переход к нужному разделу;

• возможность просмотра учебных материалов, логически связанных с текущим (аналог гипертекстовых ссылок в текстовых массивах).

Как уже отмечалось, особенностью мультимедийных обучающих систем является необходимость интеграции различных видов информации в пределах одного ОК. Видео- и звуковая информация при этом представляется как последовательность кадров и оцифрованного звука. Структура ОК имеет двоякую сущность, соответствующую взгляду на него со стороны пользователей ОК (авторов, создателей и учащихся) и разработчика программного обеспечения. Такая двоякость возникает вследствие необходимости скрыть от пользователя ОК сложности, возникающие при реализации его мультимедийной структуры.

На выбор методов представления знаний и способов их обработки большое влияние оказывает состав знаний МОС. Под знаниями понимается совокупность сведений о мире (конкретной предметной области, совокупности объектов или объекте), включающая в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, а также правилах использования этой информации для принятия решений.

Для того чтобы знания могли быть использованы в МОС, они должны быть представлены в виде, пригодном для хранения в компьютере. Рассмотрим формы знаний и последовательность их преобразований при создании ОК МОС (рис.3.).

Можно выделить 5 форм знаний:

21- знания в памяти человека;

22 - материализованные знания (монографии, статьи, учебники);

2Ъ - поле знаний (полуформализованное представление знаний);

24 - знания на языках представления знаний (формализация 23);

25 - база знаний в ЭВМ (на машинных носителях информации).

Одно из основных отличий электронного учебника, являющегося подмножеством 22, от ОК МОС в том, что он содержит с себе не только фрагмен-

ты знаний об объектах предметной области, но и отражает взаимосвязи между ними.

[ знания в : ; памяти [

Рис.3. Формы знаний.

Для выбора подходящего способа представления знаний и разработки алгоритмов их обработки, они должны быть классифицированы. Предлагается следующая классификация знаний МОС:

• знания об объектах и явлениях предметной области;

• знания о взаимосвязях объектов и явлений;

• диагностические знания;

• функциональные знания.

Одной из отличительных особенностей мультимедийного ОК является использование разных средств для описания одной и той же сущности предметной области. Исходя из этого представляется наиболее правильным подход, при котором курс состоит из множества экранных форм, каждая или группа которых описывает какой-либо объект предметной области. Такой подход обладает следующими преимуществами:

• возможность наиболее полно представить информацию об объекте;

• возможность рационального расположения информации различных типов в пределах одного экрана;

• возможность группировки информации об объекте в одной, или нескольких экранных формах, что облегчает процесс ее переноса в другие ОК;

• упрощение процесса задания взаимосвязей между объектами предметной области;

• повышение точности системы при навигации в результате выполнения функций поиска;

• возможность рационального эргономического оформления и размещения фрагментов учебных материалов.

"Внутренняя" структура ОК является отражением его "внешней" структуры и соответствует взгляду на нее со стороны разработчика программного

обеспечения МОС. "Внутренняя" структура реализует информационную модель предметной области и должна удовлетворять ряду требований, среди которых можно выделить следующие:

• адекватное отражение "внешней" структуры ОК;

• хранение информации различных типов в пределах одного ОК;

• обеспечение возможности задания взаимосвязей между хранимыми фрагментами информации;

• возможность добавления и удаления учебной информации из ОК;

• возможность изменения логической структуры ОК (перемещение информации, относящейся к различным уровням иерархии);

• возможность организации поиска информации;

• возможность интеграция нескольких ОК;

• возможность реализации структуры построения и функционирования информационной модели с использованием одного из алгоритмических языков;

• принципиальная возможность оптимизации.

Проведенный анализ показал, что предметная область мультимедийной АОС может быть представлена в виде ориентированного графа, описываемого парой (У,А), где УсУ2. Элементы множества V называются вершинами орграфа С=(У,А), а элементы множества А - его дугами.

Вершине соответствует логически законченный фрагмент учебного материала, представляющий экранную форму, отображаемую на экране дисплея. Дуги описывают взаимосвязи между фрагментами и позволяют связать, например, описание какого-либо процесса с описанием примеров его использования.

Такая модель представления данных позволяет объединить компоненты ОК в целостную систему и представить ее в виде матрицы, обработка которой может быть запрограммирована на современных алгоритмических языках.

Если в - помеченный граф порядка'п, Ув = *! 1,2,...п К то можно определить бинарную пХп матрицу А = А(в), где П, если (у) е Аб

(А(0))уН

10 - в противном случае, где Ав - множество дуг орграфа в,

А(О) - матрица смежности ориентированного графа О.

Ориентированный граф образует семантическую сеть, узлами которой являются фреймы, описывающие связанную с ними информацию и ее характеристики.

Среди основных факторов, повлиявших на выбор сетевой модели представления знаний можно выделить следующие:

1. Масштабируемость, то есть возможность задания любого количества произвольных связей между объектами предметной области.

2. Возможность выделения подсетей, соответствующих определенным элементам "внешней" структуры ОК.

3. Сетевая модель более других соответствует современным представлениям об организации долговременной памяти человека.

4. Возможность осуществления поиска информации, основанного на взаимосвязях объектов предметной области.

Использование фреймов в качестве узлов графа удобно с точки зрения реализации системы, так как предполагает повышенную степень структурированности информации и возможность описания характеристик структуры объектов, предназначенных для ее хранения.

Каждый фрейм такой семантической сети связан с экранной формой и описывает ее характеристики. Фрейм содержит следующие слоты:

• Идентификатор фрейма.

• Идентификаторы предыдущего и следующего фрейма.

• Слот, характеризующий место экранной формы в структуре ОК.

• Слот, содержащий заданные реакции системы на непредвиденные ситуации.

• Слот, содержащей краткое описание информации, содержащейся в экранной форме.

• Слот, содержащий ссылки на другие фреймы.

В подобной модели можно выделить два типа структур:

• структуры, предназначенные для хранения учебной информации;

• структур?,I, предназначенные для организации взаимосвязи и согласованности данных.

Такое разделение дает возможность облегчить процесс адаптации системы при изменении структуры хранимых данных и добавлении данных принципиально нового типа. Например, при таком изменении "внешней" структуры ОК, как перемещение раздела в другую главу необходимо изменить лишь атрибуты фреймов, характеризующих место экранной формы в структуре ОК. Содержимое самих учебных материалов при этом не изменяется. Добавление в какой-либо учебный материал видеофрагмента не приводит к необходимости модифицировать информацию о его взаимосвязях и месте в ОК.

На основании анализа классов пользователей и их требований к функционированию программной системы в диссертации была разработана архитектура мультимедийной АОС.

В результате проведенных исследований было установлено, что придание базам данных МОС распределенного характера позволяет, при условии соблюдения описанных выше процедур доступа к данным обучающих курсов, эксплуатировать такие МОС в среде локальных сетей с приемлемым уровнем эффективности, как при индивидуальном, так и при групповом обучении.

Таким образом, можно предположить, что МОС, спроектированные по разработанной в диссертационном исследовании методологии, окажутся более

приспособленными к современному компьютеризированному обучению, чем традиционные АОС.

Ключевой особенностью предлагаемой архитектуры Системы Управления Данными Мультимедийных Обучающих Систем (СУДМОС) является выделение трех взаимодействующих между собой уровней: Сервер СУДМОС, Монитор СУДМОС и Клиент СУДМОС. Наличие промежуточного звена - Монитора СУДМОС, отличает предлагаемую архитектуру от наиболее часто используемых разновидностей архитектуры "клиент-сервер" - модели доступа к удаленным данным (RDA - Remote Data Access) и модели сервера базы данных (DBS - DataBase Server) и сближает ее с современной моделью сервера приложений (AS - Application Server) и другими трехзвенными моделями (3-tier model).

Архитектура СУДМОС представлена на рис. 4.

Рис. 4. Архитектура СУДМОС

Физическая топология сети, в среде которой происходит функционирование МОС и СУДМОС может быть различной. Однако наибольшая эффективность функционирования СУДМОС достигается при использовании звездообразной и гибридной топологий, строящихся с применением аппаратных и программных средств, обеспечивающих связь типа "точка-точка" для любой пары участников сети.

Клиент СУДМОС - программный модуль, выполняющийся на каждой рабочей станции и служащий для обеспечения связи между Монитором СУДМОС и интерфейсным модулем МОС.

Монитор СУДМОС - программный модуль, выполняющийся на рабочей станции преподавателя и обеспечивающий координацию работы МОС в сети.

Буферная Память PC - это часть объема ЗУ PC, выделенная для использования СУДМОС. Логически БП состоит из трех элементов: служебной области, области дескрипторов и области данных

Служебная БД представляет собой ряд наборов данных, хранящих информацию, используемую Монитором СУДМОС.

Служебная БД Монитора СУДМОС состоит из двух разделов: данные маршрутизации и журнал запросов. Данные маршрутизации состоят из данных о размещении фрагментов в БП PC и данных о текущем состоянии PC.

Данные о размещении фрагментов в БП PC представлены в виде таблицы размещения фрагментов, строки которой соответствуют рабочим станциям, а столбцы - фрагментам ОК.

Монитор СУДМОС при взаимодействии с Клиентами СУДМОС выполняет функции сервера, а при взаимодействии с Сервером СУДМОС - функции клиента. Все запросы на фрагменты учебного материала Клиенты СУДМОС направляют Монитору СУДМОС, обладающему полной информацией о процессе обучения, распределении фрагментов по рабочим станциям сети, загрузке файл-сервера и рабочих станций и т.д. На основании этой информации монитор инициирует передачу запрошенного фрагмента либо файл-сервером, либо одной из рабочих станций, в буферной памяти которых присутствует запрошенный фрагмент. Такое построение:

• полностью разгружает центральный сервер от обработки служебной информации, относящейся не собственно к ОК, а к процессу обучения;

• позволяет обеспечить централизованный контроль процесса обучения;

• значительно уменьшает время обработки запроса (за счет того, что PC, на которой выполняется ПО Монитора СУДМОС не занята передачей больших объемов информации, в результате чего время пребывания запроса в очереди ожидания обслуживания минимально).

Полученные результаты позволяют использовать СУДМОС предложенной архитектуры совместно с МОС, строящихся как на основе различных моделей "клиент-сервер" в средах коммерческих СУБД (Oracle, Sybase и т.п.), так и на основе однопользовательских СУБД (dBase, Paradox и т.п.). Кроме того, до-

пустимо сочетание СУДМОС с МОС, не использующими СУБД, а базирующимися на непосредственном доступе к файлам.

В главе 3 разработаны принципы организации диалогового общения с МОС на естественном языке.

Интеллектуальный подход, со стороны ЭВМ, к общению с человеком предполагает следующую схему (рис. 5.).

Рис. 5. Схема интеллектуализации общения ЭВМ с человеком

Известно, что на точность распознавания речи влияют и синтаксические ограничения, так как синтаксис языка определяет грамматические изменения словоформ, и порядок следования слов.

На точность распознавания, также, существенно влияет организация словаря системы. Здесь существенными параметрами являются размер словаря и степень различимости слов, так как чаще всего ошибки дают слова с близкой фонетической структурой.

Поэтому, при организации словаря необходимы предварительный отбор и замена слов с целью увеличения степени различимости.

Существует два подхода к организации данных словаря: декларативный и процедурный, инвариантных к способу ввода запроса (речевой или клавиатурный).

Известно, что в русском языке число различных словоформ значительно больше числа различных основ. Так, существительные могут иметь 7-10 различных форм, полные прилагательные - 10-12 форм, глаголы настоящего и будущего времени - б форм, глаголы прошедшего времени и краткие прилагательные - 4 формы, и т.д. Если фиксировать объем словаря основ и потребовать, чтобы словарь словоформ включал в себя все формы слов, которые могут

быть образованы на базе словаря основ, то отношение числа словоформ к числу основ слов определяется выражением:

К = М1Р1, где

К - количество флективных классов в русском языке;

М1 - количество попарно различных форм у слов ¡-ого

флективного класса;

Р1 - вероятность появления ¡-ого флективного класса в словаре.

Проведенные нами исследования словарей показывают, что значение К приблизительно равняется 8. Однако в речевой практике не все формы слов используются в равной степени. Это приводит к тому, что при фиксированном тексте достаточно большого объема, объем словаря словоформ оказывается примерно в два раза больше объема словаря основ.

Время работы алгоритмов отождествления слов зависит от типа ЭВМ, которая используется для обработки информации, и от конкретной программной реализации этих алгоритмов. Имеет значение и объем словаря. Однако, при прочих равных условиях, программа, основанная на процедурном подходе, работает в несколько раз медленнее, чем программа отождествления слов с помощью словаря словоформ. Это обусловлено большей сложностью алгоритмов морфологического анализа и необходимостью многократного поиска по словарю при выделении основы из состава изменяемого слова. Однако, процедурный подход дает значительно более высокую точность распознавания.

С учетом стремительного повышения быстродействия современных ЭВМ и отмеченных выше недостатков декларативного подхода, при разработке словаря за основу был выбран процедурный подход.

Словарь состоит из собственно данных и индекса. Данные содержат набор используемых словоформ и номера соответствующих им наборов изменения окончаний. Индекс служит для ускорения процесса поиска основы слова в словаре.

Каждый элемент данных словаря представляет собой запись, состоящую из полей:

• основа слова;

• грамматическая информация.

Размер поля основы слова может колебаться в зависимости от ее длины (количества составляющих ее знаков) от 0 до 22 байт; размер поля грамматической информации фиксирован. Записи в словаре располагаются последовательно, одна за другой.

Известно, что упорядочение данных положительно влияет на скорость их обработки при поиске, поэтому для данных словаря предусмотрена трехуровневая структура упорядочения:

• по буквам алфавита;

• внутри букв алфавита - по длине основы (размеру);

• внутри каждого размера - по алфавиту.

Под алфавитом здесь и далее понимается кодировка ASCII - American Standart Code for Information Interchange (альтернативный вариант). Такая организация позволяет:

• ограничить область поиска основы в пределах основ, начинающихся с одной буквы и имеющих одинаковый размер;

• существенно уменьшить время поиска внутри выбранной области, благодаря тому, что при переходе к следующей основе, ее адрес находится путем увеличения адреса текущей основы на сумму ее длины и длины поля типа словоизменения.

Словарь делится на страницы одинакового размера. Положение любой основы в словаре можно определить номером страницы, в которой она находится, и смещением относительно начала этой страницы. На основе этой адресации построен индекс словаря.

Индекс словаря представляет собой двумерный массив размерностью 1=МхА, где

I - индекс словаря;

М - максимальная длина основы слова;

А - 26 латинских букв + 33 русских буквы.

При выборе максимальной длины основы слова были проведены статистические исследования, которые состояли в обработке, специально для этого созданной, программой, текстовых файлов общим объемом 90 MByte для получения картины распределения частоты словоформ по длинам.

Полученные данные наглядно отражают распределение частоты встречаемости словоформ по длинам и позволяют на их основе принять максимальную длину основы равной 22 символам.

Строки массива индекса словаря соответствуют первой букве основы, а столбцы - ее длине. На пересечениях строк и столбцов находятся элементы индекса, имеющие структуру:

• номер блока;

• смещение в блоке.

Элемент индекса указывает на первую основу в словаре, начинающуюся с данной буквы и имеющую данный размер.

Благодаря тому, что индекс содержит в себе первую букву основы, исчезает необходимость хранить ее в данных словаря.

Таким образом, размер хранимой основы слова уменьшается на единицу длины, что позволяет достичь экономии памяти.

Описанная организация словаря позволяет ускорить процесс поиска основы слова за счет индексирования, а также предоставляет возможности для гибкого и экономного управления оперативной памятью, занимаемой словарем.

Данные словаря загружаются в оперативную память постранично. Для доступа к страницам и управлению ими программой выделяется участок памяти, содержащий для каждой загруженной в память страницы ее номер, количество обращений к странице и указатель на начало страницы.

Номер страницы является порядковым номером страницы в файле данных словаря и является уникальным ключом для идентификации страницы. Указатель на начало страницы указывает на первый байт загруженной страницы и служит для доступа к странице. Счетчик числа обращений к странице содержит число поисков в странице, начиная с момента ее размещения в оперативной памяти и служит для управлением числом загруженных в память страниц и обмена страницами между оперативной памятью и диском (файлом данных словаря).

При поиске слова по индексу словаря определяются номера страниц для поиска в них основы слова. Поиск по страницам осуществляется последовательно, до идентификации слова или выполнения условия окончания поиска (текущая позиция в словаре является позицией начала размещения основ, начинающихся с другой буквы или имеющих другую длину).

Если страницы с нужным номером нет среди загруженных в память, то среди их числа выбирается страница, число обращений к которой было наименьшим, и на ее место загружается нужная. Таким образом, наиболее активно и часто используемые при поиске страницы находятся постоянно загруженными в памяти, что повышает быстродействие алгоритма за счет уменьшения частоты обращения к внешней памяти (диску).

Данная организация работы со словарем позволяет эффективно использовать оперативную память и предоставляет возможность для оперативного управления в процессе работы программы. Например, при необходимости увеличения объема свободной оперативной памяти количество страниц, одновременно загруженных в память, может быть уменьшено (вплоть до одной), и наоборот - при наличии памяти достаточного объема - увеличено.

Поиск основы слова в словаре осуществляется следующим образом. На вход процедуры поиска подается основа слова. По первой букве и длине основы с помощью индекса словаря определяется точка входа в словарь (место, начиная с которого осуществляется поиск) и точка выхода из словаря (место, где следует закончить поиск, если основа не была еще найдена). Точка входа кодируется номером страницы словаря и смещением в этой странице, и указывает на первое слово в словаре, начинающееся с данной буквы и имеющее данный размер. Точка выхода определяет границу поиска и указывает на первую основу, начинающуюся с другой буквы или имеющую другой размер.

Поиск основы осуществляется последовательным перебором основ словаря до нахождения аналогичной основы или до точки выхода. Если находится аналогичная основа, то из служебных полей словаря извлекается соответствующая ей грамматическая информация. В противном случае слово считается неизвестным и МОС предложит подобрать синоним.

В соответствии с концептуальной моделью процесса обучения, обучаемый имеет возможность обратиться к МОС за информацией справочного характера (не только к сформированным ОК). Такая информация может храниться в виде текстов на естественном языке.

Однако, при общении с такой системой пользователь не всегда может сформулировать свой запрос в терминах выделенных ключевых слов, либо по причине недостаточного отражения предметной области через ключевые слова, либо по причине различной трактовки терминов предметной области разработчиком и пользователем.

Для решения этой проблемы представляется целесообразным организовать в информационной системе контекстный поиск - поиск по любым словам или упорядоченным наборам слов (словосочетаниям), встречающимся в тексте документов.

Обработку запроса на естественном языке можно разделить на два этапа: анализа и синтеза.

Цель анализа - перевод предложений с естественного языка на машин-1ый. Этот этап предполагает проведение морфологического и синтаксического шализа.

На этапе морфологического анализа (МА) обрабатываются все словоформы (отрезок текста между двумя соседними пробелами) без их связи с контекстом и соседними словоформами.

В диссертационной работе предложен следующий алгоритм проведения

VIA:

• выделение всех возможных основ (включая и саму словоформу как основу);

• поиск основы в словаре Основ;

• выборка морфологической информации по основе.

На этапе выделения возможных основ для каждого слова отсекаются все межные окончания, в том числе и нулевое. Каждая, из полученных таким об->азом основ, проверяется на наличие в словаре Основ. Из словаря Основ выби-1ается тип словоизменения, соответствующий найденной основе, производится ычислейие морфологической информации, которая используется на этапе семитического анализа.

При синтаксическом анализе (СИА) стоит следующая задача - используя юрфологическую информацию по словоформам, полученную на этапе 4А, построить синтаксическую структуру входного предложения (т.е. осуществить его разбор). Синтаксическая структура предложения отражает син-аксические связи, существующие между словами в предложении.

В диссертации предложено описывать структуру предложения с помо-ц>ю дерева зависимостей.

Пусть х - непустая цепочка, X - множество всех точек х¡. Произвольное инарнсе отношение —> на X, при котором граф "I X, —> ^ является деревом,

азывается отношением зависимости (подчинения). Если (X —» (3, ТО ОС -

правляющая точка (хозяин), а Р* подчиненная точка (слуга).

В классе деревьев выделяют подкласс проективных деревьев. Дерево зависимостей "I X, -»1" для цепочки х (а также соответствующее дерево

подчинения) называется проективным, если для любых трех точек (X, (3, у

цепочки х из того, что (X —> Р И у лежит между (X И [3, следует, что у

зависит от ОС. Графически проективность означает возможность провести дуги дерева так, чтобы:

• никакие две из них не пересекались;

• корень дерева не лежал ни под одной из дуг.

СИА осуществляется в два этапа:

I этап: устанавливаются связи между словами внутри небольших фрагментов предложений, границами которых, как правило, являются глаголы, знаки нрепинания и союзы (исключая знаки препинания и союзы, стоящие между прилагательными, определяющими одно и то же существительное).

II этап: устанавливаются связи между упомянутыми выше фрагментами и ищутся хозяева для тех слов, для которых они не были найдены на первом этапе.

Завершают этап анализа семантическая интерпретация и проблемный анализ.

Цель семантической интерпретации - формирование фрагментов на машинном языке, соответствующих описаниям проблемных ситуаций. Затем, при проблемном анализе, полученное на предыдущем этапе множество фрагментов, структурируется с помощью правил описания ситуаций в проблемной среде. На этом этапе проверяется проблемная корректность входного текста на естественном языке.

Задача синтеза заключается в переводе текста на машинном языке в текст на естественном. Разработанный в диссертации алгоритм синтеза предполагает выполнение следующих действий:

• определить информацию, сообщаемую пользователю;

• определить уровень общности синтезируемой информации;

• выделить обязательную и необязательную информацию, выражаемую в синтезируемых фразах;

• разбить машинный текст на фрагменты, соответствующие будущим фразам;

• определить лексемы для синтезируемой фразы;

• построить синтаксическую структуру фразы;

• приписать морфологическую информацию вершинам синтаксической структуры фразы;

• определить порядок слов;

• осуществить морфологический синтез словоформ.

Задача морфологического синтеза - построение конкретных словоформ естественного языка по словарю и заданной морфологической информации. Так же как и в случае морфологического анализа, морфологический синтез реализуется декларативным и процедурным способами.

Морфологический синтез завершает процесс синтезирования, после чего сообщение на естественном языке выдается пользователю.

В главе 4 рассматриваются вопросы математического обеспечения фупк-. ционирования МОС.

При проектировании МОС необходима разработка математических моделей, адекватно отражающих функционирование системы вообще и в среде ЛВС в частности.

Конкретная обучающая программа (ОП), как правило, содержит основную последовательность фрагментов учебного материала, соответствующую высокому уровню подготовки и фрагменты дополнительного материала, устраняющие "пробелы"знания.

Таким образом, количество информации, содержащееся в ОП, может быть представлено суммой:

где - суммарное количество информации в обучающей программе;

I; - фрагмент материала основного маршрута, расположенная в ¡-м узле;

П]..пп - количество дополнительных фрагментов материала при узлах основного маршрута;

1,1 - к-й дополнительный фрагмент материала при ¡-м узле основного маршрута.

Количество информации которое использует за время обучения _|'-й обучаемый, можно выразить следующим образом:

где Joj - количество информации, используемое за время обучения j-M учащимся;

Joch - количество информации в узлах основного маршрута;

.Г.доп - количество информации в дополнительных узлах при i-м узле основного маршрута;

п - количество узлов основного маршрута;

Км - коэффициент использования j-м учащимся дополнительной информации i-ro узла.

Величины Joch, Jflon, п - являются характеристиками ОП, а двоичный вектор Kj= {Kj i, Kj_2,..., Kj,n} характеризует j-го учащегося. При этом минимальное "потребление" учебной информации соответствует Kj={0,0,...,0}, а максимальное - Kj={ 1,1,...,!}.

(2)

(3)

Так как обучающие программы ориентированы все же на некоторый ур вень начальной подготовки, то можно считать, что величина п, для любого 11 ходится в пределах [0;3]. Кроме того, можно считать, что "пробелы" в нача: ной подготовке фрагментарны и поэтому объем дополнительной информацш худшем случае не превышает 50% от основной (в противном случае группоЕ обучение практически невозможно).

Всякая ОП должная строиться с учетом фактора времени, обучен должно быть завершено за определенное время. Если это время определяет для низшего начального уровня, то, с учетом ограничений, можно определи объем учебной информации для главной ветви графа обучения: У-Т

доп

(4)

где 1осн~ количество информации в узлах основного маршрута; V - средняя скорость усвоения информации; Т - время занятия;

Кдоп - коэффициент использования дополнительной информации,

*доп

^ДОП

Скорость усвоения информации сильно зависит от ее вида. Ранее бы выделены два основных вида учебной информации - аудиовизуальная и ср вольная. В этом случае:

I I I • V + У -I

X_ ау , с _ яу с ау хс

~ V , V V -V

(5)

У =

¡ОСИ (1,у-Ис)-У.,-Ус

I, 1 + -

■V -V

(6)

1 + -

У =

V,.

V Ч

___

и *

где V - скорость усвоения обучающей информации; Т - время занятия;

I - количество аудиовизуальной информации в курсе; I с - количество символьной информации в курсе; I - полное количество информации в курсе, 1-1с+1ау; Уа., - скорость усвоения аудиовизуальной информации; V,. - скорость усвоения символьной информации;

Kv - соотношение скоростей усвоения информации разных видов,

Kv Vav/V с,

Кс - коэффициент насыщения курса символьной информацией, Кс=1с/1.

При выводе выражения для V использовалось время Т и трактовалось как полное время занятия. Для моделирования примем, что время занятия Тз складывается из времени "предъявления" информации Тпр и времени ее осмысления Тос (сюда входит время ответа на вопросы, выбор вариантов дальнейшего обучения и т.п.).

Пусть Ку - коэффициент усвояемости, такой, что Тос = Ку-Тпр.

Тогда Т-=Тпр( 1 +Ку), и ли Т,"

~ 1 + Ку ' (8)

С учетом (7) и (8), выражение для определения количества информации главной ветви графа обучения 10сн можно привести к виду:

V-T V -Т

"Р _ ау '3

(9)

°С" " Клоп +1 ~ (Ку • Кс 4- 1)(КД0П + 1)(ку +1)'

При количестве дополнительных фрагментов в узле, равном Ь, суммарное количество информации в обучающей программе II равно:

(10)

(ку-кс + 1)(кдоп + 1)(ку + 1)

Таким образом, получена модель обучающей программы, учитывающая конечность времени обучения (Т3), психофизиологические характеристики учащегося (Уау и Ку), различие в уровнях подготовки учащихся (Кд0п), насыщенность ОП элементами мультимедиа (Ку, Кс), а также разнообразие вариантов представления материала (Ь).

В процессе обучения учащегося можно представить в виде некоторого генератора запросов, который через интервалы т; запрашивает фрагменты учебного материала.

Среднее значение интервала времени т между получением фрагмента и запросом следующего фрагмента может быть представлено в виде:

А*.»(1 + КеКу)(1 + Ку) т =-V-> ОП

где

т - среднее значение интервала времени между получением фрагмента и запросом следующего фрагмента;

Уау - скорость усвоения аудиовизуальной информации; Д.1ау - среднее количество аудиовизуальной информации в одном фрагменте;

Ку - среднее значение соотношения скоростей усвоения

информации разных видов;

Кс - среднее значение соотношения объемов информации разных видов в одном фрагменте;

К> - среднее значение коэффициента усвоения материала одного фрагмента.

Интервал времени от запроса фрагмента до его получения т0бСл, в случае, если заявки начинают удовлетворяться сразу по поступлении, равен: _ А1

оосг1 , (12)

где т0бсл - интервал времени от запроса фрагмента до его получения;

Д1 - количество информации в фрагменте,

\У - пропускная способность канала связи.

На время, равное т0бСЛ, сервер занят обслуживанием лишь одной рабочей станции (РС), так как требование поддержки работы в реальном времени при наличии в фрагменте аудиовизуальной информации не позволяет серверу обслуживать несколько РС, мультиплексируя канал и разбивая фрагменты учебного материала на фрагменты. В противном случае при большом числе РС невозможно поддерживать целостность восприятия аудиовизуальной информации.

На величину т^л должно быть наложено ограничение сверху. Это вызвано следующими соображениями. Ожидание появления информации на экране монитора не может превышать определенного значения, которое определяется психофизическими характеристиками человека, то есть не должно возникать состояние психологического дискомфорта. Предельная величина ожидания т„р ож, определенная в результате экспериментов, лежит в пределах 0,5-2с.

Тот факт, что время обслуживания в реальных системах во много раз меньше времени восприятия учащимися фрагмента учебного материала, позволяет считать случайный поток запросов, поступивших с одной РС, малоинтенсивным. В то же время, известно, что при суммировании большого числа малоинтенсивных случайных потоков результирующий случайный поток при весьма широких условиях будет близок к потоку Пуассона. Таким образом, поскольку число рабочих станций в локальной сети АОС достаточно велико, суммарный

поток запросов в АОС близок к пуассоновскому с интенсивностью

(и)

В рамках поставленной задачи представляется допустимым считать интенсивности А; одинаковыми, В этом случае:

М-Уау-К„

д^,(1+кс-ку)' (14)

где

Кр=1+К>.

Таким образом, вероятность Р(т<г05сл.ма1(с.) того, что величина интервала между двумя запросами т меньше максимального времени Тобсл.»««.. затрачиваемого на обслуживание одной заявки, может служить критерием качества АОС (чем меньше Р(т<т0бСл.мак.)>тем лучше система и наоборот).

Величина Р(т<тобс.1М.,кс) равна:

^ оссл *ч-с

Р(х<тобсл_> = (15)

Качественная работа системы предполагает ограничение времени ожидания приемлемой величиной т1фОЖ.. Это время будет превышено, если заявка на обслуживание поступит во время обслуживания предыдущей, то есть за интервал времени тобслмакс поступит не менее двух заявок на обслуживание.

Применение дисциплин обслуживания, более рационально использующих объединенные аппаратные и информационные ресурсы системы ведет к уменьшению интенсивности потока запросов ^м к центральному серверу (часть запросов удовлетворяется рабочими станциями сети или упреждаются центральным сервером). Другими словами, происходит прореживание исходного пуассоновского потока. При случайном прореживании пуассоновского потока с интенсивностью X, когда с вероятностью а наступившее событие остается в потоке, а с вероятностью (1 -а) - отбрасывается (в нашем случае переадресуется к распределенной базе данных (РБД) или предупреждается), получается пуассо-новский поток с интенсивностью а-^.

Таким образом, определение эффективности той или иной дисциплины обслуживания сводится в данном случае к определению величины ос для каждой из них аА|,аА2,...,адх. Если величина ад: известна, то производительность системы при использовании той или иной дисциплины оценивается величиной вероятности РА,(т<то5с.., макс):

Рл,(Т < Тобсллгакс.) - 1 -е~аА,'~мТ°5с""" . (16)

Величина аА| может изменяться от 1 (централизованная дисциплина) до 1/М (число источников равно числу потребителей).

При использовании распределенной базы данных можно выделить два ее основных компонента: БД центрального сервера (ЦБД) и распределенная база данных (РБД), находящаяся на М рабочих станций и состоящая из копий информации ЦБД. РБД может формироваться по различным алгоритмам, но все они направлены на более эффективное использование ресурсов рабочих станций (в первую очередь - запоминающих устройств) и каналов связи.

По изменяемости РБД во времени их можно разделить на статические (СРБД) и динамические (ДРБД).

Вариантом СРБД можно считать квазистатическую РБД (КСРБД), то есть такую РБД, изменение которой во времени происходит за время, значительно большее времени одного занятия. Достоинством КСРБД является возможность

изменения хранящихся в ней данных в зависимости от частоты обращения к тем или иным ОК, от частоты использования учащимися тех или иных маршрутов обучения. При этом в РБД будут находиться копии наиболее часто используемых ОК и их фрагментов.

Представляется целесообразным, особенно при значительных резервах ЗУ РС, осуществление комбинации статической (квазистатической) и динамической схем построения РБД.

При этом часть ЗУ выделяется под создание статической (квазистатической) РБД, а часть - под формирование ДРБД.

Такое построение РБД позволяет сделать обучающие системы универсальными и эффективными в более широком спектре применений, поскольку такие системы смогут поддерживать как групповое, так и индивидуальное обучение с достаточной степенью эффективности.

Запрос, возникший в момент времени I либо удовлетворяется РБД за время тп, либо переадресуется к серверу.

Интенсивность суммарного потока запросов к центральному серверу Хц равна:

Таким образом, суммарный поток в общем случае нельзя считать стационарным, в то же время, учет того, что ос$) - медленно изменяющаяся функция, позволяет считать поток А.ц(0 стационарным в пределах относительно больших интервалов изменения ¡.

В общем случае вероятность удовлетворения запроса за счет РБД равна:

где

N,(0 - количество фрагментов учебного материала, которые могут быть запрошены учащимся под номером] на ¡-м шаге, размещенные в РБД; 1ч'бд(>) - количество таких фрагментов, расположенных в БД. При использовании СРБД и при условии, что на каждом шаге запрос любого фрагмента равновероятен, то

(17)

N¡(0

(18)

;тицтV п тткп\-

(19)

Кдубл- коэффициент дублирования, Кдубл^/Ывд. Отсюда

При использовании КСРБД с размещением в ней фрагментов наиболее часто запрашиваемых маршрутов, считая с^0)=а=соп51, можно записать:

1-сх = со, (21)

где со - относительная частота использования размещенного в РБД маршрута ОК, со=п/п£;

п - количество обращений к данному маршруту; - общее число обращений к ОК.

Соответственно, а = 1-а.

Очевидно, что для размещения в РБД выбирается наиболее используемый маршрут. Такой основой является главный маршрут графа ОК. Как правило, использование других фрагментов учебного материала значительно менее вероятно. В то же время, как показали исследования, общее количество информации на главном маршруте в несколько (3-5) раз меньше общего количества информации в ОК, при этом величина со составляет 0,7-0,8. В результате, размещая в КСРБД относительно небольшое количество наиболее вероятно запрашиваемой информации, можно уменьшить интенсивность потока запросов к центральному серверу в 3-5 раз.

Как правило, на центральном сервере устанавливается несколько ОК. И в этом случае КСРБД позволяет использовать тот же принцип. Если в РБД не умещаются все ОК, то в ней размещают наиболее употребительные ОК.

При рассмотрении динамики группового обучения целесообразно выделить три характерных временных отрезка:

• время переходного процесса при начале работы (1Н);

• время установившегося режима (1у);

• время процесса окончания (1о).

Тогда время занятия Тз равно: Тз = 1н+{у+ 1о-

Начальный переходной процесс вызван тем, что при одновременном начале работы всех РС возникает М запросов одного и того же (первого в упорядоченном графе учебного курса) фрагмента учебного материала, что приводит к возникновению очереди запросов. Время, за которое происходит ликвидация очереди (уменьшение интенсивности потока запросов до уровня, соответствующего стационарному процессу) и есть 1н. Следует отметить, что при некоторых параметрах системы и используемых дисциплинах время переходного процесса 1н может оказаться больше времени занятия Тз (например, в случае, когда количество запросов в очереди со временем не убывает) или быть равным нулю (например, в случае предварительной загрузки группы фрагментов учебного материала, соответствующих началу обучения, во все РС.)

Характерным отличием установившегося режима от переходных процессов в начале и конце занятия является то, что лишь для установившегося режима интенсивность потока заявок X не зависит от времени, а в переходных режимах Я. является функцией времени: X =

т =-г-(24)

При централизованной дисциплине обслуживание ведется центральны! сервером последовательно (по очереди передавая на РС один и тот же фра! мент), при этом время передачи фрагмента Тн составит:

(22)

Ясно, что общее время обслуживания всех заявок Т] равно: Л.Г.

Т,=М —. (23)

Ранее было установлено среднее время освоения одного фрагмента учеб ного материала т:

Д1,у(1 + Кс-Ку)

Если положить, что все участники процесса усваивают один фрагмен учебного материала за одинаковое время т, то условие ликвидации очереди з один цикл обслуживания можно представить в следующем виде:

т> М + 1)—

—. (25)

Выражение получено с использованием среднестатистических характери стик фрагмента учебного материала. Однако здесь речь идет об особом и един ственном фрагменте, поэтому представляет интерес определить ^ для произ вольного первого фрагмента.

В этом случае величина фрагмента может быть представлена в виде:

АД, = Д.1С + Д1У. ' (26)

Время освоения информации: А1С

С V

Время передачи этого фрагмента на одну РС: Д1,

■ 1

н1

(28)

для того чтооы ликвидировать очередь за один цикл оослуживания, не обходимо, чтобы:

. Д1, А;,

+ (29)

_2_

W ' W '

где Д^ - объем второго фрагмента.

Или V

у W W

(30)

Если А1у=0, то Д1|=АЛс и условие изменяется следующим образом:

Д1С ДГС Д1,

—- > М—- +—-V w w

(31)

Так как Ус«Уу, то в этом случае условие (30) может быть выполнено при менее скоростных каналах связи или при большем числе РС в системе.

Однако ликвидация очереди при реальных значениях Ми1^, при значительном количестве мультимедийной информации, в случае реализации централизованной дисциплины за один цикл обслуживания практически невозможна. Определим время 1н для централизованной дисциплины обслуживания, которое достаточно полно отражает время цикла обслуживания (интервал времени, в течение которого последовательно удовлетворяются запросы М РС):

(32)

Тц"м\у

Тогда время ^ можно приблизительно определить как

(33)

При этом каждый обучаемый получит ¡н фрагментов учебного материала, на усвоение которых уйдет время Лу(1 + Кс-Ку)

*•!! ' *Н — 'н

У,„К„

(34)

Очевидно, что для ликвидации очереди запросов время ^ должно удовлетворять условию:

. Д1У -(1 + К -Ку)

1м -'--■

Отсюда:

■ ¡.•м^.м-^

\У

М-А1

\У

(1ч-Кс-Ку)\У М-У -К

-1

(35)

(36)

Введем показатель динамики очереди 8, равный

(, . УГ УГ \ ,У.

уу

м-уау-кр '

Если 0 < 1, то ликвидация очереди невозможна (она либо остается прежней, либо увеличивается). При 9 > 1 очередь уменьшается с течением времени, а при 6=2 переходной процесс заканчивается за один цикл обслуживания.

Число тактов, необходимых для обслуживания М участников, составит:

I = 1о£г(М+1).

Установившийся процесс группового обучения имеет характерную особенность, заключающуюся в том, что по истечении некоторого времени обучаемые в силу различных причин (разный уровень подготовки, психофизическое состояние, задержки в системе и т.д.) выстраиваются в некоторую относительно стабильную последовательность. То есть, выделяется лидер, дальше других продвинувшийся по основному маршруту, учащийся, следующий за лидером и так далее до последнего учащегося - аутсайдера.

Лидер практически не использует дополнительный материал. Каждый следующий использует несколько большее количество дополнительного материала, чем предыдущий, чем и обуславливается отставание. Таким образом, большую часть информации каждый учащийся (кроме лидера) может получить от предыдущего учащегося.

Полагая, что количество дополнительной информации определено коэффициентом Кдоп, причем К^=]-Кдоп/М, то для второго участника вероятность обращения к центральному серверу составит К2=2-Кдоп/М=а2, для третьего -а3=3 -Кдоп/М и так далее до ам=Кд0п-

Суммарная интенсивность потока запросов к центральному серверу X, если вся дополнительная информация идет от него, равна:

(м л <38>

Х~Х, +Я.,КД0П^ + \у

Если же принять, что вероятность обращения (М)-го участника к серверу равна Кдоп/М. то

/ \ (39) X иХд1 + КД0П].

Таким образом, ДРБД при групповом обучении позволяет снизить интенсивность потока запросов по сравнению с централизованным обслуживанием в

л /т -А л ш Мл-1___1У1

^Р)%(1 + КД0П)>КД0П)^ <40>

Величина а для этой дисциплины обслуживания:

1 + Кдоп

В наихудшем случае вероятность обращения к центральному серверу ка-кдого из учащихся кроме лидера равна КДОп- Для этого предельного случая Х=к I [ 1 +(М-1 )Кд0п] ■ (42)

Величина а при этом принимает максимальное значение а.мдх:

1 + КД0П-М

амлх =-^-(43)

Использование комбинированной РБД, включающей КСРБД и ДРБД по-(воляет снизить интенсивность потока запросов к ЦС при групповом обучении в случае равенства количества групп, а, значит и используемых учебных кур-;ов, единице), не достигнув, однако, эффективности, свойственной применение только ДРБД без КСРБД. При нескольких группах, обучающихся одно-(ременно по разным ОК (или при индивидуальном обучении) комбинировавши тип РБД представляется также перспективным, хотя и не достигающим >ффективности применения только КСРБД. В последнем случае (комбиниро-:анная РБД при нескольких группах) интенсивность потока будет равна: X » МрХ,, (44)

где Мг - количество учебных групп. Предположим, что КДОп одинаков для всех ОК. Тогда Х=МГЯ.,(1+М- Кдоп). (45)

Наличие КСРБД "прореживает" поток запросов, и к ЦС поступает поток с [нтенсивностью:

^=Мг>ч(1+М-КдопНЬсо), (46)

при этом

Мг(1 + М-Кдоп)(1-ш) « =-м-• И7)

Используя предлагаемый подход, можно приближенно определить вели-ины а для других дисциплин обслуживания заявок в процессе функциониро-ания обучающих систем.

Важным этапом при проектировании программной системы является раз-аботка методов представления данных и алгоритмов их обработки. Проведен-ые нами исследования показали, что предметная область мультимедийного •К может быть представлена в виде сети фреймов.

Было, также, установлено, что для больших, многопользовательских ОК елесообразно осуществить реализацию сети фреймов с использованием эедств системы управления базами данных. Создание централизованной БД пя небольших по размерам курсов - дорогостоящий подход.

Во всех остальных случаях целесообразно реализовать сеть фреймов с гпользованием универсальных языков программирования. Применение таких груктур для хранения образа сети фреймов дает возможность разработать эф-

фективные алгоритмы поиска и навигации по сети. Непосредственно учеб ные материалы представляется целесообразным хранить отдельно от образа се ти фреймов в виде файлов операционной системы.

В диссертационной работе было проведено моделирование языкового взаимодействия. В общем виде схема языкового общения содержит следующие компоненты:

• дискурс (Д) - коммуникативная ситуация, состоящая из восприятие окружающей действительности партнерами общения (коммуникантами) и создающимся, в процессе общения, текстом;

• речевой акт (РА) - дискретный такт (квант) дискурса;

• фрагмент действительности (ФД) - внешняя по отношению к Д ситуация, являющаяся содержательным предметом (темой общения);

• коммуникативная среда (КС) - совокупность условий, обстоятельств и отношений, составляющих предметное окружение коммуникантов в процессе языкового взаимодействия.

В разработанной модели РА выступает в качестве основной структурной единицы языковой коммуникации. РА выполняет целый ряд функций в дискурсе и/или в составе другого РА, имеет систему пресуппозиций. РА - это действие, которое не должно осуществляться с тем фрагментом текста, который представляет его языковое оформление в дискурсе.

Модель языкового взаимодействия (ЯВ) целесообразно описывать некоторой системой, моделирующими среду общения, языковую и коммуникативную компетенцию участников ЯВ. Очевидно, что в общем случае, модель языкового взаимодействия состоит из модели среды и двух моделей, представляющих участников диалога. Будем считать, что участники диалога равноправны.

Проведенные нами исследования показали, что модель среды (предметной области) может быть представлена в виде семантической сети фреймов, а участников диалога целесообразно описывать с помощью теории автоматов.

Пусть каждый партнер диалога описывается автоматом II. Каждый автомат Я= "¡0, V, и, g}, т.е. формально определяется набором четырех компонентов, состоящим из:

• множества состояний <3, отражающего совокупность информации участника ЯВ о себе, партнере, среде взаимодействия и ее состоянии;

• алфавита РА V, который может обрабатывать (воспринимать) данный Я;

• функции и: ОхУ -» 0, характеризующей способность Я к восприятию РА, т.е. автомат II, находясь в состоянии ц, е 0 и восприняв РАк еУ, переходит в состояние ^ = и(ч,у);

• функции g: ОхУ! (V! - множество всех подмножеств множества V), характеризующей способность Я к порождению РА и задающей для

каждого состояния q, е Q множество G (q) с V, порождение каждого из которых ролевантно для R при данном qj. В диссертации была разработана функциональная модель и модель данных СУДМОС. Разработанная СУДМОС является информационной системой, в силу чего проектирование представляется целесообразным провести на базе моделирования ее функционирования средствами Диаграмм потоков Данных (ДПД), наиболее часто и эффективно применяющихся при решении задач в методологиях структурного анализа. Для изображения ДПД используется нотация Гейна-Сарсона (Gane-Sarson).

В главе 5 рассматриваются методы и средства программного обеспечения МОС. На основании проведенных в предыдущих главах исследований были разработаны следующие принципы реализации и функционирования комплекса программных средств МОС:

1. Интерактивность, интегрированность и гибкость, т.е.:

• работа пользователя (обучаемого) - в режиме манипулирования данными, а не программирования;

• пользователь должен "видеть" (экран, принтер) и "действовать" (клавиатура, "мышь");

• пользователь не должен "знать" и "помнить" (т.е. обучаемому не обязательно знать структуру и логику работы системы, а достаточно пользоваться "дружественным" интерфейсом);

• сквозная информационная поддержка на всех этапах работы системы;

• возможность адаптивной перестройки формы и способа представления информации;

• сопровождение пользователя по учебному курсу с учетом индивидуальных навыков и умений ("гибкое и дружественное" управление).

2. Ориентация на технические и программные средства, доступные для использования в компьютерах, имеющихся в наличии в современных учебных заведениях.

3. Обеспечение максимально возможной адаптируемости к различным типам технических средств. Так, если обучающая система была ориентирована для использования с 16-битной стереозвуковой аудиоплатой Advanced Gravis Ultrasound, то она должна работать и на 8-битных платах других фирм-производителей, очевидно, что с потерей качества.

4. Экономное использование дисковой и оперативной памяти.

5. Время реакции системы на действия пользователя должно быть минимальным.

6. Поддержка принципа повторной используемости данных.

7. Обеспечение интерфейса с внешними программными системами, поддерживающими технологию OLE.

8. Переносимость программных кодов.

В диссертационной работе проведен анализ программно-аппаратных и инструментальных средств. На его основе в качестве платформы реализации выбрана сеть под управлением Windows ÑT с IBM PC - совместимыми рабочими станциями под управлением ОС семейства Windows. В качестве инструментальных средств отмечена целесообразность использования системы Delphi фирмы Borland и языка С++.

Кроме того, проведен анализ средств межпроцессной коммуникации и на его основе выбран интерфейс Windows Sockets API, как обеспечивающий наиболее широкие возможности использования разнообразных транспортных протоколов и позволяющий добиться возможности приспособления разрабатываемой системы к функционированию в среде Internet/Intranet, а также в гетерогенных сетях, включающих серверы Novell NetWare.

В диссертации разработан метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами. Установлено, что при проектировании программного комплекса представляется целесообразным использование объектно - ориентированной библиотеки фирмы Borland, обеспечивающей работу с объектами OLE - BOCOLE и объектно - ориентированной библиотеки классов OCF. Это позволяет изолировать логику работы МОС от особенностей технологии OLE, существенно снизить сложность ее программного кода и повысить надежность функционирования программного комплекса.

В глава 6 рассмотрены вопросы практической реализация полученных результатов. При реализации МОС было учтено, что имеются три основные категории пользователей системы:

• авторы учебных курсов;

• преподаватели;

• обучаемые.

Каждой из этих категорий следует предоставить набор инструментальных средств, выполняющих необходимый, для их работы, набор функций. При проектировании программных компонентов, входящих в состав МОС-, с учетом принципов, изложенных в главе 5, были разработаны следующие требования к интерфейсу, позволяющие сделать общение с системой интуитивно понятным:

1. Стиль общения с программой должен быть максимально приближен к стандарту Common User Access (CUA), предложенному фирмой IBM и используемому в таких ОС, как WINDOWS и OS/2.

2. Широкое использование стандартных элементов (меню, списки, кнопки, панель инструментов), облегчающих выполнение действий пользователя.

3. Использование для работы с программной системой как клавиатуры, так и манипулятора "мышь".

4. Динамический вывод, в нижнюю часть экрана, информации о назначении выбранного пользователем пункта меню, пиктограммы или кнопки.

5. Предоставление пользователю необходимой справочной информации, включающей описание основных приемов работы с системой.

6. При возникновении ошибочных ситуаций (повреждение файла данных, нехватка машинных ресурсов) предоставление пользователю диагностической информации.

В диссертации разработана методика реализации программных компонент СУДМОС, выбран способ организации буферной памяти Клиента СУД-МОС и служебной БД Монитора СУДМОС.

В этой главе разработан интерфейс прикладного программирования доступа к данным АОС в составе МОС, включающий две группы функций: функции управления буферной памятью и функции запроса фрагментов данных и разработана подсистема эмуляции доступа к данным АОС в составе МОС. Разработанная подсистема позволяет «прозрачно» подключаться к произвольной АОС.

Кроме того, в диссертации разработана программная модель АОС. Исследование СУДМОС на модели АОС на основе ЛВС показали ее эффективность. Проведенные исследования позволили установить, что время ожидания фрагмента данных сокращается (в зависимости от насыщенности учебной информации мультимедиа-фрагментами ) от 3 до 15 раз по сравнению с АОС без СУДМОС. Использование интеллектуального интерфейса и ЭС позволяет организовать «дружественный» интерфейси осуществлять, в процессе обучения, соответствующие педагогические воздействия на обучаемого.

Заключение содержит основные выводы и результаты.

В Приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа тенденций развития систем мультимедиа и автоматизированных обучающих систем обосновано создание мультимедийных обучающих систем, имеющих в своем составе экспертную систему и интеллектуальный интерфейс. Выбран и обоснован подход, заключающийся в реализации мультимедийных обучающих систем на основе локальной сети и предполагающий организацию диалога на естественном языке. Разработана общая структура МОС и принципы проектирования и построения интерактивных обучающих систем.

2. Определены место и роль МОС в учебном процессе. Установлено, что применение МОС в 1,5-2 раза сокращает время обучения и существенно повышает качество усвоения учебного материала по сравнению с традиционной формой обучения.

3. Исходя из общей структуры МОС и принципов проектирования и пс строения интерактивных обучающих систем, разработана общая архитектур МОС.

4. Разработан подход, предусматривающий представление предметно области мультимедийного ОК в виде сети фреймов. Это позволяет объединит ОК в целостную систему, задавая взаимосвязи между его компонентами.

5. Разработана архитектура системы управления данными обучающи мультимедийных систем и предложен метод организации управления данным МОС. Исследования влияния характеристик системы управления данным МОС выявили значительное сокращение времени ожидания фрагмента учебно го материала при групповом обучении, обеспечиваемое динамической распре деленной базой данных (ДРБД), чье содержание интенсивно изменяется в тече ние одного занятия. При индивидуальном обучении наилучшие результаты дае создание квазистатической распределенной базы данных (КСРБД), чье содер жание изменяется медленно, в течение ряда занятий. Разработан метод опти мизации характеристик СУБД МОС, в основе которого лежит создание двух уровневой РБД, включающей ДРБД и КСРБД, позволяющей проводить эффективно как групповое, так и индивидуальное обучение.

6. Разработаны и обоснованы принципы организации диалога с ЭВМ н; естественном языке. Разработаны принципы организации словаря и работы с< словарем. Предложен метод организации данных и контекстного поиска 1 МОС, позволяющий организовать поиск по любым словам или упорядоченныи наборам слов.

7. Разработаны принципы обработки запроса на естественном языке Предложенный механизм позволяет осуществлять быстрый поиск с заданным} логическими условиями и решать проблему адекватности и полноты представления поисковых терминов информационным потребностям пользователя.

8. Разработана модель мультимедийной автоматизированной обучающей системы на основе ЛВС, учитывающая характеристики обучающих программ, характеристики учащихся и учебных групп, а также параметры аппаратной платформы МОС. Исследование СУДМОС на модели мультимедийной автоматизированной обучающей системы на основе ЛВС показали ее эффективность. Так, время ожидания фрагмента сокращается по сравнению с МОС без РБД в несколько раз, в зависимости от насыщенности учебного материала мультимедиа-фрагментами.

9. Разработана модель языкового взаимодействия, представляющая участников диалога как равноправных партнеров.

10. Разработаны принципы реализации сложных программных систем, таких как МОС. Использование разработанных принципов позволяет создавать такие программные комплексы и системы, которые предоставляют возможность не только проводить обучение и тестирование, но и консультировать, контролировать каждый шаг решения задачи, адаптировать действия системы к знаниям и умениям конкретного пользователя.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По основным результатам диссертационной работы опубликовано около 60 печатных работ, среди них:

1. Голубятников И.В. Основные принципы проектирования и применения мультимедийных обучающих систем, М.: «Машиностроение», 1999.-318с.

2. Михайлов Б.М., Голубятников И.В. Принципы построения и особенности функционирования интеллектуальных обучающих экспертных мультимедийных систем. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Москва, 1996, стр. 6-11.

3. Голубятников И.В., Брейман А.Д. Исследование характера информационных процессов в обучающих системах с использованием средств мультимедиа. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Москва, 1996, стр. 52-56.

4. Голубятников И.В., Пауков А.Ю. Анализ особенностей проектирования и создания мультимедийных обучающих систем. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Москва, 1996, стр. 23-27.

5. Михайлов Б.М., Голубятников И.В., Брейман А.Д. Архитектура системы управления данными обучающих систем. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Выпуск 2. Москва, 1998, стр.7-10.

6. Голубятников И.В., Брейман А.Д. Функциональная модель системы управления данными обучающих систем. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ'. Выпуск 2. Москва, 1998, стр. 52-56.

7. Голубятников И.В., Пауков А.Ю. Методика оценки информативности учебного материала при создании обучающих курсов в ИОС «ГИК». Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Выпуск 2. Москва, 1998, стр. 75-79.

8. Голубятников И.В. Принципы обработки запроса на естественном языке в мультимедийных обучающих системах. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Выпуск 3. Москва, 2000, стр. 43-48.

9. Голубятников И.В. Принципы архитектурной организации мультимедийных обучающих систем. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Выпуск 3. Москва, 2000, стр. 4951.

10.Голубятников И.В. Особенности архитектуры и принципы построения экспертных систем в составе мультимедийных обучающих комплексов. Межвузовский сборник научных трудов "Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ". Выпуск 3. Москва, 2000, стр. 51-55.

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Голубятников, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ МУЛЬТИМЕДИА В ОБУЧЕНИИ И РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОБУЧАЮЩИХ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ.Л

1.1. анализ особенностей технологии мультимедиа.

1.1.1. Анализ аппаратного обеспечения технологии мультимедиа.

1.1.2. Анализ программного и математического обеспечения систем мультимедиа.

1.2. Анализ современного состояния технологии баз данных мультимедийных обучающих систем.

1.2.1. Исследование особенностей организации и классификация современных универсальных СУБД.

1.2.2. Требования к СУБД в мультимедийных обучающих системах.

1.3. анализ общих принципов организации систем автоматизированного обучения и управления процессом обучения.

1.4. Разработка принципов проектирования и построения автоматизированных мультимедийных обучающих систем.

1.4.1. Принципы проектирования и построения автоматизированных систем.

1.4.2. Место и роль МОС в учебном процессе.

1.4.3. Разработка принципов построения интерактивных обучающих систем.

1.4.4. Анализ методов хранения у чебной информации ОК.

1.4.5. Анализ особенностей обучающих систем, содержащих мультимедиа-информацию.

1.4.6. У правление учебными действиями и концептуальная модель процесса обучения мультимедийных обучающих системах.

Выводы.

ГЛАВА 2. АРХИТЕКТУРА МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ.

2.1. Принципы проектирования и построения интеллектуалбного интерфейса.

2.2. Структура экспертной системы.

2.3. Архитектура АОС.

2.3.1. Моделирование структуры предметной области.

2.3.2. Структура ОК.

2.3.3. Архитектура мультимедийной АОС.

2.4. Методология проектирования систем управления данными мультимедийных обучающих систем.

2.4.1. Архитектура СУДМОС.

2.4.2. Структура Клиента СУДМОС.

2.4.3. Структура Монитора СУДМОС.

2.4.4. Структура Буферной Памяти Рабочей Станции.

2.4.5. Структура Служебной Базы Данных Монитора СУДМОС.

Выводы.

ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДИАЛОГОВОГО ОБЩЕНИЯ С МОС НА ЕСТЕСТВЕННОМ ЯЗЫКЕ.

3.1. Исследование возможности диалогового общения с МОС на естественном языке и применения методов распознавание речи в обучающих системах.

3.2. Организация словаря в МОС и работа со словарем.

3.3. Органи зация данных и контекс тный поиск в МОС.

3.4. Типы запросов в МОС и их обработка.

3.5. Обработка запроса на естественном языке.

Выводы.

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОС.

4.1. Моделирование процесса обучения.

4.1.1. Исследование процесса обучения.

4.1.2. Модель автоматизированной обучающей системы с элементами мультимедиа на основе ЛВС.

4.1.3. Исследование влияния дисциплин обслуживания запросов на производительность МОС.

4.2. Разработка методов реализации сети фреймов.

4.2.1. Разработка методов реализации сети фреймов с использованием таблиц реляционной СУБД.

4.2.2. Разработка методов реализации сети фреймов с использованием структур данных универсальных языков программирования.

4.3. Моделирование языкового взаимодействия.

4.4. Функциональная модель СУДМОС.

4.5. модель данных СУДМОС.

4.5.1. Модель Буферной Памяти.

4.5.2. Модель очереди запросов Клиента.

4.5.3. Модель очереди запросов Монитора.

4.5.4. Модель очереди запросов Сервера.

4.5.5. Модель таблицы размещения фрагментов.

4.5.6. Модель таблицы состояний участников сети.

4.5. 7. Modelь журнала запросов.

Выводы.

ГЛАВА 5 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОС.

5.1. Анализ возможности использование технологии OLE при разработке программного обеспечения мос

5.2. Основные принципы реализации программной системы.

5.3. Выбор программно-аппаратной платформы.

5.4. Выбор инструментальных средств.

5.5. Выбор средств межпроцессной коммуникации.

5.6. Исследование возможности реализации межпроцессной коммуникации на базе интерфейса WINDOWS sockets API.

5.7. Метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами.

Выводы.

ГЛАВА 6 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

6.1. Принципы функционирования программных модулей МОС.

6.2. Модуль СУДМОС.

6.2.1. Протокол взаимодействия компонент СУДМОС.

6.2.2. Организация буферной памяти Клиента СУДМОС и служебной БД Монитора СУДМОС.'.

6.3. модуль АОС.

6.3.1. Интерфейс прикладного программирования доступа к данным АОС.

6.3.2. Подсистема эмуляции доступа к данным АОС.

6.3.3. Программная модель АОС на основе СУДМОС.

6.4. модуль экспертной системы и интеллектуальный интерфейс.

Выводы.

Введение 2000 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Голубятников, Игорь Владимирович

Анализ передовых, в экономическом отношении стран, показывает, что информатизация образования является одним из ключевых условий, определяющих последующее успешное развитие экономики, науки и культуры. Российская Федерация также встала на этот проверенный жизнью курс. Развитие страны на современном этапе в значительной степени определяется прогрессом в области компьютерных средств и внедрением новых информационных технологий.

Информатизация образования является одним из важнейших направлений информатизации России. Знания и навыки, приобретаемые при обучении будущими специалистами, в дальнейшем, во многом определяют пути развития общества. В вузах и других учебных заведениях сосредоточено большое количество прогрессивных и восприимчивых к новому научно-технических кадров. Это существенно облегчает внедрение новых информационных технологий в учебных заведениях и делает эффективной разработку новых информационных систем для различных государственных и коммерческих структур силами этих кадров.

Целью информатизации образования является радикальное повышение эффективности и качества подготовки специалистов до уровня, достигнутого в развитых странах, т.е. подготовка кадров с новым типом мышления, соответствующим требованиям постиндустриального общества. Достичь поставленной цели можно, лишь, усовершенствовав систему образования на основе широкого внедре5 ния новых информационных технологий, решив для этого следующие задачи:

Современные технологии обучения характеризуются все более интенсивным использованием компьютерной техники. Экспертные оценки показывают высокую зависимость эффективности усвоения и запоминания учебной информации от формы ее представления и способа подачи. Многочисленные исследования подтверждают успех систем обучения с применение компьютеров: внимание во время работы с обучающей интерактивной программой на базе мультимедиа, как правило, удваивается, а приобретенные знания сохраняются в памяти значительно дольше. [1-3]

Одно из направлений компьютерной технологии, интенсивно развивающееся в настоящее время - технология мультимедиа. Применение этой технологии позволяет добиться сочетания в одном программном продукте информации различных видов - текста, ау6 диофрагментов, видеоизображений, графических рисунков и др. Применение технологии при создании обучающих систем позволяет существенно повысить их наглядность а, следовательно, и эффективность.

• обеспечение передачи знаний от МОС к обучаемому;

• контроль знаний;

• предоставление справочной информации по запросу.

• трудность подготовки учебных материалов из-за недостаточной функциональности встроенных редакторов;

• замкнутость систем вследствие использования специфичных форматов хранения учебных материалов;

• отсутствие наглядности при представлении учебных материалов;

• отсутствие квалифицированных консультативных услуг.

Устранение отмеченных недостатков возможно при использовании МОС. Необходимо отметить, что МОС принципиально отличаются от традиционных текстово-графических автоматизирован7 ных обучающих систем, что позволяет выделить МОС в отдельный самостоятельный класс автоматизированных систем.

Реализация стратегической цели - вывод России из кризиса, достижение высоких экономических и социальных результатов, определение роли полноправного партнера в мировой экономической системе, в значительной мере зависят от того, каковы будут масштабы использования новых информационных технологий во всех сферах деятельности, т.е. на сколько эффективно эти технологии будут влиять на повышение производительности общественного труда.

Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка принципов проектирования и построения интерактивных обучающих мультимедийных систем;

• разработка архитектуры МОС;

• исследование возможности распознавания речи в МОС;

• разработка принципов организации диалога в МОС на естественном языке;

• разработка математического и программного обеспечения функционирования МОС.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы аппарата теории множеств, теории вероятностей, теории принятия решений, методы оптимизации, теории автоматов и структурного анализа. При программной реализации предлагаемых 8 методов и алгоритмов, использованы технологии объектного, структурного и модульного программирования.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны, обобщены и сформулированы принципы проектирования и построения интерактивных МОС.

2. На основании проведенных исследований разработана архитектура МОС.

7. Предложен метод организации данных и контекстного поиска в МОС. 9

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

• международной конференции «Информационные средства и технологии», Москва, 24-26 октября 1995г.

• научно-технических семинарах и конференциях кафедр «Системное программное обеспечение ЭВМ», «Автомата

10 зированные системы обработки информации и управления» и «Персональные компьютеры и сети» МГАПИ.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано около 60 печатных работ, в том числе в монографии «Основные принципы проектирования и применения мультимедийных обучающих систем», М.: «Машиностроение», 1999. — 318с.

Заключение диссертация на тему "Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем"

Выводы

1. Проведен анализ возможности использования технологии OLE при разработке комплекса программных средств МОС. Отмечено, что технология OLE предоставляет целый ряд дополнительных

245 возможностей как для конечных пользователей, так и для программистов. Кроме того, используя OLE, можно создавать разные объекты, взаимодействующие друг с другом, не зная при этом, ничего о внутренних механизмах работы друг друга.

2. Разработаны принципы реализации сложных программных систем, таких как МОС. Использование разработанных принципов позволяет создавать такие программные комплексы и системы, которые предоставляют возможность не только проводить обучение и тестирование, но и консультировать, контролировать каждый шаг решения задачи, адаптировать действия системы к знаниям и умениям конкретного пользователя.

3. Проведен анализ программно-аппаратных и инструментальных средств. На его основе в качестве платформы реализации выбрана сеть под управлением Windows NT с IBM PC - совместимыми рабочими станциями под управлением ОС семейства Windows. В качестве инструментальных средств отмечена целесообразность использования системы Delphi фирмы Borland и языка С++.

4. Проведен анализ средств межпроцессной коммуникации и на его основе выбран интерфейс Windows Sockets API, как обеспечивающий наиболее широкие возможности использования разнообразных транспортных протоколов и позволяющий добиться возможности приспособления разрабатываемой системы к функционированию в среде Internet/Intranet, а также в гетерогенных сетях, включающих серверы Novell NetWare.

5. Разработан метод реализации интерфейсов с внешними прикладными программами. Установлено, что при проектировании программного комплекса представляется целесообразным использование объектно - ориентированной библиотеки фирмы Borland, обеспечивающей работу с объектами OLE - BOCOLE и объектно - ориентированной библиотеки классов OCF. Это позволяет изо

246 лировать логику работы МОС от особенностей технологии OLE существенно снизить сложность ее программного кода и повысить надежность функционирования программного комплекса.

247

Глава 6 Практическая реализация полученных результатов

6.1. Принципы функционирования программных модулей мое.

При реализации МОС было учтено, что имеются три основные категории пользователей системы:

• авторы учебных курсов;

• преподаватели;

• обучаемые.

Каждой из этих категорий следует предоставить набор инструментальных средств, выполняющих необходимый, для их работы, набор функций. При проектировании программных компонентов, входящих в состав МОС, с учетом принципов, изложенных в главе 5, были разработаны следующие требования к интерфейсу, позволяющие сделать общение с системой интуитивно понятным:

1. Стиль общения с программой должен быть максимально приближен к стандарту Common User Access (CUA) [198], предложенному фирмой IBM и используемому в таких ОС, как WINDOWS и OS/2.

3. Использование для работы с программной системой как клавиатуры, так и манипулятора "мышь".

5. Динамический вывод, в нижнюю часть экрана, информации о назначении выбранного пользователем пункта меню, пиктограммы или кнопки.

Для реализации изложенных выше требований были использованы возможности, предоставляемые библиотекой OWL. Данная библиотека позволяет создавать приложения полностью соответствующие стандарту CUA. OWL дает возможность использовать диалоговые панели, содержащие стандартные интерфейсные элементы (списки значений, кнопки выбора и др.), которые были созданы с использованием редактора ресурсов Resource Workshop.

Для выполнения стандартных действий (открытие, запись файла) используются стандартные диалоговые панели. В соответствии с разработанной архитектурой, в МОС можно выделить ряд подсистем, выполняющих законченный набор действий. Каждая из них реализована в виде программного модуля.

При разработке программной системы была использована технология объектно-ориентированного программирования (ООП) [125]. Это позволило представить программный комплекс в виде совокупности объектов. Каждый из них является реализацией класса, а кассы образуют иерархию на принципах наследуемости. Объект инкапсулирует данные и обладает набором методов, позволяющих выполнять над ним определенные действия. Метод ООП позволяет создавать программные системы высокое степени сложности с возможностью более легкой модификации, по сравнению с методами структурного программирования.

При организации рабочей среды пользователя особенно важно обеспечить удобные средства для вызова внешних программ, с по

250

В связи с тем, что с МОС могут работать неподготовленные пользователи, была обеспечена возможность получения оперативной помощи, содержащей информацию о назначении клавиш, пунктов меню, а также порядке и способах выполнения базовых операций (поиск информации, навигация, выход из программы и др.).

Система помощи построена таким образов, что обеспечивает возможности поиска в ней по ключевым словам, а также перехода между ее фрагментами по гипертекстовым ссылкам.

В соответствии с разработанными принципами проектирования и построения автоматизированных систем, а также архитектурой, разработанной в главе 2, программная реализация МОС представляет совокупность автономных взаимосвязанных модулей.

6.2. Модуль СУДМОС

Деятельность подсистем СУДМОС, выделенных при функциональном моделировании, описывается миниспецификациями, приведенными ниже.

МС 1.1 Проверка наличия фрагмента в БП Вход:Запрос [идентификатор фрагмента] Начало алгоритма

Для каждого дескриптора БП выполнить

Если Запрос.Идентификатор фрагмента = = Дескриптор.Идентификатор фрагмента то передать Монитору информацию об удовлетворенном запросе; выдать фрагмент; Конец если Конец для Конец алгоритма

Вход:Запрос [идентификатор фрагмента] Начало алгоритма передать Монитору Запрос; получить от Монитора Ответ; Если Ответ = отказ то передать учащемуся отказ Иначе передать процессу 1.3 (Запрос, Ответ.адрес источника) Конец если Конец алгоритма

МС 1.3 Выборка фрагмента по адресу

Вход:Запрос [идентификатор фрагмента], Адрес источника Начало алгоритма передать в Сеть Адрес источника^ Запрос; передать Монитору информацию о состоянии; получить из Сети Ответ; передать Монитору информацию о состоянии; Если Ответ = отказ то передать процессу 1.2 Запрос; передать Монитору информацию об отказе Иначе разместить в БП фрагмент; передать Монитору информацию о размещении; передать Монитору информацию об удовлетворении запроса

252

Конец если Конец алгоритма

МС 1.4 Выдача фрагмента по адресу

Вход: Идентификатор фрагмента, Идентификатор получателя Начало алгоритма

Для каждого дескриптора БП выполнить

Если Дескриптор.Идентификатор фрагмента = = Идентификатор фрагмента то передать Монитору информацию о состоянии; передать РС (Идентификатор получателя) фрагмент (Дескриптор.Адрес фрагмента); передать Монитору информацию о состоянии; Конец если Конец для передать РС (Идентификатор получателя) отказ Конец алгоритма

МС 1.5 Выдача состояния Начало алгоритма

Для каждого дескриптора БП выполнить передать Монитору информацию о размещении Конец для Конец алгоритма

МС 2.1.1 Выбор возможных источников Вход:Запрос [идентификатор фрагмента]

253

Начало алгоритма сформировать список идентификаторов РС, хранящих фрагмент (Запрос.Идентификатор фрагмента); передать сформированный список процессу 2.1.2 Конец алгоритма

МС 2.1.2 Выбор свободных источников Вход:Список источников Начало алгоритма

Для каждого идентификатора РС из Списка источников выполнить

Библиография Голубятников, Игорь Владимирович, диссертация по теме Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

1. МС 2.3.1 Размещение записи об удовлетворении запроса локальной БП в журнале запросов Вход:Запрос Начало алгоритмасоздать запись в журнале со следующими значениями атрибутов:

2. Запрос.Идентификатор РС-источника запроса, Запрос.Идентификатор фрагмента,2551. Запрос.Момент запроса,

3. Момент удовлетворения запроса = Запрос.Момент запроса

4. Способ удовлетворения запроса = Локальный Количество переадресаций = О

5. Источник данных фрагмента = Запрос.Идентификатор РС источника запроса. Конец алгоритма

6. МС 2.3.2 Изменение состояния РС или сервера Вход:Запрос идентификатор РС/сервера, состояние, момент завершения состояния. Начало алгоритмаизменить запись в таблице состояний, соответствующую РС/серверу Конец алгоритма

7. МС 2.3.3 Изменение таблицы размещения

8. Вход:Запрос идентификатор РС, идентификатор фрагмента,признак обладания. Начало алгоритма

9. Если Запрос.Признак обладания = "истина" то добавить к Таблице размещения запись Запрос.Идентификатор РС, Запрос.Идентификатор фрагмента. Иначеудалить из Таблицы размещения запись Запрос.Идентификатор РС, Запрос.Идентификатор фрагмента.256

10. Конец если Конец алгоритма

11. МС 3.1 Проверка наличия фрагмента на сервере Вход:Запрос идентификатор фрагмента, идентификатор курса, идентификатор РС получателя.2571. Начало алгоритма

12. МС 3.2 Выдача фрагмента сервером

13. Вход:Запрос идентификатор фрагмента, идентификаторкурса, идентификатор РС получателя. Начало алгоритмавыбрать из ОК данные фрагмента (Запрос.Идентификатор фрагмента) и передать их РС(идентификатор РС получателя)1. Конец алгоритма

14. МС 4.1 Выявление адресата Вход:Запрос, Адрес источника Начало алгоритма

15. Если Адрес источника = идентификатор сервера топередать Запрос на сервер Иначепередать Запрос РС(Адрес источника) Конец если Конец алгоритма258

16. Функционирование Клиента СУДМОС

17. При запуске Клиента СУДМОС, приложение Клиента создает сокет, передает широковещательное сообщение поиска Монитора СУДМОС и освобождает сокет.

18. При получении Клиентом запроса на фрагмент ОК от АОС, приложение Клиента создает сокет, устанавливает на нем канал связи с Монитором, передает запрос Монитору, закрывает канал связи и освобождает сокет.

19. При запуске Монитора СУДМОС, приложение Монитора создае т сокет, передает широковещательное сообщение о своем присутствии в сети и освобождает сокет.

20. При получении Монитором сообщения Клиента о наличии фрагмента или сообщения Клиента об отсутствии фрагмента, соответственно модифицируется таблица размещения фрагментов Служебной БД Монитора.

21. При получении Монитором сообщений Клиента или Сервера о занятости или доступности, соответственно модифицируется таблица состояний участников сети Служебной БД Монитора. Функционирование Сервера СУДМОС

22. При запуске Сервера СУДМОС, приложение Сервера создает сокет, передает широковещательное сообщение поиска Монитора СУДМОС и освобождает сокет.

23. При получении Сервером сообщения Монитора о своем присутствии в сети, Сервер создает сокет, устанавливает на нем канал связи с Монитором, передает Монитору сообщение о своем подключении к сети, закрывает канал связи и освобождает сокет.

24. Выбор из оставшихся вариантов, в значительной степени сходных между собой, обусловлен преимуществом формата Paradox над форматом dBase в количестве разнообразных типов полей, позволяющим более гибко реализовать хранение данных.

25. Таким образом, буферная память реализуется средствами создания и манипулирования базами данных в формате Paradox 5.0. Выбор способа организации служебной БД Монитора СУДМОС

26. В целях повышения однородности разработанной системы, представляется целесообразным применение единого средства доступа к локальным данным, поэтому служебная БД реализуется средствами создания и манипулирования базами данных в формате Paradox 5.0.

27. Структура БД буферной памяти Клиента СУДМОС

28. Служебная таблица не индексируется. Таблица фрагментов индексируется по первичному ключу "адрес фрагмента". Структура служебной БД Монитора СУДМОС

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00